第七章 精細(xì)化工產(chǎn)品 陶瓷材料

1、l工業(yè)上應(yīng)用的典型的傳統(tǒng)陶瓷產(chǎn)品如陶瓷器、玻璃、工業(yè)上應(yīng)用的典型的傳統(tǒng)陶瓷產(chǎn)品如陶瓷器、玻璃、水泥等。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，出現(xiàn)了許多性能優(yōu)水泥等。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，出現(xiàn)了許多性能優(yōu)良的新型陶瓷。良的新型陶瓷。 l陶瓷材料是除陶瓷材料是除金屬和高聚物金屬和高聚物以外的無(wú)機(jī)非以外的無(wú)機(jī)非金屬材料通稱。金屬材料通稱。l一、陶瓷材料的特點(diǎn)一、陶瓷材料的特點(diǎn) l1、陶瓷材料的相組、陶瓷材料的相組成特點(diǎn)成特點(diǎn)l陶瓷材料通常由三陶瓷材料通常由三種不同的相組成，種不同的相組成，即即晶相晶相(1)、玻璃相玻璃相(2)和和氣相氣相(3)氣孔氣孔。l料致密度、降料致密度、降低燒結(jié)溫度和低燒結(jié)溫度和抑制晶粒長(zhǎng)大。抑

2、制晶粒長(zhǎng)大。l氣相氣相是在工藝是在工藝過(guò)程中形成并過(guò)程中形成并保留下來(lái)的。保留下來(lái)的。l晶相晶相是陶瓷材料中主要的組成相，決定陶瓷材料物是陶瓷材料中主要的組成相，決定陶瓷材料物理化學(xué)性質(zhì)的主要是晶相。理化學(xué)性質(zhì)的主要是晶相。l玻璃相玻璃相的作用是充填晶粒間隙、粘結(jié)晶粒、提高材的作用是充填晶粒間隙、粘結(jié)晶粒、提高材l2、陶瓷材料的結(jié)合鍵特點(diǎn)、陶瓷材料的結(jié)合鍵特點(diǎn)l陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等，因而其結(jié)合鍵以離子鍵硅化物等，因而其結(jié)合鍵以離子鍵(如如Al2O3)、共價(jià)、共價(jià)鍵鍵(如如Si3N4)及兩者的混合鍵為主。及兩者的混合鍵為

3、主。共價(jià)鍵共價(jià)鍵離子鍵離子鍵l3、陶瓷材料的性能特點(diǎn)、陶瓷材料的性能特點(diǎn) l陶瓷材料具有高熔點(diǎn)、高陶瓷材料具有高熔點(diǎn)、高硬度、高化學(xué)穩(wěn)定性，耐硬度、高化學(xué)穩(wěn)定性，耐高溫、耐氧化、耐腐蝕等高溫、耐氧化、耐腐蝕等特性。特性。l陶瓷材料還具有密度小、陶瓷材料還具有密度小、彈性模量大、耐磨損、強(qiáng)彈性模量大、耐磨損、強(qiáng)度高等特點(diǎn)度高等特點(diǎn)。l功能陶瓷還具有電、光、功能陶瓷還具有電、光、磁等特殊性能。磁等特殊性能。 l4、陶瓷材料的工藝特點(diǎn)、陶瓷材料的工藝特點(diǎn)l陶瓷是脆性材料，大部分陶瓷是通過(guò)粉體成型和高陶瓷是脆性材料，大部分陶瓷是通過(guò)粉體成型和高溫?zé)Y(jié)來(lái)成形的，因此陶瓷是燒結(jié)體。溫?zé)Y(jié)來(lái)成形的，因此陶瓷

4、是燒結(jié)體。l燒結(jié)體也是晶粒的聚集體，有晶粒和晶界，所存在燒結(jié)體也是晶粒的聚集體，有晶粒和晶界，所存在的問(wèn)題是其存在一定的氣孔率。的問(wèn)題是其存在一定的氣孔率。 Al2O3粉末的燒結(jié)組織粉末的燒結(jié)組織ZrO2陶瓷中的氣孔陶瓷中的氣孔l二、陶瓷材料的分類二、陶瓷材料的分類l1、按化學(xué)成分分類、按化學(xué)成分分類 l可將陶瓷材料分為可將陶瓷材料分為氧化物陶瓷氧化物陶瓷、碳化物陶瓷碳化物陶瓷、氮化物氮化物陶瓷陶瓷及及其它化合物陶瓷其它化合物陶瓷。導(dǎo)電玻導(dǎo)電玻璃璃玻璃幕玻璃幕墻墻l2、按使用的原材料分類、按使用的原材料分類 l可將陶瓷材料分為可將陶瓷材料分為普通陶瓷普通陶瓷和和特種陶瓷特種陶瓷。l普通陶瓷普通

5、陶瓷以天然的巖石、以天然的巖石、礦石、黏土等材料作原料。礦石、黏土等材料作原料。l特種陶瓷特種陶瓷采用人工合成的采用人工合成的材料作原料。材料作原料。 l3、按性能和用途分類、按性能和用途分類 l可將陶瓷材料分為可將陶瓷材料分為結(jié)構(gòu)陶結(jié)構(gòu)陶瓷瓷和和功能陶瓷功能陶瓷兩類。兩類。 陶瓷零件陶瓷零件l一、普通陶瓷一、普通陶瓷 l普通陶瓷是用粘土普通陶瓷是用粘土(Al2O32SiO22H2O)、長(zhǎng)石、長(zhǎng)石(K2OAl2O36SiO2，Na2OAl2O36SiO2)和石英和石英(SiO2)為原料，經(jīng)成型、燒結(jié)而成的陶瓷。為原料，經(jīng)成型、燒結(jié)而成的陶瓷。l其組織中主晶相為莫來(lái)石其組織中主晶相為莫來(lái)石(3A

6、l2O32SiO2)，占，占2530%，玻璃相占，玻璃相占3560%，氣相占，氣相占13%。l普通陶瓷加工成型性好，普通陶瓷加工成型性好，成本低，產(chǎn)量大。成本低，產(chǎn)量大。l除日用陶瓷、瓷器外，除日用陶瓷、瓷器外，大量用于電器、化工、大量用于電器、化工、建筑、紡織等工業(yè)部門。建筑、紡織等工業(yè)部門。 景德鎮(zhèn)瓷器景德鎮(zhèn)瓷器絕緣子絕緣子l 氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷 l氧化鋁陶瓷以氧化鋁陶瓷以Al2O3為主要成分為主要成分, 含有少量含有少量SiO2的陶瓷，又稱高的陶瓷，又稱高鋁陶瓷。鋁陶瓷。Al2O3化工、耐磨陶化工、耐磨陶瓷配件瓷配件Al2O3密封、氣動(dòng)密封、氣動(dòng)陶瓷配件陶瓷配件l根據(jù)根據(jù)Al2O3含量

7、不同分為含量不同分為75瓷瓷(含含75%Al2O3，又稱，又稱剛玉剛玉-莫來(lái)石瓷莫來(lái)石瓷)、95瓷和瓷和99瓷，后兩者又稱剛玉瓷。瓷，后兩者又稱剛玉瓷。l氧化鋁陶瓷耐高溫性能好，可使用到氧化鋁陶瓷耐高溫性能好，可使用到1950,。具。具有良好的電絕緣性能及耐磨性。微晶剛玉的硬度極有良好的電絕緣性能及耐磨性。微晶剛玉的硬度極高高(僅次于金剛石僅次于金剛石). 95瓷紡織件瓷紡織件99瓷紡織件瓷紡織件氧化鋁耐高溫噴嘴氧化鋁耐高溫噴嘴氧化鋁陶瓷轉(zhuǎn)心球閥氧化鋁陶瓷轉(zhuǎn)心球閥氧化鋁陶瓷密封環(huán)氧化鋁陶瓷密封環(huán)氧化鋁陶瓷坩堝氧化鋁陶瓷坩堝l氧化鋁陶瓷被廣泛用作耐火材料，如耐火磚、坩堝、氧化鋁陶瓷被廣泛用作耐火

8、材料，如耐火磚、坩堝、熱偶套管，淬火鋼的切削熱偶套管，淬火鋼的切削刀具、金屬拔絲模，內(nèi)燃刀具、金屬拔絲模，內(nèi)燃機(jī)的火花塞，火箭、導(dǎo)彈機(jī)的火花塞，火箭、導(dǎo)彈的導(dǎo)流罩及軸承等。的導(dǎo)流罩及軸承等。 l 氮化硅（氮化硅（Si3N4）陶瓷）陶瓷l氮化硅是由氮化硅是由Si3N4四面體組成的共四面體組成的共 價(jià)鍵固體。價(jià)鍵固體。l 氮化硅的制備與燒結(jié)工藝氮化硅的制備與燒結(jié)工藝l工業(yè)硅直接氮化：工業(yè)硅直接氮化：3Si+2N2Si3N4l二氧化硅還原氮化：二氧化硅還原氮化：3SiO2+6C+2N2Si3N4+6CO燒結(jié)工藝燒結(jié)工藝優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn)缺點(diǎn) 反應(yīng)燒結(jié)反應(yīng)燒結(jié) 燒結(jié)時(shí)幾乎沒(méi)有收縮，能燒結(jié)時(shí)幾乎沒(méi)有收縮，能

9、得到復(fù)雜的形狀得到復(fù)雜的形狀 密度低，強(qiáng)度低，耐蝕密度低，強(qiáng)度低，耐蝕性差性差 熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié) 用較少的助劑就能致密化，用較少的助劑就能致密化，強(qiáng)度、耐蝕性最好強(qiáng)度、耐蝕性最好 只能制造簡(jiǎn)單形狀，燒只能制造簡(jiǎn)單形狀，燒結(jié)助劑使高溫強(qiáng)度降低結(jié)助劑使高溫強(qiáng)度降低 l 性能特點(diǎn)及應(yīng)用性能特點(diǎn)及應(yīng)用l氮化硅的強(qiáng)度、比強(qiáng)度、比模量高；硬度僅次于金氮化硅的強(qiáng)度、比強(qiáng)度、比模量高；硬度僅次于金剛石、碳化硼等；摩擦系數(shù)僅為剛石、碳化硼等；摩擦系數(shù)僅為0.10.2；熱膨脹系；熱膨脹系數(shù)??；抗熱震性大大高于其他陶瓷材料；化學(xué)穩(wěn)定數(shù)??；抗熱震性大大高于其他陶瓷材料；化學(xué)穩(wěn)定性高。性高。l熱壓燒結(jié)氮化硅熱壓燒結(jié)氮化

10、硅用于形狀簡(jiǎn)單、用于形狀簡(jiǎn)單、精度要求不高的精度要求不高的零件，如切削刀零件，如切削刀具、高溫軸承等。具、高溫軸承等。Si3N4軸承軸承l(wèi)反應(yīng)燒結(jié)氮化硅用于形狀復(fù)雜、尺寸精度要求高的反應(yīng)燒結(jié)氮化硅用于形狀復(fù)雜、尺寸精度要求高的零件，如機(jī)械密封環(huán)等。零件，如機(jī)械密封環(huán)等。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片氣閥等零件葉片氣閥等零件l 碳化硅（碳化硅（SiC）陶瓷）陶瓷l碳化硅是通過(guò)鍵能很高碳化硅是通過(guò)鍵能很高的共價(jià)鍵結(jié)合的晶體。的共價(jià)鍵結(jié)合的晶體。l碳化硅是用石英沙碳化硅是用石英沙(SiO2)加焦碳直接加熱加焦碳直接加熱至高溫還原而成：至高溫還原而成：SiO2+3CSiC+2CO。l碳化硅的燒結(jié)工藝也有熱壓

11、和反應(yīng)燒結(jié)兩種。由于碳化硅的燒結(jié)工藝也有熱壓和反應(yīng)燒結(jié)兩種。由于碳化硅表面有一層薄氧化膜，因此很難燒結(jié)，需添碳化硅表面有一層薄氧化膜，因此很難燒結(jié)，需添加燒結(jié)助劑促進(jìn)燒結(jié)，常加的助劑有硼、碳、鋁等。加燒結(jié)助劑促進(jìn)燒結(jié)，常加的助劑有硼、碳、鋁等。常壓燒結(jié)碳化硅常壓燒結(jié)碳化硅l碳化硅的最大特點(diǎn)是高溫強(qiáng)度高，有很好的耐磨碳化硅的最大特點(diǎn)是高溫強(qiáng)度高，有很好的耐磨損、耐腐蝕、抗蠕變性能，其熱傳導(dǎo)能力很強(qiáng)，損、耐腐蝕、抗蠕變性能，其熱傳導(dǎo)能力很強(qiáng)，僅次于氧化鈹陶瓷。僅次于氧化鈹陶瓷。 SiC密封件密封件l碳化硅陶瓷用于制造火箭碳化硅陶瓷用于制造火箭噴嘴、澆注金屬的喉管、噴嘴、澆注金屬的喉管、熱電偶套管、

12、爐管、燃?xì)鉄犭娕继坠?、爐管、燃?xì)廨啓C(jī)葉片及軸承，泵的密輪機(jī)葉片及軸承，泵的密封圈、拉絲成型模具等。封圈、拉絲成型模具等。 SiC陶瓷件陶瓷件SiC陶瓷件陶瓷件SiC軸承軸承l(wèi) 氧化鋯陶瓷氧化鋯陶瓷l氧化鋯的晶型轉(zhuǎn)變：立方相氧化鋯的晶型轉(zhuǎn)變：立方相 四方相四方相 單斜相。四單斜相。四方相轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕喾浅Ｑ杆伲鸷艽蟮捏w積變化，方相轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕喾浅Ｑ杆?，引起很大的體積變化，易使制品開(kāi)裂。易使制品開(kāi)裂。ZrO2l在氧化鋯中加入某些氧化物在氧化鋯中加入某些氧化物(如如CaO、MgO、Y2O3等等)能形成穩(wěn)定立方固溶體，不再發(fā)生相變，具有這能形成穩(wěn)定立方固溶體，不再發(fā)生相變，具有這種結(jié)構(gòu)的氧化鋯稱為完

13、全穩(wěn)定氧化鋯種結(jié)構(gòu)的氧化鋯稱為完全穩(wěn)定氧化鋯(FSZ)，其力，其力學(xué)性能低，抗熱沖擊性差。學(xué)性能低，抗熱沖擊性差。l減少加入的氧化物數(shù)量，減少加入的氧化物數(shù)量，使部分氧化物以四方相的使部分氧化物以四方相的形式存在。由于這種材料形式存在。由于這種材料只使一部分氧化鋯穩(wěn)定，只使一部分氧化鋯穩(wěn)定，所以稱部分穩(wěn)定氧化鋯所以稱部分穩(wěn)定氧化鋯(PSZ)。 l氧化鋯中四方相向單斜相的轉(zhuǎn)變可通過(guò)應(yīng)力誘發(fā)產(chǎn)生。氧化鋯中四方相向單斜相的轉(zhuǎn)變可通過(guò)應(yīng)力誘發(fā)產(chǎn)生。當(dāng)受到外力作用時(shí)，這種相變將吸收能量而使裂紋尖當(dāng)受到外力作用時(shí)，這種相變將吸收能量而使裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)松弛，增加裂紋擴(kuò)展阻力，從而大幅度提端的應(yīng)力場(chǎng)松弛，增加裂紋擴(kuò)展阻力，從而大幅度提高陶瓷材料的韌性。高陶瓷材料的韌性。部分穩(wěn)定氧化鋯組織部分穩(wěn)定氧化鋯組織l部分穩(wěn)定氧化鋯的導(dǎo)熱率