第7章 陶瓷基复合伙料
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1 ）高强度、高温稳定性：装饰瓷，喷嘴、火箭、导弹 的导流罩 ； 2 ）高硬度、高耐磨性：切削工具，模具，磨料，轴承，
人造宝石；
3）低的介电损耗、高电阻率、高绝缘性：火花塞，电 路基板，管座； 4）熔点高、抗腐蚀：耐火材料，坩埚，炉管，热电偶保护套等； 5）离子导电性：太阳能电池材料和蓄电池材料等。 6）生物相容性：还可用于制作人工骨骼和人造关节等。
闪锌矿 BeO 纤维 锌矿 萤石 ZnO
简单立方
ThO2,CaO2,PrO2,UO2,ZrO2,Hf O2, NpO2,PuO2,AmO2
面心立方
全部四面体 间隙
反萤石 Li2O,Na2O,K2O,Rb2O
畸 形 面 心 立 1/2八面体间隙 方
金红石 Al2O3,Fe2O3,Cr2O3,Ti2O3,V2O3, Ga2O3,Rh2O3
部分稳定氧化锆组织
部分稳定氧化锆的导热率低，绝热性好；
热膨胀系数大，接近于发动机中使用的金属，
抗弯强度与断裂韧性高，除在常温下使用外，
已成为绝热柴油机的主要侯选材料，如发动
机汽缸内衬、推杆、活塞帽、阀座、凸轮、
轴承等。
性能与应用 1）热导率小，化学稳定性好、耐腐蚀性高：可用于高温绝缘材料、耐火 材料，如熔炼铂和铑等金属的坩埚、喷嘴、阀心、密封器件等： 2）硬度高，耐磨性好：可用于制造切削刀具、模具、剪刀、高尔夫球棍 头等。 3）具有敏感特性：可做气敏元件，还可作为高温燃料电池固体电解隔膜、 钢液测氧探头等。
基体材料 — 氧化物陶瓷
大多数典型的陶瓷特别是特种陶瓷的 主要组成 和晶体相。主要由离子键结合，也有一定成分的共价 键。其结构取决于结合键类型、各种离子的大小以及 在极小空间保持电中性的要求。
陶瓷最重要的氧化物是几种简单类型的氧化物AO， AO2，A2O3，ABO3和AB2O4等（A，B表示阳离子）。
结构特点：氧离子（一般比阳离子大）进行紧密 排列、金属阳离子位于一定的间隙中，最重要的是四 面体和八面体间隙）。
结构 类型
A2O3
氧离子排 列方式
密排六方
阳离子填充方式
2/3八面体间隙
结构名 称
刚玉
举例
Al2O3, Fe2O3,Cr2O3,Ti2O3,V2O3,Ga2O 3,Rh2O3 FeTiO3,NiTiO3,CoTiO3 CaTiO3, SrTiO3,SrSnO3,SrZrO3,SrHfO 3, BaTiO3 FeAl2O4, ZnAl2O4,MgAl2O4
ABO3
密排六方 面心立方
2/3 八 面 体 间 隙 钛铁矿 (A,B)
1/4八面体间隙 (B)
钙钛矿
AB2O4
面心立方
1/8四面体(A) 尖晶石 1/2 八 面 体 间 隙 (B)
1/8四面体(A) 反尖晶 1/8 八 面 体 间 隙 石 (A,B) 1/2八面体(A) 橄榄石 1/8 四面体间隙 (B)
陶瓷材料还具有密度小、弹性 模量大、耐磨损、强度高等特 点。
脆性陶瓷硬度压痕周围的裂纹
功能陶瓷还具有电、光、磁等 特殊性能。
基体材料
氧化物陶瓷： 氧化铝、氧化锆、氧化铍、莫来石陶瓷 非氧化物陶瓷： 氮化硅、氮化硼和氮化钛陶瓷、 碳化硅、碳化硼、碳化钛、二硅化钼陶瓷
增强体材料
颗粒增强体 纤维增强体
下来的。
陶瓷材料的结合键特点
陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、
硅化物等，因而其结合键以离子键(如Al2O3)、共价
键(如Si3N4)及两者的混合键为主。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
离子键
共价键
陶瓷材料的性能特点
陶瓷材料具有高熔点、高硬度、 高化学稳定性，耐高温、耐氧 化、耐腐蚀等特性。
韧 性 陶 瓷 硬 度 压 痕
面心立方
FeMgFeO4, MgTiMgO4
密排六方
Mg2SiO4, Fe2SiO4
结构类 型 AO2
氧离子排列 方式 面心立方 面心立方 面心立方
阳离子填充方 式 全部八面体间 隙 1/2四面体间隙 1/2四面体间隙 1/2立方体间隙
结构名 称 岩盐
举例 MgO, CaO, SrO, BaO, CdO,VO, MnO, FeO, CoO, NiO
陶瓷材料的特点
陶瓷材料的相组成特点 陶瓷材料通常由三种不同的相组成，即 晶相(1)、玻璃相(2)和气相(3)[气孔]。
晶相是陶瓷材料中主要的组成相，决定陶瓷材料物理化学性质的主要是晶相。 玻璃相的作用是充填晶粒间隙、粘结晶粒、提高材
料致密度、降低
烧结温度和抑制
晶粒长大。
气相是在工艺过
程中形成并保留
纯氧化物陶瓷
氧化铝陶瓷 Al2O3＋少量SiO2。根据Al2O3含量可分为刚玉-莫来瓷（75瓷，wAl2O3=75%） 和刚玉瓷（95瓷，99瓷）。
晶体结构
氧化铝有十多种同素异构体，但常见的主要有 三种： α-Al2O3、β-Al2O3 、γ-Al2O3 。
制备方法：
原料煅烧
配料
球磨
成形
烧结
性能与应用：
氧化锆陶瓷
晶体结构
m-ZrO2：单斜晶系（＜1170℃）
t- ZrO2：四方晶系（1170～2370 ℃）
c-ZrO2：立方晶系（2370～2715 ℃）
备注：氧化锆熔点为2715 ℃。
氧化锆的晶型转变：立方相⇌四方相⇌单斜相。四 方相转变为单斜相非常迅速，引起很大的体积变化， 易使制品开裂。
在氧化锆中加入某些氧化物(如CaO、MgO、Y2O3等)
能形成稳定立方固溶体，不再发生相变，具有这种结 构的氧化锆称为完全稳定氧化锆(FSZ)，其力学性能 低，抗热冲击性差。
减少加入的氧化物数量，使部分氧化物以四方相的形式存在。由于这种材料只 使一部分氧化锆稳定，所以称部分稳定氧化锆(PSZ)。
氧化锆中四方相向单斜相的转变可通过应力诱发产生。 当受到外力作用时，这种相变将吸收能量而使裂纹尖 端的应力场松弛，增加裂纹扩展阻力，从而大幅度提 高陶瓷材料的韧性。
第七章 陶瓷基复合材料
与陶瓷材料相比：高韧性，良好的抗疲
劳性；
与树脂基材料相比：高硬度，良好的导
电、导热性；
与金属类材料相比：高硬度、耐磨性，
优秀的高温性能。
陶瓷的概念
传统上，陶瓷的概念是指以粘土及其天然矿 物为原料，经过粉碎混炼、成型、焙烧等工艺过 程所制得的各种制品。亦称为“普通陶瓷”。 广义的陶瓷概念是用陶瓷生产方法制造的无 机非金属固体材料和制品的统称。
人造宝石；
3）低的介电损耗、高电阻率、高绝缘性：火花塞，电 路基板，管座； 4）熔点高、抗腐蚀：耐火材料，坩埚，炉管，热电偶保护套等； 5）离子导电性：太阳能电池材料和蓄电池材料等。 6）生物相容性：还可用于制作人工骨骼和人造关节等。
闪锌矿 BeO 纤维 锌矿 萤石 ZnO
简单立方
ThO2,CaO2,PrO2,UO2,ZrO2,Hf O2, NpO2,PuO2,AmO2
面心立方
全部四面体 间隙
反萤石 Li2O,Na2O,K2O,Rb2O
畸 形 面 心 立 1/2八面体间隙 方
金红石 Al2O3,Fe2O3,Cr2O3,Ti2O3,V2O3, Ga2O3,Rh2O3
部分稳定氧化锆组织
部分稳定氧化锆的导热率低，绝热性好；
热膨胀系数大，接近于发动机中使用的金属，
抗弯强度与断裂韧性高，除在常温下使用外，
已成为绝热柴油机的主要侯选材料，如发动
机汽缸内衬、推杆、活塞帽、阀座、凸轮、
轴承等。
性能与应用 1）热导率小，化学稳定性好、耐腐蚀性高：可用于高温绝缘材料、耐火 材料，如熔炼铂和铑等金属的坩埚、喷嘴、阀心、密封器件等： 2）硬度高，耐磨性好：可用于制造切削刀具、模具、剪刀、高尔夫球棍 头等。 3）具有敏感特性：可做气敏元件，还可作为高温燃料电池固体电解隔膜、 钢液测氧探头等。
基体材料 — 氧化物陶瓷
大多数典型的陶瓷特别是特种陶瓷的 主要组成 和晶体相。主要由离子键结合，也有一定成分的共价 键。其结构取决于结合键类型、各种离子的大小以及 在极小空间保持电中性的要求。
陶瓷最重要的氧化物是几种简单类型的氧化物AO， AO2，A2O3，ABO3和AB2O4等（A，B表示阳离子）。
结构特点：氧离子（一般比阳离子大）进行紧密 排列、金属阳离子位于一定的间隙中，最重要的是四 面体和八面体间隙）。
结构 类型
A2O3
氧离子排 列方式
密排六方
阳离子填充方式
2/3八面体间隙
结构名 称
刚玉
举例
Al2O3, Fe2O3,Cr2O3,Ti2O3,V2O3,Ga2O 3,Rh2O3 FeTiO3,NiTiO3,CoTiO3 CaTiO3, SrTiO3,SrSnO3,SrZrO3,SrHfO 3, BaTiO3 FeAl2O4, ZnAl2O4,MgAl2O4
ABO3
密排六方 面心立方
2/3 八 面 体 间 隙 钛铁矿 (A,B)
1/4八面体间隙 (B)
钙钛矿
AB2O4
面心立方
1/8四面体(A) 尖晶石 1/2 八 面 体 间 隙 (B)
1/8四面体(A) 反尖晶 1/8 八 面 体 间 隙 石 (A,B) 1/2八面体(A) 橄榄石 1/8 四面体间隙 (B)
陶瓷材料还具有密度小、弹性 模量大、耐磨损、强度高等特 点。
脆性陶瓷硬度压痕周围的裂纹
功能陶瓷还具有电、光、磁等 特殊性能。
基体材料
氧化物陶瓷： 氧化铝、氧化锆、氧化铍、莫来石陶瓷 非氧化物陶瓷： 氮化硅、氮化硼和氮化钛陶瓷、 碳化硅、碳化硼、碳化钛、二硅化钼陶瓷
增强体材料
颗粒增强体 纤维增强体
下来的。
陶瓷材料的结合键特点
陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、
硅化物等，因而其结合键以离子键(如Al2O3)、共价
键(如Si3N4)及两者的混合键为主。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
离子键
共价键
陶瓷材料的性能特点
陶瓷材料具有高熔点、高硬度、 高化学稳定性，耐高温、耐氧 化、耐腐蚀等特性。
韧 性 陶 瓷 硬 度 压 痕
面心立方
FeMgFeO4, MgTiMgO4
密排六方
Mg2SiO4, Fe2SiO4
结构类 型 AO2
氧离子排列 方式 面心立方 面心立方 面心立方
阳离子填充方 式 全部八面体间 隙 1/2四面体间隙 1/2四面体间隙 1/2立方体间隙
结构名 称 岩盐
举例 MgO, CaO, SrO, BaO, CdO,VO, MnO, FeO, CoO, NiO
陶瓷材料的特点
陶瓷材料的相组成特点 陶瓷材料通常由三种不同的相组成，即 晶相(1)、玻璃相(2)和气相(3)[气孔]。
晶相是陶瓷材料中主要的组成相，决定陶瓷材料物理化学性质的主要是晶相。 玻璃相的作用是充填晶粒间隙、粘结晶粒、提高材
料致密度、降低
烧结温度和抑制
晶粒长大。
气相是在工艺过
程中形成并保留
纯氧化物陶瓷
氧化铝陶瓷 Al2O3＋少量SiO2。根据Al2O3含量可分为刚玉-莫来瓷（75瓷，wAl2O3=75%） 和刚玉瓷（95瓷，99瓷）。
晶体结构
氧化铝有十多种同素异构体，但常见的主要有 三种： α-Al2O3、β-Al2O3 、γ-Al2O3 。
制备方法：
原料煅烧
配料
球磨
成形
烧结
性能与应用：
氧化锆陶瓷
晶体结构
m-ZrO2：单斜晶系（＜1170℃）
t- ZrO2：四方晶系（1170～2370 ℃）
c-ZrO2：立方晶系（2370～2715 ℃）
备注：氧化锆熔点为2715 ℃。
氧化锆的晶型转变：立方相⇌四方相⇌单斜相。四 方相转变为单斜相非常迅速，引起很大的体积变化， 易使制品开裂。
在氧化锆中加入某些氧化物(如CaO、MgO、Y2O3等)
能形成稳定立方固溶体，不再发生相变，具有这种结 构的氧化锆称为完全稳定氧化锆(FSZ)，其力学性能 低，抗热冲击性差。
减少加入的氧化物数量，使部分氧化物以四方相的形式存在。由于这种材料只 使一部分氧化锆稳定，所以称部分稳定氧化锆(PSZ)。
氧化锆中四方相向单斜相的转变可通过应力诱发产生。 当受到外力作用时，这种相变将吸收能量而使裂纹尖 端的应力场松弛，增加裂纹扩展阻力，从而大幅度提 高陶瓷材料的韧性。
第七章 陶瓷基复合材料
与陶瓷材料相比：高韧性，良好的抗疲
劳性；
与树脂基材料相比：高硬度，良好的导
电、导热性；
与金属类材料相比：高硬度、耐磨性，
优秀的高温性能。
陶瓷的概念
传统上，陶瓷的概念是指以粘土及其天然矿 物为原料，经过粉碎混炼、成型、焙烧等工艺过 程所制得的各种制品。亦称为“普通陶瓷”。 广义的陶瓷概念是用陶瓷生产方法制造的无 机非金属固体材料和制品的统称。