无机非金属材料导论3章陶瓷详解.ppt

第三章 陶瓷 随着现代科技的发展，出现了许多性能优良的新型陶瓷。 3.1 陶瓷的分类及制备工艺 一、陶瓷材料的分类 二、陶瓷材料的制备工艺 3.2 陶瓷的组织结构与性能 一、陶瓷的组织结构 二、陶瓷的性能 3.3 传统陶瓷材料 一、不致密陶瓷材料 二、致密陶瓷材料 三、传统陶瓷的用途 3.4 新型陶瓷 一、氧化物陶瓷 二、非氧化物陶瓷 三、氮化物陶瓷 3.1 陶瓷的分类及制备工艺 一、陶瓷材料的分类 1、按化学成分分类 可将陶瓷材料分为氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷及其它化合物陶瓷。 传统陶瓷烧制工艺： 3.1.2 陶瓷的制备工艺 陶瓷的制备工艺比较复杂，但基本工艺包括：原材料的制备、坯料的成型、坯料的干燥和制品的烧成等4大步骤。 1.原料的制备 传统的陶瓷所用的原料大部分为天然原料。开采后，一般要经过筛选、风选、淘洗、研磨以及磁选等，分离出适当颗粒度的所需矿物组分。 特种陶瓷，需要特种原料，天然原料难以满足要求，需要人工合成。 用加热的方法达到除去物料中部分物理水分的过程称之为干燥，也叫烘干。 目的： 1.提高成形后坯体的强度，便于运输和再加工（如修坯、粘接、施釉等）； 2.提高坯体吸附釉层能力； 3.经干燥的坯体可在烧成初期经受快速升温，从而缩短烧成周期，提高窑炉的周转率，降低燃料消耗。 1.等速干燥阶段 干燥介质传给坯体的热量等于坯体中水分蒸发所需热量。坯体温度保持不变，干燥速度恒定。排除自由水，体积收缩。在整个坯体收缩过程中，因坯体的颗粒具有一定的取向性，导致干燥收缩的各向异性，表面与内部收缩的不均匀，导致坯体内外层及各部分的差异。由于干燥收缩不均匀而产生了内应力，当应力超过了呈塑性状态的屈服值时，坯体发生变形，当应力过大，超过其弹性状态坯体的强度时会导致开裂。 注意：干燥速度过大会发生因坯体体积收缩过大而引起的制品变形或开裂，应慎重控制。 烧结 烧结，是指将陶瓷坯体加热到高温，使其发生一系列物理化学反应，然后冷却至室温，使坯体具有足够的密度、强度和物理化学性能的过程。 减少成形体中气孔、增加颗粒之间结合，提高机械强度。主要发生晶粒和气孔尺寸及其形状的变化。 3.2 陶瓷的组织结构 一、陶瓷材料的组成特点 1.陶瓷材料的相组成特点 陶瓷材料的基本相及其结构要比金属复杂得多，它通常由三种不同的相组成,即晶体相(1)、玻璃相(2)和气相(气孔3)。 （1）晶体相 晶相是陶瓷材料中主要的组成相，为某些固溶体、化合物或混合物，其结构、形态、数量及分布决定了陶瓷材料物理化学性质和应用。 陶瓷常为多相，可分为主晶相、次晶相及第三晶相，陶瓷的力学性能、物理性能、化学性能主要取决于主晶相。如刚玉瓷的主晶相是γ-Al2O3，由于结构紧密，因而具有机械强度高、耐高温、耐腐蚀等特性。 陶瓷中的晶体相主要有含氧酸盐（如硅酸盐、钛酸盐、锆酸盐）、氧化物（如氧化铝、氧化镁等）和非氧化物（如碳化物、氮化物等）。硅酸盐是传统陶瓷的主要原料，也是陶瓷中重要的晶体相。 （2）玻璃相 玻璃相是陶瓷材料中原子不规则排列的组成部分，其结构如同玻璃。玻璃相是非晶态结构的低熔点固体组织。玻璃相的组成随着坯料组成、分散度、烧成时间以及窑内气氛而变化。对于不同陶瓷，玻璃相的含量不同。 玻璃相的作用是：将分散的晶体相黏结起来，填充晶体之间的空隙，提高材料的致密度；降低烧成温度，加快烧结过程；阻止晶型转变，抑制晶粒长大并填充气孔间隙；获得一定程度的玻璃特性，如透光性等。 但玻璃相对陶瓷的强度、介电性能和耐热耐火性能是不利的，因此工业陶瓷必须控制玻璃相的体积分数，一般是20～40％；某些非氧特种陶瓷近乎100%晶相。 （3）气相 气相是指陶瓷中的气孔。气孔主要是坯料各成分在加热过程中生成的空隙。这些空隙除了大部分被玻璃相填充外，还有少部分残留下来变成气孔。 除了多孔陶瓷外，气孔的存在对陶瓷性能是不利的，它降低陶瓷的强度，是造成裂纹的根源，还会使介电损耗增大。 合理控制陶瓷中气孔的数量、形态和分布是非常重要的。普通陶瓷的气孔率为5～10％，特种陶瓷气孔率小于5％，金属陶瓷则要求气孔率低于0.5％。 陶瓷的强度随气孔率的变化：陶瓷的强度随气孔率增加按指数规律下降。 原因：气孔（1）降低了承受载荷作用的有效横截面积；（2）引起应力集中而使强度下降；（3）气孔率升高能造成材料的弹性模量降低，从而影响强度。 气孔的大小、形状及分布都会对陶瓷强度产生影响。 气孔率10%，强度基本不变； 气孔率10%，强度下降。 2.陶瓷材料的结合键 陶瓷材料的结合键为离子键（如MgO、Al2O3）、共价键（如Si3N4、BN）及离子键和共价键的混合键。 离子键—无方向性，键强度较高，