工程材料学第9章 陶瓷材料课件.ppt

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1、第九章陶瓷材料内容提要：本节介绍陶瓷材料的结构与性能。介绍现今意义上陶瓷材料的分类，简述工程陶瓷的基本工艺过程，介绍普通陶瓷（包括日用陶瓷和工业陶瓷）、特种陶瓷（氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷、氮化物陶瓷）的组成、性能特点和应用。学习目标：了解陶瓷材料的结构与性能。熟悉特种陶瓷的性能特点、改善性能的途径和应用。对其它陶瓷材料作一般了解。一、陶瓷的概念传统意义上的陶瓷主要指陶器和瓷器，也包括玻璃、搪瓷、耐火材料、砖瓦等。这些材料都是用粘土、石灰石、长石、石英等天然硅酸盐类矿物制成的。因此，传统的陶瓷材料是指硅酸盐类材科。现今意义上的陶瓷材料已有了巨大变

2、化，许多新型陶瓷已经远远超出了硅酸盐的范畴，不仅在性能上有了重大突破，在应用上也已渗透到各个领域。所以，一般认为，陶瓷材料是指各种无机非金属材料的通称。二、陶瓷的分类1.玻璃包括光学玻璃、电工玻璃、仪表玻璃等在内的工业玻璃及建筑玻璃和日用玻璃等无固定熔点的受热软化的非晶态固体材料；2.玻璃陶瓷耐热耐蚀的微晶玻璃、无线电透明微晶玻璃、光学玻璃陶瓷等；3.工程陶瓷分为普通陶瓷和特种陶瓷两大类，而金属陶瓷通常被视为金属与陶瓷的复合材料。陶瓷材料按应用分为:结构陶瓷材料、功能陶瓷材料。三、工程陶瓷的生产过程（1）原料制备矿物原料经拣选、粉粹后配料、混合、磨

3、细得到坯料。（2）坯料成形将坯料加工成一定形状和尺寸并有一定机械强度和致密度的半成品。包括可塑成形（如传统陶瓷），注浆成形（如形状复杂、精度要求高的普通陶瓷）和压制成形（如特种陶瓷和金属陶瓷）。（3）烧成与烧结干燥后的坯料加热到高温，进行一系列的物理、化学变化而成瓷的过程。烧成是使坯件瓷化的工艺（1250℃～1450℃）；烧结是指烧成的制品开口气孔率极低、而致密度很高的瓷化过程。（4）陶瓷烧结的后处理表面施釉：是通过高温加热，在陶瓷表面烧附一层玻璃状物质使其表面具有光亮、美观、绝缘、防水等优异性能的工艺方法。（5）陶瓷的加工为改善烧结后的陶瓷制件的表面光

4、洁度、精确尺寸或去除表面缺陷等，常利用磨削、激光以及超声波等加工方法对其进行处理。1.晶体晶体相是陶瓷的主要组成相，主要有硅酸盐、氧化物和非氧化合物等。它们的结构、数量、形态和分布，决定陶瓷的主要性能和应用。硅酸盐是是陶瓷组织中重要的晶体相，结合为离子键与共价键的混合键。陶瓷在室温下的组织四、陶瓷的典型组织结构包括三种相：晶体相、玻璃相、气相硅酸盐结构的规律：①构成硅酸盐的基本单元是硅氧四面体；②硅氧四面体只能通过共用顶角而相互连结；③Si4+离子通过O2-结合,Si-O-Si的结合键在氧上的键角接近于145°；④稳定的硅酸盐结构中,硅氧四面体采取最高空

5、间维数互相结合；⑤硅氧四面体采取比较紧密的结构连结；⑥同一结构中的硅氧四面体最多只相差1个氧原子。硅氧四面体结构氧化物氧化物的结构及特点：氧离子作紧密立方或紧密六方排列；金属离子规则地分布在四面体和八面体的间隙之中氧化物晶体相英石型结构AI2O3岩盐型结构MgO非氧化合物●金属碳化物：共价键和金属键之间的过渡键,以共价键为主。●氮化物：与碳化物相似,金属性弱些,有一定的离子键。●硼化物和硅化物：较强的共价健，连成链、网和骨架，构成独立结构单元。2.玻璃相玻璃相作用①粘连晶体相，填充晶体相间空隙，提高材料致密度；②降低烧成温度，加快烧结；③阻止晶体转变，抑

6、制其长大；④获得透光性等玻璃特性；⑤不能成为陶瓷的主导相：对陶瓷的机械强度、介电性能、耐热耐火性等不利。玻璃相产生过程a熔融液相冷却时在玻璃转变温度粘度增大到一定程度时,熔体硬化，转变为玻璃。玻璃物质的粘度随温度而变化。B玻璃物质的粘度随温度的变化玻璃相结构特点玻璃相主要由氧化硅和其它氧化物组成。硅氧四面体组成不规则的空间网,形成玻璃的骨架。石英玻璃和石英晶体结构钠硅酸盐玻璃的结构示意图3.气相气相是陶瓷组织内部残留下来的孔洞形成原因比较复杂，与原料和生产工艺有密切的联系，影响因素也比较多。根据气孔情况，陶瓷分致密陶瓷、无开孔陶瓷和多孔陶瓷。除了多孔陶瓷

7、外，气孔的存在对陶瓷的性能不利，降低陶瓷的强度，造成裂纹的根源。尽量使其含量降低。●普通陶瓷的气孔率为5%～10%；●特种陶瓷的在5%以下；●金属陶瓷则要求低于0.5%。五、陶瓷材料的性能（一）陶瓷的力学性能1.刚度陶瓷刚度（由弹性模量衡量）各类材料中最高，因为陶瓷具有很强的结合键。各种常见材料的弹性模量和硬度材料弹性模量/MPa硬度/HV橡胶6.9很低塑料1380～17铝合金72300～170钢207000300～800碳化钛390000～3000金刚石11710006000～10000弹性模量对组织不敏感；气孔降低弹性模量；温度升高弹性模量也降低。2

8、.硬度陶瓷硬度是各类材料中最高的，因其结合键强度高。●陶瓷硬度为1000HV～5