材料科学与工程导论-兰州大学

3）氮化硅陶瓷 氮化硅是共价键化合物，有两种晶形，即 -Si3N4和- Si3N4 。前者为针状，后者为 颗粒状晶体，均为六方晶系。氮化硅结构 中氮和硅键合力很强，所以极其稳定，具 有良好的化学稳定性。除了氢氟酸外，能 耐各种无机酸和碱溶液的腐蚀，也能抵抗 熔融非铁金属（如铅、铝、锡、锌、镍、 铂、黄铜）的侵蚀。氮化硅有优异的电绝 缘性能，硬度高，耐磨性好，摩擦系数小， 而且有自润滑性，热膨胀系数小，有优越 的抗高温蠕变性能和抗热震性能。
在0.1MPa N2中到3000 ℃才分解，但在氧 化气氛中分解温度为1000℃左右。 应用领域包括：热电偶套管，半导体散热 绝缘零件，火箭燃烧室内衬，宇宙飞船热 屏蔽材料。BN粉末可作耐高温、高载荷、 耐腐蚀的润滑剂，在玻璃和金属成型中作 脱模剂。 6）碳化硅陶瓷 碳化硅陶瓷主要有两种晶型：
一种-SiC属六方晶系，是高温稳定型； 一种-SiC属等轴晶系，是低温稳定型。 -SiC向-SiC的转变起始于2100℃，速度 很慢，到2400 ℃迅速转变。 最大特点是高温强度大，抗弯强度高， 常温硬度高，耐磨性好。此外与各种酸 都不起作用，耐蚀性强。 应用范围包括：机械测量用的量规、精 密轴承、压缩机的汽缸和活塞、火箭尾 部喷气管、燃烧室内衬、热核反应堆材 料和火箭头部雷达天线罩。
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3）敏感陶瓷 ( Sensitive Ceramics)
感陶瓷绝大部分由各种氧化物组成， 这些氧化物具有比较宽的禁带 （Eg≥3eV）。 目前已应用的敏感半导体陶瓷分为： 利用晶体本身性质： NTC 热敏电阻、 高温热敏电阻、氧气传感器。 利用晶界和晶粒析出相性质：PTC热敏 电阻、ZnO系压敏电阻。
从晶体结构看，压电陶瓷通常属于钙 钛矿型（ABO3)、钨青铜型、焦绿石型、 含铋层结构。 目前应用最广泛的压电陶瓷有钛酸钡、 钛酸铅、PLZT（钛酸铅锆）等。 应用范围包括：作为换能器用于传声 器、电视机遥控器、声纳、超声探伤 仪；还是一种理想的高压电源，用于 点火、触发和引爆。钛锆酸铅作为 “火石”，可打火100万次以上。
利用表面性质：包括各种热敏、气敏、
在 尖端技术方面，可用作火箭头、人造卫
星返回大气层防燃烧的遮板等。 常用硬质合金有以下几种： WC-Co 硬质合金，牌号为 YG ，其后的数字 为钴的含量。例如YG6，表示钴含量为6%。 钴含量越高，韧性和结构强度越好，硬度 和耐磨性稍有降低。 WC-TiC-Co 硬质合金，牌号为 YT ，后面的 数字表示TiC含量。红硬性较YG好，不粘刀， 韧性和强度低些。适用于车、铣、刨和精 加工。
4）立方氮化硼
立方氮化硼是人工合成的一种硬度、耐 磨性仅次于人工金刚石的材料。耐热性 高于人工金刚石，可达（1300~1500℃）。 具有高的硬度、热稳定性、化学惰性和 极好的导热性，它的抗氧化性和化学稳 定性比金刚石和硬质合金都好。金刚石 在500~700 ℃开始氧化，立方氮化硼在 1300 ℃以下不会氧化；
2、 工具陶瓷（Tools ceramics）
工具陶瓷要求具有高的硬度，一定的 强度和韧度，高的热硬性和耐磨性。 常用的工具陶瓷有硬质合金、氧化物 基陶瓷、金刚石和六方氮化硼。 1）硬质合金 硬质合金又称粘结碳化物，有金属粘 结相和碳化物硬质相组成，也属于复 合材料。其中硬质相主要成分是WC、 TiC，其次是TaC、NbC、VC等。金属
氧化铝陶瓷属于刚玉晶体，由离子键 结合，所以氧化铝陶瓷的强度和硬度 较高，同时具有较高的高温性能和耐 腐蚀性能，而且高温蠕变很小。氧化 铝具有优良的电绝缘性能，特别是高 频下的电绝缘性能，每毫米厚度可耐 电压8kV以上。缺点是脆性较大，不能 承受冲击载荷，且抗热震性差，不能 承受环境突然变化。 应用范围：熔化金属的坩埚、高温热 电偶套管、高温管式炉炉管、化工用 泵的密封滑环、机轴套和汽车火花塞 等。
主要用途包括：大管件的加工，如长 炮筒和长枪管调质钢的粗车和半精车； 汽车制动鼓、盘形制动器、飞轮和汽 缸套筒的快速粗、精加工。 3）人造金刚石 人造金刚石是在高压、高温和其他条 件配合下由石墨转化而成。人造金刚 石硬度高达10000HV，是人工合成的硬 度最高的刀具材料。还具有极高的弹 性模量和最高的导热率，在室温下 （300K）导热率是铜的5倍
2）氧化锆陶瓷
氧化锆是仅次于氧化铝的结构陶瓷。 氧化锆陶瓷具有密度大、硬度高、耐 火度高、化学稳定性好的特点，特别 是其抗弯强度和断裂韧性在所有陶瓷 中是较好的。应用领域包括：汽缸内 衬、活塞顶；发动机转子；耐磨耐腐 蚀的轴承；化学工业用泥浆泵密封件， 叶片和泵体；拉丝模，拉管模等模具； 以及原子反应堆工程用高温结构材料。
还有特别重要的一个分支是耐火材料， 大约有 40% 的耐火材料是烧结粘土制品， 另外 40% 是重质的非粘土耐火材料，如 镁砖、铬砖。此外，还有各种特殊耐火 材料。 四、先进陶瓷 先进陶瓷是指具有特殊力学、物理或化 学性能的陶瓷，主要用于现代工业和尖 端科学。根据性能特点和用途，可以细 分为结构陶瓷、功能陶瓷和工具陶瓷。
术陶瓷、和精密陶瓷等； 按照原材料可以分为传统陶瓷和先进陶瓷。
三、传统陶瓷 传统陶瓷工业又可以称为硅酸盐工业， 主要是粘土制品、水泥和硅酸盐玻璃。 第一大分支是各类玻璃制品的制造业， 绝大多数是制成纳-钙-硅酸盐玻璃； 第二大分支是石灰及水泥制品； 第三个分支是搪瓷，主要是覆盖在金属 上的硅酸盐玻璃质涂层； 第四个分支是建筑用的粘土制品，主要 有砖、瓦、排水管等；
1、 结构陶瓷（Structural ceramics） 结构陶瓷具有耐磨损、高强度、耐热 冲击、硬质、高刚性和低热膨胀性等 特点。主要用于能源、航空航天、机 械、汽车、冶金、化工、电子和生物 等方面。 1）氧化铝陶瓷 氧化铝陶瓷是一种以-Al2O3为主晶相 的陶瓷材料，其中- Al2O3含量在 75%~99%之间，习惯以配料中Al2O3的 百分含量来命名，如75瓷、95瓷和99瓷。
应用领域包括：热电偶套管的理想材料； 拉拔不锈钢管的浮动芯棒；非铁金属熔 炼和铸造时的铸模、坩埚、马弗炉炉膛、 燃烧嘴和金属热处理支架。燃气机的叶 片。以及各种刀具。 4）塞隆（Sialon） 塞隆陶瓷是Si-Al-O-N系统，即在Si3N4中 添加不同量的Al2O3构成Si-Al-O-N体系新 型陶瓷材料。塞隆的主要组分是Si，O和 N，基本结构单元为（Si，Al)（O，N） 四面体。
根据结构和组分不同，塞隆分为’-塞隆， ’-塞隆，’-塞隆。塞隆属六方晶系， Al2O3溶入Si3O4中并不改变原来- Si3O4结 构。其性质随Al2O3含量变化。 塞隆陶瓷具有较低的热膨胀系数（2~3） 10-6K-1、高的耐腐蚀性、优良的抗氧化 性、很高的常温和高温强度、很强的耐 磨性、良好的热稳定性和低比重。 应用领域包括：发动机部件、耐腐蚀夹 具、耐磨夹具和刀具材料。
问题： 1、银行卡、信用卡上的磁条是什么材料 制成 的？ 2、宇宙飞船重返大气层时，外部的耐高 温涂层是什么材料制成的？ 3、在油漆、颜料和涂料中最常加入那种 陶瓷材料？ 4、在骨头和牙齿中有那种陶瓷材料？ 5、火花塞是由什么材料制成的？
第十二章 陶瓷的结构和特性 12.1 引言 一、历史回顾 传统陶瓷已经具有几千年的历史, 主要 指以粘土、长石、燧石为主要原料加 其它天然矿物原料经过粉粹-混炼-成型 - 煅烧等过程而制成的各种制品，主要 是指陶器和瓷器，还包括玻璃、搪瓷、 耐火材料、砖瓦、水泥、石灰、石膏 等人造无机非金属材料制品。
WC-TiC-TaC-Co硬质合金，牌号为YW， 称为万能硬质合金。兼有上述两种硬 质合金的优点，耐磨性好，韧性和强 度也都很高，可用来对难加工的材料， 如耐热钢和合金等进行粗、精加工。 钢结硬质合金是一种新型硬质合金。 其中碳化物含量较少，大约为30%，粘 结剂为各种合金钢或高速钢粉末。优 点是可以像钢一样进行冷热加工及热 处理。
二、陶瓷分类
按照化合物种类进行分类：氧化物、碳化物、
氮化物、硫化物、氯化物等。
按照主要功能进行分类：电子陶瓷、磁性陶
瓷、光学陶瓷、汽车陶瓷、结构陶瓷、生物医 学陶瓷、建筑陶瓷、化学陶瓷、艺术陶瓷、日 用陶瓷、其他陶瓷 陶瓷的性质可分为土器、陶器、瓷器等；
按照用途可以分为日用陶瓷、建筑陶瓷、艺
1）电容器陶瓷 (Capacitor Ceramics) 电容器陶瓷按性质分为四大类：非铁 电电容器陶瓷；铁电电容器陶瓷；反 铁电电容器陶瓷；半导体电容器陶瓷。 这四类电容器的主要区别在于介电常 数的变化规律的不同。 2）压电陶瓷 (Piezoelectric Ceramics) 压电陶瓷包括：压电陶瓷、热释电陶 瓷和铁电陶瓷三种。
人面鱼纹彩陶盆
黑陶双系罐， 新石器 时代龙山文 化
白陶
白釉饕餮纹双耳壶，青花缠枝牡丹纹玉壶春瓶
瓷器
三彩胡人牵骆驼俑
素三彩海蟾纹三足洗
粉彩钟馗醉酒像
青花飞凤 麒麟纹盘
洒蓝釉描金花卉纹带盖糊斗
二十世纪四十年代，新型高性能先进 陶瓷出现，包括：结构陶瓷、复合材 料、功能陶瓷、半导体材料、新型玻 璃、非晶态材料和人工晶体等。 在化学组分上，无机非金属材料已经 不局限于硅酸盐，还包括其他含氧酸 盐、氧化物、氮化物、碳与碳化物、 硼化物、氟化物、硫系化合物、硅、 锗、III-V组化合物和II-VI组化合物。
在液氮温度下是铜的25倍。金刚石是极 好的绝缘体，室温电阻率高达1016Ω.cm。 可以用来加工硬质合金、陶瓷、耐磨塑 料及玻璃等硬、脆材料，还可以加工有 色金属。但是，金刚石刀具不宜加工黑 色金属，因为铁和碳原子易产生粘结作 用加速刀具的磨损。工具表面镀金刚石 薄膜，寿命可以提高几倍到几十倍，金 刚石薄膜还可以作计算机集成电路基板、 高保真扬声器振动膜和光学窗口保护膜。

2）氧化物基金属陶瓷 其中应用最广泛的是氧化铝基金属陶 瓷，粘结剂为铬，质量分数不超过10%。 铬的高温性能好，因此改善了氧化铝 陶瓷的韧性和热稳定性。也可以加入 镍或铁作粘结剂改进陶瓷的高温性能。 氧化铝陶瓷的最主要问题依然是脆性 和较低的热稳定性。优点是红硬性高 （达 1200℃），抗氧化性好，高温强 度高，粘着倾向小，可以提高加工精 度和表面光洁度。
金刚石在700 ℃开始溶解于铁，WC-Co 合金在600~700 ℃开始同钢粘结，而 CBN在1150 ℃以上开始同钢发生反应， 同镍反应温度超过1100 ℃，同铝反应 温度为1050 ℃。 CBN的重要应用是刀具、模具，还可 以制成拉丝模、散热片、中子折射窗 口和高温半导体。
3、功能陶瓷 (Functional Ceramic) 功能陶瓷是指应用时利用其非力学性 能的材料。这类材料通常具有电、热、 磁、光、化学、生物等多种功能，还 具有压电、压磁、热电、电光、声光、 磁光等耦合功能。 功能材料的应用范围包括：能源开发、 空间技术、电子技术、传感技术、激 光技术、光电子技术、红外技术、生 物技术和环境科学等领域。
粘结相用铁系金属及合金，以钴为主。 硬质合金综合了碳化物的高硬度、耐磨性 和金属粘结相的抗机械冲击性和抗热冲击 性能。红硬性可达800-1000℃。 应用领域包括：切削工具、金属成型工具、 矿山工具、表面耐磨材料和高刚度结构件。 做刀具，切削速度比高速钢高 47 倍；作 冷模具，寿命可提高 10倍以上。普通硬质 合金（ wCo≤1 ），主要用于制作车刀、镗 刀、铣刀等刀具，还可作地质和石油钻探 中的旋转钻进钻头；
5）六方氮化硼 属六方晶系，结构与石墨相似，具有良 好的润滑性和导热性，有“白石墨”之 称。与石墨不同的是BN结构中没有自由 电子，是绝缘体。 纯六方BN的莫氏硬度为2，强度较低，比 石墨稍高些，在高温下没有荷重软化， 也没有高温下强度迅速下降的现象。BN 密度为2.27g/cm3。六方BN晶体在惰性气 体中熔点>3000 ℃，沸点>5067℃，可以 使用到2800 ℃以上。