第十章 陶瓷材料 § 10.1 陶瓷材料概述 §10.2 陶瓷材料的结构和性能 一、陶瓷材料的结构 一、陶瓷材料的结构 二、陶瓷材料的性能 二、陶瓷材料的性能 §10.3 陶瓷的生产工艺与粉末冶金 一、陶瓷生产与粉末冶金生产的工艺 一、陶瓷生产与粉末冶金生产的工艺 中南大学粉末冶金国家重点实验室视频 二、粉末注射成形（PIM） 二、粉末注射成形（PIM） 三、粉末冶金材料 三、粉末冶金材料 三、粉末冶金材料 三、粉末冶金材料 三、粉末冶金材料 三、粉末冶金材料 三、粉末冶金材料 三、粉末冶金材料 2. 碳化铬硬质合金 以Cr3C2为基体（或加入少量WC），以Ni或Ni 基合金为粘接相形成的硬质合金。 §10.4 常用陶瓷材料 表10-1 常用陶瓷材料的性能 性能特点：具有硬度高、高温强度高、抗氧化性好、耐腐蚀性好和热导率高等一系列优点，是一种十分重要的高温陶瓷材料。 4. SiC陶瓷 §10.4 常用陶瓷材料 一、工程结构陶瓷材料 应用：可用于制作火箭尾喷管喷嘴、浇注金属的浇道口、轴承、轴套、密封阀片、轧钢用导轮、内燃机器件、热电偶保护套管、炉管、核燃料包封材料等。 耐磨损，耐腐蚀，气密性好，耐高温 密封轴承泵套筒泵部件热交换器汽化管道热电偶保护管 强酸强碱高温氧化 化学工业 高热导，高绝缘 封装材料基片 大功率散热 微电子工业 耐磨，绝热 喷嘴，轴承，密封，阀片 高温高压研磨性物质 石油工业 主要优点 用途 使用环境 领域 4. SiC陶瓷 §10.4 常用陶瓷材料 一、工程结构陶瓷材料 低摩擦耐磨损 发动机轴 汽车拖拉机 高强度高稳定性 反射屏 大功率高温 激光 低惯性，低负荷，耐热冲击 涡轮叶片燃气轮机静动叶片火箭喷嘴 飞机宇宙火箭 低摩擦高强度 燃烧器部件涡轮增压器 燃烧 （发动机） 汽车拖拉机 主要优点 用途 使用环境 领域 4. SiC陶瓷 §10.4 常用陶瓷材料 一、工程结构陶瓷材料 耐磨损，耐腐蚀 拉丝成型模具 加工工程 其它 耐放射性 密封轴套 含硼高温水 原子能 耐磨损 内衬泵部件 研削 矿业 耐磨损，耐腐蚀，低摩擦 密封陶管轴承衬垫 纸浆废液纸浆 造纸工业 耐磨损 喷嘴 高速研削 喷砂机 主要优点 用途 使用环境 领域 §10.4 常用陶瓷材料 一、工程结构陶瓷材料 碳化硅陶瓷零件 §10.4 常用陶瓷材料 一、工程结构陶瓷材料 碳化硅陶瓷密封环 §10.4 常用陶瓷材料 一、工程结构陶瓷材料 SiC轴承 §10.4 常用陶瓷材料 一、工程结构陶瓷材料 SiC喷嘴 §10.4 常用陶瓷材料 一、工程结构陶瓷材料 §10.4 常用陶瓷材料 一、工程结构陶瓷材料 SiC陶瓷件 SiC陶瓷件 §10.4 常用陶瓷材料 一、工程结构陶瓷材料 立方BN由于其高硬度和其它优异性能，最大应用前景是切削工具和切削材料，可用加工硬而韧、易于黏结的难切削材料，还可用来加工氮化硅等高硬陶瓷材料。 5. BN陶瓷 §10.4 常用陶瓷材料 一、工程结构陶瓷材料 氮化硼刀具 5. BN陶瓷 §10.4 常用陶瓷材料 一、工程结构陶瓷材料 （1）热导率小，化学稳定性好、耐腐蚀性高：可用于高温绝缘材料、耐火材料，如熔炼铂和铑等金属的糊了麻将坩埚、喷嘴、阀心、密封器件等： （2）硬度高，耐磨性好：可用于制造切削刀具、模具、剪刀、高尔夫球棍头等。 （3）具有敏感特性：可做气敏元件，还可作为高温燃料电池固体电解隔膜、钢液测氧探头等。 6. ZrO2陶瓷 §10.4 常用陶瓷材料 一、工程结构陶瓷材料 氧化锆油泵 氧化锆柱塞 氧化锆拉线轮 氧化锆球阀 部分稳定氧化锆喷涂层 增韧氧化锆导轮芯轴 §10.4 常用陶瓷材料 一、工程结构陶瓷材料 1. 铁电陶瓷 有些陶瓷的晶粒排列是不规则的，但在外电场作用下，不同取向的电畴开始转向电场方向，材料出现自发极化，在电场方向呈显一定电场强度，这类陶瓷称为铁电陶瓷，广泛应用的铁电材料有钛酸钡、钛酸铅、锆酸铝等。 应用最多的是铁电陶瓷电容器，还可用于制造压电元件、热释电元件、电光元件、电热器件等。 §10.4 常用陶瓷材料 二、功能陶瓷 铁电陶瓷片式（Chip）电容器（图中黄色长方形小块体），用于计算机硬盘驱动电路 利用铁电陶瓷的高介电常数。 1. 铁电陶瓷 §10.4 常用陶瓷材料 二、功能陶瓷 2. 压电陶瓷－视频 压电效应 （1） 正压电效应：当对某些晶体施加压力、张力或切向力时，则发生与应力成正比例的介质极化，同时在晶体两端将出现数量相等、符号相反地束缚电荷，这种现象称为正压电效应。 （2） 逆压电效应：在晶体上施加电场引起极化时，将产生与电场强度成正比例的变形或机械应力。 §10.4 常用陶瓷材料 二、功能陶瓷 2. 压电陶瓷 晶体是否呈现压电效应，由晶体结构所决定。凡具有对称中心的晶体不呈现压电效应。 32类晶族中，有21种无对称中心，其中一种的压电常数为零，因此， 20种是可以有压电效应的。 陶瓷材料的压电效应来源于材料本身的铁电性。将具有铁电性的陶瓷进行人工极化后所获得的陶瓷就是压电陶瓷。 §10.4 常用陶瓷材料 二、功能陶瓷 2. 压电陶瓷 压电陶瓷分为压电振子和压电换能器两大类。 （1）压电振子利用振子本身谐振特性，要求压电、 介电、弹性等性能稳定，机械品质因数高。 （2）压电换能器直接利用正、逆压电效应进行机械能和电能转换，要求品质因数和机电耦合系数高。 §10.4 常用陶瓷材料 二、功能陶瓷 送话器、受话器、扬声器等声频范围的电声器件 电声换能器 信号转换 振荡器、压电音叉等用作精密仪器中的时间和频率标准信号源 标准信号源 信号源 超声切割、焊接、清洗、搅拌、乳化及超声显示等频率高于20kHz的超声器件 超声换能器 雷达、电视显象管、阴极射线管、激光管和电子复印机等高压电源和压电点火装置 压电变压器 电源 主要用途举例 应用领域 2. 压电陶瓷 §10.4 常用陶瓷材料 二、功能陶瓷 通信广播中所用各种分立滤波器和复合滤波器，如彩电中频滤波器；雷达、自控和计算机系统所用带通滤波器脉冲滤波器等 滤波器 信号处理 声表面波信号放大器以及震荡器、混频器、衰减器、隔离器等 放大器 声表面波传输器 表面波导 探测地质构造、油井固实程度、无损探伤和测厚、催化反应、超声衍射等各种工业用超声器件 超声换能器 发射与接收 水下导航定位、通讯和探测的声纳、超声测深、鱼群探测和传声器等 水声换能器 主要用途举例 应用领域 2. 压电陶瓷 §10.4 常用陶瓷材料 二、功能陶瓷 用于电光和声光调制的光阀、光闸、光变频器和光偏转器、声开关等 调制 存储显示 光信息存储器、光记忆器 存储 铁电显示器、声光糊了麻将显示器、组页器等 显示 主要用途举例 应用领域 2. 压电陶瓷 §10.4 常用陶瓷材料 二、功能陶瓷 工业和航空技术上测定振动体或飞行器工作状态的加速度计、自动控制开关、污染检测用振动计以及流速计、流量计和液面计等 加速度计压力计 传感与计测 测量物体角速度及控制飞行器航向压电陀螺 角速度计 监视领空、检测大气污染浓度、非接触式测温及热成像、热电探测、等 红外探测器 激光稳频补偿元件、显微加工设备及光角度、光程长的控制器 位移发生器 压电继电器等 非线性元件 其它 主要用途举例 应用领域 2. 压电陶瓷 §10.4 常用陶瓷材料 二、功能陶瓷 利用压电陶瓷的机电换能作用和串联谐振特性。 压电陶瓷滤波器 §10.4 常用陶瓷材料 二、功能陶瓷 压电陶瓷变压器 利用压电效应，通过电能—机械能—电能的二次能量转换形式，达到能量的传递。具有体积小、重量轻、耐高温、耐辐射、高可靠性、无短路击穿等优良特性。如：高压电源、负离子发生器、静电复印机、警用电击器、液晶显示背光电源、小功率激光管电源等中小功率器件。 §10.4 常用陶瓷材料 二、功能陶瓷 压电陶瓷超声波传感器 当电压作用于压电陶瓷晶片时，压电陶瓷会因弯曲振动发射出超声波。另一方面，当向压电陶瓷晶片元件施加超声振动时，就会产生一个电信号。基于以上作用，便可以将压电陶瓷用作超声波传感器。 §10.4 常用陶瓷材料 二、功能陶瓷 压电陶瓷电机 精密压电陶瓷电机采用压电现象中的超声波驻波原理，具有优异的低速平稳性和动态特性。同一台电机可直接驱动直线 常用陶瓷材料 二、功能陶瓷 3. 半导体陶瓷 ◆导电性介于导电和绝缘介质之间的陶瓷材料，电阻率约为10-4～107Ω·cm。 ◆陶瓷材料可以通过掺杂或者使化学计量比偏离而造成晶格缺陷等方法获得半导特性。 ◆共同特点：它们的导电性随着环境而变化。 ◆利用这一特性可制成各种不同类型的陶瓷敏感元件，如：热敏、气敏、湿敏、压敏、光敏器件等。 §10.4 常用陶瓷材料 二、功能陶瓷 热敏半导体陶瓷 ◆热敏陶瓷温度传感器是利用材料的电阻、磁性、介电性等随着温度而变化的现象制作的器件。 ◆可用于制作温度的测定、线路温度补偿及稳频等元件，具有灵敏度高、稳定性好、制造工艺简单及价格便宜等特点。 3.半导体陶瓷 §10.4 常用陶瓷材料 二、功能陶瓷 热敏半导体陶瓷 （1）电阻随着温度升高而增大的热敏电阻称为正温度系数热敏电阻，简称PTC热敏电阻。 （2）电阻随着温度升高而减小的热敏电阻称为负温度系数热敏电阻，简称NTC热敏电阻。 3.半导体陶瓷 §10.4 常用陶瓷材料 二、功能陶瓷 （3）电阻在特定温度范围内急剧变化的热敏电阻，简称CTR临界温度热敏电阻。 内部有一正温度系数半导体陶瓷。电流通过时会发热，当温度升到所需温度时，它的电阻急剧增大，使通过电流减小，陶瓷片维持在使驱蚊药水缓慢蒸发所需的温度。 PTC陶瓷既可通电发热，又可自动控温。 电蚊香 3. 半导体陶瓷 §10.4 常用陶瓷材料 二、功能陶瓷 热敏半导体陶瓷 利用热敏陶瓷的电阻随温度而变的特性，用它测量温度，比其他方法测温响应快、精度高。 半导体温度传感器 3. 半导体陶瓷 §10.4 常用陶瓷材料 二、功能陶瓷 热敏半导体陶瓷 与铸造轴承合金比： ①可精确调节减摩性能； ②材料利用率高，无切削损失； ③节能； ④环境无污染或最小 ⑤可用黑色金属取代昂贵的有色金属。 生产过程（右图） 用途：如事务机器（打印机、复印机、传真机等相关轴承） 三、粉末冶金材料 §10.3 陶瓷的生产工艺与粉末冶金 三、粉末冶金材料 §10.3 陶瓷的生产工艺与粉末冶金 干摩擦轴承：无润滑轴承/不从外部补加润滑油（脂）的轴承。 ①塑料类，最多的是PTFE系轴承，μ＝0.04（小） ②金属类 ③陶瓷类 （二）粉末冶金工具材料 包括各种硬质合金、粉末高速钢、精细陶 瓷（特种陶瓷）、金刚石--金属基复合材料。 §10.3 陶瓷的生产工艺与粉末冶金 硬质合金是由难熔的金属碳化物（WC、TiC、TaC 等）为基体加入 适量金属或合金粉末（如Co、Ni、高速钢等）为粘接相而制成的、具有金 属性质的粉末冶金材料。其抗弯强度高，硬而不脆，是因为碳化物呈细小颗 粒形貌存在。分为金属陶瓷硬质合金、碳化铬硬质合金、钢结硬质合金。 硬质合金的应用视频 金属陶瓷硬质合金 以WC、TiC、TaC为基体，以Co粉为粘接相 形成的硬质合金。通常所说的硬质合金即为金属陶瓷硬质合金。其性能特 点：高的硬度、热硬性和耐磨性；高的抗压强度和弹性模量，抗弯强度较 高，但冲击韧性低，脆性大，导热性差。 三、粉末冶金材料 §10.3 陶瓷的生产工艺与粉末冶金 三、粉末冶金材料 §10.3 陶瓷的生产工艺与粉末冶金 （1）钨钴类硬质合金 由WC和Co组成，有些牌号也加入少量YaC、VC等。 三、粉末冶金材料 §10.3 陶瓷的生产工艺与粉末冶金 代号：YG + 钴的质量百分数（wCo×100%），常用代号有YG3、 YG6、YG8。 此类硬质合金具有较高的强度和韧性，但高温硬度和高温韧性较差。 主要用于制造刀具、模具、量具、耐磨零件等，其刀具主要用来切削脆性 材料，如铸铁、有色金属等。 （2）钨钴钛类硬质合金 由WC、TiC和Co组成。 三、粉末冶金材料 §10.3 陶瓷的生产工艺与粉末冶金 代号：YT + TiC的质量分数（wTiC×100%）表示， 常用代号有YT5、YT15、YT30。 此类硬质合金具有较高的硬度、耐磨性和热硬性，但强 度和韧性低于钨钴类。其刀具主要用来切削韧性材料，如各 种钢。 硬质合金镶齿木工圆锯片 （3）钨钴钛钽类硬质合金 由WC、TiC、TaC和Co组成。 三、粉末冶金材料 §10.3 陶瓷的生产工艺与粉末冶金 代号：YW + 顺序号表示，如YW1、YW2等。 此类合金热硬性高，性能介于YG和YT类之间，其刀具可 用来加工各种钢、铸铁和有色金属， 又称为万能硬质合金。 三、粉末冶金材料 §10.3 陶瓷的生产工艺与粉末冶金 此类合金具有极高的抗高温氧化性，加热到1100 ℃ 以上仅表面变色； 具有高的耐磨性，但强度较低。 代号：YLN 及 YLWN + Ni 的质量百分数（ wNi×100 %）表示 ， 如YLN15（P）、YLWN15。 此类硬质合金可用于电真空玻璃器皿成型模、铜材热挤压模、燃油喷 嘴、油井阀门阀球、轴承、机械密封摩擦副等。 3. 钢结硬质合金 以WC和TiC为硬质相，以合金钢粉为粘接相（质 量分数占50%以上）而形成的硬质合金。 三、粉末冶金材料 此类合金和钢一样可以锻造、焊接、热处理和机械加工；淬火后硬 度可达 62 ~ 73HRC；其刀具的寿命与YG类硬质合金差不多，比合金工 具钢高得多。但回收利用困难。 用于制造麻花钻、铣刀等形状复杂的刀具及模具和耐磨零件。 典型牌号有GT35（含TiC35% ）、GW50（含WC50% ）、 ST60（含TiC60%）等。 §10.3 陶瓷的生产工艺与粉末冶金 磨硬质合金刀具，严禁用水冷却，以免刀头过热沾水急冷而产生裂纹。 二、功能陶瓷 （一）铁电陶瓷 制电容器、压电元件、电热器件等。 （二）压电陶瓷 制压电换能器、压电电动机、压电变压器等。 （三）半导体陶瓷 制发热体、化油器等。 （四）氧化锆固体电解质陶瓷 （五）生物陶瓷 制人造骨骼等。 一、工程结构陶瓷材料 （一）普通陶瓷 建筑陶瓷、电工陶瓷、化工陶瓷 （二）特种陶瓷 Al2O3、Si3N4、SiC、BN、ZrO2 表10-1 常用陶瓷材料的性能 原料煅烧 配料 球磨 成形 烧结 §10.4 常用陶瓷材料 一、工程结构陶瓷材料 1. Al2O3陶瓷 Al2O3＋少量SiO2。 根据Al2O3含量可分为： 刚玉-莫来瓷（75瓷，wAl2O3=75%）、刚玉瓷（95瓷，99瓷）。 性能与应用： （1）高强度、高温稳定性：装饰瓷，喷嘴、火箭、导弹的导流罩 ； §10.4 常用陶瓷材料 一、工程结构陶瓷材料 1. Al2O3陶瓷 （2）高硬度、高耐磨性：切削工具，模具，磨料，轴承，人造宝石； （3）低的介电损耗、高电阻率、高绝缘性：火花塞，电路基板，管座； （4）熔点高、抗腐蚀：耐火材料、坩埚、炉管、热电偶保护套等； （5）离子导电性：太阳能电池材料和蓄电池材料等。 （6）生物相容性：还可用于制作人工骨骼和人造关节等。 §10.4 常用陶瓷材料 一、工程结构陶瓷材料 氧化铝陶瓷喷嘴 氧化铝陶瓷密封环 §10.4 常用陶瓷材料 一、工程结构陶瓷材料 氧化铝陶瓷螺栓 §10.4 常用陶瓷材料 一、工程结构陶瓷材料 人造宝石（红刚玉） Al2O3与少量Cr2O3形成的固溶体 §10.4 常用陶瓷材料 一、工程结构陶瓷材料 氧化铝陶瓷火花塞 §10.4 常用陶瓷材料 一、工程结构陶瓷材料 氧化铝热电偶套管 刚玉（Al2O3%≥95%）坩锅 §10.4 常用陶瓷材料 一、工程结构陶瓷材料 氧化铝陶瓷肘关节 透明Al2O3陶瓷 是高压钠灯极为理想的灯管材料，在高温下与Na蒸气不发生作用，又能把95％以上的可见光传送出来。相同功率下，一只高压Na灯比2只水银灯或10只普通白炽灯还要亮，寿命比普通白炽灯亮20倍，＞20000小时，寿命最长。 人眼对高压Na灯的黄色谱线十分敏感，黄光能透过浓雾，特别适合街道、广场、港口、机场、车站等大面积的照明，效果极好。透明的关键，是坯体中只能有一种晶型的晶体，而且对称性愈高愈好，气孔越少越好。 全透明MgAl尖晶石陶瓷 似玻璃，很硬！用作飞机挡风玻璃、汽车防弹窗、坦克观察窗、炸弹瞄准具等。 §10.4 常用陶瓷材料 一、工程结构陶瓷材料 §10.4 常用陶瓷材料 一、工程结构陶瓷材料 透明氧化铝管 Al2O3(99.9%)+少量MgO,La2O3等 （1）较高硬度，仅次于金刚石、立方氮化硼、碳化硼等。 （2）耐磨，具有自润滑性，利用这种特性可作机械密封材 料，但它仍属于脆性材料，受瞬时冲击易破碎。 （3）热膨胀系数仅为2.53×10-6/℃，比MgO、Al2O3低很多。 其热导率是较高的，可达18.4W/(m·K)。 （4）低的热膨胀系数、高的热导率及机械强度使其具有优良的抗热震性。 （5）抗氧化温度可达1300 ~ 1400℃，具有高温抗氧化性。 （6）几乎不受各类无机酸的腐蚀，常温下不受强碱作用，但易被熔融碱液侵蚀。 （7）不受大部分熔融金属侵蚀，不反应，不润湿，如用Si3N4作容器，用熔融铝浸泡280 h 也不反应。 （8）制品在烧结过程中，几乎不发生收缩，可制成精密度高的产品。 §10.4 常用陶瓷材料 一、工程结构陶瓷材料 2. Si3N4陶瓷 用于制造切削刀具、高温轴承、泵密封环、热电偶保护套、缸套、活塞顶、电磁泵管道和阀门等。 §10.4 常用陶瓷材料 一、工程结构陶瓷材料 2. Si3N4陶瓷 氮化硅陶瓷刀具 氮化硅陶瓷密封环 §10.4 常用陶瓷材料 一、工程结构陶瓷材料 氮化硅陶瓷手机盖板 §10.4 常用陶瓷材料 一、工程结构陶瓷材料 氮化硅陶瓷阀片 §10.4 常用陶瓷材料 一、工程结构陶瓷材料 氮化硅陶瓷耐磨阀 §10.4 常用陶瓷材料 一、工程结构陶瓷材料 氮化硅陶瓷热电偶套管 抗氧化、抗热震、耐高温、耐腐蚀 §10.4 常用陶瓷材料 一、工程结构陶瓷材料 氮化硅陶瓷滚珠 §10.4 常用陶瓷材料 一、工程结构陶瓷材料 氮化硅陶瓷电热元件 高温机械强度高、抗热冲击能力强、耐酸碱腐蚀，既具有优良的绝缘性能，又有良好的导热性能。 §10.4 常用陶瓷材料 一、工程结构陶瓷材料 氮化硅陶瓷电热塞 适用于高速柴油机、高温点火装置、适用各高温点火装置。 §10.4 常用陶瓷材料 一、工程结构陶瓷材料 3. 赛隆（ sialon ）陶瓷 Si3N4与Al2O3可形成一系列固溶体，所得的Si-Al-O-N陶瓷材料称为sialon（音译为赛隆）。也可看作AlN和SiO2的固溶体。 赛隆陶瓷的高温强度、抗氧化性、抗蠕变

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