第5章 陶瓷材料

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1、單擊此處編輯母版標題樣式,,單擊此處編輯母版文本樣式,,第二級,,第三級,,第四級,,第五級,,,*,“十五”國家級規劃教材《工程材料》第,3,版配套課件,第5章,,,第,5,章 陶瓷材料,,,,,內容提要：,,,,簡述工程陶瓷的基本工藝過程，,一般,介紹普通陶瓷（日用陶瓷、工業陶瓷）的應用。,,,簡要闡述,特種陶瓷（氧化物、碳化物、硼化物、氮化物等陶瓷）的組成、性能特點和應用。,,,,學習目標：,,,熟悉特種陶瓷的性能特點、改善性能的途徑和應用。,,,對其它陶瓷材料作一般了解。,,,1. 玻璃,,,,,包括光學玻璃、電工玻璃、儀表玻璃等在內的工業玻璃及建筑玻璃和日用玻璃等無固定熔點的受熱軟化

2、的非晶態固體材料；,,2. 玻璃陶瓷,,,,耐熱耐蝕的微晶玻璃、無線電透明微晶玻璃、光學玻璃陶瓷等；,玻璃制品 耐熱陶瓷,3. 工程陶瓷,,,,,一般分為,普通陶瓷,和,特種陶瓷,兩大類。,按應用分為,結構陶瓷材料,與,功能陶瓷材料。,●概述,,陶瓷材料：,各種無機非金屬材料的通稱。包括：,,,,,●陶瓷的生產過程,,,,（1）原料制備,,,,礦物原料經揀選、粉粹后配料、混合、磨細得到坯料。,（2）坯料成形,,,,將坯料加工成一定形狀和尺寸并有一定機械強度和致密度的半成品。包括可塑成形、注漿成形、壓制成形。,（3）燒成與燒結,,,,干燥后的坯料加熱到高溫，進行一系

3、列的物理、化學變化而成瓷的過程。,,,燒成是使坯件瓷化的工藝（1250℃～1450℃）；,,,燒結是指燒成的制品開口氣孔率極低、致密度很高的瓷化過程。,,,,5.1.1 普通日用陶瓷,,,,一、普通日用陶瓷的用途和特點,,,,用粘土、石灰石、長石、石英等天然硅酸鹽類礦物制成。制造日用器皿和瓷器。,,一般具有良好的光澤度、透明度，熱穩定性和機械強度較高。,,日用器皿,,藝術陶瓷,5.1 普通陶瓷,,,二、常用普通日用陶瓷,,,,（1）長石質瓷,國內外常用的日用瓷，作一般工業瓷制品。,,,,（2）絹云母質瓷,我國的傳統日用瓷。,,,,（3）骨質瓷,主要作高級日用瓷制品。,,,,（4）滑石質瓷,綜

4、合性能好的新型高質瓷。,,（5）高石英質日用瓷,我國研制成功，,石英含量 ≥40%，瓷質細膩、色調柔和、透光度好、機械強度和熱穩定性好。,,,5.1.2 普通工業陶瓷,,,,,一、建筑衛生瓷,,,,,,用于裝飾板、衛生間裝置及器具等，通常尺寸較大，要求強度和熱穩定性好。,,建筑陶瓷 衛生陶瓷,,,二、化學化工瓷,,,,,,用于化工、制藥、食品等工業及實驗室中的管道設備、耐蝕容器及實驗器皿等。,,通常要求耐各種化學介質腐蝕的能力要強。,三、電工瓷,,,,,,主要指電器絕緣用瓷，也叫高壓陶瓷。,,要求機械性能高、介電性能和熱穩定性好。,,,,絕緣瓷瓶,,,改善工業陶瓷性能

5、的方法：,,,,加入,MgO,、,ZnO,、,BaO,、Cr,2,O,3,等或增加莫來石晶體相，提高機械強度和耐堿抗力；,,加入,Al,2,O,3,、ZrO,2,等提高強度和熱穩定性；,,加入滑石或鎂砂降低熱膨脹系數；,,,加入,SiC,提高導熱性和強度。,,,,,,,,5.2? 特種陶瓷,,,,,☆,老師提示：,重點內容,,,特種陶瓷,也叫現代陶瓷、精細陶瓷。,,,特種陶瓷,包括,特種結構陶瓷,和,功能陶瓷,兩大類，如壓電陶瓷、磁性陶瓷、電容器陶瓷、高溫陶瓷等。,,按陶瓷的主要組成分：,,,氧化物陶瓷、硼化物陶瓷、,,氮化物陶瓷、碳化物陶瓷。,,,,,5.2.1 氧化物陶瓷,,,,一、氧化鋁

6、（剛玉）陶瓷,,,氧化鋁的結構是,O,-2,排成密排六方結構，,Al,+3,占據間隙位置。,根據含雜質的多少, 氧化鋁呈紅色(如紅寶石)或藍色(如藍寶石)；,,實際生產中, 氧化鋁陶瓷按,Al,2,O,3,含量可分為75、95和99等幾種。,氧化鋁結構,,,●氧化鋁,熔點達2050 ℃，抗氧化性好。,,,Al,2,O,3,粉末壓制成形、高溫燒結后得到。,,廣泛用于耐火材料：,,耐火磚、高壓器皿、坩堝、電爐爐管、熱電偶套管。,氧化鋁熱電偶套管,,,,●微晶氧化鋁,（微晶剛玉）,,,硬度極高（硬度莫氏9），紅硬性達1200 ℃，可作切削淬火鋼刀具、金屬拔絲模等。,,很高的電阻率和低的導熱率，是很好

7、的電絕緣材料和絕熱材料。,,強度和耐熱強度均較高（是普通陶瓷的5倍），是很好的高溫結構材料，如可作內燃機火花塞、空壓機泵零件等。,,,,,●單晶體氧化鋁,,可做藍寶石激光器；,,,氧化鋁陶瓷應用實例：,,氧化鋁陶瓷密封環 氧化鋁陶瓷噴咀,,,二、氧化鈹陶瓷,,,,●,導熱性極好，很高的熱穩定性，抗熱沖擊性較高；,,,●,消散高能輻射的能力強、熱中子阻尼系數大。,,,●,強度低。,應用,氧化鈹陶瓷,制造坩堝，作真空陶瓷和原子反應堆陶瓷，氣體激光管、晶體管散熱片和集成電路的基片和外殼等。,,,三、氧化鋯陶瓷,,,,●,熔點在27,00 ℃以上，耐2300 ℃高溫，推薦使用溫度

8、2000 ℃～2200 ℃；,,●,能抗熔融金屬的浸蝕，做鉑、鍺等金屬的冶煉坩堝和1800 ℃以上的發熱體及爐子、反應堆絕熱材料等；,,●,氧化鋯作添加劑可提高陶瓷材料的強度和韌性。氧化鋯增韌陶瓷可制造模具、拉絲模、泵葉輪和汽車零件如凸輪、推桿、連桿等。,,,,,四、氧化鎂、氧化鈣陶瓷,,,氧化鎂、氧化鈣陶瓷通常是通過加熱白云石（鎂或鈣的碳酸鹽）礦石除去,CO,2,而制成的。,,,特點,能抗各種金屬堿性渣的作用。,,缺點,熱穩定性差，,MgO,在高溫下易揮發，,CaO,甚至在空氣中就易水化。,,,應用,常用作爐襯的耐火磚。,,,,,5.2.2 碳化物陶瓷,,,,很高的熔點、硬度和耐磨性（特別是

9、在浸蝕性介質中）。,,缺點是耐高溫氧化能力差（約900℃～1000℃）、脆性極大。,,碳化物陶瓷包括：,,,碳化硅,,碳化硼,,碳化鉬,,碳化鎢,,,,一、碳化硅陶瓷,,,,●,密度為 3.2×10,3,kg/m,3,；,,●,彎曲強度為 200,MPa,～250,MPa,，,,,抗壓強度為1000,MPa,～1500,MPa,；,,●,硬度莫氏9.2；,,●,熱導率很高，熱膨脹系數很小，在900 ℃～1300 ℃時慢慢氧化。,碳化硅陶瓷坩堝 碳化硅陶瓷密封件,應用：,主要用于制造加熱,元件、石墨表面保護層、砂輪及磨料等。,,,二、碳化硼,,,,●,碳化硼陶瓷硬度,極高

10、，抗磨粒磨損能力很強；熔點達2450℃。,,●,高溫下會快速氧化，與熱的或熔融黑色金屬發生反應，使用溫度限定在980℃以下。,,,應用：,主要用于,作磨料，也用于,制造,超硬質工具材料。,,,三、其它碳化物陶瓷,,,,,碳化鉬 碳化鈮,,碳化鎢 碳化鋯,,,熔點和硬度都很高。,,在2000 ℃以上的中性或還原氣氛作高溫材料；,,碳化鈮、碳化鈦還可用于2500 ℃以上的氮氣氣氛中的高溫材料。,,,5.2.3 硼化物陶瓷,,,,,,硼化鉻? 硼化鉬? 硼化鈦??硼化鎢? 硼化鋯,,,,,●,高硬度；,,,,●,較好的耐化學浸蝕能力；,,,,●,熔點范圍為1800 ℃～2500 ℃；,,

11、,,●,比碳化物陶瓷，硼化物陶瓷具有較高的抗高溫氧化性能，使用溫度達1400 ℃。,,應用：,用于高溫軸承、內燃機噴嘴、各種高溫器件、處理熔融非鐵金屬的器件等。,,,,,5.2.4 氮化物陶瓷,,,,,一、氮化硅陶瓷,,,,氮化硅陶瓷是鍵能,高而穩定的共價鍵晶體。,,,1、性能特點,,,●,硬度高而摩擦系數低，有自潤滑作用。,,是優良的耐磨減摩材料；,,,●,氮化硅的耐熱溫度比氧化鋁低。,,抗氧化溫度高于碳化物和硼化物；,,,,●,1200 ℃以下具有較高的機械性能和化學穩定性，且熱膨脹系數小、抗熱沖擊。,,可做優良的高溫結構材料；,,●,耐各種無機酸（氫氟酸除外）和堿溶液浸蝕。優良的耐腐蝕材

12、料。,,,,2、氮化硅陶瓷應用：,,,,●,反應燒結法得到的,α-Si,3,N,4,用于制造各種泵的耐蝕、耐磨密封環等零件。,,,,●,熱壓燒結法得到的,β-Si,3,N,4,,,用于制造高溫軸承、轉子葉片、靜葉片以及加工難切削材料的刀具等。,,,,●,在,Si,3,N,4,中加一定量,Al,2,O,3,燒制成陶瓷可制造柴油機的氣缸、活塞和燃氣輪機的轉動葉輪。,氮化硅陶瓷刀具 氮化硅陶瓷軸承滾珠,,,二、氮化硼陶瓷,,,六方氮化硼：,,,為六方晶體結構，也叫“白色石墨”。,,●,硬度低，可進行各種切削加工；,,●,導熱和抗熱性高，耐熱性好，有自潤滑性能；,,●,高溫下耐腐蝕、

13、絕緣性好。,用于高溫耐磨材料和電絕緣材料、耐火潤滑劑等。,六方氮化硼,,,立方氮化硼：,,在高壓和1360 ℃時六方氮化硼轉化為立方,β-BN。,,,硬度接近金剛石的硬度。,,用作金剛石的代用品, 制作耐磨切削刀具、高溫模具和磨料等。,立方氮化硼陶瓷刀具,,,三、氮化鈦陶瓷,,,,硬度高（1800,HV)、,耐磨。,,,●,刃具表面涂層；,,,●,耐磨零件表面涂層；,,,●,金黃色裝飾表面。,,,,,,第５章?? 小結,,,,1.,工程陶瓷生產過程：,原料制備、坯料成形、制品燒成或燒結。,,,,2.,普通日用陶瓷,作日用器皿和瓷器。,,,,普通工業陶瓷：,建筑衛生瓷、電工瓷、,,化學化工瓷,,3.,特種陶瓷,,,氧化物陶瓷,（氧化鋁、氧化鈹、氧化鋯）,,,碳化物陶瓷,（碳化硅、碳化硼、碳化鎢）,,,硼化物陶瓷,（硼化鉻、硼化鉬、硼化鈦）,,,氮化硅陶瓷,（氮化硅、氮化硼、氮化鈦）,,