工程材料与成形技术基础第2版教学课件作者庞国星第七章非金属材料与新型材料7第二节陶瓷材料课件.ppt

第二节 陶瓷材料 陶瓷材料是人类最早利用的非天然材料。陶器8千年到1万年，最早瓷器2000多年东汉越窑青瓷。传统概念的陶瓷是指以黏土为主和其他天然矿物原料经过拣选、粉碎、混炼、成型、锻烧等工序而成的制品。如今出现多种新型陶瓷品种，采用碳化物、氮化物、硼化物等，陶瓷的概念大大扩展，广义上成为无机非金属材料的统称。 陶瓷可分为传统陶瓷和特种陶瓷两大类；按性能和应用的不同，也可分为工程陶瓷和功能陶瓷两大类。 1．普通陶瓷（传统陶瓷） 普通陶瓷主要指黏土制品，可分为日用陶瓷和工业陶瓷。以天然的硅酸盐矿物为原料经粉碎、成形、烧结制成的产品均属传统陶瓷，包括日用陶瓷、建筑陶瓷、卫生陶瓷、电器绝缘陶瓷、化工陶瓷和多孔陶瓷。它们产量大，用途广。 2．特种陶瓷 特种陶瓷是以高纯化工原料和合成矿物为原料，沿用传统陶瓷的工艺流程制备的陶瓷，是一些具有各种特殊力学、物理或化学性能的陶瓷。特种陶瓷也可称为现代陶瓷、新型陶瓷、精细陶瓷、高技术陶瓷、高性能陶瓷等。按性能特点和应用，可分为电子陶瓷、光学陶瓷、高硬陶瓷等。按化学成分，可分为两大类，一种是氧化物陶瓷，如含Al2O3、MgＯ、CaO、BeO、ThO2、VO2等的陶瓷，另一种是非氧化物陶瓷，如含碳化物、氮化物、硼化物、硅化物等的陶瓷。 特种陶瓷材料又可以分为两大类，即结构陶瓷材料（或工程陶瓷材料）和功能陶瓷材料。结构陶瓷材料是指具有机械功能、热功能和部分化学功能的陶瓷材料，功能陶瓷材料是指具有电、光、磁、化学和生物体特性，且具有相互转换功能的陶瓷材料。 一、陶瓷材料的结构与性能 1. 组织结构 陶瓷的组成相结构比金属的复杂。大致可分为3种：晶体相、玻璃相和气相（气孔）。三相在相对数量上的变化直接影响到陶瓷的性能。 陶瓷材料组成相的结合键为离子键（如MgO、Al2O3 等）、共价键（如金刚石、Si3N4、BN等）以及离子键和共价键的混合键。 （1）晶体相 晶体相是陶瓷材料最主要的组成相，为某些固溶体或化合物，其结构、形态、数量及分布决定了陶瓷的特性和应用。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、物理、化学性能主要取决于主晶相，如日用陶瓷中的主晶相为莫来石，次晶相为残余石英、长石等。 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）。 常见的含氧酸盐是硅酸盐。硅酸盐是传统陶瓷的主要原料，也是陶瓷中重要的晶体相，例如莫来石、长石等。硅酸盐的结合键为离子价和共价键的混合键，但习惯上称为离子键。 氧化物是大多数典型陶瓷特别是特种陶瓷的主要组成和晶体相。氧化物结构的结合以离子键为主，通常以AmXn表示其分子式，A表示与氧结合的正离子，m表示其数量，X表示氧离子，n表示其数量。大多数氧化物中氧离子的半径大于阳离子的半径。（结构特点，P59）最简单的AX型MgO结构中，尺寸较大的氧离子构成面心立方结构，镁离子与之相间排列，填满八面体间隙，属于此类结构的氧化物还有CaO、FeO、CoO、MnO、NiO等。 非氧化物是指不含氧的碳化物、氮化物、硼化物和硅化物等。它们是特种陶瓷的主要组成和晶体相，主要由共价键结合，也有一定的金属键和离子键。 （2）玻璃相 陶瓷烧结时，各组成物和杂质因物理化学反应会形成少量液相，粘度很大，故冷却凝固时，原子难以规则排列成晶体，而仍保持无规则排列的非晶态结构，称为玻璃相。一种无定形不规则空间网形成的玻璃骨架，分布在晶体颗粒之间，起粘结晶体、填充晶粒间空隙、抑制晶粒长大的作用。 不同陶瓷玻璃相的质量分数不同。日用陶瓷玻璃相的质量分数较高，高纯度氧化物陶瓷（如氧化铝瓷）中玻璃相的质量分数较低。 玻璃相对陶瓷的强度、介电性能、耐热耐火性能是不利的，不能成为陶瓷的主导组成，因此工业陶瓷须控制玻璃相的体积分数，一般为20%~40％。 （3）气相 气相是指陶瓷中的气体。陶瓷中气孔主要是坯料各成分在加热过程中单独或相互发生物理、化学作用所生成的孔隙。这些孔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。根据气孔数量和分布，陶瓷分致密陶瓷、无开口孔陶瓷和多孔陶瓷。 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。它还会使介电损耗增大。普通陶瓷气孔率为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％。 2. 性能特点 （1） 力学性能 1) 弹性变形和塑性变形 产生弹性变形，几乎不产生塑性变形。陶瓷晶体在作相对滑移之前就发生断裂，这是陶瓷力学行为的最大特点。陶瓷在高温条件下也表现出一定的塑性变