陶瓷材料分類、特性和基本工藝課件

陶瓷材料分類、特性和基本工藝陶瓷材料分類、特性和基本工藝陶瓷材料指所有無機非金屬材料。是用天然或人工合成的粉狀化合物，經(jīng)成型和高溫燒結而制成的多晶固體材料。陶瓷材料指所有無機非金屬材料。是用天然或人工合成的粉狀化合物2.2.1概述按原料來源分：普通陶瓷、特種陶瓷普通陶瓷又稱傳統(tǒng)陶瓷。以天然硅酸鹽礦物為主要原料，如粘土、石英、長石等。主要制品有：日用陶瓷、建筑陶瓷、電器絕緣陶瓷、化工陶瓷、多孔陶瓷。一、陶瓷材料的分類與生產(chǎn)（一）分類2.2.1概述按原料來源分：普通陶瓷、特種陶瓷普通陶瓷又稱特種陶瓷是以純度較高的人工合成化合物為主要原料的人工合成化合物。如Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4、BN等。按用途分類日用陶瓷工業(yè)陶瓷工程結構陶瓷功能陶瓷特種陶瓷是以純度較高的人工合成化合物為主要原料的人工合成化合高強度陶瓷高溫陶瓷壓電陶瓷磁性陶瓷半導體陶瓷生物陶瓷按性能可將陶瓷分高強度陶瓷按性能可將陶瓷分特種陶瓷可按化學組成分為氧化物陶瓷氮化物陶瓷碳化物陶瓷金屬陶瓷（硬質(zhì)合金）特種陶瓷可按化學組成分為坯料制備通過機械或物理或化學方法制備粉料，在制備坯料時，要控制坯料粉的粒度、形狀、純度及脫水脫氣，以及配料比例和混料均勻等質(zhì)量要求。按不同的成型工藝要求，坯料可以是粉料、漿料或可塑泥團。（二）陶瓷制品的生產(chǎn)陶瓷制品的生產(chǎn)都要經(jīng)過三個階段：坯料制備、成型、燒結坯料制備（二）陶瓷制品的生產(chǎn)陶瓷制品的生產(chǎn)都要經(jīng)過三個階段：成型將坯料用一定工具或模具制成一定形狀、尺寸、密度和強度的制品坯型（亦稱生坯）。燒結生坯經(jīng)初步干燥后，進行涂釉燒結或直接燒結。高溫燒結時，陶瓷內(nèi)部會發(fā)生一系列物理化學變化及相變，如體積減小，密度增加，強度、硬度提高，晶粒發(fā)生相變等，使陶瓷制品達到所要求的物理性能和力學性能。成型二、陶瓷材料的結構與性能特點陶瓷材料是多相多晶材料，陶瓷結構中同時存在晶體相玻璃相氣相各組成相的結構、數(shù)量、形態(tài)、大小及分布決定了陶瓷的性能。二、陶瓷材料的結構與性能特點陶瓷材料是多相多晶材料，陶瓷結構（一）陶瓷材料的結構１.晶相晶相是陶瓷材料的主要組成相，對陶瓷的性能起決定性作用。陶瓷中的晶相的結合鍵為離子鍵共價鍵混合鍵（一）陶瓷材料的結構１.晶相晶相是陶瓷材料的主要組成相，對氧化物結構的結合鍵以離子鍵為主，又稱離子晶體。Si3N4、SiC、BN等以共價鍵為主，稱共價晶體。氧化物結構的主要特點是氧離子緊密排列構成晶格骨架，組成六方或面心立方點陣，而正離子位于骨架的適當間隙之中。如：CaO、MgO、Al2O3、ZrO2氧化物結構的結合鍵以離子鍵為主，又稱離子晶體。硅酸鹽結構結構很復雜，但基本結構單元為[SiO4]硅氧四面體，結合鍵為離子鍵、共價鍵的混合鍵；每個氧原子最多只有被兩個[SiO4]所共有；Si-O-Si的鍵角為145℃;[SiO4]既可孤立存在，亦可通過共用頂點連接成鏈狀、平面或三維網(wǎng)狀結構，故硅酸鹽材料有無機高聚物之稱。硅酸鹽結構結構很復雜，但基本結構單元為[SiO4]硅氧四面體有些陶瓷中的晶相也存在同素異構轉(zhuǎn)變。α-石英870℃α-鱗石英1470℃α-方石英1713℃熔融SiO2573℃β-石英163℃β-鱗石英117℃γ-鱗石英180~270℃β－方石英急冷加熱石英玻璃SiO2的同素異構轉(zhuǎn)變有些陶瓷中的晶相也存在同素異構轉(zhuǎn)變。α-石英870℃α-鱗石實際陶瓷晶體與金屬晶體一樣也存在晶體缺陷，這些缺陷可加速陶瓷的燒結擴散過程，還影響陶瓷性能。晶粒愈細，陶瓷的強度愈高。如剛玉（Al2O3）晶粒平均尺寸為200μm時，抗彎強度為74MPa，1.8μm時抗彎強度可高達570MPa。陶瓷材料中往往同時存在多種晶相，對陶瓷性能起決定作用的晶相稱主晶相，其余為次晶相。實際陶瓷晶體與金屬晶體一樣也存在晶體缺陷，這些缺陷可加速陶瓷玻璃相是一種非晶態(tài)固體，是陶瓷燒結時，各組成相與雜質(zhì)產(chǎn)生一系列物理化學反應形成的液相在冷卻凝固時形成的。２.玻璃相玻璃相是一種非晶態(tài)固體，是陶瓷燒結時，各組成相與雜質(zhì)產(chǎn)生一系玻璃相的作用將分散的晶相粘結在一起；降低燒結溫度；抑制晶相的晶粒長大填充氣孔。玻璃相是陶瓷材料中不可缺少的組成相。玻璃相的作用將分散的晶相粘結在一起；玻璃相是陶瓷材料中不可缺玻璃相熔點低、熱穩(wěn)定性差，在較低溫度下開始軟化，導致陶瓷在高溫下發(fā)生蠕變，且其中常有一些金屬離子而降低陶瓷的絕緣性。故工業(yè)陶瓷中玻璃相的數(shù)量要予以控制，一般<20~40%。玻璃相熔點低、熱穩(wěn)定性差，在較低溫度下開始軟化，導致陶瓷在高氣相指陶瓷孔隙中的氣體即氣孔。是生產(chǎn)過程中不可避免的，陶瓷中的孔隙率常為5~10%，要力求使其呈球狀，均勻分布。氣孔對陶瓷的性能有顯著影響，使陶瓷強度降低、介電損耗增大，電擊穿強度下降，絕緣性降低。３.氣相氣相指陶瓷孔隙中的氣體即氣孔。是生產(chǎn)過程中不可避免的，陶瓷中氣相可使陶瓷的密度減小，并能吸收振動；用作保溫的陶瓷和化工用的過濾多孔陶瓷等需要增加氣孔率，有時氣孔率可高達60％。氣相可使陶瓷的密度減小，并能吸收振動；（二）陶瓷的性能硬度高、耐磨性好;>1500Hv（淬火鋼500~800Hv，高聚物<20Hv）抗拉強度低，抗壓強度較高；因表面及內(nèi)部的氣孔、微裂紋等缺陷，實際強度僅為理論強度的1/100~1/200。但抗壓強度高，為抗拉強度的10~40倍。1.力學性能（二）陶瓷的性能硬度高、耐磨性好;1.力學性能高彈性模量，高脆性。

E=100~400GPa（金屬210）在拉伸時幾乎沒有塑性，在拉力作用下產(chǎn)生一定的彈性變形后直接斷裂。σε高彈性模量，高脆性。σε沖擊韌性、斷裂韌性低

KIC

約為金屬的1/60~1/100材料KIC/MPa.m1/245鋼90球墨鑄鐵20~40氮化硅陶瓷3.5~5幾種材料的斷裂韌性沖擊韌性、斷裂韌性低材料KIC/MPa.m1/245鋼9熔點高一般在2000℃以上，故陶瓷高溫強度和高溫蠕變抗力優(yōu)于金屬。熱脹系數(shù)小、熱導率低隨氣孔率增加，陶瓷的熱脹系數(shù)、熱導率降低，故多孔或泡沫陶瓷可作絕熱材料。熱振性差。2.物理與化學性能熔點高2.物理與化學性能有些陶瓷具有特殊的光學性能紅寶石（α-Al2O3摻鉻離子）、釔鋁石榴石、含釹玻璃等可作固體激光材料；玻璃纖維可作光導纖維材料，此外還有用于光電計數(shù)、跟蹤等自控元件的光敏電阻材料。磁性磁性陶瓷又名鐵氧體或鐵淦氧，主要是Fe2O3和Mn、Zn等的氧化物組成的陶瓷材料，為磁性陶瓷材料，可用作磁芯、磁帶、磁頭等。結構穩(wěn)定化學穩(wěn)定性高，抗氧化性優(yōu)良，在1000℃高溫下不會氧化，并對酸、堿、鹽有良好的抗蝕性。故在化工工業(yè)中廣泛應用。有些陶瓷具有特殊的光學性能2.2.2工程結構陶瓷材料又稱傳統(tǒng)陶瓷、粘土陶瓷。這種陶瓷以天然硅酸鹽礦物，如粘土、長石、石英等為主要原料配制、燒結而成的。主晶相為莫來石晶體（3Al2O3﹒2SiO2），占25～30％，次晶相為SiO2；玻璃相約為35～60％；氣相為1～3％。一、普通陶瓷2.2.2工程結構陶瓷材料又稱傳統(tǒng)陶瓷、粘土陶瓷。這種陶瓷硬度高，不會氧化生銹，不導電，耐1200℃高溫，加工成型性好，成本低廉。玻璃相較多，強度較低，在較高溫度下易軟化，故耐高溫及絕緣性不及其它陶瓷。性能特點硬度高，不會氧化生銹，不導電，耐1200℃高溫，加工成型性好日用陶瓷工業(yè)上主要用作絕緣的電瓷絕緣子和耐酸、堿的容器、反應塔管道等，還可用于受力不大，工作溫度在200℃以下的結構零件。應用日用陶瓷應用二、特種陶瓷以Al2O3為主要成分，含少量SiO2的陶瓷。根據(jù)Al2O3含量不同，分為

75瓷（

）又稱剛玉-莫來石瓷；

95瓷、99瓷，又稱剛玉瓷。Al2O3含量愈高，玻璃相愈少，氣孔愈少，陶瓷的性能愈好，但工藝愈復雜，成本愈高。（一）氧化鋁陶瓷二、特種陶瓷以Al2O3為主要成分，含少量SiO2的陶瓷。（氧化鋁陶瓷的強度高，是普通陶瓷的2～6倍，抗拉強度可達250MPa；耐磨性好，硬度次于金剛石、碳化硼、立方氮化硼和碳化硅，居第5；耐高溫性能好，剛玉陶瓷可在1600℃下長期工作，在空氣中的最高使用溫度達1980℃；耐蝕性和絕緣性好；脆性大，抗熱振性差，不能承受環(huán)境溫度的突然變化。氧化鋁陶瓷的強度高，是普通陶瓷的2～6倍，抗拉強度可達250主要用于制作內(nèi)燃機火花塞，火箭、導彈的導流罩，石油化工泵的密封環(huán)，耐磨零件，如軸承、紡織機上的導紗器，合成纖維用的噴嘴等，作冶煉金屬用的坩堝等。主要用于制作內(nèi)燃機火花塞，火箭、導彈的導流罩，石油化工泵的密以Si3N4為主要成分；按生產(chǎn)工藝不同，分為熱壓燒結氮化硅陶瓷和反應燒結氮化硅陶瓷；熱壓燒結氮化硅陶瓷以Si3N4粉為原料，加入少量添加劑，裝入石墨模具中，在1600～1700℃高溫和20～30MPa的高壓下燒結成型，得到組織致密，氣孔率接近0的氮化硅陶瓷。因受石墨模具所限制，只能加工形狀簡單的制品。（二）氮化硅陶瓷以Si3N4為主要成分；按生產(chǎn)工藝不同，分為熱壓燒結氮化硅陶反應燒結氮化硅陶瓷以硅粉或硅粉與Si3N4粉的混合料，壓制成型后，放入滲氮爐中進行滲氮處理，直到所有的硅都形成氮化硅，得到尺寸相當精密的氮化硅制品。但此制品中有20～30％的氣孔，故強度不及熱壓燒結制品，與95瓷相近。性能優(yōu)異，易于加工。反應燒結氮化硅陶瓷硬度高，摩擦系數(shù)小（0.1～0.2），有自潤滑性，是極優(yōu)的耐磨材料；蠕變抗力高，熱脹系數(shù)小，抗熱振性能在陶瓷中是最好的；化學穩(wěn)定性好，除氫氟酸外，能耐各種酸、王水和堿液的腐蝕，也能抗熔融金屬的侵蝕；因氮化硅是共價鍵晶體，既無自由電子也無離子，具有優(yōu)異的電絕緣性能。性能特點硬度高，摩擦系數(shù)?。?.1～0.2），有自潤滑性，是極優(yōu)的耐反應燒結氮化硅陶瓷主要用于耐磨、耐高溫，耐腐蝕，形狀復雜且尺寸精度高的制品。如石油化工泵的密封環(huán)、高溫軸承、熱電偶套管、燃氣輪機轉(zhuǎn)子葉片等；熱壓燒結氮化硅陶瓷用于制造形狀簡單的耐磨、耐高溫零件和工具。如切削刀具、轉(zhuǎn)子發(fā)動機刮片、高溫軸承等。應用反應燒結氮化硅陶瓷主要用于耐磨、耐高溫，耐腐蝕，形狀復雜且尺主晶相SiC，有反應燒結和熱壓燒結兩種碳化硅陶瓷；高溫強度高，工作溫度可達1600～1700℃1400℃時，抗彎強度為500～600MPa；有很好的導熱性、熱穩(wěn)定性、抗蠕變能力、耐磨性、耐蝕性，且耐輻射；是良好的高溫結構材料，主要用于制作火箭噴管的噴嘴，澆注金屬的澆道口、熱電偶套管、爐管，燃氣輪葉片，高溫軸承，熱交換器及核燃料包封材料等。（三）碳化硅陶瓷主晶相SiC，有反應燒結和熱壓燒結兩種碳化硅陶瓷；（三）碳化主晶相BN，共價晶體，晶體結構為六方結構，有白石墨之稱；良好的耐熱性和導熱性，熱導率與不銹鋼相當，熱脹系數(shù)比金屬和其它陶瓷低得多，故抗熱振性和熱穩(wěn)定性好；高溫絕緣性好，2000℃仍是絕緣體，是理想的高溫絕緣材料和散熱材料；化學穩(wěn)定性高，能抗Fe、Al、Ni等熔融金屬的侵蝕；硬度較其它陶瓷低，可切削加工；有自潤滑性，耐磨性好。（四）氮化硼陶瓷主晶相BN，共價晶體，晶體結構為六方結構，有白石墨之稱；（四氮化硼陶瓷常用于制作熱電偶套管，熔煉半導體、金屬的坩堝和冶金用高溫容器和管道，高溫軸承，下班制品成型模，高溫絕緣材料；因BN中含wB=43%，有很大的吸收中子的截面，可作核反應堆中吸收熱中子的控制棒。氮化硼陶瓷常用于制作熱電偶套管，熔煉半導體、金屬的坩堝和冶金不同種類的特種陶瓷，各具不同的優(yōu)異性能，但作為主體結構材料，其共同的弱點是：塑性、韌性差，強度低氧化鎂陶瓷氧化鋯陶瓷氧化鈹陶瓷不同種類的特種陶瓷，各具不同的優(yōu)異性能，但作為主體結構材料，2.2.3金屬陶瓷以金屬氧化物或碳化物為主要成分，加入適量的金屬粉末，通過粉末冶金的方法制成的，具有某些金屬性質(zhì)的陶瓷。金屬陶瓷是金屬切削刀具、模具和耐磨零件的重要材料。2.2.3金屬陶瓷以金屬氧化物或碳化物為主要成分，加入適量一、粉末冶金方法及其應用粉末冶金：陶瓷生產(chǎn)工藝在冶金中的應用金屬材料的制備：熔煉、鑄造高熔點的金屬及金屬化合物難以通過熔煉或鑄造的方法制備粉末冶金粉末制備壓制成型燒結成零件或毛坯一、粉末冶金方法及其應用粉末冶金：陶瓷生產(chǎn)工藝在冶金中的應用（一）粉末冶金法的基本工藝過程包括粉末制取、配料、粉料混合等步驟。粉末的純度、粒度、混合的均勻程度等對粉末冶金制品的質(zhì)量有重要影響。粉末愈細、愈均勻、純度愈高，陶瓷的性能愈好。１.粉末制備（一）粉末冶金法的基本工藝過程包括粉末制取、配料、粉料混合等多采用冷壓法，即將粉料裝入模具型腔內(nèi)，在壓力機下壓制成致密的具有一定強度的坯體。為了改善粉末的可塑性和成型性，通常在粉料中會加入一定比例的增塑劑，如汽油橡膠溶液、石蠟等。2.壓制成型多采用冷壓法，即將粉料裝入模具型腔內(nèi)，在壓力機下壓制成致密的將壓制成型的坯體放入通過保護氣氛的高溫爐或真空爐中進行燒結，在保持至少一種組元仍處于固態(tài)的燒結溫度下，長時間保溫，通過擴散、再結晶、化學反應等過程，獲得與一般合金相似的組織，并存在一些微小的孔隙的粉末冶金制品。3.燒結將壓制成型的坯體放入通過保護氣氛的高溫爐或真空爐中進行燒結，根據(jù)燒結過程中有無液相產(chǎn)生，燒結分為：固相燒結和液相燒結。固相燒結：在燒結時不形成液相。無偏析高速鋼、燒結鋁（Al-Al2O3）、燒結鎢、青銅－石墨、鐵－石墨等液相燒結：在燒結時形成部分液相的液-固共存狀態(tài)。金屬陶瓷硬質(zhì)合金（WC-Co、WC-TiC-Co等）、高速鋼－WC、鉻鉬鋼－WC等根據(jù)燒結過程中有無液相產(chǎn)生，燒結分為：固相燒結和液相燒結。為改善或得到某些性能，有些粉末冶金制品在燒結后還要進行后處理加工。如齒輪、球面軸承等在燒結后再進行冷擠壓，以提高其密度、尺寸精度等；鐵基粉末冶金零件進行淬火處理，以提高硬度等等。4.后處理加工為改善或得到某些性能，有些粉末冶金制品在燒結后還要進行后處理（二）粉末冶金的應用減摩材料含油軸承利用粉末冶金材料的多孔性，將材料浸在潤滑油中，在毛細力作用下，可吸附大量潤滑油（一般含油率達12～30％），從而減摩。常用含油軸承材料有鐵基（Fe+石墨、Fe+S+石墨）和銅基（Cu+Sb+Pb+Zn+石墨）結構材料用碳鋼或合金鋼的粉末為原料，采用粉末冶金方法制造結構零件。這種零件的精度較高、表面光潔，不須或少須切削加工即為成品零件。（二）粉末冶金的應用減摩材料含油軸承高熔點金屬材料

W、Mo、WC、TiC等金屬及金屬化合物熔點高（＞2000℃），用熔煉和鑄造方法生產(chǎn)較難，且不易保證其純度和冶金質(zhì)量。這些材料可以通過粉末冶金生產(chǎn)，如各種金屬陶瓷、鎢絲及Mo、Ta、Nb等難熔金屬和高溫合金。特殊電磁性能材料如硬磁材料、軟磁材料，多孔過濾材料，假合金材料高熔點金屬材料2.2.4金屬陶瓷硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金是金屬陶瓷的一種，它是以金屬碳化物（WC、TiC、TaC等）為基體，再加入適量的金屬粉末（如Co、Ni、Mo等）作為粘結劑制成的，具有金屬性質(zhì)的粉末冶金材料。2.2.4金屬陶瓷硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金是金屬陶瓷的一種，它是以金Co基體WCCo基體WC（一）硬質(zhì)合金的性能特點高硬度、高熱硬性、耐磨性好（主要特點）因以碳化物為骨架，常溫下硬度69～81

HRC，熱硬性達900～1000℃，作為切削刀具，其耐磨性、壽命和切削速度比高速鋼顯著提高。力學性能抗壓強度高（6000MPa），抗彎強度低（只有鋼的1/3～1/2），彈性模量高（是高速鋼的2～3倍），韌性差（約為淬火鋼的30～50％）耐蝕性、抗氧化性好，熱脹系數(shù)比鋼低（一）硬質(zhì)合金的性能特點高硬度、高熱硬性、耐磨性好（主要特點因抗彎強度低、脆性大、導熱性差，故在加工、作用過程中要避免沖擊和溫度急劇變化；硬度高，無法進行切削加工，可采用電加工（電火花、線切割）和專門砂輪磨削加工。因抗彎強度低、脆性大、導熱性差，故在加工、作用過程中要避免沖（二）硬質(zhì)合金的分類、編號和應用常用硬質(zhì)合金按成分和性能特點分為三類鎢鈷類硬質(zhì)合金鎢鈷鈦類硬質(zhì)合金通用硬質(zhì)合金1.分類與編號（二）硬質(zhì)合金的分類、編號和應用常用硬質(zhì)合金按成分和性能特點鎢鈷類硬質(zhì)合金由WC和Co組成代號：YG×

YG－“硬”、“鈷”，×－鈷的含量。如：YG6表示wCo=6%，余量為WC的鎢鈷類硬質(zhì)合金鎢鈷鈦類硬質(zhì)合金由WC、TiC和Co組成代號：YT×

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