第5章 陶瓷材料

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1、單擊此處編輯母版標(biāo)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(guī)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(nèi)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(yè)陶瓷）的應(yīng)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(diǎn)和應(yīng)用。,,,,學(xué)習(xí)目標(biāo)：,,,熟悉特種陶瓷的性能特點(diǎn)、改善性能的途徑和應(yīng)用。,,,對其它陶瓷材料作一般了解。,,,1. 玻璃,,,,,包括光學(xué)玻璃、電工玻璃、儀表玻璃等在內(nèi)的工業(yè)玻璃及建筑玻璃和日用玻璃等無固定熔點(diǎn)的受熱軟化

2、的非晶態(tài)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(xué)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(yīng)用分為,結(jié)構(gòu)陶瓷材料,與,功能陶瓷材料。,●概述,,陶瓷材料：,各種無機(jī)非金屬材料的通稱。包括：,,,,,●陶瓷的生產(chǎn)過程,,,,（1）原料制備,,,,礦物原料經(jīng)揀選、粉粹后配料、混合、磨細(xì)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(jī)械強(qiáng)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(jié),,,,干燥后的坯料加熱到高溫，進(jìn)行一系

3、列的物理、化學(xué)變化而成瓷的過程。,,,燒成是使坯件瓷化的工藝（1250℃～1450℃）；,,,燒結(jié)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(diǎn),,,,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(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度較高。,,日用器皿,,藝術(shù)陶瓷,5.1 普通陶瓷,,,二、常用普通日用陶瓷,,,,（1）長石質(zhì)瓷,國內(nèi)外常用的日用瓷，作一般工業(yè)瓷制品。,,,,（2）絹云母質(zhì)瓷,我國的傳統(tǒng)日用瓷。,,,,（3）骨質(zhì)瓷,主要作高級日用瓷制品。,,,,（4）滑石質(zhì)瓷,綜

4、合性能好的新型高質(zhì)瓷。,,（5）高石英質(zhì)日用瓷,我國研制成功，,石英含量 ≥40%，瓷質(zhì)細(xì)膩、色調(diào)柔和、透光度好、機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性好。,,,5.1.2 普通工業(yè)陶瓷,,,,,一、建筑衛(wèi)生瓷,,,,,,用于裝飾板、衛(wèi)生間裝置及器具等，通常尺寸較大，要求強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性好。,,建筑陶瓷 衛(wèi)生陶瓷,,,二、化學(xué)化工瓷,,,,,,用于化工、制藥、食品等工業(yè)及實(shí)驗(yàn)室中的管道設(shè)備、耐蝕容器及實(shí)驗(yàn)器皿等。,,通常要求耐各種化學(xué)介質(zhì)腐蝕的能力要強(qiáng)。,三、電工瓷,,,,,,主要指電器絕緣用瓷，也叫高壓陶瓷。,,要求機(jī)械性能高、介電性能和熱穩(wěn)定性好。,,,,絕緣瓷瓶,,,改善工業(yè)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(jī)械強(qiáng)度和耐堿抗力；,,加入,Al,2,O,3,、ZrO,2,等提高強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性；,,加入滑石或鎂砂降低熱膨脹系數(shù)；,,,加入,SiC,提高導(dǎo)熱性和強(qiáng)度。,,,,,,,,5.2? 特種陶瓷,,,,,☆,老師提示：,重點(diǎn)內(nèi)容,,,特種陶瓷,也叫現(xiàn)代陶瓷、精細(xì)陶瓷。,,,特種陶瓷,包括,特種結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)是,O,-2,排成密排六方結(jié)構(gòu)，,Al,+3,占據(jù)間隙位置。,根據(jù)含雜質(zhì)的多少, 氧化鋁呈紅色(如紅寶石)或藍(lán)色(如藍(lán)寶石)；,,實(shí)際生產(chǎn)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(jié)構(gòu),,,●氧化鋁,熔點(diǎn)達(dá)2050 ℃，抗氧化性好。,,,Al,2,O,3,粉末壓制成形、高溫?zé)Y(jié)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(dá)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(dǎo)熱率，是很好

7、的電絕緣材料和絕熱材料。,,強(qiáng)度和耐熱強(qiáng)度均較高（是普通陶瓷的5倍），是很好的高溫結(jié)構(gòu)材料，如可作內(nèi)燃機(jī)火花塞、空壓機(jī)泵零件等。,,,,,●單晶體氧化鋁,,可做藍(lán)寶石激光器；,,,氧化鋁陶瓷應(yīng)用實(shí)例：,,氧化鋁陶瓷密封環(huán) 氧化鋁陶瓷噴咀,,,二、氧化鈹陶瓷,,,,●,導(dǎo)熱性極好，很高的熱穩(wěn)定性，抗熱沖擊性較高；,,,●,消散高能輻射的能力強(qiáng)、熱中子阻尼系數(shù)大。,,,●,強(qiáng)度低。,應(yīng)用,氧化鈹陶瓷,制造坩堝，作真空陶瓷和原子反應(yīng)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(diǎn)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(fā)熱體及爐子、反應(yīng)堆絕熱材料等；,,●,氧化鋯作添加劑可提高陶瓷材料的強(qiáng)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(diǎn),能抗各種金屬堿性渣的作用。,,缺點(diǎn),熱穩(wěn)定性差，,MgO,在高溫下易揮發(fā)，,CaO,甚至在空氣中就易水化。,,,應(yīng)用,常用作爐襯的耐火磚。,,,,,5.2.2 碳化物陶瓷,,,,很高的熔點(diǎn)、硬度和耐磨性（特別是

9、在浸蝕性介質(zhì)中）。,,缺點(diǎn)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(qiáng)度為 200,MPa,～250,MPa,，,,,抗壓強(qiáng)度為1000,MPa,～1500,MPa,；,,●,硬度莫氏9.2；,,●,熱導(dǎo)率很高，熱膨脹系數(shù)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(yīng)用：,主要用于制造加熱,元件、石墨表面保護(hù)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(qiáng)；熔點(diǎn)達(dá)2450℃。,,●,高溫下會快速氧化，與熱的或熔融黑色金屬發(fā)生反應(yīng)，使用溫度限定在980℃以下。,,,應(yīng)用：,主要用于,作磨料，也用于,制造,超硬質(zhì)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(diǎn)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?dú)鈿夥罩械母邷夭牧稀?,,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(xué)浸蝕能力；,,,,●,熔點(diǎn)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(dá)1400 ℃。,,應(yīng)用：,用于高溫軸承、內(nèi)燃機(jī)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(wěn)定的共價(jià)鍵晶體。,,,1、性能特點(diǎn),,,●,硬度高而摩擦系數(shù)低，有自潤滑作用。,,是優(yōu)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(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性，且熱膨脹系數(shù)小、抗熱沖擊。,,可做優(yōu)良的高溫結(jié)構(gòu)材料；,,●,耐各種無機(jī)酸（氫氟酸除外）和堿溶液浸蝕。優(yōu)良的耐腐蝕材

12、料。,,,,2、氮化硅陶瓷應(yīng)用：,,,,●,反應(yīng)燒結(jié)法得到的,α-Si,3,N,4,用于制造各種泵的耐蝕、耐磨密封環(huán)等零件。,,,,●,熱壓燒結(jié)法得到的,β-Si,3,N,4,,,用于制造高溫軸承、轉(zhuǎn)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(jī)的氣缸、活塞和燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，也叫“白色石墨”。,,●,硬度低，可進(jìn)行各種切削加工；,,●,導(dǎo)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(zhuǎn)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(jié),,,,1.,工程陶瓷生產(chǎn)過程：,原料制備、坯料成形、制品燒成或燒結(jié)。,,,,2.,普通日用陶瓷,作日用器皿和瓷器。,,,,普通工業(yè)陶瓷：,建筑衛(wèi)生瓷、電工瓷、,,化學(xué)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）,,