工程材料-陶瓷材料

黃靜劉愛民

陶瓷材料陶瓷材料陶瓷材料的結(jié)構(gòu)與性能常用的工程結(jié)構(gòu)陶瓷材料金屬陶瓷一、陶瓷材料的結(jié)構(gòu)與性能1、陶瓷的概念

陶瓷是陶器與瓷器的總稱，亦稱為無機(jī)非金屬材料，是指用天然硅酸鹽（粘土、長石、石英等）或人工合成化合物（氮化物、氧化物、碳化物、硅化物、氟化物）為原料，經(jīng)粉碎、配置、成型和高溫?zé)贫傻臒o機(jī)非金屬材料。

簡單來說，陶瓷材料就是除金屬、高聚物以外的無機(jī)非金屬材料的通稱。2、陶瓷材料的發(fā)展陶器瓷器（傳統(tǒng)陶瓷）先進(jìn)陶瓷（微米級）納米陶瓷高鋁質(zhì)粘土和瓷土的應(yīng)用、釉的發(fā)明、高溫技術(shù)的發(fā)展原料純化、陶瓷工藝的發(fā)展、陶瓷理論的發(fā)展顯微結(jié)構(gòu)分析的進(jìn)步、性能研究的深入、無損評估的成就、相鄰學(xué)科的推動3、陶瓷材料的分類

按使用的原材料可分為普通陶瓷（傳統(tǒng)陶瓷）和特種陶瓷（先進(jìn)陶瓷）；

按用途可分為日用陶瓷和工業(yè)陶瓷；

按化學(xué)組成可分為氮化物陶瓷、氧化物陶瓷、碳化物陶瓷以及其它化合物陶瓷，

按性能又可分為高強(qiáng)度陶瓷、高溫陶瓷、耐酸陶瓷、耐磨陶瓷等。按組織形態(tài)的不同可將陶瓷材料分為無機(jī)玻璃、微晶玻璃和陶瓷。

釉：是覆蓋在陶瓷制品表面的無色或有色的玻璃質(zhì)薄層，是用礦物原料（長石、石英等）和化工原料按一定比例配合（部分原料可先制成熔塊）經(jīng)過研磨制成釉漿，施于坯體表面，經(jīng)一定溫度煅燒而成。能增加制品的機(jī)械強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性和電介強(qiáng)度，還有美化器物、便于拭洗、不被塵土腥穢侵蝕等特點。3、陶瓷的制造工藝

陶瓷的生產(chǎn)制作過程一般都要經(jīng)過坯料制備、成型與燒結(jié)三個階段。

（1）坯料制備原料：

天然的巖石、礦物、粘土

一般要經(jīng)過原料粉碎—精選（去掉雜質(zhì)）—磨細(xì)（達(dá)到一定粒度）—配料（保證制品性能）—脫水（控制坯料水分）—煉坯、陳腐（去除空氣）等過程。

高純度可控、人工合成的粉狀化合物制取微粉：機(jī)械粉碎法、溶液沉淀法、氣相沉積法。

（2）成型原料經(jīng)過坯料制備后，依成型工藝的要求，可以是粉料、漿料或可塑泥團(tuán)。陶瓷制品的成型方法可塑法又稱為塑性料團(tuán)成型法，是在坯料中加入一定量的水或塑化劑使其成為具有良好塑性的料團(tuán)，然后利用料團(tuán)的可塑性通過手工或機(jī)械成型。常用的工藝有擠壓成型和車坯成型。注漿法又稱為漿料成型法，是先把原料配置成漿料，然后注入模具中成型，分為一般注漿成型和熱壓注漿成型。壓制法又稱為粉料成型法，是將含有一定水分和添加劑的粉料在金屬模中用較高的壓力壓制成型。（3）燒結(jié)

未經(jīng)燒結(jié)的陶瓷制品成為生坯。生坯是由許多固相粒子堆積起來的聚集體，顆粒間除了點接觸外，尚存在許多空隙，因此強(qiáng)度不夠，必須經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)后才能使用。燒結(jié)是指生坯在高溫加熱時發(fā)生一系列的物理和化學(xué)變化，并使生坯體積收縮，強(qiáng)度、密度增加，最終形成致密、堅硬的具有某種顯微結(jié)構(gòu)燒結(jié)體的過程。

常用的燒結(jié)方法有熱壓或熱等靜壓法、液相燒結(jié)法、反應(yīng)燒結(jié)法。4、陶瓷的結(jié)構(gòu)

陶瓷材料通常由三種不陶瓷材料通常由三種不同的相組成，即晶相（1）、玻璃相（2）、氣相（3）【氣孔】同的相組成，即晶相（1）、玻璃相（2）、氣相（3）【氣孔】陶瓷的組織（電子顯微照片）晶體相

晶體相是陶瓷的主要組成相，其結(jié)構(gòu)、數(shù)量、形態(tài)和分布決定了陶瓷的物理和化學(xué)性質(zhì)。

陶瓷中的晶體相主要有硅酸鹽、氧化物和非氧化物三種。硅酸鹽（普通陶瓷的主要原料，陶瓷組織中重要的晶體相）

結(jié)合鍵為離子鍵與共價鍵的混合鍵，結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)復(fù)雜，但其基本結(jié)構(gòu)一般遵循嚴(yán)格的規(guī)律，使構(gòu)成硅酸鹽的基本單位[SiO4]四面體可以構(gòu)成島狀、鏈狀、層狀和骨架狀等硅酸鹽結(jié)構(gòu)。

各種硅酸鹽晶體的結(jié)構(gòu)形狀氧化物（大多數(shù)陶瓷，特別是特種陶瓷的主要組成相和晶體相）

結(jié)合鍵主要由離子鍵結(jié)合；

陶瓷中最重要的氧化物晶體有AO、AO2、A2O3、ABO3和AB2O4(A、B均為金屬陽離子)，其共同的結(jié)構(gòu)特點為：氧離子緊密排列構(gòu)成晶格骨架，常占據(jù)晶格結(jié)點和面心位置，而直徑較小的金屬陽離子填充于晶格間隙之中。

一般金屬離子填充的間隙主要有兩種，分別為四面體和八面體間隙。非氧化合物（金屬陶瓷的重要組成和晶體相）

結(jié)合鍵以共價鍵為主，并含有一定成分的金屬鍵和離子鍵；它們的晶體結(jié)構(gòu)通常都比較復(fù)雜。玻璃相

陶瓷中玻璃相的作用有以下四點：粘結(jié)晶粒，填充晶粒間隙，提高材料的致密度；降低燒結(jié)溫度，加快燒結(jié)過程；阻止晶體轉(zhuǎn)變，抑制晶粒長大；，獲得一定程度的玻璃特性，如透光性等。氣相

是在工藝過程中形成并保留下來的；除非有特殊要求，一般氣孔的存在對陶瓷的性能都是不利的，它降低了陶瓷的強(qiáng)度，常常是造成裂紋的根源，應(yīng)盡量使其含量降低；一般普通陶瓷的氣孔率為5﹪-10﹪，特種陶瓷在5﹪以下，金屬陶瓷則要求低于0.5﹪。6、陶瓷的性能陶瓷的力學(xué)性能陶瓷的物理化學(xué)性能剛度最大（彈性模量最高）；硬度最高；實際強(qiáng)度比理論強(qiáng)度低1-2個數(shù)量級；常溫下幾乎沒有塑性，韌性極低、脆性極高（極典型的脆性材料）。熱膨脹性能：線脹系數(shù)低于高聚物和金屬；導(dǎo)熱性：比金屬差，多為較好的絕熱材料；導(dǎo)電性：良好的絕緣體熱穩(wěn)定性：很低，比金屬低得多；高化學(xué)穩(wěn)定性：耐火（離子晶體為主），耐酸、堿、鹽腐蝕（為良好的坩堝材料）。

（1）剛度和硬度由P43-P44表1-17和表1-18可看出，陶瓷在各類材料中彈性模量、硬度都是最高的，即剛度和硬度在同類材料中最高。結(jié)合鍵強(qiáng)度大（離子鍵、共價鍵）彈性模量高、硬度高剛度、硬度大

（2）強(qiáng)度陶瓷的理論強(qiáng)度應(yīng)為彈性模量的1/10-1/5，但實際強(qiáng)度卻只有1/1000-1/100，甚至更低？答：陶瓷的組織不如金屬純，存在很多的缺陷，尤其是晶界，其破壞作用比在金屬中更大：晶界上存在晶粒間的局部分離或空隙；晶界上原子間鍵被拉長，鍵強(qiáng)度被削弱；相同電荷離子的靠近產(chǎn)生斥力，可能造成顯微裂紋。提高陶瓷強(qiáng)度的措施？增大陶瓷的致密度，減少缺陷，降低和消除晶界的不良作用。陶瓷材料的抗拉強(qiáng)度很低，抗彎強(qiáng)度較高，抗壓強(qiáng)度更高。（3）韌性和脆性陶瓷材料是非常典型的脆性材料，這是其致命的弱點和障礙。

改善陶瓷的韌性？通過晶須或纖維增韌；異相彌散強(qiáng)化增韌；相變增韌；顯微結(jié)構(gòu)增韌（納米化等）；表面強(qiáng)化增韌（表面微氫化技術(shù)、激光表面處理、離子注入表面改性等技術(shù)），復(fù)合增韌（將兩者或兩者以上的增韌機(jī)理結(jié)合在一起）?？傊?，陶瓷材料具有不可燃燒性、不老化性、高剛度、高硬度、高耐熱性、高化學(xué)穩(wěn)定性，但韌性差、脆性高、拉伸彎曲性能差。二、常用的工程結(jié)構(gòu)陶瓷材料

普通陶瓷普通陶瓷是用粘土（Al2O3·2SiO2·2H2O）、長石（K2O·Al2O3·6SiO2；Na2O·Al2O3·6SiO2）和石英（SiO2）為原料，經(jīng)成型、燒結(jié)而成的陶瓷。其組織中主晶相為莫來石（3Al2O3·2SiO2），占25％-30％，玻璃相占35％-60％，氣相占1％-3％。普通陶瓷加工成型性好，成本低產(chǎn)量大。除日用陶瓷、瓷器外，大量應(yīng)用于電器、化工、建筑、紡織等工業(yè)部門。絕緣子景德鎮(zhèn)瓷器特種陶瓷（一）氧化物陶瓷1、氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷是以Al2O3為主要成分，含有少量SiO2的陶瓷，又稱高鋁陶瓷。

根據(jù)Al2O3含量不同分為75瓷（含75％Al2O3，又稱剛玉莫來石瓷）、95瓷和99瓷，后兩者又稱剛玉瓷。Al2O3含量越高性能越好，但工藝也越復(fù)雜、成本越高。氧化鋁陶瓷耐高溫性能好，可使用到1950℃，具有良好的電絕緣性和耐磨性。微晶剛玉的硬度極高（僅次于金剛石）。95瓷紡織件99瓷紡織件氧化鋁耐高溫噴嘴2、氧化鋯陶瓷氧化鋯的晶型轉(zhuǎn)變：立方相四方相單斜相四方相轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕喾浅Ｑ杆伲鸷艽蟮捏w積變化，很容易使制品開裂。氧化鋯單相陶瓷部分穩(wěn)定氧化鋯的導(dǎo)熱路低，絕熱性好；熱膨脹系數(shù)大，接近于發(fā)動機(jī)中使用的金屬，抗彎強(qiáng)度與斷裂韌性高，除在常溫下使用外，已經(jīng)成為絕