陶瓷知识汇总

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陶瓷材料的成份主要是氧化硅、氧化铝、氧化钾、氧化钠、氧化钙、氧化镁、氧化铁、氧化钛等。常见的陶瓷原料有粘土、石英、钾钠长石等。陶瓷原料一般硬度较高，但可塑性较差。除了在食器、装饰的使用上，在科学、技术的发展中亦扮演重要角色。陶瓷原料是地球原有的大量资源粘土、石英、长石经过加工而成。而粘土的性质具韧性，常温遇水可塑，微干可雕，半干可压、全干可磨；烧至900度可成陶器能装水；烧至1230度则瓷化，可完全不吸水且耐高温耐腐蚀。其用法之弹性，在今日文化科技中尚有各种创意的应用。

功能陶瓷是指具有各种物理特性的陶瓷材料,它是和结构陶瓷对应而来的概念.功能陶瓷包括,生物陶瓷,金属陶瓷,超导陶瓷,电子陶瓷 ,光导纤维,透明陶瓷等很多类,所以要说它的性质得具体到哪一个,大概说就是我的第一句话.

古陶瓷的主要特征

陶瓷是火和泥的艺术，陶瓷器的要素是胎土、釉彩、造型、工艺、装饰与花纹等。各种陶瓷器分别都有它的发明创烧时期，胎土、器型的变化以及釉色、装饰、色彩、工艺的改革创新等都有其成功期和普及期。这个创烧期就是它时代的上限。一件古陶瓷器在釉色、器型 、装饰、色彩、工艺等其中一项上限年代最晚的，就是这件陶瓷断代的上限，这是一条不可违背的原则。因此，把握古陶瓷的这些要素特征，是鉴定古陶瓷的重要依据。

(1)胎土。胎土是陶瓷成形的墓础，即陶瓷器的原料，如瓷石、砧土、石英、高岭土等。原料一般是通过粉碎、去杂质、淘洗等工序方可使用。胎土的配方在每个时期、每个地区都有所不同。如，东汉时期在浙江上虞出现的原始青瓷便使用瓷石原料，胎呈灰色。江西景德镇自元始，便采用将高岭土加人瓷石的制胎方法，其胎色很白。有各窑厂的胎土也各有特色，如唐代，南方地区以生产青瓷为主，胎土含铁量高，胎体坚致；而北方地区以生产白瓷为主，胎土含铁量低，胎骨相对粗松。烧成后的胎质，有细有粗，有坚有松，有白、黑、灰等许多特征。仿制的胎质可以做得很好，但重量难以掌握。

(2)釉彩。釉是陶瓷的灵魂，它是包裹在陶瓷外表的一层透亮外衣，彩是附在釉上的各种颜色花纹。胎成型后，施釉，入窑高温烧制，成品后外表的光泽就是釉。最初施釉是防止水的渗透，干净卫生。之后除了上釉，还要绘彩，是为了漂亮美观。早期的釉彩品种少，如青釉、黑釉、白釉和彩绘陶等。至宋代，不仅釉彩的品种不断增加，釉色之美更是令人惊艳。如天青、粉青、油滴、窑变等多种色系，釉的气质演绎到了极致。元、明、清三朝，彩瓷大放异彩，完成了釉与彩的完美结合。单色釉品种也不甘落后，红、黄、蓝、绿、紫等，鲜亮柔和。古陶瓷釉面的沉静光泽，是经过漫长岁月自然形成，而仿制的釉面不是太亮就是呆滞或浮躁。

(3)造型。造型就是器物的外形。器形体现一种气质，由内至外。造型一般是在辘护车上，用拉坯成型的方法，用手把胎泥拉成所需的样式。其它还有雕塑、模印、手捏等方法。造型设计，完全取决于人的思维。它可以做成生活化的东西，如盘、碗、壶、罐等。也可以设计成艺术陈列品，如各式瓶、屏风、雕像等。造型的内涵，往往来自人的内心追求，更多的是精神寄托。造型有鲜明的时代风格，仿制造型也可以做得很像，但它的神却达不到真品的效果。

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(4)工艺。工艺就是做工的精细程度。陶瓷工艺体现人文素质，工艺越精，科技含量就越高。其工艺有修胎、窑具、窑炉、窑温等多种因素。修胎不精，器物就粗糙；窑具不先进，器物多缺陷；窑炉火候不到位，釉色不美观。因此，一件陶瓷工艺，需要每道工序的配合，才能达到完美。工艺也有鲜明的时代特征，很多仿制品往往关注造型、花纹、装饰等显眼的方面，而忽视工艺的时代特点，这就给鉴定提供了很好的依据。

(5)装饰与花纹。装饰是使器物外表设计更漂亮、更多元化。装饰的方法有很多，如素面无纹、刻花、划花、剔花、印花、贴花、雕塑、绘画等。素面无纹是不刻任何花纹，以釉色取胜；刻花是用刀或其它工具深刻花纹；划花是浅刻花纹；剔花是斜刻花纹；印花是用模子印出花纹；贴花是将花纹贴在器物上；雕塑是将器物雕琢成各种立体件；绘画是用笔描图。花纹就是各种图案的体现，它有非常广泛的内容，如花卉、动物、人物、吉祥寓意、神灵、几何等纹饰。它能将器物外表点缀得丰富多彩。装饰与花纹的仿制，比较直观，相对好做些。但有些模仿的花纹很死板，容易辨别。

除此之外，古陶瓷还有年款、堂名款、符号、吉语等文字方面的特征，也是鉴定参考的一个方面。

目前，古陶瓷仿品赝品充斥市场，特别是利用高科技手段烧制的仿品，在造型、纹饰、款识等方面几可乱真，有的甚至利用电脑技术研究配方，模仿胎土、釉彩。但因胎土、釉彩都涉及到原料和配方，到目前为止仍是仿古专家最难解决的问题。因此，在古陶瓷鉴定中，应该将胎土、釉彩作为主要“靶点”，再结合工艺、造型、纹饰、款识等方面，从而作出准确的鉴定。

陶瓷基本知识问答

1、什么叫陶瓷？

博士：陶瓷——由粘土或主要含粘土（尚有长石、石类等）的混合物，经成形、干燥、烧制而成的制品的总称，包括陶器、瓷器、炻器等。

从结构上看，一般陶瓷制品是由结晶物质、玻璃态物质和气泡所构成的复杂系统。 2、陶瓷分为哪些种类？ 博士：①按用途分类：

A、建筑卫生陶瓷（墙地砖、琉璃瓦、洁具……） B、日用陶瓷（碗、杯、碟、茶壶、砂锅……） C、工艺美术陶瓷（陶塑、器皿……） D、工业陶瓷（耐酸瓷、电瓷……）

E、特种陶瓷（高铝球石、辊棒、打火咀……） ②按吸水率分类：

A、瓷质砖——吸水率≤0.5%。 产品的玻化程度高，结构致密，透光性好，断面细腻呈具壳状，敲击声清脆。（如瓷质抛光砖、玻化砖、瓷质外墙砖）

B、半瓷质砖——0.5%＜吸水率＜10%。产品的玻化程度及其它物理性能介于瓷质和陶质之间，透光性差，机械强度高，断面呈石状。其中：0.5%＜吸水率≤3%为炻质砖（例外墙砖、耐磨砖）；3%＜吸水率≤6%为细炻砖（例仿石砖、仿古砖）；6%＜吸水率≤10%为炻质砖（例

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彩釉砖、水晶砖）。

（注：这里对半瓷质分类列举的产品，指一般常规下的产品。当然有例外，如有厂家生产瓷质外墙砖和瓷质仿古砖。）

Ｃ、陶质砖——吸水率＞10%。产品未被玻化或玻化程度低，结构不致密，不透光，断面粗糙，机械强度不高，敲击声沉浊（例内墙砖、陶质仿古砖）。

（注：玻化程度太高、吸水率太低的产品，不易用水泥粘贴在墙上，所以一般内墙砖均烧制成陶质砖。）

3、卡米亚瓷质抛光砖的主要生产工艺流程是什么？ 博士：

注：前四个方块也可归纳为“原料制备”。 4、卡米亚釉面砖主要生产工艺流程有哪些？ 博士：采用二次烧成工艺，分为素烧和釉烧 ①素烧（烧坯）

烧 坯

贮料陈腐

喷雾造粒 过筛除铁

原料球磨

②釉烧（烧釉）

5、卡米亚广场砖主要生产工艺流程是什么？

6、陶瓷原料的主要化学成分是什么？

博士：陶瓷的主要原料是粘土、石英、长石等三大类矿山原料和一些化工原料。它们各自的作用类似水泥沙浆中的水泥、砂、水。

①粘土（高岭土）为可塑性物质，主要化学成份Al2O3，它们在生产中起塑性和结合作用，保证干坯强度及烧成后的各种使用性能。

②石英（硅砂）属于瘠性材料，减粘物质。主要化学成份SiO2，它可降低坯料粘性。烧成中部分石英溶解在长石玻璃中，提高液相粘度，防止高温变形，冷却后在瓷坯中起骨架作用。 ③长石（石粉）属于熔剂原料。主要化学成分K2O、Na2O、CaO、MgO。高温下熔融后可以溶解一部分石英及高岭土分解物，熔融后的高粘度玻璃可以起到高温胶结作用。

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7、原料加工包括哪些工序？

博士：原料加工是陶瓷生产的重要工序，是陶瓷墙地砖压机成型前所有生产工序的总称。它包括原料的配比、球磨、过筛除铁、料浆均化、陈腐、喷雾造粒、粉料陈腐等工序。原料加工在很大程度上决定着产品的质量和工艺流程与工艺条件的选择。 8、球磨机的工作原理是什么？

博士：按工艺配方的要求把匹配好的粘土、石英、长石等原料和水、球石装在球磨机内（机内留有一定净空，保证原料和球石之间能相互运动），通过电动机带动球磨机按一定转速转动。球石产生转动掉落，对原料进行砸碎和磨细，通过长时间的球磨（抛光砖料约19小时）后，原料被球磨机磨细成泥浆。

9、原料泥浆为什么要进行过筛、除铁？

博士：首先，筛去未够细度的原料残粒，通过保证原料细度的一致性，来保证产品质量。其次，

由于原料中含有一些有机物（木屑、橡胶）、过粗物和游离铁质（铁屑），这些杂质如不清除被高温煅烧后会变成“黑点”、“针孔”，所以要在泥浆输送中过筛并多次通过磁棒进行除铁。 10、喷雾塔干燥制备的泥粉是什么形状？这种形状对保证产品质量有什么好处？

博士：喷雾干燥塔制备的泥粉呈中间空的鱼卵状。因为圆形的东西流动性大，有利于冲压时布料均匀，砖的整体密度均匀一致，可使磁砖在烧成时变形率小，保证产品质量。 11、冲压成型的压机压力大小对产品质量有什么影响？

博士：在冲压成形的过程中，规格越大的砖需要越大的压机。如果压机的压力不够，会影响砖坯的成形，使砖的致密度低而影响砖的强度。如果压机的压力大，可以使砖坯的致密度高强度大，避免砖坯在输送过程和烧成过程中，由于振动和碰撞造成砖坯暗裂，提高产品的成品率。

12、为什么砖坯在印花（渗花）和煅烧前要进行干燥？

博士：砖坯在烧成前要经过干燥工序，是为了降低坯体的水分，使坯体的水分从6%左右降到1%左右，其重要作用是：

①如果坯体水分高、带进窑炉在快速烧成中会造成坯体爆裂、次品率高。 ②水分低的砖坯烧成速度可比水分高的砖坯快，可提高产量。 ③干燥后的砖坯强度增大，能使后工序（印花、渗花）得以可行。 13、为什么釉面砖的花纹工艺叫“印花”，而抛光砖的叫“渗花”？

博士：因为釉面砖烧成后无需抛光，烧成前将花纹通过辊筒或丝网直接印在砖的表面上，烧成后产品花纹清晰在目。抛光砖烧成后在抛光时表面会被刮平、抛光，厚度减少2—3毫米。如果只将花纹印在表面，花纹图案就会被抛去，因此抛光砖要在印花后再施渗透水把花纹渗进砖坯里面，所以抛光砖的花纹工艺叫“渗花”。

14、陶瓷墙地砖是用什么样的窑炉烧制出来的？什么叫烧成温度、烧成曲线和烧成周期？ 博士：陶瓷生产的核心工艺是＂烧成＂。窑炉是实现生产工艺最关键的设备，是最影响制品质量、产量的设备之一。烧制陶瓷的窑炉有很多种，如龙窑、多孔窑、隧道窑、梭式窑、辊道窑等。目前墙地砖一般都采用辊道窑烧制。它以柴油或煤气、天然气为燃料，运用电脑自动控制烧成曲线、机械传动，实现磁砖的不间断连续性大批量生产。

烧成温度——通常是指烧制陶瓷产品时的最高温度。例如瓷质砖一般是1220~1250℃，釉面砖是1100~1110℃（釉烧），广场砖是1205~1215℃。 烧成曲线——是将陶瓷制品从干燥、预热、烧成到冷却的全过程中的各时间点的温度描绘在以烧成周期的时间为横坐标，以温度为纵坐标的二维平面内形成的一条曲线。它是温度与时间变化的轨迹。

烧成周期——是指陶瓷制品从进入窑炉开始到出窑为止经过预热、干燥、升温烧成、到冷却

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出窑等烧制过程所需要的时间。烧成周期长的产品质量较有保障。 15、产品边弯曲度缺陷是什么原因造成的？

博士：产生该缺陷的原因很多，主要是因为烧成时窑炉的上下温度不一样，砖底和砖面的收缩不一致造成弯曲变形。

16、抛光砖的“抛光”生产有什么工序？

博士：刮平（定厚）→粗磨→中磨→清洗→精磨→抛光→ 磨边、倒角→吹干→烘干→打蜡→分拣包装 17、有什么措施可以预防抛光砖吸污？

博士：一是在生产中提高瓷砖的玻化程度，降低吸水率。 二是在瓷砖表面进行打蜡等防污处理。 18、影响抛光砖亮度的因素有哪些？

博士：一是砖坯的烧结程度。烧结程度越高，吸水率越低，气孔越少，反射光的能力越强，亮度越高。试想，把烧结程度低、吸水率很高的红砖进行抛光，其结果是无法抛出镜面效果的。

二是磨具的质量。抛光过程中，前后磨具要求差别很大，粗磨要求切削能力强，后段精磨与抛光要求磨具细滑而能抛出砖面亮度。可以设想：若后段磨具质量不好，不但亮度抛不出来，还会产生划痕。

三是抛光时间。一般来说同等质量的磨具抛光的时间越长，亮度越高。有些小企业，设备能力不足，抛光线磨头“组数”少，又要拉产量，自然抛不出高亮度的砖来。

用陶土烧制的器皿叫陶器，用瓷土烧制的器皿叫瓷器，陶瓷则是陶器、炻器和瓷器的总称。凡是用陶土和瓷土这两种不同性质的粘土为原料，经过配料， 成型，干燥，焙烧等工艺流程制成的器物都可以叫陶瓷。

陶瓷包括的范围较广，有些能耐水，有些并能耐酸。广泛应用于建筑， 化工， 电力，机械等工业及日用装饰等方面。此外，用粘土以外的其它原料，依陶瓷制造的工艺方法制成的制品，也叫做陶瓷，如块滑石瓷，金属陶瓷，电容器陶瓷,，磁性瓷等。广泛应用于无线电，原子能，火箭，半导体等工业。目前，将所有陶瓷制品通称为\"无机非金属固体材料。

陶器和瓷器是人们经常接触的日用品，有时从表面看来很相似，但是，它们毕竟各有其特色而不同。陶器一般是用陶土作胎，烧制陶器的温度大体在900－1050℃之间。若温度太高，陶器就要被烧坏变形。陶器的胎体质地比较疏松，有不少孔隙，因而有较强的吸水性。一般的陶器表面无釉，即使有釉也是低温釉。

我国烧制陶器的历史约有1万年之久。原始社会制造陶器，开始是用手工捏制的方法制成一定器形，后来发展为将陶土搓成粗细一样的泥条，再把泥条盘筑成一定器形，将其内外用手抹平。到父系社会阶段出现了轮制法。进入封建社会后，又发明了模制法，即将陶泥填入模中，脱出器物的全形。人们推测，最原始的烧制方法是堆烧法，把晒干的陶坯放在露天柴草中烧。在六七千年前，开始使用陶窑烧制陶器。

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瓷器一般是瓷泥做胎，烧制瓷器的温度在1300-1410度之间，烧成温度较高，胎体比较紧密，几乎不具有吸水性，一般瓷器表面覆盖有釉层，表面比较光滑；

我国烧制瓷器大约是在东汉时期，到了唐代，瓷器制作可为以蜕变到成熟的境界，而跨入真正的瓷器时代。因为陶与瓷的分野，在乎质白坚硬或半透明，而最大的关键在于为烧温度。汉代虽有瓷器，但温度不高，质地脆弱只能算是原瓷，而发展到唐代，不但釉药发展成熟，为烧温度能达到摄氏1000度以上，所以我们说唐代是真正进入瓷器的时代。

陶瓷材料是用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料。它具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点。可用作结构材料、刀具材料，由于陶瓷还具有某些特殊的性能，又可作为功能材料。 普通陶瓷材料

采用天然原料如长石、粘土和石英等烧结而成，是典型的硅酸盐材料，主要组成元素是硅、铝、氧，这三种元素占地壳元素总量的90%，普通陶瓷来源丰富、成本低、工艺成熟。这类陶瓷按性能特征和用途又可分为日用陶瓷、建筑陶瓷、电绝缘陶瓷、化工陶瓷等。 特种陶瓷材料

采用高纯度人工合成的原料，利用精密控制工艺成形烧结制成，一般具有某些特殊性能，以适应各种需要。根据其主要成分，有氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、金属陶瓷等；特种陶瓷具有特殊的力学、光、声、电、磁、热等性能。本节主要介绍特种陶瓷。编辑本段性能特点力学性能

陶瓷材料是工程材料中刚度最好、硬度最高的材料，其硬度大多在1500HV以上。陶瓷的抗压强度较高，但抗拉强度较低，塑性和韧性很差。 热性能

陶瓷材料一般具有高的熔点（大多在2000℃以上），且在高温下具有极好的化学稳定性；陶瓷的导热性低于金属材料，陶瓷还是良好的隔热材料。同时陶瓷的线膨胀系数比金属低，当温度发生变化时，陶瓷具有良好的尺寸稳定性。 电性能

大多数陶瓷具有良好的电绝缘性，因此大量用于制作各种电压（1kV~110kV）的绝缘器件。铁电陶瓷（钛酸钡BaTiO3）具有较高的介电常数，可用于制作电容器，铁电陶瓷在外电场的作用下，还能改变形状，将电能转换为机械能（具有压电材料的特性），可用作扩音机、电唱机、超声波仪、声纳、医疗用声谱仪等。少数陶瓷还具有半导体的特性，可作整流器。 化学性能

陶瓷材料在高温下不易氧化，并对酸、碱、盐具有良好的抗腐蚀能力。 光学性能

陶瓷材料还有独特的光学性能，可用作固体激光器材料、光导纤维材料、光储存器等，透明陶瓷可用于高压钠灯管等。磁性陶瓷（铁氧体如：MgFe2O4、CuFe2O4、Fe3O4）在录音磁带、唱片、变压器铁芯、大型计算机记忆元件方面的应用有着广泛的前途。编辑本段常用特种陶瓷材料 根据用途不同，特种陶瓷材料可分为结构陶瓷、工具陶瓷、功能陶瓷。 1．结构陶瓷

氧化铝陶瓷主要组成物为Al2O3，一般含量大于45%。氧化铝陶瓷具有各种优良的性能。耐高温，一般可要1600℃长期使用，耐腐蚀，高强度，其强度为普通陶瓷的2~3倍，高者

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可达5~6倍。其缺点是脆性大，不能接受突然的环境温度变化。用途极为广泛，可用作坩埚、发动机火花塞、高温耐火材料、热电偶套管、密封环等，也可作刀具和模具。 氮化硅陶瓷主要组成物是Si3N4，这是一种高温强度高、高硬度、耐磨、耐腐蚀并能自润滑的高温陶瓷，线膨胀系数在各种陶瓷中最小，使用温度高达1400℃，具有极好的耐腐蚀性，除氢氟酸外，能耐其它各种酸的腐蚀，并能耐碱、各种金属的腐蚀，并具有优良的电绝缘性和耐辐射性。可用作高温轴承、在腐蚀介质中使用的密封环、热电偶套管、也可用作金属切削刀具。 碳化硅陶瓷主要组成物是SiC，这是一种高强度、高硬度的耐高温陶瓷，在1200℃~1400℃使用仍能保持高的抗弯强度，是目前高温强度最高的陶瓷，碳化硅陶瓷还具有良好的导热性、抗氧化性、导电性和高的冲击韧度。是良好的高温结构材料，可用于火箭尾喷管喷嘴、热电偶套管、炉管等高温下工作的部件；利用它的导热性可制作高温下的热交换器材料；利用它的高硬度和耐磨性制作砂轮、磨料等。 六方氮化硼陶瓷主要成分为BN，晶体结构为六方晶系，六方氮化硼的结构和性能与石墨相似，故有“白石墨”之称，硬度较低，可以进行切削加工具有自润滑性，可制成自润滑高温轴承、玻璃成形模具等。 2．工具陶瓷

硬质合金主要成分为碳化物和粘结剂，碳化物主要有WC、TiC、TaC、NbC、VC等，粘结剂主要为钴（Co）。硬质合金与工具钢相比，硬度高（高达87~91HRA），热硬性好（1000℃左右耐磨性优良），用作刀具时，切削速度比高速钢提高4~7倍，寿命提高5~8倍，其缺点是硬度太高、性脆，很难被机械加工，因此常制成刀片并镶焊在刀杆上使用，硬质合金主要用于机械加工刀具；各种模具，包括拉伸模、拉拔模、冷镦模；矿山工具、地质和石油开采用各种钻头等。 金刚石天然金刚石（钻石）作为名贵的装饰品，而合成金刚石在工业上广泛应用，金刚石是自然界最硬的材料，还具备极高的弹性模量；金刚石的导热率是已知材料中最高的；金刚石的绝缘性能很好。金刚石可用作钻头、刀具、磨具、拉丝模、修整工具；金刚石工具进行超精密加工，可达到镜面光洁度。但金刚石刀具的热稳定性差，与铁族元素的亲和力大，故不能用于加工铁、镍基合金，而主要加工非铁金属和非金属，广泛用于陶瓷、玻璃、石料、混凝土、宝石、玛瑙等的加工。 立方氮化硼（CBN）具有立方晶体结构，其硬度高，仅次于金刚石，具热稳定性和化学稳定性比金刚石好，可用于淬火钢、耐磨铸铁、热喷涂材料和镍等难加工材料的切削加工。可制成刀具、磨具、拉丝模等 其它工具陶瓷尚有氧化铝、氧化锆、氮化硅等陶瓷，但从综合性能及工程应用均不及上述三种工具陶瓷。 3．功能陶瓷

种类 性能特征 主要组成 用途

介电陶瓷 绝缘性 Al2O3、Mg2SiO4 集成电路基板 热电性 PbTiO3、BaTiO3 热敏电阻 压电性 PbTiO3、LiNbO3 振荡器 强介电性 BaTiO3 电容器

光学陶瓷 荧光、发光性 Al2O3CrNd玻璃 激光 红外透过性 CaAs、CdTe 红外线窗口 高透明度 SiO2 光导纤维 电发色效应 WO3 显示器

磁性陶瓷 软磁性 ZnFe2O、γ-Fe2O3 磁带、各种高频磁心 硬磁性 SrO．6 Fe2O3 电声器件、仪表及控制器件的磁芯 半导体陶瓷 光电效应 CdS、Ca2Sx 太阳电池 阻抗温度变化效应 VO2、NiO 温度传感器 热电子放射效应 LaB6、BaO 热阴极

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编辑本段应用 (一)工程塑料的开发利用 目前，主要的工程塑料制品已有10多种，其中聚酸胺、聚甲醛、聚磷酸酯、改性聚苯酸和热塑性聚酯被称为五大工程塑料．它们的产量较大．价格一般为传统通用塑料的2—6倍．而聚摧硫酸等特种工程塑料的价格为通用塑料的5一10倍。以塑料代替钢铁、木材、水泥三大传统基本材料，可以节省大量能源、人力和物力。 (二)合成橡胶的开发利用 由于生产合成橡胶的原料丰富，其良好的性能又可以满足当代科技发展对材料提出的某些特殊要求，所以合成橡胶出现几十年来，品种已很丰富，一般可将其分为通用合成橡胶和特种合成橡胶两类。通用合成橡胶性能与天然橡胶相似，用于制造一般的橡胶制品，如各种轮胎、传动带、胶管等工业用品和雨衣、胶鞋等生活用品。特种合成橡胶具有耐高温、耐低温耐酸碱等优点，多用于特殊环境和高科技领域，如航空、航天、军事等方面。 (三)合成纤维的开发利用 合成纤维的品种有几十种，但最常见的是六大种：聚酸胺纤维(商品名尼龙)、聚胺纤维(商品名涤纶)、聚乙烯纤维(商品名腈纶)、聚丙烯纤维(商品名丙纶)、聚乙烯酸纤维(商品名维纶)、聚氯乙烯纤维(商品名氨纶)。 高分子合成材料具有质量小、绝缘性能好等特点，所以发展很快，但又都有先天不足，即它们都在不同程度上对氧、热和光有敏感性。但是，随着高技术的迅速发展，高分子合成材料的大军必将在经济生活中扮演举足轻重的角色。 四、陶瓷材料 陶瓷材料中已崛起了精细陶瓷，它以抗高温、超强度、多功能等优良性能在新材料世界独领风骚。精细陶瓷是指以精制的高纯度人工合成的无机化合物为原料，采用精密控制工艺烧结的高性能陶瓷，因此又称先进陶瓷或新型陶瓷。精细陶瓷有许多种，它们大致可分成三类。 (一)结构陶瓷。 这种陶瓷主要用于制作结构零件。机械工业中的一些密封件、轴承、刀具、球阀、缸套等都是频繁经受摩擦而易磨损的零件，用金属和合金制造有时也是使用不了多久就会损坏，而先进的结构陶瓷零件就能经受住这种“磨难”。 (二)电子陶瓷 指用来生产电子元器件和电子系统结构零部件的功能性陶瓷。这些陶瓷除了具有高硬度等力学性能外，对周围环境的变化能“无动于衷”，即具有极好的稳定性，这对电子元件是很重要的性能，另外就是能耐高温。 (三)生物陶瓷 生物陶瓷是用于制造人体“骨骼一肌肉”系统，以修复或替换人体器官或组织的一种陶瓷材料。 精细陶瓷是新型材料特别值中得注意的一种，它有广阔的发展前途。这种具有优良性能的精细陶瓷，有可能在很大的范围内代替钢铁以及其他金属而得到广泛应用，达到节约能源、提高效率、降低成本的目的；精细陶瓷和高分子合成材料相结合．可以使交通运输工具轻量化、小型化和高效化。 精陶材料将成为名副其实的耐高温的高强度材料，从而可用作包括飞机发动机在内的各种热机材料、燃料电池发电部件材料、核聚变反应堆护壁材料、无公害的外燃式发动机材料等。精细陶瓷与高性能分子材料、新金属材料、复合材料并列为四大新材料。有些科学家预言．由于精细陶瓷的出现，人类将从钢铁时代重新进入陶瓷时代编辑本段更多信息 什么是陶瓷？什么是陶瓷材料 原来的陶瓷就是指陶器和瓷器的通称。也就是通过成型和高温烧结所得到的成型烧结体。传统的陶瓷材料主要是指硅铝酸盐。刚开始的时候人们对硅铝酸盐的选择要求不高，纯度不大，颗粒的粒度也不均一，成型压强不高。这时得到陶瓷称为传统陶瓷。后来发展到纯度高，粒度小且均一，成型压强高，进行烧结得到的烧结体叫做精细陶瓷。 接下来的阶段，人们研究构成陶瓷的陶瓷材料的基础，使陶瓷的概念发生了很大的变化。陶瓷内部的力学性能是与构成陶瓷的材料的化学键结构有关，在形成晶体时能够形成比较强的三维网状结构的化学物质都可以作为陶瓷的材料。这重要包括比较强的离子键的离子化合物，能够形成原子晶体的单质和化合物，以及形成金属晶体的物质。他们都可以作为陶瓷材料。其次人们借鉴三维成键的特点发展了纤维增强复合材料。更进一步拓宽了陶瓷材料的范围。因此陶瓷材料发展成了可以借助三维成键的材料的通称。 陶瓷的概念就发展成为可以借助三维成键的材料，通过成型和高温烧结所得到的烧结体。（这个概念把玻璃也纳入了陶瓷的范围） 研究陶瓷的结构和性能的理论也得到了展开：陶瓷材料，内部微结构（微

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晶晶面作用，多孔多相分布情况）对力学性能的影响得到了发展。材料（光，电，热，磁）性能和成形关系，以及粒度分布，胶着界面的关系也得到发展，陶瓷应当成为承载一定性能物质存在形态。这里应该和量子力学，纳米技术，表面化学等学科关联起来。陶瓷学科成为一个综合学科。 这种发展在一定程度上和高分子成型关联起来。它们应当相互影响。

陶瓷材料的化学健大都为离子键和共价健，健合牢固并有明显的方向性，同一般的金属相比，其晶体结构复杂而表面能小。因此，它的强度、硬度、弹性模量、耐磨性、耐蚀性和耐热性比金属优越，但塑性、韧性、可加工性、抗热震性及使用可靠性却不如金属。因此搞清陶瓷的性能特点及其控制因素，不论是对研究开发还是使用设计都具有十分重要的意义。本节主要讨论弹性、硬度、强度、韧性及其组织结构因素、环境因素的影响。

一．弹性性能

1.弹性和弹性模量

陶瓷材料为脆性材料，在室温下承载时几乎不能产生塑性变形，而在弹性变形范围内就产生断裂破坏。因此，其弹性性质就显得尤为重要。与其他固体材料一样。陶瓷的弹性变形可用虎克定律来描述。

陶瓷的弹性变形实际上是在外力的作用下原子间里由平衡位置产生了很小位移的结果。弹性模量反映的是原子间距的微小变化所需外力的大小。表11.3给出一些陶瓷在室温下的弹性模量。

2.温度对弹性模量的影响

由于原子间距和结合力随温度的变化而变化，所以弹性核量对温度变化很敏感、当温度升高时。原子间距增大，由成j变为d，(见图11.2)而该处曲线的斜率变缓，即弹性模量降低。因此，固体的弹性模量一般均随温度的升高而降低。图11.3给出一些陶瓷的弹性模量随温度的变化情况。一般来说，热膨胀系数小的物质，往往具有较高的弹性模量。

3.弹性模量与熔点的关系

物质熔点的高低反映其原子间结合力的大小。一般来说，弹性模量与熔点成正比例关系。不同种类的陶瓷材料样性模量之间大体上有如下关系氧化物＜氯化物＜硼化挪＜碳化物。

泊松比也是描述陶瓷材料弹性变形的重要参数。表11.4给出一些陶瓷材料和金属的泊松比。可以看出除BeO与MgO外大多数陶瓷材料的泊松比都小于金属材制的泊松比。

4.弹性模量与材料致密度的关系

陶瓷材料的致密度对其弹性模量影响很大。图11.5给出AL2O3陶瓷的弹性模量随气孔率的

11

变化及某些理论计算值的比较。Fros指出弹性模量与气孔率之间将会指数关系

E=E0exp(-BP)

式中B--常数。

总之，随着气孔率的增加，陶瓷的弹性模量量急剧下降。

5.复合材料的弹性模量

由于弹性模量决定于原子间结合力．即与原子种类和化学键类型有关，所以弹性模量对显微组织并不敏感．一旦材料种类确定，则通过热处理等工艺来改变弹性模量是极为有限的--但对由不同组元构成的复合材料的弹性模量来说，由于各组元的弹性模量不同，因而复合材料的弹性模量随各组元的含量不同而改变。

实际上混合定律不能准确地描述复合材料的弹性模量，只能粗略地估算。当需要复合材料准确的弹性模量值时，可进行实际测量。

图11.6和图11.7给出Al2O3+SiCw、ZrO2(Y2O3)+SiCw、及Al2O3＋ZrO2(Y2O3)＋SiCw等复合材料的弹性模最随第M相含量的变化情况。可以看出在其他性能允许的情况下，可以通过在一定范围内调整两相比例来获得所需的弹性模量值。

二、硬度

硬度是材料的重要力学性能参数之一，金属材料的硬度与强度之间有直接的对应关系。而陶瓷材料属脆性材料。测定硬度时，在压头压入区域会发生包括压缩剪断等复合破坏的伪塑性变形。因此，陶瓷材料的硬度很难与其强度直接对应起来。但硬度高、耐磨性好是陶瓷材料的主要优良特性之一。硬度与耐磨性有密切关系，加之在陶瓷材料的力学性能评价中，硬度测定是使用最普遍且数据获得比较容易的评价方法之一，因而占有重要的地位。

目前，用于测定陶瓷材料硬度的方法最常用的是维氏硬度。

由于陶瓷为脆硬材料．因而多数情况下底痕的边缘产生破碎，同时在任痕角上沿对角线延长方向上产生裂纹、而压痕形状不如金属材料那样规则，给对角线的测量带来困难，所以在试样制备时，其测试表面最后应用金刚石研磨抛光成镜面。维氏硬度测定的同时．根据区痕角部产生裂纹的长度．通过计算可以估算出断裂韧性。因此，维氏硬度测试是一种简单经济、一举多得的方法。

表11.5给出一些常用陶瓷的维氏硬度值。有时陶瓷材料也测量洛氏硬度值HR，洛氏硬度又分为HRA、HRC和HRD。

1.高温硬度

高温硬度测定大都是采用维氏硬度法和显微硬度法。陶瓷材料的高温硬度测定。同其它高温

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性能测试相比，所用试样量少，且测定方法简便；另外，高温硬度与高温强度有一定对应性，同时通过长时间保持载荷可以显示其蠕变特性，所以高温使区是陶瓷材料使用较普遍的高温性能测试方法。通过高温维氏硬度虽然可以测试陶瓷的高温断裂韧性，但高温硬度对温度的敏感性比强度对温度的敏感性大，即随温度的提高硬度值比强度值下降得快，致使用此法测得的韧性与其他方法测得的结果有较大的差异，因此，用压痕法测高温裂韧性时．要对其计算公式加以修正。图11.8给出硬度随温度的变化曲线。

2.硬度与其他性能之间的关系

对于结构陶瓷材料，维氏硬度HV与弹性模量E之间的关系如图11.9所示，大体上呈直线关系，其定量关系式为E/20HV。但此关系只是在常温下成立。随着温度的升高，硬度的下降比弹性模量的下降明显，所以E／HV值随温度的升高而增加。wu等人试图用维氏硬度法测得的HV／KIC比值作为衡量陶瓷材料的脆性指标。上述比值并非无量纲也难以赋予确切的物理意义。但硬度在某种意义上表征的是变形抗力．断裂动性表征的是裂纹扩展阻力，因此二者比值在某种程度上可以表示材料的脆性断裂程度。

三、强度

陶瓷材料由其他学键所决定、在室温下几乎不能产生滑移或位错运动，因而很难产生塑性变形，所以其破坏方式为脆性断裂。一般陶瓷材料在室温下的应力应变曲线如图11.10中1所示，即在断裂前几乎没有塑性变形。因此陶瓷材料室温强度测定只能获得一个断裂强度σf值。而金属材料则可获得屈服强度σs。

由此可知，陶瓷材料的室温强度是弹性变形抗力即当弹性变形达到极限程度而发生断裂时的应力。强度与弹性模量和硬度一样，是材料本身的物理参数，它决定于材料的成分组织结构，同时也随外界条件(如温度、应力状态等)的变化而变化。

由于陶瓷材料的脆性，在绝大多数情况下都是测定其弯曲强度，而很少测定拉伸强度，表11.6给出了一些常见陶瓷材料强度的数据。

1.影响强度的组织因素

陶瓷材料本身的脆性来自于其化学健的种类。实际陶瓷晶体中大都以方向性较强的离子链和共价健为主。多数晶体的结构复杂，平均原子间距大，因而表面能小。因此，同金属材料相比．在室温下发生的滑移几乎没有，位错的滑移很难发生。因此很容易由表面或内部存在的缺陷引起应力集中而产生脆性破坏。这是陶瓷材料脆性的原因所在、也是其强度值分散性较大的原因所在。

通常陶瓷材料都是用烧结的方法制造的，在晶界上大都存在着气孔、裂纹和玻璃相即非晶相等。而且有时在晶内也存在有气孔、层错、位借等缺陷。陶瓷的强度除决定于本身材料外，上述微观组织因素对强度也有显著的影响(即微观组织敏感性)，其中气孔率与晶粒尺寸是两个最重要的影响因素。

(1)气孔率对强度的影响。气孔是绝大多数陶瓷的主要组织缺陷之一，气孔明显地降低了载

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荷作用横截面积。同时气孔也是引起应力集中的地方。实验发现，多孔陶瓷的强度随气孔束的增加近似按指数规律下降。有关气孔率与温度的关系式有多种提案，其中最常用的经验公式：

σ=σ0exp(-αP)

式中P－气孔率；

σ0—P＝0时的强度；

a——常数，其值在4～7之间．许多试验数据与此式接近。

图11.11示出AL203陶瓷的弯曲强度和气孔率之间的关系。可以看出试验值与理论值符合较好。由上述可知，为了获得高强度，应制备接近理论密度的无气孔陶瓷材料。

(2)晶粒尺寸对强度的影响。陶瓷材料的强度和晶粒尺寸的关系与金属有类似的规律。

图11.12给出TiO2陶瓷强度与晶粒尺寸的关系；多晶AL203、MgO和结晶玻璃的粒径与强度之间关系也符合Hall-petch关系式。

从定性的角度上讲，实验研究已得到了σf与d-1/2关系趋势相一致的结果。

但对烧结体陶瓷来讲，要做出只有晶粒尺寸大小不同而其他组织参量都相同的试样是非常困难的，因此，往往其它因素与晶粒尺寸同时对强度起影响作用。所以，陶瓷中的σf与d-1/2的关系并非那么容易搞清，还有待于进一步研究。但无论如何，室温断裂强度无疑地随晶粒尺寸的减小而增高。所以对于结构陶瓷材料来说，努力获得细晶粒组织，对提高室温强度是有利而无害的。

(3)晶界相的性质与厚度、晶粒形状对强度的影响。陶瓷材料的烧结大都要加入助偏剂，因此形成一定量的低熔点晶界相面促进致密化。晶界相的成分、性质及数量(厚度)对强度有显著影响。晶界相最好能起阻止裂纹过界扩展并松弛裂纹尖端应力场的作用。晶界玻璃相的存在对强度是不利的，所以应尽量减少晶界玻璃相的数量，并通过热处理使其晶化。对单相多晶陶瓷材料，晶粒形状最好为均匀的等轴晶粒，这样承载时变形均匀而不易引起应力集中，从而使强度得到充分发挥。

综上所述，高强度单相多晶陶瓷的显微组织应符合如下要求①晶粒尺寸小，晶体缺陷少，晶粒尺寸均匀、等轴，不易在晶界处引起应力集中；③晶界相含量适当，并尽量减少脆性玻璃柜含量，应能阻止晶内型纹过界扩展，并能松弛裂纹尖端应力集中；④减少气孔率，使其尽量接近理论密度。

(4)陶瓷的复合强化。为了提高陶瓷材料的强度，除了要控制上述组织因素外．更常见的是通过复合的办法提高强度．例如自生复相陶瓷棒晶强化，加入第二相的颗粒弥散强化纤维强化、晶须强化等。在陶瓷的韧化一节中，除微裂纹韧化外．其它的强化方法均有强化效果，这里不再赘述。

2.温度对强度的影响

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陶瓷材料的一个最大的特点就是高温强度比金属高得多。未来汽车用燃气发动机的附温度为1370t这样的工作温度，N、CI、Ch系的超耐热合金已无法承受，但Si3N4陶瓷却大有希望。

陶瓷材料的强度当温度T＜DSTm(T为熔点)时．基本保持不变，当温度高于0．5h时才出现明显的降低13I．x一等人提出图11.13所示的强度随温度的变化曲线，可惜出，整个曲线可分为三个区域。在低温A区，断裂前无塑性变形．陶房的断裂主要决吁试样内部既存缺陷(裂纹、气孔等周起的裂纹扩展。为脆性断裂，其断裂应力随温度犒变化不大；在中间温度B区，由于断裂前产生塑性变形，因而强度对既存缺陷的敏感t降低，断裂受塑性变形控制，勾随温度的L升而有明显的降低。

当温度进一步升高时(C区)二维滑移系开动，位错塞积群中的一部分位借产主文B移而沿另外的滑移而继续滑移．松弛了应力集中因而抑制了裂纹的萌生。由于位借的z又滑移随温度的升高而变得活跃，由此而产生的对位错塞积群前端应力的松弛作用就区发明显。所以在此区域内，断裂应力有随温度的升高而上升的趋势。图11.13给出的E陶瓷材料的强度随温度变化关系的一般趋势，并非对所有的陶瓷材料都符和很好．也并附有陶瓷材料的A、B、C三个区都出现。

陶瓷材料的强度随材料的纯度、微观组织结构因素和表面状态(粗糙度)的变化而变化．因此．即使是同一种材料．由于制备工艺不同。随温度的变化关系也有差异。

图11.14给出一些陶瓷的强度随温度的变化曲线。根据这些曲线．我们可以确定相立陶瓷材料的最高使用温度。陶瓷的高温强度受加载速率的影响显著．随加我速率的提高而提高．这同金属的高温变形抗力与加载速率的关系是类似的。

四、断裂韧性

绝大多数陶瓷材料在室温下甚至在高的温度范围很难产生塑性变形，因供断裂方式为脆性断裂．所以陶瓷材料的裂纹敏感性很强。基于陶瓷的这种特性可知．断裂力学性能是评价陶瓷材料力学性能朝重要指标，同时也是由于这种特性．其断裂行为非常适合于用线弹性断裂力学来描述。最普遍用来评价陶瓷材料韧性的断裂力学参数就是断裂韧性(KIC)。

表11.7给出一些陶瓷材料的J断裂韧性值，并附几种常用金属村料的断裂韧性以作对比．可见金属材料的值比陶瓷高一个数量级。要考虑使陶瓷材料的特长得到充分发挥．扩大在实际中的应用，就必须想办法大幅度提高和改善陶瓷的)。

断裂韧性K1c是描述材料瞬间断裂时的裂纹尖端临界应力场强度因子。在工程上即使在很低的应力下经长时间作用也会使陶瓷材制发生断裂、特别是在长时间的同期循环载荷作用下，会产生低应力疲劳断裂。因此说．陶瓷材料具有延迟断裂的特征。为了描述这种具有时间效应的断裂现象．必须知道裂纹的扩展速率V与其裂纹尖端应力场强度因子用之间的关系。图11.15给出二者之间关系的示意图(KI-v图).

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陶瓷的力学性能

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陶瓷材料的化学健大都为离子键和共价健，健合牢固并有明显的方向性，同一般的金属相比，其晶体结构复杂而表面能小。因此，它的强度、硬度、弹性模量、耐磨性、耐蚀性和耐热性比金属优越，但塑性、韧性、可加工性、抗热震性及使用可靠性却不如金属。因此搞清陶瓷的性能特点及其控制因素，不论是对研究开发还是使用设计都具有十分重要的意义。本节主要讨论弹性、硬度、强度、韧性及其组织结构因素、环境因素的影响。

一．弹性性能

1.弹性和弹性模量

陶瓷材料为脆性材料，在室温下承载时几乎不能产生塑性变形，而在弹性变形范围内就产生断裂破坏。因此，其弹性性质就显得尤为重要。与其他固体材料一样。陶瓷的弹性变形可用虎克定律来描述。

陶瓷的弹性变形实际上是在外力的作用下原子间里由平衡位置产生了很小位移的结果。弹性模量反映的是原子间距的微小变化所需外力的大小。表11.3给出一些陶瓷在室温下的弹性模量。

2.温度对弹性模量的影响

由于原子间距和结合力随温度的变化而变化，所以弹性核量对温度变化很敏感、当温度升高时。原子间距增大，由成j变为d，(见图11.2)而该处曲线的斜率变缓，即弹性模量降低。因此，固体的弹性模量一般均随温度的升高而降低。图11.3给出一些陶瓷的弹性模量随温度的变化情况。一般来说，热膨胀系数小的物质，往往具有较高的弹性模量。

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3.弹性模量与熔点的关系

物质熔点的高低反映其原子间结合力的大小。一般来说，弹性模量与熔点成正比例关系。不同种类的陶瓷材料样性模量之间大体上有如下关系氧化物＜氯化物＜硼化挪＜碳化物。

泊松比也是描述陶瓷材料弹性变形的重要参数。表11.4给出一些陶瓷材料和金属的泊松比。可以看出除BeO与MgO外大多数陶瓷材料的泊松比都小于金属材制的泊松比。

4.弹性模量与材料致密度的关系

陶瓷材料的致密度对其弹性模量影响很大。图11.5给出AL2O3陶瓷的弹性模量随气孔率的变化及某些理论计算值的比较。Fros指出弹性模量与气孔率之间将会指数关系

E=E0exp(-BP)

式中B--常数。

总之，随着气孔率的增加，陶瓷的弹性模量量急剧下降。

5.复合材料的弹性模量

由于弹性模量决定于原子间结合力．即与原子种类和化学键类型有关，所以弹性模量对显微组织并不敏感．一旦材料种类确定，则通过热处理等工艺来改变弹性模量是极为有限的--但对由不同组元构成的复合材料的弹性模量来说，由于各组元的弹性模量不同，因而复合材料的弹性模量随各组元的含量不同而改变。

实际上混合定律不能准确地描述复合材料的弹性模量，只能粗略地估算。当需要复合材料准确的弹性模量值时，可进行实际测量。

图11.6和图11.7给出Al2O3+SiCw、ZrO2(Y2O3)+SiCw、及Al2O3＋ZrO2(Y2O3)＋SiCw等复合材料的弹性模最随第M相含量的变化情况。可以看出在其他性能允许的情况下，可以通过在一定范围内调整两相比例来获得所需的弹性模量值。

二、硬度

硬度是材料的重要力学性能参数之一，金属材料的硬度与强度之间有直接的对应关系。而陶瓷材料属脆性材料。测定硬度时，在压头压入区域会发生包括压缩剪断等复合破坏的伪塑性变形。因此，陶瓷材料的硬度很难与其强度直接对应起来。但硬度高、耐磨性好是陶瓷材料的主要优良特性之一。硬度与耐磨性有密切关系，加之在陶瓷材料的力学性能评价中，硬度测定是使用最普遍且数据获得比较容易的评价方法之一，因而占有重要的地位。

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目前，用于测定陶瓷材料硬度的方法最常用的是维氏硬度。

由于陶瓷为脆硬材料．因而多数情况下底痕的边缘产生破碎，同时在任痕角上沿对角线延长方向上产生裂纹、而压痕形状不如金属材料那样规则，给对角线的测量带来困难，所以在试样制备时，其测试表面最后应用金刚石研磨抛光成镜面。维氏硬度测定的同时．根据区痕角部产生裂纹的长度．通过计算可以估算出断裂韧性。因此，维氏硬度测试是一种简单经济、一举多得的方法。

表11.5给出一些常用陶瓷的维氏硬度值。有时陶瓷材料也测量洛氏硬度值HR，洛氏硬度又分为HRA、HRC和HRD。

1.高温硬度

高温硬度测定大都是采用维氏硬度法和显微硬度法。陶瓷材料的高温硬度测定。同其它高温性能测试相比，所用试样量少，且测定方法简便；另外，高温硬度与高温强度有一定对应性，同时通过长时间保持载荷可以显示其蠕变特性，所以高温使区是陶瓷材料使用较普遍的高温性能测试方法。通过高温维氏硬度虽然可以测试陶瓷的高温断裂韧性，但高温硬度对温度的敏感性比强度对温度的敏感性大，即随温度的提高硬度值比强度值下降得快，致使用此法测得的韧性与其他方法测得的结果有较大的差异，因此，用压痕法测高温裂韧性时．要对其计算公式加以修正。图11.8给出硬度随温度的变化曲线。

2.硬度与其他性能之间的关系

对于结构陶瓷材料，维氏硬度HV与弹性模量E之间的关系如图11.9所示，大体上呈直线关系，其定量关系式为E/20HV。但此关系只是在常温下成立。随着温度的升高，硬度的下降比弹性模量的下降明显，所以E／HV值随温度的升高而增加。wu等人试图用维氏硬度法测得的HV／KIC比值作为衡量陶瓷材料的脆性指标。上述比值并非无量纲也难以赋予确切的物理意义。但硬度在某种意义上表征的是变形抗力．断裂动性表征的是裂纹扩展阻力，因此二者比值在某种程度上可以表示材料的脆性断裂程度。 三、强度

陶瓷材料由其他学键所决定、在室温下几乎不能产生滑移或位错运动，因而很难产生塑性变形，所以其破坏方式为脆性断裂。一般陶瓷材料在室温下的应力应变曲线如图11.10中1所示，即在断裂前几乎没有塑性变形。因此陶瓷材料室温强度测定只能获得一个断裂强度σf值。而金属材料则可获得屈服强度σs。

由此可知，陶瓷材料的室温强度是弹性变形抗力即当弹性变形达到极限程度而发生断裂时的应力。强度与弹性模量和硬度一样，是材料本身的物理参数，它决定于材料的成分组织结构，同时也随外界条件(如温度、应力状态等)的变化而变化。

由于陶瓷材料的脆性，在绝大多数情况下都是测定其弯曲强度，而很少测定拉伸强度，表11.6给出了一些常见陶瓷材料强度的数据。

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1.影响强度的组织因素

陶瓷材料本身的脆性来自于其化学健的种类。实际陶瓷晶体中大都以方向性较强的离子链和共价健为主。多数晶体的结构复杂，平均原子间距大，因而表面能小。因此，同金属材料相比．在室温下发生的滑移几乎没有，位错的滑移很难发生。因此很容易由表面或内部存在的缺陷引起应力集中而产生脆性破坏。这是陶瓷材料脆性的原因所在、也是其强度值分散性较大的原因所在。

通常陶瓷材料都是用烧结的方法制造的，在晶界上大都存在着气孔、裂纹和玻璃相即非晶相等。而且有时在晶内也存在有气孔、层错、位借等缺陷。陶瓷的强度除决定于本身材料外，上述微观组织因素对强度也有显著的影响(即微观组织敏感性)，其中气孔率与晶粒尺寸是两个最重要的影响因素。

(1)气孔率对强度的影响。气孔是绝大多数陶瓷的主要组织缺陷之一，气孔明显地降低了载荷作用横截面积。同时气孔也是引起应力集中的地方。实验发现，多孔陶瓷的强度随气孔束的增加近似按指数规律下降。有关气孔率与温度的关系式有多种提案，其中最常用的经验公式：

σ=σ0exp(-αP)

式中P－气孔率；

σ0—P＝0时的强度；

a——常数，其值在4～7之间．许多试验数据与此式接近。

图11.11示出AL203陶瓷的弯曲强度和气孔率之间的关系。可以看出试验值与理论值符合较好。由上述可知，为了获得高强度，应制备接近理论密度的无气孔陶瓷材料。

(2)晶粒尺寸对强度的影响。陶瓷材料的强度和晶粒尺寸的关系与金属有类似的规律。

图11.12给出TiO2陶瓷强度与晶粒尺寸的关系；多晶AL203、MgO和结晶玻璃的粒径与强度之间关系也符合Hall-petch关系式。

从定性的角度上讲，实验研究已得到了σf与d-1/2关系趋势相一致的结果。

但对烧结体陶瓷来讲，要做出只有晶粒尺寸大小不同而其他组织参量都相同的试样是非常困难的，因此，往往其它因素与晶粒尺寸同时对强度起影响作用。所以，陶瓷中的σf与d-1/2的关系并非那么容易搞清，还有待于进一步研究。但无论如何，室温断裂强度无疑地随晶粒尺寸的减小而增高。所以对于结构陶瓷材料来说，努力获得细晶粒组织，对提高室温强度是有利而无害的。

(3)晶界相的性质与厚度、晶粒形状对强度的影响。陶瓷材料的烧结大都要加入助偏剂，因此形成一定量的低熔点晶界相面促进致密化。晶界相的成分、性质及数量(厚度)对强度有显著影响。晶界相最好能起阻止裂纹过界扩展并松弛裂纹尖端应力场的作用。晶界玻璃相的存在对强度是不利的，所以应尽量减少晶界玻璃相的数量，并通过热处理使其晶化。对单相多

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晶陶瓷材料，晶粒形状最好为均匀的等轴晶粒，这样承载时变形均匀而不易引起应力集中，从而使强度得到充分发挥。

综上所述，高强度单相多晶陶瓷的显微组织应符合如下要求①晶粒尺寸小，晶体缺陷少，晶粒尺寸均匀、等轴，不易在晶界处引起应力集中；③晶界相含量适当，并尽量减少脆性玻璃柜含量，应能阻止晶内型纹过界扩展，并能松弛裂纹尖端应力集中；④减少气孔率，使其尽量接近理论密度。

(4)陶瓷的复合强化。为了提高陶瓷材料的强度，除了要控制上述组织因素外．更常见的是通过复合的办法提高强度．例如自生复相陶瓷棒晶强化，加入第二相的颗粒弥散强化纤维强化、晶须强化等。在陶瓷的韧化一节中，除微裂纹韧化外．其它的强化方法均有强化效果，这里不再赘述。

2.温度对强度的影响

陶瓷材料的一个最大的特点就是高温强度比金属高得多。未来汽车用燃气发动机的附温度为1370t这样的工作温度，N、CI、Ch系的超耐热合金已无法承受，但Si3N4陶瓷却大有希望。

陶瓷材料的强度当温度T＜DSTm(T为熔点)时．基本保持不变，当温度高于0．5h时才出现明显的降低13I．x一等人提出图11.13所示的强度随温度的变化曲线，可惜出，整个曲线可分为三个区域。在低温A区，断裂前无塑性变形．陶房的断裂主要决吁试样内部既存缺陷(裂纹、气孔等周起的裂纹扩展。为脆性断裂，其断裂应力随温度犒变化不大；在中间温度B区，由于断裂前产生塑性变形，因而强度对既存缺陷的敏感t降低，断裂受塑性变形控制，勾随温度的L升而有明显的降低。

当温度进一步升高时(C区)二维滑移系开动，位错塞积群中的一部分位借产主文B移而沿另外的滑移而继续滑移．松弛了应力集中因而抑制了裂纹的萌生。由于位借的z又滑移随温度的升高而变得活跃，由此而产生的对位错塞积群前端应力的松弛作用就区发明显。所以在此区域内，断裂应力有随温度的升高而上升的趋势。图11.13给出的E陶瓷材料的强度随温度变化关系的一般趋势，并非对所有的陶瓷材料都符和很好．也并附有陶瓷材料的A、B、C三个区都出现。

陶瓷材料的强度随材料的纯度、微观组织结构因素和表面状态(粗糙度)的变化而变化．因此．即使是同一种材料．由于制备工艺不同。随温度的变化关系也有差异。

图11.14给出一些陶瓷的强度随温度的变化曲线。根据这些曲线．我们可以确定相立陶瓷材料的最高使用温度。陶瓷的高温强度受加载速率的影响显著．随加我速率的提高而提高．这同金属的高温变形抗力与加载速率的关系是类似的。

四、断裂韧性

绝大多数陶瓷材料在室温下甚至在高的温度范围很难产生塑性变形，因供断裂方式为脆性断裂．所以陶瓷材料的裂纹敏感性很强。基于陶瓷的这种特性可知．断裂力学性能是评价陶瓷材料力学性能朝重要指标，同时也是由于这种特性．其断裂行为非常适合于用线弹性断裂力

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学来描述。最普遍用来评价陶瓷材料韧性的断裂力学参数就是断裂韧性(KIC)。

表11.7给出一些陶瓷材料的J断裂韧性值，并附几种常用金属村料的断裂韧性以作对比．可见金属材料的值比陶瓷高一个数量级。要考虑使陶瓷材料的特长得到充分发挥．扩大在实际中的应用，就必须想办法大幅度提高和改善陶瓷的)。

断裂韧性K1c是描述材料瞬间断裂时的裂纹尖端临界应力场强度因子。在工程上即使在很低的应力下经长时间作用也会使陶瓷材制发生断裂、特别是在长时间的同期循环载荷作用下，会产生低应力疲劳断裂。因此说．陶瓷材料具有延迟断裂的特征。为了描述这种具有时间效应的断裂现象．必须知道裂纹的扩展速率V与其裂纹尖端应力场强度因子用之间的关系。图11.15给出二者之间关系的示意图(KI-v图).

第1章 材料的结构与性能

内容提要：

本章介绍金属材料的结构与组织，包括纯金属的晶体结构、晶体缺陷和合金的结构、金属材料的组织。介绍金属材料的工艺性能、机械性能和理化性能。还介绍高分子材料和陶瓷材料的结构与性能。

学习目标：

本章重点掌握金属材料的晶体结构、晶体缺陷和合金的结构，了解金属材料的组织及性能。了解高分子材料的结构与性能。

学习建议：

1．晶体结构部分应弄清三种常见金属的晶体结构及其特点，应充分发挥空间想象力。 2．晶面指数及晶向指数的确定在学习时会感到困难。应掌握常见的晶面和晶向的表示方法，需要多练多画。

3．了解高分子材料的大分子链结构与聚集态，结合工程、生活实际归纳高分子材料的性能特点。

4．对陶瓷材料的结构与性能只作一般了解。

5. 建议本章学时：8～9 学时。 1.1 金属材料的结构与组织

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1.1.1 纯金属的晶体结构

晶体中原子(离子或分子)规则排列的方式称为晶体结构。

通过金属原子(离子)的中心划出许多空间直线，这些直线将形成空间格架。这种格架称为晶格。晶格的结点为金属原子(或离子)平衡中心的位置。

晶体 晶格 能反映该晶格特征的最小组成单元称为晶胞。晶胞在三维空间的重复排列构成晶格。晶胞的基本特性即反映该晶体结构(晶格)的特点。晶胞的几何特征可以用晶胞的三条棱边长a、b、c和三条棱边之间的夹角α、β、γ等六个参数来描述。其中a、b、c 为晶格常数。

金属的晶格常数一般为:

1×10-10 m～7×10-10 m。 晶胞 不同元素组成的金属晶体因晶格形式及晶格常数的不同,表现出不同的物理、化学和力学性能。金属的晶体结构可用X射线结构分析技术进行测定。

一、三种常见的金属晶体结构 ☆ 老师提示：重点内容 体心立方晶格(胞) (B.C.C.晶格) 面心立方晶格(胞) (F.C.C.晶格) 密排六方晶格(胞) (H.C.P.晶格)

老师提示 由于原子排列紧密程度不一样,当金属从面心立方晶格向体心立方晶格转变时, 体积会发生变化。这就是钢在淬火时因相变而发生体积变化的原因。不同晶体结构中原子排列的方式不同, 将会使它们的形变能力不同。

二、晶体中的晶面和晶向

通过晶体中原子中心的平面叫做晶面；

通过原子中心的直线为原子列，其所代表的方向叫做晶向。

晶面或晶向可用晶面指数或晶向指数来表达。

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1. 立方晶系的晶面表示方法

空间坐标系

立方晶胞中的主要晶面

以图中的晶面ABB'A'为例, 晶面指数的标定过程如下：

（1）设定一空间坐标系, 原点在欲定晶面外, 并使晶面在三条坐标轴上有截距或无穷大。

（2）以晶格常数a为长度单位, 写出欲定晶面在三条坐标轴上的截距:

1∞∞

（3）截距取倒数：100

（4）截距的倒数化为最小整数：100

（5）将三整数写在圆括号内：(100)

晶面ABB'A'的晶面指数即为(100)。

同样可得晶面ACC'A'和ACD'的晶面指数分别为(110)、(111)。

晶面指数的一般标记为(hkl)。(hkl)实际表示一组原子排列相同的平行晶面。

晶面的截距可以为负数, 在指数上加负号, 如 。若某个晶面(hkl)

的指数都乘以-1, 则得到晶面, 则晶面(hkl)与属于一组平行晶

面, 如晶面ACD'(111)与晶面A'C'B , 这两个晶面一般用一个晶面指数

(111)来表示。

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在立方晶系中, 由于原子的排列具有高度的对称性, 往往存在许多原子排列完全相同但在空间位向不同(即不平行)的晶面, 这些晶面总称为晶面族, 用大括号表示, 即{hkl}。

在立方晶胞中、、、同属{111}晶面族。

可用下式表示：

1.4 陶瓷材料的结构与性能特点

1.4.1 陶瓷材料的结构

一、陶瓷材料的制备过程

陶瓷的原料通常是由粘土、石英和长石三部分组成。在加热烧成或烧结和冷却过程中，由这三部分组成的坯料相继发生四个阶段的变化：

(1) 低温阶段(室温～300℃) 残余水分的排除。

(2) 分解及氧化阶段(300～950℃) 结构水的排除；有机物、碳素和无机物等的氧化；碳酸盐、硫化物等的分解；石英晶型转变。

(3) 高温阶段(950℃～烧成温度) 氧化、分解反应继续进行；相继出现共熔体等液相，各组成物逐渐溶解；一次莫来石(3Al2O3·2SiO2)晶体生成; 二次莫来石晶体长大; 石英块溶解成残留小块; 发生烧结成瓷。

(4) 冷却阶段(烧成温度～室温) 二次莫来石晶体析出或长大; 液相转变; 残留石英晶型转变。

二、陶瓷材料的组织结构

陶瓷材料组织结构比较复杂。按照组织形态陶瓷材料分为三类：

无机玻璃：即硅酸盐玻璃，是室温下具有确定形状，但其粒子在空间成不规则排列的非晶结构类陶瓷材料；

微晶玻璃：即玻璃陶瓷，是单个晶体分布在非晶态的玻璃基体上的一类陶瓷材料；

陶瓷（晶体陶瓷）：如具有单相晶体结构的氧化铝特种陶瓷，但更典型的是具有复杂结构的普通陶瓷等。这类陶瓷材料是最常用的结构材料和工具材料。

陶瓷的典型组织结构包括三种相：晶体相(莫来石和石英)、玻璃相和气相

陶瓷在室温下的组织

1. 晶体相

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晶体相是陶瓷的主要组成相，主要有硅酸盐、氧化物和非氧化合物等。它们的结构、数量、形态和分布，决定陶瓷的主要性能和应用。

(1) 硅酸盐

硅酸盐是普通陶瓷的主要原料，是陶瓷组织中重要的晶体相，结合键为离子键与共价键的混合键。

硅酸盐结构的规律是：

① 构成硅酸盐的基本单元是硅氧四面体； 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；

③ Si4+离子通过O2-结合, Si-O-Si的结合键在氧上的键角接近于145°； ④ 稳定的硅酸盐结构中, 硅氧四面体采取最高空间维数互相结合； ⑤ 硅氧四面体采取比较紧密的结构连结；

⑥ 同一结构中的硅氧四面体最多只相差1个氧原子。

(2) 氧化物 氧化物晶体相

多数陶瓷特别是特种陶瓷的主要组成和晶体相；离子键结合,也有共价键；最重要的氧化物晶体相：AO、AO2、A2O3、ABO3和AB2O4等(A、B表示阳离子)。

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。

(3) 非氧化合物 非氧化合物

不含氧的金属碳化物、氮化物、硼化物和硅化物，是特种陶瓷特别是金属陶瓷的主要组成和晶体相。

金属碳化物：共价键和金属键之间的过渡键, 以共价键为主。

间隙相：如TiC、ZrC、HfC、VC、NbC和TaC等；

复杂碳化物：如斜方结构的Fe3C、Mn3C、Cr3C2, 立方结构的Cr23C6、Mn23C6, 六方结构的WC、Cr7C3、Mn7C3以及复杂结构的Fe3W3C等。

氮化物：与碳化物相似, 金属性弱些, 有一定的离子键。如六方晶格BN，六方晶系的Si3N4和AlN。

硼化物和硅化物：较强的共价健，连成链、网和骨架，构成结构单元。

2. 玻璃相

(1) 玻璃相作用

① 粘连晶体相，填充晶体相间空隙，提高材料致密度；

② 降低烧成温度，加快烧结；

③ 阻止晶体转变，抑制其长大；

④ 获得透光性等玻璃特性；

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⑤ 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。 (2) 玻璃相产生过程 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。玻璃物质的粘度随温度而变化。

玻璃物质的粘度随温度的变化

(3) 玻璃相结构特点 玻璃相主要由氧化硅和其它氧化物组成。硅氧四面体组成不规则的空间网, 形成玻璃的骨架。

石英玻璃和石英晶体结构

钠硅酸盐玻璃的结构示意图 3. 气相

气相是陶瓷组织内部残留下来的孔洞。它的形成原因比较复杂，几乎与原料和生产工艺的各个过程都有密切的联系，影响因素也比较多。

根据气孔情况，陶瓷分致密陶瓷、无开孔陶瓷和多孔陶瓷。除了多孔陶瓷以外，气孔的存在对陶瓷的性能都是不利的，它降低了陶瓷的强度，常常是造成裂纹的根源。所以都尽量使其含量降低。

一般，普通陶瓷的气孔率为5%～10%；特种陶瓷的在5%以下；金属陶瓷则要求低于0.5%。

1.4.2 陶瓷材料的性能特点 一、陶瓷的工艺性能

陶瓷材料加工的工艺路线比较简单。

主要工艺是成形：包括粉浆成形、压制成形、挤压成形、可塑成形等。 陶瓷材料成形后，除了可以用碳化硅或金刚石砂磨加工外，几乎不能进行任何其它

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加工。

陶瓷材料各种成形工艺比较 工艺 优点 缺点

粉浆成形

可做形状复杂件、薄塑件，成本低 收缩大，尺寸精度低，生产率低

压制成形

可做形状复杂件，有高密度和高强度，精度较高 设备较复杂，成本高

挤压成形

成本低，生产率高

不能做薄壁件，零件形状需对称

可塑成形

尺寸精度高，可做形状复杂件 成本高

1.4.2 陶瓷材料的性能 一、陶瓷的力学性能 1. 刚度

陶瓷刚度（由弹性模量衡量）各类材料中最高，因为陶瓷具有很强的结合键。

各种常见材料的弹性模量和硬度

材料

弹性模量/MPa 硬度/HV 橡胶 6.9 很低 塑料 1380 ～17

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铝合金 72300 ～170

钢

207000 300～800 碳化钛 390000 ～3000

金刚石 1171000 6000～10000

弹性模量对组织不敏感；气孔降低弹性模量；温度升高弹性模量也降低。

2. 硬度

陶瓷硬度是各类材料中最高的，因其结合键强度高。

陶瓷硬度

陶瓷硬度为1000 HV～5000 HV, 淬火钢为500 HV～800 HV, 高聚物最硬不超过20 HV。陶瓷的硬度随温度的升高而降低, 但在高温下仍有较高的数值。

3. 强度

晶界使陶瓷实际强度比理论值低得多（1/1000～1/100）。 晶界上有晶粒间的局部分离或空隙；晶界上原子间键被拉长, 键强度被削弱；相同电荷离子的靠近产生斥力, 会造成裂缝。

陶瓷的晶界结构

致密度、杂质和各种缺陷影响陶瓷的实际强度。

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刚玉（Al2O3）陶瓷块抗拉强度为280 MPa 。

刚玉陶瓷纤维（缺陷少），抗拉强度为2100 MPa ，提高1～2个数量级。

陶瓷强度对应力状态特别敏感，抗拉强度很低，抗弯强度较高，抗压强度很高。

4. 塑性

陶瓷在室温下几乎没有塑性。陶瓷晶体滑移系很少，位错运动所需切应力很大；共价键有明显的方向性和饱和性，离子键的同号离子接近时斥力很大；在高温慢速加载，特别是组织中存在玻璃相时，陶瓷也表现出一定的塑性。

5. 韧性

(1) 陶瓷是非常典型的脆性材料 冲击韧性10 kJ/m2以下, 断裂韧性值很低。 (2) 对表面状态特别敏感 由于表面划伤、化学侵蚀、冷热胀缩不均等，很易产生细微裂纹；受载时，裂纹尖端产生很高的应力集中，由于不能由塑性变形使高的应力松弛，所以裂纹很快扩展，表现出很高的脆性。

(3) 改善陶瓷韧性的方法 预防陶瓷中特别是表面上产生缺陷；在陶瓷表面形成压应力（如加预压应力可做成\"不碎\"陶瓷）；消除陶瓷表面的微裂纹。

三、陶瓷的物理性能和化学性能 1. 热膨胀性能

陶瓷的线膨胀系数很低，比高聚物低，比金属更低。 2. 导热性

由于陶瓷无自由电子传热，导热性很低，较好绝热材料。 3. 热稳定性

热稳定性很低（比金属低得多）：线膨胀系数大和导热性低。 4. 化学稳定性 结构非常稳定，很好的耐火材料和坩埚材料。金属原子被屏蔽在紧密排列的间隙中，很难再同介质中的氧发生作用；对酸、碱、盐等腐蚀性很强的介质均有较强的抵抗能力，与许多金属的熔体也不发生作用。

5. 导电性

变化范围很广：由于缺乏电子导电机制, 多数陶瓷是良好的绝缘体；不少陶瓷既是离子导体, 又有一定的电子导电性；许多氧化物（ZnO、NiO、Fe3O4）是重要的半导体材料。

陶瓷材料的性能特点 具有不可燃烧性、高耐热性、高化学稳定性、不老化性、高的硬度和良好的抗压能力，但脆性很高，温度急变抗力很低，抗拉、抗弯性能差。

7. 陶瓷材料的生产过程包括原料的制备、坯料的成形和制品的烧结三大步骤。典型陶瓷的组织由晶体相、玻璃相和气相组成。晶体相是陶瓷的主要组成，决定材料的基本性能。普通陶瓷的晶体相主要是硅酸盐，特种陶瓷的晶体相为氧化物、碳化物、氮化物、硼化物和硅化物，金属陶瓷则还有金属。玻璃相为非均质的酸性和碱性氧化物的非晶态固体，起粘结剂作用。气相是陶瓷组织中残留的孔洞，极大地破坏材料的机械性能。

陶瓷的性能特点是:具有不可燃烧性、高耐热性、高化学稳定性、不老化性、高的硬度和良好的抗压能力，但脆性很高，温度急变抗力很低，抗拉、抗弯性能差,不易加工。

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第5章 陶瓷材料

内容提要：

介绍现今意义上陶瓷材料的分类，简述工程陶瓷的基本工艺过程，介绍普通陶瓷（包括日用陶瓷和工业陶瓷）、特种陶瓷（氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷、氮化物陶瓷）的组成、性能特点和应用。

学习目标：

熟悉特种陶瓷的性能特点、改善性能的途径和应用。

对其它陶瓷材料作一般了解。

学习建议：

1.参观陶瓷生产厂，了解陶瓷生产工艺；参观现代化厨房，观察各种陶瓷材料的具体应用。

2.建议本章学时：2学时。 概述

传统意义上的陶瓷主要指陶器和瓷器，也包括玻璃、搪瓷、耐火材料、砖瓦等。这些材料都是用粘土、石灰石、长石、石英等天然硅酸盐类矿物制成的。因此，传统的陶瓷材料是指硅酸盐类材料。

现今意义上的陶瓷材料已有了巨大变化，许多新型陶瓷已经远远超出了硅酸盐的范畴，不仅在性能上有了重大突破，在应用上也已渗透到各个领域。所以, 一般认为，陶瓷材料是指各种无机非金属材料的通称。

陶瓷材料通常分为玻璃、玻璃陶瓷和工程陶瓷（也叫烧结陶瓷）三大类。

玻璃制品 耐热陶瓷

1. 玻璃

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包括光学玻璃、电工玻璃、仪表玻璃等在内的工业玻璃及建筑玻璃和日用玻璃等无固定熔点的受热软化的非晶态固体材料；

2. 玻璃陶瓷 耐热耐蚀的微晶玻璃、无线电透明微晶玻璃、光学玻璃陶瓷等； 3. 工程陶瓷

又分为普通陶瓷和特种陶瓷两大类，而金属陶瓷通常被视为金属与陶瓷的复合材料。

陶瓷材料按应用分为结构陶瓷材料与功能陶瓷材料。 工程陶瓷的生产过程如下：

（1）原料制备 将矿物原料经拣选、粉粹后配料、混合、磨细得到坯料。

（2）坯料成形 将坯料加工成一定形状和尺寸并有一定机械强度和致密度的半成品。包括可塑成形（如传统陶瓷），注浆成形（如形状复杂、精度要求高的普通陶瓷）和压制成形（如特种陶瓷和金属陶瓷）。

（3）烧成与烧结 干燥后的坯料加热到高温，进行一系列的物理、化学变化而成瓷的过程。烧成是使坯件瓷化的工艺（1250℃～1450℃）；烧结是指烧成的制品开口气孔率极低、而致密度很高的瓷化过程。

衡量陶瓷的质量指标有原料的纯度和细度、坯料混合均匀性、成形密度及均匀性、烧成或烧结温度、炉内气氛、升降温速度等。

陶瓷材料的发展很快，化学组成上由单一的氧化物陶瓷发展到了氮化物等多种陶瓷；品种上由传统的烧结体发展到了单晶、薄膜、纤维等。陶瓷材料不仅做结构材料，而且做性能优异的功能材料，在空间技术、海洋技术、电子、医疗卫生、无损检测、广播电视等领域得到重要应用。

5.1 普通陶瓷

普通陶瓷也叫传统陶瓷，其主要原料是粘土(Al2O3·2SiO2·2H2O)、石英(SiO2)和长石(K2O·Al2O3·6SiO2)。组分的配比不同，陶瓷的性能会有所差别。

例如：长石含量高时，熔化温度低而使陶瓷致密，表现在性能上即是抗电性能高、耐热性能及机械性能差；粘土或石英含量高时，烧结温度高而使得陶瓷的抗电性能差，但有较高的热性能和机械性能。

普通陶瓷坚硬而脆性较大，绝缘性和耐蚀性极好。由于其制造工艺简单、成本低廉，因而在各种陶瓷中用量最大。

普通陶瓷通常分为日用陶瓷和工业陶瓷两大类。

5.1.1 普通日用陶瓷

一、普通日用陶瓷的用途和特点

日用陶瓷主要用作日用器皿和瓷器，一般具有良好的光泽度、透明度，热稳定性和

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机械强度较高。

二、常用普通日用陶瓷

（1）长石质瓷 国内外常用的日用瓷，作一般工业瓷制品。

（2）绢云母质瓷 我国的传统日用瓷。

（3）骨质瓷 近些年得到广泛应用，主要作高级日用瓷制品。

（4）滑石质瓷 我国发展的综合性能好的新型高质瓷。

（5）高石英质日用瓷 最近我国研制成功，石英含量 ≥40%，瓷质细腻、色调柔和、透光度好、机械强度和热稳定性好。

本页所在位置：第5章 陶瓷材料>>5.1 普通陶瓷>>5.1.2普通工业陶瓷

5.1.2 普通工业陶瓷 一、建筑卫生瓷

用于装饰板、卫生间装置及器具等，通常尺寸较大，要求强度和热稳定性好。

建筑陶瓷 卫生陶瓷

二、化学化工瓷

用于化工、制药、食品等工业及实验室中的管道设备、耐蚀容器及实验器皿等，通常要求耐各种化学介质腐蚀的能力要强。

三、电工瓷

主要指电器绝缘用瓷，也叫高压陶瓷，要求机械性能高、介电性能和热稳定性好。

绝缘瓷瓶

改善工业陶瓷性能的方法：

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加入MgO、ZnO、BaO、Cr2O3等或增加莫来石晶体相，提高机械强度和耐碱抗力；

加入Al2O3、ZrO2等提高强度和热稳定性；加入滑石或镁砂降低热膨胀系数；

加入SiC提高导热性和强度。

几种普通陶瓷的基本性能

5.2 特种陶瓷

☆ 老师提示：重点内容

特种陶瓷也叫现代陶瓷、精细陶瓷或高性能陶瓷，包括特种结构陶瓷和功能陶瓷两大类，如压电陶瓷、磁性陶瓷、电容器陶瓷、高温陶瓷等。工程上最重要的是高温陶瓷，包括氧化物陶瓷、硼化物陶瓷、氮化物陶瓷和碳化物陶瓷。

特种陶瓷的种类及用途

5.2.1 氧化物陶瓷

氧化物陶瓷熔点大多2000 ℃以上, 烧成温度约1800 ℃；单相多晶体结构，有时有少量气相；强度随温度的升高而降低，在1000 ℃以下时一直保持较高强度，随温度变化不大；纯氧化物陶瓷任何高温下都不会氧化。

一、氧化铝（刚玉）陶瓷

氧化铝的结构是O2-排成密排六方结构，Al3+占据间隙位置。

根据含杂质的多少, 氧化铝呈红色(如红宝石)或蓝色(如蓝宝石)；实际生产中, 氧化铝陶瓷按Al2O3含量可分为75、95和99等几种。

氧化铝熔点达2050 ℃，抗氧化性好，广泛用于耐火材料；

较高纯度的Al2O3粉末压制成形、高温烧结后得到刚玉耐火砖、高压器皿、坩埚、电炉炉管、热电偶套管等；

微晶刚玉的硬度极高（仅次于金刚石），红硬性达1200 ℃，可作要求高的工具如切削淬火钢刀具、金属拔丝模等。很高的电阻率和低的导热率，是很好的电绝缘材料和绝热材料。强度和耐热强度均较高（是普通陶瓷的5倍），是很好的高温耐火结构材料，如可作内燃机火花塞、空压机泵零件等。

单晶体氧化铝可做蓝宝石激光器；

氧化铝管坯做钠蒸气照明灯泡。

氧化铝热电偶套管 氧化铝陶瓷密封环 氧化铝陶瓷喷咀

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二、氧化铍陶瓷

氧化铍陶瓷具备一般陶瓷的特性，导热性极好，很高的热稳定性，强度低，抗热冲击性较高；消散高能辐射的能力强、热中子阻尼系数大。

氧化铍陶瓷制造坩埚，作真空陶瓷和原子反应堆陶瓷，气体激光管、晶体管散热片和集成电路的基片和外壳等。

三、氧化锆陶瓷

氧化锆陶瓷的熔点在2700 ℃以上，耐2300 ℃高温，推荐使用温度2000 ℃～2200 ℃；能抗熔融金属的浸蚀，做铂、锗等金属的冶炼坩埚和1800 ℃以上的发热体及炉子、反应堆绝热材料等；氧化锆作添加剂大大提高陶瓷材料的强度和韧性，氧化锆增韧陶瓷可替代金属制造模具、拉丝模、泵叶轮和汽车零件如凸轮、推杆、连杆等。

本页所在位置：第5章 陶瓷材料>>5.2 特种陶瓷>>5.2.2 碳化物陶瓷

5.2.2 碳化物陶瓷

碳化物陶瓷有很高的熔点、硬度（近于金刚石）和耐磨性（特别是在浸蚀性介质中），缺点是耐高温氧化能力差（约900 ℃～1000 ℃）、脆性极大。 一、碳化硅陶瓷

碳化硅陶瓷密度为 3.2×103 kg/m3，弯曲强度为 200 MPa～250 MPa，抗压强度1000 MPa～1500 MPa，硬度莫氏9.2，热导率很高，热膨胀系数很小，在900 ℃～1300 ℃时慢慢氧化。

主要用于制造加热元件、石墨表面保护层以及砂轮及磨料等。

碳化硅陶瓷坩埚 碳化硅陶瓷密封件

二、碳化硼陶瓷

碳化硼陶瓷硬度极高，抗磨粒磨损能力很强；熔点达2450 ℃，高温下会快速氧化，与热或熔融黑色金属发生反应，使用温度限定在980 ℃以下。 主要用于作磨料，有时用于制造超硬质工具材料。 三、其它碳化物陶瓷

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，在2000 ℃以上的中性或还原气氛作高温材料；碳化铌、碳化钛还可用于2500 ℃以上的氮气气氛中的高温材料。

5.2.3 硼化物陶瓷

硼化物陶瓷有硼化铬、硼化钼、硼化钛、硼化钨和硼化锆等。

硼化物陶瓷具有高硬度, 同时具有较好的耐化学浸蚀能力。熔点范围为1800 ℃～2500 ℃。比起碳化物陶瓷，硼化物陶瓷具有较高的抗高温氧化性能，使用温度达1400 ℃。

硼化物主要用于高温轴承、内燃机喷嘴、各种高温器件、处理熔融非铁金属的器件等。

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各种硼化物还用作电触点材料。 5.2.4 氮化物陶瓷 一、氮化硅陶瓷

氮化硅陶瓷是键能高而稳定的共价键晶体；硬度高而摩擦系数低，有自润滑作用，是优良的耐磨减摩材料；氮化硅的耐热温度比氧化铝低，而抗氧化温度高于碳化物和硼化物；1200 ℃以下具有较高的机械性能和化学稳定性，且热膨胀系数小、抗热冲击，可做优良的高温结构材料；耐各种无机酸（氢氟酸除外）和碱溶液浸蚀，优良的耐腐蚀材料。

反应烧结法得到的α-Si3N4用于制造各种泵的耐蚀、耐磨密封环等零件。

热压烧结法得到的β-Si3N4, 用于制造高温轴承、转子叶片、静叶片以及加工难切削材料的刀具等。

在Si3N4中加一定量Al2O3烧制成陶瓷可制造柴油机的气缸、活塞和燃气轮机的转动叶轮。

氮化硅陶瓷刀具 氮化硅陶瓷滚珠

二、氮化硼陶瓷

六方氮化硼为六方晶体结构，也叫\"白色石墨\"；硬度低，可进行各种切削加工；导热和抗热性能高，耐热性好，有自润滑性能；高温下耐腐蚀、绝缘性好。用于高温耐磨材料和电绝缘材料、耐火润滑剂等。

在高压和1360 ℃时六方氮化硼转化为立方β-BN，硬度接近金刚石的硬度，用作金刚石的代用品, 制作耐磨切削刀具、高温模具和磨料等。

氮化硼刀具

三、氮化钛陶瓷

硬度高（1800HV)、耐磨。刃具表面涂层、耐磨零件表面涂层。金黄色，装饰表面。

第５章 小结

1.陶瓷材料是各种无机非金属材料的通称。通常分为玻璃、玻璃陶瓷和工程陶瓷三大类。工程陶瓷又分为普通陶瓷和特种陶瓷两大类，而金属陶瓷通常被视为金属与陶瓷的复

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合材料。

2.工程陶瓷的生产过程是原料制备、坯料成形和制品烧成或烧结。

3.普通陶瓷的组分构成原料为粘土、石英和长石。其特点是坚硬而脆性较大，绝缘性和耐蚀性极好；制造工艺简单、成本低廉，用量大。

普通日用陶瓷作日用器皿和瓷器，良好光泽度、透明度，热稳定性和机械强度较高。

普通工业陶瓷有建筑卫生瓷（装饰板、卫生间装置及器具等）、电工瓷（电器绝缘用瓷，也叫高压陶瓷）、化学化工瓷（化工、制药、食品等工业及实验室中的管道设备、耐蚀容器及实验器皿）等。

4.特种陶瓷有压电陶瓷、磁性陶瓷、电容器陶瓷、高温陶瓷等。

氧化物陶瓷熔点大多2000℃以上, 强度随温度的升高而降低，在1000℃以下时一直保持较高强度，随温度变化不大。氧化铝制造耐火砖、高压器皿、坩埚、电炉炉管、热电偶套管等。氧化锆制造冶炼坩埚和1800℃以上的发热体及炉子、反应堆绝热材料等 。

碳化物陶瓷具有很高的熔点、很高的硬度和耐磨性，缺点是耐高温氧化能力差（约900℃～1000℃）、脆性极大。主要用途是作耐火材料（碳化硅）、磨料，有时用于超硬质工具材料（碳化硼）。

硼化物陶瓷具有高硬度, 较好的耐化学浸蚀能力，熔点1800℃～2500℃，使用温度1400℃，用于高温轴承、内燃机喷嘴，各种高温器件、处理熔融非铁金属的器件等。

氮化硅陶瓷是键能高而稳定的共价键晶体，硬度高而摩擦系数低，有自润滑作用，是优良的耐磨减摩材料；氮化硅的耐热温度比氧化铝低，而抗氧化温度高于碳化物和硼化物，1200℃以下具有较高的机械性能和化学稳定性，且热膨胀系数小、抗热冲击，可做优良的高温结构材料，耐各种无机酸（氢氟酸除外）和碱溶液浸蚀，是优良的耐腐蚀材料。

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