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1、陶瓷材料基本知识的培训 江东新材料,周祖直7.27,Slide - 2,陶瓷材料的生产过程,1.造粒2.成型3.烧结,Slide - 3,（1)：造粒造粒工艺是将磨细的粉料，经过干燥、加胶黏剂，制成流动性好、粒径约为0.1mm的颗粒。一般使用的胶黏剂应满足以下要求：要有足够的黏性，以保证良好的成型性和坯体的机械强度；经高温锻烧能全部挥发，坯体中不留或少留胶黏剂残留杂质；工艺简单，没有腐蚀性，对陶瓷性能无不良影响。在功能陶瓷的生产工艺中从利于烧成和固相反应进行的角度考虑，希望获得超细的原料颗粒，但粉料越细，比表面积越大，流动性越差，干压成型时不容易均匀的充满模具，经常出现成型件有空洞、边角不致密
2、、层裂、弹性失效的问题。常采用造粒工艺解决这一问题。,Slide - 4,（2）成型：粉末原料转化成一定体积和强度的成型体，也称素坯。.成型在陶瓷烧结致密化中的重要作用：,残余应力：烧结过程中即固相扩散物质迁移致密化的驱动力。没有经过压实的粉末，即使在高温下（Tm）烧结，也不会产生致密化而形成陶瓷。,Slide - 5,.成型工艺：,a:干压成型：单轴向压制成型。密度、应力不均匀，易产生分层，压力高时尤为明显。适用范围：形状简单、横截面积大，但高度小的样品。,b:冷等静压成型：优点：坯体密度均匀、无缺陷，用于长径比大、形状复杂的零件，压力可加到400500MPa，为后续烧结致密化创造有利条件。
3、,Slide - 6,2022/12/26,6,（3）、烧结：,将坯体加热到高温，通过固相或部分液相扩散，使物质迁移而消除孔隙，形成特定的显微组织结构的工艺过程。,烧结时生坯在高温下发生一系列物理化学变化（水的蒸发，硅酸盐分解，有机物及碳化物的气化，晶体转型及熔化），并使生坯体积收缩，强度、密度增加，形成致密、坚硬的具有某种显微结构的烧结体。,Slide - 7,b：热压烧结：加温同时加压的烧结方式，一般单轴向加压。优点：减少气孔率，提高致密度，降低烧结温度。c：热等静压:等静压与加热的结合，只能通过气体加压。目前，该方法压力可达2000MPa，温度可达2000。,a:常压烧结法：又称无压烧结
4、 在大气中烧结。,Slide - 8,四、陶瓷的性能：,1.力学性能:,1）弹性性能：陶瓷的应用中，只产生弹性变形。i：弹性模量E比金属高;,几种陶瓷的E值,ii：致密度对陶瓷材料的弹性模量影响很大， 随气孔增加，E值急剧下降。,Slide - 9,2）硬度： 硬度是陶瓷材料重要的力学性能参数。 陶瓷具有高硬度，大多在HV1500以上。 氮化硅和立方氮化硼（70）接近金钢石（90）的硬度， 淬火钢：500-800HV。 陶瓷作为新型的刃具和耐磨零件。 陶瓷硬度的测定方法：维氏硬度HV（最常用）、显微硬度Hm、洛氏硬 度HR、莫氏硬度。,Slide - 10,3）强度： 由化学键所决定，室温下陶
5、瓷几乎不产生滑移和位错运动。,Slide - 11,室温下陶瓷很难产生塑性变形，其破坏方式为脆性断裂。故室温下只有断裂强度f。 f表示弹性变形达到极限程度而发生断裂的应力。,陶瓷断口,Slide - 12,i.气孔率：气孔降低承载面积，并引起应力集中。气孔率高，强度急剧下降，例气孔率10%，强度下降到无气孔时的一半。,ii.晶粒尺寸：晶粒越细，f越高。,iii.晶界相的性质、厚度、晶粒形状：晶界相最好能阻止裂纹的扩展，玻璃相对f不利。晶粒形状最好为均匀的等轴晶粒。,f的影响因素：,Slide - 13,高强度陶瓷的组织要求：,不同截面大小陶瓷的强度值：MPa,尺寸越小，缺陷产生的几率越小, 强
6、度越高。,Slide - 14,.热性能： 指熔点、热膨胀、导热率、热容量。,i.熔点：具有高的熔点，多数在2000以上。ii.热容：改变材料温度水平时所需的热量，通常以比热的形 式给出。气孔率大，热容小。iii.热膨胀：线膨胀系数一般为10-5到10-6，结构紧密， 膨胀系数大。iv.热传导：在一定温度梯度下热量在材料中传递的速率。.抗热震性：在温度急剧变化时抵抗破坏的能力。 陶瓷抗热震性一般较差，受热冲击时易破坏。,Slide - 15,陶瓷材料因高熔点、高硬度、较好的化学稳定性、很强的抗氧化性，广泛用作高温材料。例：特殊的冶金坩埚：BeO、AlN、火箭、导弹的雷达保护罩： Al2O3、Z
7、rO2燃烧室喷嘴：SiC,BeO电炉发热体：ZrO,SiC,Slide - 16,.其它物理、化学性能： i：高电阻：良好的绝缘体。 半导体陶瓷、压电陶瓷等。ii：特殊光学性能： 固体激光材料：红宝石； 光导纤维：玻璃纤维。iii：磁性陶瓷：又名铁氧体， 由Fe2O3和Mn、Zn的氧化物组成。iv：高的化学稳定性：抗氧化，1000高温下不氧化。 对酸、碱、盐有良好的抗蚀性。,Slide - 17,常 用 陶 瓷,第 二 节,Ceramic in Common Use,Slide - 18,一、普通陶瓷：,Slide - 19,采用纯度较高的人工合成化合物（如Al2O3、ZrO2、SiC、Si3
8、N4、BN），经配料、成型、烧结而制得。,二、特种陶瓷：,Slide - 20,1、氧化物陶瓷： 氧化铝陶瓷:以Al2O3为主要成分，75瓷（75% Al2O3）又称刚玉-莫来石瓷；95瓷（95% Al2O3）和99瓷（99% Al2O3）。 后两者称刚玉瓷。,Slide - 21,性能：AL2O3含量越高，性能越好，用途：工具、量具、模具、轴承、坩锅、热电偶套管等。缺点：脆性大、抗热震性差。,氧化铝陶瓷的性能,Slide - 22,氧化铝陶瓷被广泛用作耐火材料，如耐火砖、坩埚、热偶套管，淬火钢的切削刀具、金属拔丝模，内燃机的火花塞，火箭、导弹的导流罩及轴承等。,Slide - 23,氧化锆陶
9、瓷 氧化锆陶瓷的熔点在2700以上，使用温度为20002200，能抗熔融金属的侵蚀。用氧化锆作添加剂可大大提高陶瓷材料的强度和韧性。氧化锆增韧氧化铝陶瓷材料的强度达1200MPa、断裂韧度为15.0MPam1/2，分别比原氧化铝提高了3倍和近3倍。 应用：可代替金属制造模具、拉丝模、泵叶轮，还可制造汽车零件。,Slide - 24,氧化镁/钙陶瓷 通常由热白云石（镁/钙的碳酸盐）矿石除去CO2 而制成，其特点是能抗各种金属碱性渣的作用，常作炉衬的耐火砖。缺点是热稳定性差，MgO在高温下易挥发，CaO甚至在空气中就易水化。,氧化铍陶瓷 氧化铍陶瓷最大的特点是导热性好，具有很高的热稳定性，抗热冲击
10、性较高，经常用于制造坩埚和真空陶瓷等。,Slide - 25,Slide - 26,2、氮化物陶瓷：,氮化硅陶瓷： 以Si3N4为主要成分的陶瓷,氮化硅的制备:工业硅直接氮化：3Si+2N2Si3N4二氧化硅还原氮化：3SiO2+6C+2N2Si3N4+6CO,氮化硅是由Si3N4四面体组成的共价键固体。,Slide - 27,按制造工艺分：热压烧结氮化硅（- Si3N4）陶瓷； 反应烧结氮化硅（- Si3N4）陶瓷。 热压烧结氮化硅陶瓷组织致密，气孔率接近于零，强度高。反应烧结氮化硅陶瓷有20%30%气孔.,Slide - 28,特点：（1）硬度高，摩擦因子小 只有0.10.2，具有自润滑性
11、；（2）蠕变抗力高，热膨胀系数小 抗热振性能在陶瓷中最佳，比 Al2O3瓷高23倍；（3）化学稳定性好 抗氢氟酸以外的各种无机酸和 碱溶液的侵蚀，也能抵抗熔融非 铁金属的侵蚀；（4）具有优异的电绝缘性能。,Slide - 29,Si3N4轴承,应用：热压烧结氮化硅用于形状简单、精度要求不高的零件，如切削刀具、高温轴承等。,反应烧结氮化硅用于形状复杂、尺寸精度要求高的零件，如机械密封环等。,Slide - 30,氮化硼陶瓷 氮化硼陶瓷的主要晶相是BN，属于共价晶体，其晶体结构与石墨相仿，为六方晶格。 特点：具有良好的耐热性和导热性，其热导率与不锈钢相当；热膨胀系数小，绝缘性好，化学稳定性高；硬度
12、较其它陶瓷低，可进行切削加工；有自润滑性。 应用：制作热电偶套管、坩埚、高温容器和管道。,Slide - 31,包括：碳化硅、碳化铈、碳化钼、碳化铌、碳化钛、 碳化钨、碳化钽、碳化钒、碳化锆、碳化铪等。 特点：具有很高的熔点、硬度和耐磨性 缺点：耐高温氧化能力差，脆性极大,3、碳化物陶瓷：,Slide - 32,碳化硅陶瓷：碳化硅陶瓷在碳化物陶瓷中应用最广泛。其密度为3.2103kgm-3，弯曲强度和抗压强度分别为200250MPa和10001500MPa，硬度为莫氏9.2。 特点：热导率高，而热膨胀系数小。 应用：常用于制作加热组件、石墨表面保护层及砂轮和磨料等。,Slide - 33,碳化硅是通过键能很高的共价键结合的晶体。碳化硅是用石英沙(SiO2)加焦碳直接加热至高温还原而成：SiO2+3CSiC+2CO,碳化硅的烧结工艺也有热压和反应烧结两种。由于碳化硅表面有一层薄氧化膜，因此很难烧结，需添加烧结助剂促进烧结，常加的助剂有硼、碳、铝等。,常压烧结碳化硅,Slide - 34,谢谢！,
