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陶瓷材料概述

发布日期:2020-03-29 03:50 作者:OPE体育

  一、陶瓷材料发展历史及其概念的内涵 陶瓷是人类生活和生产中不可缺少的一种材料。陶瓷产品的应用范围遍及国民经济各个领域。它的发展经 历了从简单列复杂、从粗糙到精细、从无油到施釉、从低温到高温的过程。随着生产力的发展和技术水平 的提高.各个历史阶段赋予陶瓷的涵义和范围也随之发生变化。 传统的陶瓷和日启陶瓷、建筑陶瓷、电瓷等是采用粘土类及其它天然矿物原料经过粉碎加工、成型、烧结 等过程而得到的器几由于它使用的原料主要是硅酸盐矿物,所以归属于硅酸盐类材料。生产的发展与科学 技术的进步要求充分利用陶瓷材料的力学性质和物理化学性质,因而制造出许多斯的品种,使陶瓷从古老 的工艺与艺术领域进入现代材料科学的行列中。这些陶瓷新品种,如高温陶瓷(氧化物:Al2O3、SiO2、莫 莱石、非氧化物.SiC、Si3N4)、超硬刀具及耐磨陶瓷(CBN、Si3N4。、Al2O3+TiC、B4C 等)、介电陶瓷(Ba TiO3)、 压电陶瓷(PZT)、 集成电路板用高导热陶瓷(AlN)、 高耐腐蚀性的化工及化学陶瓷等常称为特种陶瓷。 特种陶瓷的生产过程虽然基本上还是沿用粉末原料处理一成型一烧结这种传统的工艺方法.但所采用的原 料已不单单是天然矿物。而是扩大到经过人工提纯加工或合成的化工原料,组成范围已扩展到无机非金属 材料的范围。 现代陶瓷材料是以特种陶瓷为基础由传统陶瓷发展起来的又具有与传统陶瓷不同时鲜明特点的一类新型陶 瓷。它早已超出了传统陶瓷的概念和范畴.是高新技术的产物。因此说陶瓷材料是一门古老而又年轻的学 科。 所谓现代陶瓷材料即无机非金属材料.它垦与金属和有机材料相并列的三大类现代材料之一,也是除金属 材料和有机材料以外,其它所有材料的统认本章讨论的对象是现代陶瓷材料或称现代无机非金属材料。 现代陶瓷材料具有高新技术内涵。与传统材料相比.主要具有以下三个特点: (1)以现代科技发展的要求为背景.是现代科技发展的产物,为高新技术产品。 (2)制造工艺复杂,需要现代科技成果的指导.因而为技术知识密集型产品。 (3)具有优异的威特殊的性能,能满足商新技术产业的要求。 二、陶瓷材料的分类 随着生产与科学技术的发展.陶瓷材料及产品种类日益增多.为了便于掌握各种材例或产品的特征,通常 以不同的角度加以分类。 1.按化学成分分类 (1)氧化物陶瓷。氧化物陶瓷种类繁多,在陶瓷家族中占有非常重要的地位。最常用的氧化物陶瓷是用 Al2 O3、SiO2、MgO、ZrO3、CeO2,CaO.Cr2O3 及莫莱石(3Al2O3.2SiO4)和尖晶石(MgAl2O3)等。陶瓷中的 Al2 O3 和 SiO2 相当于金属材料中的钢铁和铝合金一样被广泛应用,表 11.1 中列出了一些氧化物陶瓷.硅酸盐 亦属氧化物系列。如 ZrsiO4。Call 已等,还有复合氧化物如 BaT 吗、CgyiO;等亦属此类。 (2)碳化物陶瓷。碳化物陶瓷~般具有比氧化物更高的熔点。最常用的是 SIC、SC,凤 C.TIC 等。碳化物 陶瓷在制备过程中应有气氛保护。 (3)氨化物陶瓷。氯化物中应用最广泛的是 a 几,它具有优良的综合力学性能和耐高温性能。另外,TZN、B N、AI 问筹氮化物陶瓷的应用也日趋广泛。最近刚刚出现的 C3N4,可望其性能超过 Si3O4。 (4)四化物陶瓷。硼化物陶瓷的应用并不很广泛,主要是作为深加剂或第二相加入其它陶瓷基体中,以达到 改善性能的目的。常用的有 Ti 已、Zr&等。 2.按性能和用途分类 (1)结构陶瓷。结构陶瓷作为结构材料用来制造结构零部件.主要使用其力学性能。加强度、韧性、硬度、 模量、耐磨性、耐高温性能(高温强度、抗热震性、耐烧蚀性)等。上面讲到的核化学成分分类的四种陶瓷 大多数均为结构陶瓷。如 AjZQ 石.3N4、Z 戏都是力学性能优越的代表性结构陶瓷材料。 (2)功能陶瓷。功能陶瓷作为功能材料用来制造功能器件,主要使用其物理性队如电磁性能、热性能、光性 能、生物性能等。例如铁氧体.铁电陶瓷主要使用其电磁性能.用来制造电磁元件,介电陶瓷用来制造电 容器,压电陶瓷用来制作位移或压力传感器.固体电解质陶瓷利用其离子传身特性可以制作氧探测器.生 物陶瓷用来制造人工骨骼和人工牙齿等。超导材料和光导纤维也属于功能陶瓷的范畴。 值得提出的是,上述分类也是相对的.而不是绝对的,结构陶瓷和功能陶瓷有时并无严格界限,对于某些 陶瓷材林二者兼而有之。加压电陶瓷。虽然可将它划分为功能陶瓷之列,但对其力学性能,如杭区强度、 韧性、硬度、弹性模量亦有一定的要求。首先必须有足够的强度,在承受 E 力时不致破坏,才能实现共压 电特性。另外如高温结构陶瓷或航天器防热部件用抗热震耐烧依陶瓷,虽属结构陶瓷之列.但抗热展性不 但决定于它本身的强度、韧性、模量,而且导热系数、热膨胀系数也与力学性能一样,对抗热震性有着十 分重要的影响。耐腐蚀性是化工陶瓷(如耐酸泵)的重要性能,但要求必须具有~定的力学性能,才能满足 承我要求。超导材料就是因为脂性大,做成导线困难.因而目前尚不能进入实际应用阶段。综上所述,不 论是结构陶瓷还是功能陶瓷,力学性能是陶瓷材料的最基本性能.只不过是不同用途对力学性能要求的高 低不同而已。 本章讨论的对象主要是结构陶瓷。 三、陶瓷材料的特点 1.陶瓷材料的性能特点 众所周知,金属材料(纯金日或合金)的化学健大都是金属但,是由金属正高于和充满其间的电子云所组成, 金属键没有方向性.因此金属有很好的塑性变形性能。而作为无视非金属化合物的陶瓷来讲,其化学定是 高于健和共价键。这种化学性有很强的方向性和很高的结合能。因此,陶瓷材料很难产生塑性变形.脆性 大,裂纹敏感性强。这就是陶瓷材料的致命弱点。但也正是由于它具有这种化学健类型,使结构陶瓷具有 一系列比金属材料优异的特殊性能。 ①高硬度,决定了它具有优异的耐磨性; ②高焰点。决定了它具有杰出的耐热性; ③高化学稳定性.决定了它具有良好的耐蚀性。 尽管陶瓷材料有如此优异的特殊性能.但由于其致命的缺点——脆性,因而限制了其特性的发挥和实际应 用。因此,陶瓷的韧化使成为世界瞩目的陶瓷材料研究领域的核心课题(详见陶瓷的韧化一节)。 2.现代(先进)陶瓷与传统陶瓷的比较 现代陶瓷与传统陶瓷相比.从原料组成、制备工艺、组织结构及性能均有显著的区别。 表 11.2 给出二者的对比情况。


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