第十章 陶瓷材料

第十章陶瓷材料

发布人：机械工程材料精品课程网 | 发布时间：2009-04-22 | 点击次数：1364

第十章陶瓷材料

陶瓷是陶器和瓷器的总称。许多科学工作者将陶瓷、玻璃、耐火材料、砖瓦、水泥、石膏等凡是经原料配制、坯料成型和高温烧结而制成的固体无机非金属材料都叫做陶瓷。

§10.1 传统陶瓷与先进陶瓷

陶瓷可粗略地分为传统陶瓷和先进陶瓷。其中，传统陶瓷是利用天然硅酸盐矿物(如黏土、石英、长石等)为原料制成的陶瓷，又称普通陶瓷。先进陶瓷是采用高纯度的人工合成原料(如氧化物、氮化物、碳化物、硅化物、硼化物等)制成的具有各种独特而优异的力学、物理或化学性能的陶瓷，又称特种陶瓷、新型陶瓷、现代陶瓷或精细陶瓷。

一. 陶瓷性能的特点

陶瓷的性能与多种因素有关，波动范围很大，但还是存在一些共同的特性。

1. 力学性能

陶瓷有很高的弹性模量，一般高于金属2～4个数量级。

陶瓷的硬度很高，一般远高于金属和高聚物。例如，各种陶瓷的硬度多为1000—5000HV，淬火钢为500～800HV，高聚物一般不超过20HV。

陶瓷材料的理论强度很高，然而陶瓷存在大量气孔、缺陷，致密度小，致使它的实际强度远低于理论强度。金属材料的实际抗拉强度和理论强度的比值为1／3—1／50，而陶瓷常常低于1／100。

陶瓷的强度对应力状态特别敏感，它的抗拉强度虽低，但抗压强度高，因此要充分考虑与设计陶瓷应用的场合。

陶瓷一般具有优于金属的高温强度，高温抗蠕变能力强，且有很高的抗氧化性，适宜作高温材料。

陶瓷在室温几乎没有塑性，但在高温慢速加载的条件下，特别是组织中存在玻璃相时，陶瓷也能表现出一定的塑性。陶瓷的韧性低、脆性大，是陶瓷结构材料应用的主要障碍。

2. 物理性能

陶瓷的热膨胀系数比高聚物和金属低得多。陶瓷的导热性比金属差，多为较好的绝热材料。

抗热震性是指材料在温度急剧变化时抵抗破坏的能力，一般用急冷到水中不破裂所能承受的最高温差来表达。多数陶瓷的抗热震性差，例如，日用陶瓷的抗热震性为220℃。

陶瓷的导电性能变化范围很大，。多数陶瓷具有良好的绝缘性，是传统的绝缘材料。但有些陶瓷具有一定的导电性，甚至出现陶瓷超导。

3. 化学性能

陶瓷的结构非常稳定，常温下很难同环境中的氧发生作用。陶瓷对酸、碱、盐等的腐蚀有较强的抵抗能力，也能抵抗熔融的有色金属(如铝、铜等)的侵蚀。但在有些情况下，例如，高温熔盐和氧化渣等会使某些陶瓷材料受到腐蚀破坏。

二. 传统陶瓷

传统陶瓷成本低，加工成型性好，质地坚硬，不氧化，耐腐蚀，不导电，能耐一定高温。但强度较低，高温性能也不及先进陶瓷。

普通陶瓷广泛用于日用、电气、化工、建筑、纺织中对强度和耐温性要求不高的领域，例如铺设地面、输水管道和隔电绝缘器件等。

三. 先进陶瓷

1. 氧化铝陶瓷

一般所说的氧化铝陶瓷是指含Al2O3，在95％以上的氧化铝陶瓷又称为刚玉瓷。刚玉瓷的玻璃相和气孔都很少。

氧化铝陶瓷的强度大大高于普通陶瓷。硬度很高，仅次于金刚石、立方氮化硼、碳化硼和碳化硅，居第五位。耐高温性能好，含Al2O3，高的刚玉瓷能在1600℃的高温下长期使用，蠕变很小，也不存在氧化的问题。具有优良的电绝缘性能。

由于铝氧之间键合力很大，氧化铝又具有酸碱两重性，所以氧化铝陶瓷特别能耐酸碱的侵蚀，高纯度的氧化铝陶瓷也非常能抵抗金属或玻璃熔体的侵蚀，广泛用来制备耐磨、抗蚀、绝缘和耐高温材料。

2. 氧化镁陶瓷

MgO陶瓷在高温下抗压强度较高，能承受较大负重，但抗热震性差。能抵抗熔

融金属及碱性渣的腐蚀。可制作坩埚、炉衬和高温装置等。

3. 氧化锆陶瓷

ZrO2吨陶瓷呈弱酸性或惰性，耐侵蚀，耐高温，但抗热震性差。主要用作

坩埚、炉子和反应堆的隔热材料、金属表面的防护涂层等，也常常是陶瓷增韧的材料。

4. 碳化硅陶瓷

SiC陶瓷具有高硬度和高的高温强度，在1600℃高温仍可保持相当高的抗弯强度，而其他的陶瓷材料在1200—1400℃时强度就要明显下降。碳化硅有很高的热传

导能力，抗热震性高，抗蠕变性能好，化学稳定性好。

碳化硅主要用作高温结构材料，应用十分广泛。例如，火箭尾喷管的喷嘴、热电偶套管等高温零件。还可用作高温下热交换器的材料、核燃料的包装材料等。此外，SiC还常作为耐磨材料，用于制作砂轮、磨料等。

5. 氮化硅陶瓷

Si3N4陶瓷具有优异的化学稳定性和良好的电绝缘性能。强度、硬度高，摩

擦系数小，是一种优良的耐磨材料；热膨胀系数小，抗热震性高。氮化硅常用于耐高温、耐磨、耐蚀和绝缘的零件。例如高温轴承、燃气轮机叶片等。

近年来，在Si3N4中添加一定数量的A1203构成Si-A1-O-N系统的新型陶瓷材料，称为赛隆(sialon)陶瓷。这类陶瓷的最大突破在于制备工艺的简单。

6. 氮化硼陶瓷

氮化硼通常为六方BN，六方BN在高温高压下可以转变为立方BN。

六方BN导热性好，热膨胀系数小，抗热震性高，是优良的耐热材料；具有高温绝缘性，是一种优质电绝缘体；硬度低，有自润滑性，可进行机械加工：化学稳定性好，能抵抗许多熔融金属和玻璃熔体的侵蚀。因此，它可做耐高温、耐腐蚀的润滑剂、耐热涂料和坩埚等。

立方BN的硬度极高，接近金刚石，是优良的耐磨材料。

§10.2 玻璃

玻璃是非晶无机非金属材料。工业用玻璃一般是用多种无机矿物(如石英砂、硼砂、硼酸、重晶石、碳酸钡、石灰石、长石、纯碱等)为主要原料，另外加入少

量辅助原料制成的。它的主要成分为二氧化硅和其他氧化物。

一. 玻璃的性能

玻璃的理论强度很高，而实际强度仅为理论强度的1％以下。具有很高的抗压强度，而抗拉强度较低。玻璃的硬度比较高，脆性很大。

常温下一般玻璃是绝缘体。随温度上升，玻璃的导电性迅速提高，达到熔融状态时，玻璃成为良导体。

玻璃的导热性很差，一般不耐温度变化。热膨胀系数较小。

玻璃的化学性质较稳定，但不耐氢氟酸和碱。

二. 常见玻璃

1. 普通玻璃（钠钙玻璃）

普通玻璃是由石英和氧化钠或氧化钙等金属氧化物熔化，可用于制造对耐热、化学稳定性没有特殊要求的玻璃制品。

2. 铝玻璃

用氧化铅代替普通玻璃中的氧化钙制成。高氧化铅含量的铅玻璃对于高能辐射有屏蔽作用，因此可用于辐射窗口、电视机显像管，还可用作某些光学玻璃(如消

色差透镜等)以及装饰玻璃等。

3. 硼硅酸盐玻璃

硼硅酸盐玻璃是用氧化硼取代普通玻璃中的部分碱金属氧化物而得到的。它具有良好的化学稳定性，因而在化学工业上得到广泛应用。

4. 石英玻璃