第2章 现代陶瓷

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1、一、陶瓷概述1．陶瓷相组成——晶相、玻璃相和气相（气孔）晶体相——是陶瓷材料最主要的组成相，主要固溶体或化合物，其结构、形态、数量及分布决定了陶瓷材料的特性。陶瓷中晶体相主要有含氧酸盐（硅酸盐、钛酸盐等）氧化物（MgO、Al2O3）非氧化物（SiC，Si3N4）等。第2章现代陶瓷玻璃相的作用——粘结分散的晶相，填充晶体间空隙，降低烧成温度；抑制晶粒长大。玻璃相对陶瓷强度、介电常数、耐热性能不利，所以不能多。玻璃相气相——指陶瓷孔隙，是陶瓷生产过程中形成并保留下来的，气孔对陶瓷性能的影响：有利——使陶瓷密度减少，并能吸收震动；不利——使陶瓷强度降低，电击穿强度下降，绝缘性下降。结

2、论：生产中对陶瓷中的气孔数量、形状、大小和分布有所控制。气相2.陶瓷材料的结合键离子键—MgO、Al2O3共价键——金刚石、Si3N4混合键——离子键与共价键混合。离子键共价键硅氧四面体是硅酸盐陶瓷中最基本的结构单元以离子键结合的晶体称为离子晶体。金属氧化物晶体主要以离子键结合，一般为透明体。固态时绝缘，但熔融态可导电。Al2O3结构以共价键结合的晶体称为共价晶体。共价晶体具有方向性和饱和性，因而共价键晶体的原子堆积密度较低。最硬的金刚石、SiC、Si3N4、BN等材料都属于共价晶体。固态、熔融态时都绝缘。3.陶瓷的晶体缺陷——点缺陷、线缺陷、面缺陷点缺陷——陶瓷晶体中存在置换

3、原子、间隙原子和空位。陶瓷材料的导电性能等与点缺陷有关。陶瓷的烧结、扩散等物理、化学过程也与点缺陷有关。点缺陷线缺陷——位错陶瓷材料中形成位错所需能量较大，不易形成位错。因此，陶瓷材料中位错密度很低。位错陶瓷材料一般是多晶材料。多晶材料中存在的晶界和亚晶界就陶瓷材料中的面缺陷。面缺陷面缺陷对金属材料来说，晶界阻碍位错的运动，从而强化了材料；而对陶瓷材料来说利用晶界两侧晶粒取向的不同来阻止裂纹的扩展，提高强度。4．陶瓷的性能特点（机械性能）①高硬度大多数陶瓷材料的硬度比金属高得多，故其耐磨性好（它的硬度仅次于金刚石）。②高弹性模量与高脆性陶瓷拉伸时几乎没有塑性变形，在拉应力下产生

4、一定弹性变形后直接脆断，弹性模量比金属高。陶瓷材料的塑性和韧性较低。裂纹尖端的应力集中，受到外应力时扩展，是陶瓷材料断裂的根本原因。③低抗拉强度和较高的抗压强度陶瓷属于脆性材料。陶瓷晶粒越细，强度越高。④优良的高温强度和低的抗热震性陶瓷材料具有优于金属材料的高温强度、抗蠕变能力，且有很高的抗氧化性。常用于高温材料。缺点：但陶瓷承受温度急剧变化的能力差（热震性差）当温度剧烈变化时易裂。⑤热学性能——热容、熔点、热膨胀热容：陶瓷材料在低温下热容小，高温下热容增大。熔点：离子键和共价键结合，因此具有较高的熔点。热膨胀：陶瓷材料的热膨胀系数小，这是由晶体结构和化学键决定的。一般为10－

5、5～10－6/K。⑥电学性能陶瓷材料是良好的绝缘体。陶瓷还具有介电特性，可作为电器的介质。陶瓷的介电损耗很小，可大量制造高频、高温下工作的器件。二、陶瓷的成形工艺混合料的制备塑化：特种陶瓷的坯料没有可塑性，成形时会出现裂纹，因此成形前要进行塑化处理。无机塑化剂——粘土等粘结剂（如聚乙烯醇）增塑剂（如甘油）溶剂（如无水乙醇）有机塑化剂造粒：加入塑性剂后，将细颗粒原料制备成粒度较粗的混合料，以改善其流动性。1．模压成形模压成形是将混合料加入到模具中，在压力机上压成一定形状的坯体的方法。2．冷等静压成形利用液态、气体或橡胶等作为传压介质，在三维方向对坯体进行压制的工艺。冷等静压可分为

6、干式和湿式两种形式。3．注浆法成形以水为溶剂、粘土为粘结剂和陶瓷粉体混合，配制成的具有较好流动性的料浆，再将料浆注入到具有产品形状的石膏模中成形的方法。4．热压铸成形借鉴金属压铸成形的工艺思路，利用石蜡的高温流变特性，对陶瓷石蜡流体进行压力下的铸造成形。1）料浆的制备：将陶瓷粉体与6～12％石蜡和0.1～1％硬脂酸表面活性剂加热到60～80℃再与熔化的石蜡混合。2）压铸：在压缩空气作用下充型，保压冷却，脱模。5．塑性成形借鉴金属的挤压成形和轧制成形工艺。将具有可塑性的泥料，通过挤机嘴成形。6．轧膜成形将陶瓷粉体和粘结剂、溶剂等置于轧辊上混炼，使之混合均匀，吹风使溶剂挥发，形成一

7、层厚膜；调整轧辊间距，反复轧制，可制得薄片瓷坯。三、陶瓷烧结烧结是指高温条件下，坯体表面积减小，孔隙率降低、机械性能提高的致密化过程。烧结驱动力：粉体表面能降低和系统自由能降低。烧结分类常压烧结压力烧结按压力分类普通烧结氢气烧结真空烧结按气氛分类固相烧结（只有固相传质）液相烧结（出现液相）气相烧结（蒸汽压较高）活化烧结反应烧结按反应分类烧结的主要阶段1、烧结前期阶段（坯体入炉——90％致密化）①粘结剂等的脱除：如石蜡在250～400℃全部汽化挥发。②随着烧结温度升高，原子扩散加剧，孔隙缩小，