第五章陶瓷材料与工艺制作

• • 使用性能皆高于其他工具材料。 单晶体的纯氧化铝可作蓝宝石激光器；氧化铝管坯可用于纳蒸气 照明灯泡。
（1）氧化物陶瓷
• 氧化铍[pí ]陶瓷：
– 最大特点：导热性极好,所以热稳定性很高。 – 强度性能虽不高,但抗热冲击性较高； – 消散高能辐射的能力强、热中子阻尼系数大等。 – 常用于制造坩埚, 还可作真空陶瓷和原子反应堆陶 瓷等。 – 还可制造气体激光管、晶体管散热片以及集成电 路的基片和外壳。
第四章 工业陶瓷及其加工技术
• 陶瓷 ——火与土凝结的艺术
主要内容


一、成份和特点 二、分类 三、性质 四、陶瓷在工业设计中的应用 五、陶瓷的制造 六、陶瓷的表面装饰技术
陶瓷定义
• ―陶瓷”这一名词源自古代希腊的“烧物”，它意味着陶器是经 焙烧而赋予其强度的材料，即陶瓷被定义为“经高温热处理工 艺所合成的非金属无机材料”。 • 目前，陶瓷为所有无机非金属材料的简称。陶瓷材料也常称为 硅酸盐材料。
四、陶瓷在工业设计中的应用
• 3．特种陶瓷（现代瓷、精细陶瓷或高性能陶 瓷）
– 在工业上主要是高温陶瓷，应用广，且很重要。 – 高温陶瓷主要包括扩：
• • • • （1）氧化物陶瓷 （2）硼化物陶瓷 （3）氮化物陶瓷 （4）碳化物陶瓷。
3．特种陶瓷
（1）氧化物陶瓷： • 常用的纯氧化物陶瓷有：
– AL2O3、ZrO2二氧化锆、MgO、CaO、BeO、Th02和U02等 熔点大多在2000℃以上,烧成温度在1800℃左右； 烧成温度时,氧化物颗粒发生快速烧结,形成大块陶瓷晶体 (是单相多晶体结构)，有时有少量气体产生； 强度随温度的升高而降低，但在1000℃以下一直保持较 高的强度随温度变化不大。 是高耐火度结构材料，在任何高温下都不会氧化。
一、成份和特点
• 传统意义的陶瓷主要指：
– 陶器和瓷器，也包括玻璃、搪瓷、耐火材料、 （硅酸盐类材料）砖瓦等。（用粘土、石灰 石、长石、石英等天然硅酸盐类矿物制成）
• 现今意义上的陶瓷：
– 变化巨大，许多新型陶瓷已经远远超出了硅 酸盐的范畴，是各种无机非金属材料的通称。
Baidu Nhomakorabea、成份和特点
• 陶瓷材料是由天然矿物质和人造化合物混合后，经磨 细、成型、烧结等工艺制成的。 • 化学成分：
• 全面的定义为：陶瓷是用天然或人工合成的粉状化合物，经过 成型和高温烧结制成的、由金属元素和非金属元素的无机化合 物构成的多相固体材料，包括陶器和瓷器，也包括玻璃、搪瓷、 石膏、水泥、石灰、砖瓦、耐火材料等人造无机非金属材料。
• 近20年来，陶瓷材料有巨大的发展，许多新型陶瓷的成分远超 出硅酸盐的范畴，陶瓷的性能面临重大的突破，陶瓷的应用已 渗透到各类工业、各种工程和各个技术领域。
• 应用方面：
– 发射荧光的陶瓷着色剂：发光陶瓷材料可以制成细粉，做为广泛用于各 种涂料（油漆）和低温下生产与使用的其他各种材料中（塑料、橡胶、 油墨、胶片、各种纸、搪瓷釉、陶瓷釉等）。 – 建筑装饰：可使建筑物的墙壁、门窗、厅柱、地面，在照明低的环境中 现出怡人的光辉和图案； – 用于工艺美术：可制成在暗处放出美丽光彩的各种艺术品。 – 交通运输：车辆夜间需显示的部位、标牌、道路、各类建筑物（障碍 物）、飞机轮胎在无照明情况下需显示各种标志。 – 日常生活用品：钟表盘、手表盘、各种电源开关，电话按键，文具玩具， 服装装饰、饰品等。
陶瓷刀
陶瓷刀(Ceramic knife) ,一种新型厨具，不容 易磨损变钝。 优点： ① 卫生抗菌：陶瓷晶粒细小，致密度高，可 减少细菌孳生机会，不与食物中的酸碱物质反 应，让食物口味完整保留。 ② 抗金属过敏：陶瓷材质目前广泛应用于牙 材、人工关节之应用，它与肌肤接触不会对人 体造成金属过敏现象 ③ 易清洁：使用完后可用水直接冲洗，易于 清洁。 ④ 材质特殊：陶瓷刀刃由一种先进陶瓷材 料所制，抗腐蚀，永不生锈。 ⑤ 抗摔：采用陶瓷粉料经过超高温烧结制成 ，质地比普通陶瓷紧密得多，相应可以耐受大 得多的压力。 缺点：一旦刀刃变钝，只能用特殊的金刚石 磨盘来磨刀刃，价格昂贵。
（4）气孔率与吸水率
• 气孔率是指陶瓷制品所含气孔的体积与 制品体积的百分比。
– 气孔率的高低和密度的大小是鉴别和区分各 种陶瓷的重要标志。
• 吸水率则反应陶瓷制品烧结后的致密程 度，随着陶瓷制品的用途不同而异。
四、陶瓷制品
• 1．日用器皿和瓷器 – 一般具有良好的光泽度、透明度,热稳定性和机械强度较 高。 – 日用陶瓷通常分四大类（根据瓷质）： • 长石质瓷：是国内外常用的日用瓷,也可作一般工业瓷制品； • 绢云母质瓷：是我国的传统日用瓷； • 骨质瓷：近些年来得到广泛应用,主要作高级日用瓷制品； • 滑石质瓷：我国发展的综合性能较好的新型高质日用瓷 – 高石英质日用瓷（最近几年我国研制成功）：石英质量 分数在40%以上,具有瓷质细腻、色调柔和、透光度好、 机械强度和热稳定性好等优点。
用途
新型陶瓷
氧化铝 氧化鋯 原料 炭化硅 氮化硅
优点: 高强度、耐高温、耐腐蚀或各种敏感特性； 原料易于制备、产品附加值高、应用广。
精陶
钠长石质瓷
釉及其分类
• 釉是指附着于陶瓷坯体表面的连续玻璃质层。 • 它具有与玻璃相似的某些物理与化学性质，但二者 并不完全相同。
– 釉在溶化时必须很粘稠而不流动， 才能保证在烧 成时保持它原有的表面而不会流走，且能在直立的 表面上不致下坠。 某些艺术釉例外，如流动釉等， 它们在烧成时反倒应该具有较大流动性。
（3）硼化物陶瓷
• 常见的有：硼化铬、硼化钼、硼化钛、硼化 钨和硼化锆。 • 特点：
– 高硬度，耐化学侵蚀，熔点范围1800℃—2500℃ 有较强的抗高温氧化能力，使用温度达1400℃。
• 主要应用于：
– 高温轴承、内燃机喷嘴、耐高温器件及电器触点。
（4）氮化物陶瓷
• 最常用的是：
– 氮化硅（Si3N4）(稳定的共价键晶体，键能高) – 氮化硼(BN)。
– 普通陶瓷（传统陶瓷）
• 日用、建筑、绝缘、化工、多孔陶瓷等
– 特种陶瓷（现代陶瓷）
• 按性能分类：
– 高强度、高温、耐磨、耐酸、压电、电介质、电光和光学、 半导体、磁性、生物、导电、结构、超导、快离子导体陶瓷 等；
• 按化学组成分类：
– 氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、复合陶瓷（如氧氮 化硅铝陶瓷等）、金属陶瓷、纤维增强陶瓷
传统陶瓷与现代陶瓷的对比 陶瓷
新型陶瓷 传统陶瓷
种类 原料 传统陶瓷
天然矿物原料
新型陶瓷
人工精制合成原料（氧化物和非氧化物两大 类） 注浆、压制、热压注、注射、轧膜、流延、 等静压成型为主
成型
烧结 加工 性能
注浆、可塑成型为主
结构陶瓷常需1600℃左右高温烧结，功能陶 温度一般在1350℃以下， 瓷需精确控制烧结温度，燃料以电、气、油 燃料以煤、油、气为主 为主 一般不需加工 以外观效果为主 炊、餐具、陈设品 常需切割、打孔、研磨和抛光 以内在质量为主，常呈现耐温、耐磨、耐腐 蚀和各种敏感特性 主要用于宇航、能源、冶金、交通、电子、 家电等行业
4．发光陶瓷材料
• 是具有稀土离子激活特殊晶体结构的新型材料。它是到目前为 止最好的一种蓄光、发光材料。 • 特点：
– 亮效率高、吸收和发射范围宽、荧光寿命长等优异光学性； – 该材料经吸收各种可见光后，在暗处余辉发光时间可持续十几个小时以 上。其发光强度和持续时间是硫化锌型荧光粉十数倍以上。其吸光、发 光可无限次重复； – 化学性能稳定，使用温度范围大；有良好的机械和热学性能。 – 无毒、无害、无放射性元素，无环境污染。
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特点：
– – –
–
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（1）氧化物陶瓷 氧化铝(刚玉)陶瓷：
– 根据含杂质的多少(在自然界中存在含少量Cr、Fe和Ti的 纯氧化铝)。氧化铝可呈红色(如红宝石)或蓝色(如蓝宝石)。 – 熔点2050℃；抗氧化性好； – 微晶刚玉的硬度极高(仅次于金刚石),并且其红硬性达 1200℃。 – 广泛用作： • 耐火材料（刚玉耐火砖、高压器皿、电炉炉管、热电偶 • 套管等）。还可做人骨、牙等。 • 要求高的各类工具（切削淬火钢刀具、金属拔丝模等）
• 陶瓷施釉的目的在于改善坯体的表面性能，提高力 学强度。
釉及其分类
• 陶瓷的釉料应有下列性质：
– （1）釉料必须在坯体烧结温度下成熟； – （2）釉料的组成要选择适当； – （3）釉料在高温溶化后，要具有适当的粘度 和表面张力； – （4）釉层质地坚硬，不易磕破或磨损。
釉的分类
三、陶瓷的性质
– 金属元素和非金属元素构成的简单化合物； – 或复杂的多项固体混合物。
• 结构组织：
– 离子晶体（大多）或共价晶体（较少）与含量不等的玻璃相 和气孔。
• 一般特点：
– 耐高温、耐磨等。但受配方、成型工艺条件（影响陶瓷晶粒 的大小、晶界形状、气孔大小及分布、组织均匀性等）等的 影响。
二、分类
• 陶瓷
• 用途不同,其性能的突出要求不一样。 • 例如：
– 日用陶瓷强调白度与强度； – 电瓷要求提高绝缘性； – 机电工程结构材料用陶瓷,强调综合性能（机械强度、 耐高温、耐腐蚀、耐摩擦及硬度）； – 功能陶瓷在电、磁、光、声、热、力等方面应有特 殊功能； – 化工陶瓷应有高耐腐蚀性,耐腐蚀、机械强度、抗冲 击强度和耐温度骤变。
四、陶瓷制品



2．普通工业用瓷 有石器和精陶，炻器是介于陶器和瓷器之间的一种陶瓷（如 水缸、沙锅）。 工业陶瓷按用途可分： 建筑卫生瓷：用于装钳板、卫生间装置及器具等,通常尺寸 较大,要求强度和热稳定性好； 电工瓷：主要指电器绝缘用瓷,也叫高压陶瓷,要求机械性 能高、介电性能和稳定性好。 化学、化工瓷：用于化工制药、食品等工业及实验室中的 管道设备、耐蚀容器及实验器皿等,通常要求耐介质腐蚀的 能力要强。
• 特点：
– 硬度高、摩擦系数小有自润滑作用。在1200℃以下具有较高的机 械性能和化学稳定性能、热膨胀系数小、抗冲击。可做高温下的 结构材料。
• 主要应用：高温轴承、转子叶片、刀具等。 • 氮化硼（BN）
– 具有石墨类型的六方晶体结构，又称白色石墨。 – 特点：硬度较低，可切削加工成型。导热和抗热性能高， – 在高压和1360℃,六方氮化硼会转化为立方氮化硼β-BN, 密度为 3045*103kg/m3,硬度提高到接近金石的硬度，可作金刚石的代用 品。用于刃磨切刀具、高温模具和磨料。 – 耐热性好，有自润滑作用，耐高温下的腐蚀、绝缘性好。 – 主要应用：高温耐磨材料和电绝缘材料。
（1）光学性质
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白度
– 白度指陶瓷材料对白光的反射能力。
透光度
–
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透光度是指瓷器允许可见透光的程度。常用透过瓷片的 光强度与入射在瓷片上的光强度之比来表示。 可透光程度与厚度、配料、烧制及显微结构有关。
光泽度指陶瓷器表面对可见光的反射能力。光泽度决定 于瓷器表面的平坦与光滑程度（光洁度）。
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光泽度
（2）碳化物陶瓷
• 包括：碳化硅、碳化硼、碳化铈、碳化钼、 碳化铌、碳化钛、碳化钨、碳化钽、炭化 钒、碳化锆等。 • 特点：熔点很高、硬度很大（近于金刚石）、耐 磨性很好。导热率很高，但耐高温氧化能力差（约 900℃—1000℃）。 • 性脆 • 主要应用于：制造加热元件（电炉内壁）、 砂轮及磨料等。
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（2）力学性质
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陶瓷材料最突出的缺点是脆弱，在外力的作用 下不发生显著的塑性变形即产生破坏 抗压强度很高，但是稍受外力冲击便发生脆裂， 这使陶瓷材料的应用受到局限； 陶瓷材料的硬度很高，有些陶瓷具有超硬的特 点，用作刀具材料 。 新型工业陶瓷有所改善。
（3）独特的物理化学性能
• 陶瓷材料耐高温，是电和热的不良导体， 能承受外界温度急剧变化而不损坏。 • 具有良好的耐酸能力，能耐有机酸和无机 酸及盐的侵蚀，但是抵抗碱的侵能力较弱。
（1）氧化物陶瓷
• 氧化锆陶瓷： – 熔点在2700℃以上,能耐2300℃的高温,推荐使用温度 – 为2000℃。 – 能抗熔融金属的侵蚀,所以多用作铂、锗等金属冶炼的坩埚 和1800℃以上的发热体及炉子、反应堆绝热材料等。
• 氧化锆增韧氧化铝陶瓷材料：
– 强度达120OMPa、断裂韧性为15.OMPa•m1/2(比原氧化 铝提高近3倍。) – 可替代金属制造模具(拉丝模、泵叶轮等)；还可制造汽车 零件（凸轮、推杆、连杆等）。工件表面不生锈不导电。 还可做人工骨、关节等。