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第十章 陶瓷材料 一、陶瓷材料基本知识 * * 1. 陶瓷材料的含义 陶瓷 陶器、瓷器 玻璃、搪瓷、耐火材料、砖瓦等 粘土、石灰石、长石、石英 硅酸盐类材料 传统陶瓷 现代陶瓷——各种无机非金属材料 陶瓷分类 陶瓷材料 普通陶瓷 特种陶瓷 利用天然硅酸盐矿物为原料制成的陶瓷(传统陶瓷) 利用人工合成原料制成的陶瓷(新型陶瓷或现代陶瓷) 特种陶瓷 结构陶瓷(工程陶瓷) 功能陶瓷 2. 陶瓷材料的结合键 陶瓷材料的结合键：离子键、共价键 一价、二价金属氧化物：离子键共价键 MgO，离子键84%，共价键16% 三价、四价的氧化物、氮化物、碳化物：离子键≤共价键 SiC，离子键18%，共价键82% 二、 陶瓷材料的组织与结构 普通陶瓷的典型组织：晶体相、玻璃相、气相 特种陶瓷组成较单一，如：Al2O3(95%)陶瓷主要晶体相和少量的气相 1. 晶体相 晶体相——以化合物或化合物为基的固溶体 主 晶 相→决定陶瓷的性能 次 晶 相 第三晶相 按组成分： 氧 化 物：氧化铝、氧化钛 非氧化物：碳化物、氮化物 含氧酸盐：硅酸盐、钛酸盐、锆酸盐 (1) 氧化物晶相 典型氧化物 萤石结构(ThO2) 刚玉结构(Al2O3) 岩盐结构(MgO) 氧化物的结构及特点： 氧离子作紧密立方或紧密六方排列；金属离子规则地分布在四面体和八面体的间隙之中。 (2) 非氧化物晶相 共价键和金属键之间的过渡键, 以共价键为主。 第一类：间隙相： TiC、ZrC、VC、NbC和TaC 第二类：复杂碳化物： 斜方结构的Fe3C、Mn3C、Co3C、Ni3C和Cr3C2, 立方结构的Cr23C6、Mn23C6, 六方结构的WC、MoC和Cr7C3、Mn7C3 复杂结构的Fe3W3C 金属碳化物 氮化物 含有一定的离子键 结构：六方晶格BN，六方晶系的Si3N4和AlN。 较强的共价健，连成链、网和骨架，构成独立结构单元。 硼化物和硅化物 (3) 硅酸盐晶体相 普通陶瓷的主要原料，结合键：离子键、共价键 ①构成硅酸盐的基本单元：硅氧四面体结构 ②硅氧四面体只能通过共用顶角而相互连结 2. 玻璃相 陶瓷坯体在烧成过程中，由于复杂的物理化学反应，产生不均匀(不平衡)的酸性和碱性氧化物的熔融液相。冷却时在玻璃转变温度粘度增大到一定程度时, 熔体硬化，转变为玻璃。 玻璃相产生过程 粘连晶体相，填充晶体相间空隙，提高材料致密度； 降低烧成温度，加快烧结； 阻止晶体转变，抑制其长大； 获得透光性等玻璃特性。 玻璃相作用 不能成为陶瓷的主导相：对陶瓷的机械强度、介电性能、耐热耐火性等不利。 ①气相是陶瓷内部残留的孔洞； 成因复杂，影响因素多。 3. 气相 ②陶瓷根据气孔率分致密陶瓷、无开孔陶 瓷和多孔陶瓷。 ③气孔对陶瓷的性能不利 （多孔陶瓷除外） 气孔率 普通陶瓷：5~10％ 特种陶瓷：≤5％ 金属陶瓷：≤0.5％ 三、 陶瓷材料的性能 1. 力学性能 (1) 弹性模量和硬度 6000~10000 1140000 金刚石 ~3000 390000 碳化钛 300~800 207000 钢 ~170 72300 铝合金 ~17 1380 塑料 很低 6.9 橡胶 硬度/HV 弹性模量/MPa 材料 原因：陶瓷材料牢固的离子键和共价键 *