《陶瓷材料》PPT课件

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主要内容：了解水泥的分类、生产和成分，掌握水泥的水化、硬化及其几种典型水泥的特点；了解镁质胶凝材料的原料、煅烧和应用，掌握氯化镁的作用以及其镁质胶凝材料的抗水性；了解石膏矿的特点及分类、石膏的用途，掌握石膏变种性能和石膏的强度发展过程。第4章陶瓷材料 4.1概述一、我们陶瓷工业的发展概况在新石器时代，我国就有了陶器。仰韶文化石器发展为彩陶，龙文山文化石器发展为黑陶，这些被称为原始瓷器。在东汉时期，出现了馒头窑和龙窑。原始瓷器的质量出现飞跃。在唐代出现了著名的越窑青瓷和刑窑白瓷，其瓷面装饰以唐三彩为代表。宋代我国瓷器生产继续发展，出现了闻名于世的五大名窑，并出现了很多名贵的色釉。到明代，景德镇称为我国的瓷业中心，清代继续发展，该地所产的陶瓷为我国精细陶瓷的典范。我国陶瓷的生产对世界陶瓷文化的发展有重大影响。9世纪我国陶瓷就运至非洲和阿拉伯地区，南宋时期就出口到欧洲。12世纪朝鲜开始仿制我国陶瓷，13世纪日本来中国学习陶瓷技术并带回国内开始生产陶瓷，16世纪，欧洲开始仿制中国陶瓷。新中国成立后，陶瓷工业得到很大的发展，陶瓷行业恢复了很多古代名贵的色釉，其产品质量也大幅度的提高，并根据经济的发展开发了很多特种陶瓷，比如压电陶瓷、电子陶瓷等。 二、陶瓷的特性陶瓷是金属与与非金属的固体化合物，以离子键（如MgO、Al2O3）、共价键（金刚石、Si3N4、BN）以及离子键和共价键的混合键结合在一起。陶瓷材料的显微结构通常由晶相、玻璃相和气相（孔）等不同的相组成。陶瓷材料具有熔点高、硬度大、化学稳定性好、耐高温、耐磨损、耐氧化和腐蚀、比重小、强度和模量高等优点，可在各种苛刻的环境下工作；另一方面，陶瓷材料在磁、电、光、热等方面的性能和用途具有多样性和可变性，是非常重要的功能材料。陶瓷材料的致命弱点是脆性大、韧性差，常因存在裂纹、空隙、杂质等缺陷而引起不可预测的灾难性后果。陶瓷基复合材料是改变其脆性、提高韧性的有效途径。用于复合材料陶瓷基体主要有氧化物（Al2O3等）、氮化物（Si3N4等）和碳化物（SiC等）。 三、陶瓷的分类1.陶器（1）粗陶器：如盆、罐、砖等。（2）精陶器：如美术陶器和釉面砖。2.炻器如卫士陶瓷、化工陶瓷、低压电瓷等。3.瓷器（1）细瓷：美术瓷、高压电瓷、高频装置瓷等。（2）特种陶瓷：如氧化物瓷、碳化物瓷、压电陶瓷等。 4.2陶瓷原料与制胚可塑性原料：凡以粉状出产的原料非可塑性原料：块状必先经过粉碎才能使用的原料。一、陶瓷原料的种类与性质1.粘土与高岭土粘土：主要成分是微细铝硅酸质，如砖瓦用泥土高岭土:以高岭土矿为主要成分，它分为残留高岭土和沉积高岭土。这两种原料的主要成分为SiO246.54%,Al2O339.50%,H2O13.96%。2.蜡石它是一种硬质粘土，以叶蜡石为主要成分的铝硅酸盐，主要成分为SiO266.70%,Al2O328.30%,H2O5%。 3.膨润土膨润土主要是由蒙脱石构成的粘土，它的化学式为：Al2O3.4SiO2.H2O，这种原料最突出的特点是有膨润性，它在瓷器生产中主要用作增塑剂。4.瓷石瓷石是一种由石英、绢云母组成，并含有若干高岭土。长石等岩石状矿物，它不是单一的矿物岩石，而是多种矿物集合体。5.滑石滑石与叶蜡石有相同的晶体结构，其化学式为：3Al2O3.4SiO2.H2O，在瓷中加入少量的滑石可以提高其透明度和白度，并增加瓷中玻璃相的含量，提高致密度，扩大烧结范围。 6.二氧化硅原料二氧化硅原料一般为石英，纯的石英透明，称为水晶。石英之间存在结晶形态的转化，如下：7.溶剂原料在陶瓷工业中为了降低烧结物的温度而加入的原料，重要有以下两种：（1）长石类：钾长石或正长石（K2O.Al2O3.6SiO2)、钠长石（Na2O.Al2O3.6SiO2)、钙长石（CaO.Al2O3.2SiO2)等。（2）含锂矿类：主要有锂云母、磷铝石、锂辉石及叶长石。8.其他陶瓷原料高铝质原料、碳酸钡、石灰石、白云石等。 二、陶瓷原料的加工陶瓷原料的加工就是将原料先煅烧，然后粉碎，从粉碎效率上来看，一般是先经过粗碎，再中碎，最后细碎，让原料颗粒达到200目～250目。将所粉碎的粉料经和水混合和捏练，就可以得到所需要的坯泥。三、陶瓷胚体成型当坯泥混合好后，将其均匀的填充到模型中。其成型的方法大致有以下几种： 1.注浆体成型法这种成型方法是将坯料泥浆注入石膏模内，石膏将水中所悬浮的粘土与水一起吸引到模的表面，水被石膏吸收后就形成与模型一样形状的坯料。 2.可塑性成型法可塑性成型就是采用具有捏练状态的湿坯泥成型的方法。其成型方法有：挤出成型，热压成型，湿式及半湿式成型等。3.加压成型法将粒料和粉料加压变形而固结成型，它粉压法和干压法。 4.等静压成型法等静压成型法与干压成型法相似，它是在模行各个面都施加均匀的压力。它的主要特点是模具具有弹性，运用模具可以均匀的传递压力的特点对其施压。 4.3陶瓷的烧制烧制（烧成）：它是将粉末做成的坯体，利用热的作用使之硬固。烧结机理：颗粒在接触点处的离子因热的振动而扩散，如两物质(A＋B－)与(C＋D－)混合加热时，当到达某温度时，则彼此的离于在颗粒表面扩散而发生如下反应：(A＋B－)+(C＋D－)→(A＋C＋）＋（B－D－）颗粒接触点愈多(亦即颗粒微细)，填充愈致密时，反应愈快。固相烧结：将Al2O3粉加压成型，烧成后不生成玻璃相而固结。液相烧结：将Al2O3粉加压成型，烧成后瓷器坯体产生玻璃相而固结。 1.影响烧成的因素（1）化学组成与矿物成分。（2）粒度分布。粒度越细，烧结效果越好。（3）填充密度及体积密度。（4）烧成温度与时间，温度越高，时间越短，但不成比例变化。（5）冷却速度。冷却速度影响产品的质量，如变形、开裂等（6）烧成中的气氛，指气体的性质（氧化、还原、中性），如含氧化铁的坯体，适宜于在还原性气氛中烧结。2.烧结过程陶瓷工业的烧结一般采用液相烧结，在烧结过程中要注意控制烧结温度，烧结气氛、烧结时间及冷却时间。 4.4氧化物陶瓷氧化物陶瓷是指包含氧元素的陶瓷，陶瓷是由金属与非金属元素的化合物构成的非均匀固体物质。主要由离子键结合，也有一定成分的共价键。最重要的氧化物陶瓷是几种简单类型的氧化物：AO，AO2，A2O3，ABO3和AB2O4等结构类型（A、B表示阳离子），其结构见下表。其结构的共同特点是：氧离子一般比阳离子氧离子进行紧密排列；金属阳离子位于一定的间隙中，最重要的是四面体和八面体。 各种氧化物的结构及特点结构类型氧离子排列方式阳离子填充方式结构名称举例AO面心立方全部八面体间隙岩盐MgO，CaO等面心立方½四面体间隙闪锌矿BeO面心立方½四面体间隙纤维锌矿ZnOAO2简单立方½立方体间隙萤石ZrO2等面心立方全部四面体间隙反萤石Na2O，K2O畸变面心立方½八面体间隙金红石TiO2，MnO2A2O3密排六方2/3八面体间隙刚玉Al2O3，Fe2O3ABO3密排六方2/3八面体间隙(A,B)铁钛矿FeTiO3面心立方1/4八面体间隙钙钛矿CaTiO3，BaTiO3AB2O4面心立方1/8四面体（A）½八面体间隙（B）尖晶石FeAl2O4面心立方1/8四面体（A）1/8八面体间隙（A，B）反尖晶石FeMgFeO4密排六方½八面体（A）1/8四面体间隙（B）橄榄石Mg2SiO4 尖晶石透明陶瓷刚玉陶瓷光学石英玻璃 工程意义较大的是纯氧化物陶瓷，它们的熔点多数超过2000ºC，应用最多是：SiO2,Al2O3,ZrO2,MgO,CaO,BeO,ThO2和UO2等，以及一些氧化物之间的化合物如3Al2O3•2SiO2（莫来石），MgO•Al2O3(尖晶石）等。下面就一一介绍：（1）SiO2(二氧化硅）丰度（各元素在地壳中平均含量的百分数）为60%；含SiO2的矿物很多，大部分以硅酸盐矿物形成岩石，例如，在岩浆岩中以矿物形式出现的脉石英（SiO2>99%)，在沉积岩中的石英砂岩（SiO2=90~95%)，地面风化后有石英砂；水晶（最纯）、鹅卵石（最不纯）；SiO2在常压下有七种结晶态和一个玻璃态：α-石英（三方晶系）、β-石英（六方）、α-鳞石英（斜方）、β-鳞石英（六方）、γ-鳞石英（六方）、α-方石英（四方）、β-方石英（等轴）及石英玻璃（非晶态）。光学石英玻璃 （2）Al2O3(刚玉)陶瓷Al2O3陶瓷通常称刚玉瓷，与天然矿物刚玉同名，天然刚玉是一种纯氧化铝矿物；工业生产的刚玉主要成分是Al2O3和SiO2，Al2O3含量越高，Al2O3陶瓷性能越好；刚玉瓷这一名词只限于氧化铝含量为95%以上的，主晶相为刚玉的陶瓷材料，工业上大量生产氧化铝含量为95%的刚玉瓷（简称95瓷），也生产97%、99%的刚玉瓷；刚玉瓷具有较高的室温和高温机械强度、很好的绝热性能、高化学稳定性、良好的介电性能、高硬度、高耐磨性；用途：1.高温热电偶套管、坩埚、电子陶瓷材料的热压烧结模具、高温炉衬、内燃机火花塞、航空火花塞；2.化工高压机械泵零件、理化器皿，酸、碱都不与其发生化学作用；3.电绝缘、无线电、电真空等技术中使用的陶瓷元件，如雷达天线罩、微波电介质、超高频大功率电子管的支架、集成电路的构件等；4.高速切削工具、轴承、磨料磨具等； 致密的刚玉可用作电真空陶瓷；氧化铝透明陶瓷高压钠灯的灯管、红外光管的窗口等；多孔（氧孔率达90%）的氧化铝陶瓷在1700~1750ºC温度范围内的优良绝热材料；刚玉瓷作为很前途的生物陶瓷材料，已被制成骨移植器件，人工关节，应用于临床医学；等等。其它用途：氧化铝陶瓷的主要性能见P47表3-2缺点是脆性大，抗热振性差，不能承受环境温度的突然变化。 （3）ZrO2陶瓷ZrO2陶瓷熔点高（2667ºC，在单一的纯氧化物中仅次于ThO2-3330ºC、MgO-2800ºC、HfO2-2770ºC），导热系数小；自然界中分布最广的二氧化锆是天然矿物斜锆矿，一般含80%~90%，质量最好的可达96%~99%；另一种分布较广的是锆英石（ZrSiO4），ZrO2–67.03%、SiO2-32.97%；ZrO2有三种晶型：立方结构、四方结构、单斜结构。三者可以相互转化，立方四方单斜1200ºC1000ºC2300ºC2300ºC 单斜ZrO2转变为四方ZrO2时，有7.7%的体积收缩，四方ZrO2转变为单斜ZrO2时，体积增大，这种转变产生明显的体积膨胀和收缩，导致制品开裂，加入稳定剂后，阻止不稳定的ZrO2由高温四方相向单斜型转变，常用的稳定剂有MgO、Y2O3、CaO等；在应力作用下，ZrO2由四方相向单斜型转变，称为“应力诱导相变”，这种相变过程将吸收能量，使裂纹尖端的应力场松弛，增加裂纹的扩展阻力，从而实现增韧；加入稳定剂后，四方相可以部分以亚稳态存在于室温，称为部分稳定氧化锆（简称PSZ）；部分稳定氧化锆的断裂韧性远高于其他结构陶瓷，并由此获得了“陶瓷钢”的称誉，也常用这类材料去增韧其他陶瓷材料即氧化锆增韧陶瓷（ZTC）；氧化锆增韧氧化铝陶瓷材料的强度达1200MPa、断裂韧度为15.0MPa·m1/2，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。 MgO陶瓷，熔点高、呈碱性，可以制作坩埚，炉衬，高温装置BeO陶瓷，导热性好，具有高的热稳定性，强度较差，用于制造熔化某些纯金属的坩埚，还可用作真空陶瓷和原子反应堆用陶瓷；ThO2、UO2陶瓷，具有很高的熔点、高的密度，并具有放射性，主要用于制造熔化铑、铂、银和其他金属的坩埚、电炉构件、动力反应堆中的放热元件等；莫来石，是Al2O3-SiO2系中唯一稳定的二元化合物，其组成可在3Al2O3•2SiO2到2Al2O3•SiO2之间变化，3Al2O3•2SiO2为化学计量莫来石：1.结构空隙大、比较疏松，具有较低的热膨胀系数、低的热导率和热容，弹性模量也较低，因而具有良好的绝热、抗震和耐腐蚀性；2.具有较低的蠕变性（指材料受不变的拉力下,长度不断伸长的现象。蠕变使筋材承受拉力的能力不断下降）；3.大多数结构陶瓷其强度随温度上升均有不同程度的退化，而莫来石在一定组成和温度内不仅不下降反而有一定的起跳。（4）其它氧化陶瓷 4.5非氧化物陶瓷（特种陶瓷）一、氮化物陶瓷1．氮化硅陶瓷它是以Si3N4为主要成分的陶瓷，按其制造工艺不同可分为热压烧结氮化硅（β-Si3N4）陶瓷和反应烧结氮化硅（α-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，特点：氮化硅陶瓷硬度高，摩擦因子小，只有0.1～0.2，具有自润滑性；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2～3倍；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；同时具有优异的电绝缘性能。应用：反应烧结氮化硅陶瓷主要用于制作形状复杂、尺寸精度高、耐热、抗蚀、耐磨、绝缘制品。热压烧结氮化硅陶瓷只用于制作形状简单的耐磨、耐高温零件。 2．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，因而有白石墨之称；高温（1500∼2000ºC）、高压（6∼9×103MPa）下，六方BN可转化为立方BN，其硬度接近于金刚石，是极好的耐磨材料。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；硬度较其它陶瓷低，易于切削加工；有自润滑性。应用：常用于制作热电偶套管、坩埚、高温容器和管道。 3.氮化钛TiN陶瓷是一种新型结构陶瓷，硬度大、熔点高（2950ºC）、化学稳定性好，且具有动人的金黄色金属光泽，是一种很好的耐火耐磨材料和受人欢迎的代金装饰材料。还有导电性，可用作熔盐电解的电极材料以及电触头等；具有较高的超导临界温度，是一种优良的超导材料。制取粉末是一个发展中的课题，常用的方法有氢化钛或钛粉直执接氮化，还原及有CVD法，近年来也有人用高温自蔓延法制备TiN粉末。 二、碳化物陶瓷碳化物陶瓷包括碳化硅、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1．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3.2×103kg·m-3，弯曲强度和抗压强度分别为200～250MPa和1000～1500MPa，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。 2．碳化硼陶瓷硬度极高，抗磨粒磨损能力很强，熔点高达2450℃左右。在高温下会很快氧化，使用温度范围应限定在980℃以下。应用：主要用于制作磨料和超硬质工具材料。3．其它碳化物陶瓷碳化铈、碳化钼、碳化铌、碳化钽、碳化钨和碳化锆陶瓷的熔点和硬度都很高，通常在2000℃以上的中性或还原气氛中作高温材料。在各类碳化物陶瓷中，碳化铪的熔点最高，达2900℃。3.硼化物陶瓷常见的有硼化铬、硼化钼、硼化钛、硼化钨和硼化锆等。特点：高硬度，具有较好的耐化学浸蚀能力。其熔点范围为1800～2500℃，具有较高的抗高温氧化性能，使用温度达1400℃。应用：主要用于高温轴承、内燃机喷嘴和各种高温器件。 3.3.4提高石膏硬化浆体抗水性的途径：1）保证石膏硬化浆体结晶结构的形成；2）保证一定强度的条件下，减少接触点的数量；3）保证石膏浆体有较高的密实度；4）加入一定量的硅酸盐水泥或其他含有活性二氧化硅、三氧化硅的氧化钙的外加剂；5）用沥青－石蜡悬浮液以及其他水溶性聚合物对石膏制品进行改性。3.3.5石膏的应用石膏板、纤维石膏板、石膏空心板条。 本章结束