普通陶瓷（1）在线视频

同学们好

下面我们学习

工程材料的第五章 陶瓷材料

我们先学习

陶瓷的结构与性能特点

这是我们第一章的第四节

我们放到这里来学习

陶瓷材料

是无机非金属材料的通称

它包括以下三种

一玻璃

即光学玻璃 电工玻璃

仪表玻璃等在内的工业玻璃

以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

二玻璃陶瓷

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

三工程陶瓷

又分为普通陶瓷

和特种结构陶瓷两大类

按应用分类分为

结构陶瓷材料

和功能陶瓷材料两大类

我们先学习陶瓷材料的结构

一陶瓷材料的制备过程

普通陶瓷的原料为黏土

石英和长石组成

先将原料破碎 然后混合

再成形 再烧结

所以它的生产过程特点是

先成形 后成材

这和我们金属材料

和高分子材料是不一样的

陶瓷的生产过程

第一原料制备

包括矿物原料 拣选 粉碎

配料 混合 磨细到坯料

二坯料成形

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

成形方法有可塑成形

注浆成形 压制成形

三烧成与烧结

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

烧成是指坯料瓷化的工艺

温度一般在1250度到1450度

烧结是指制品开口气孔率低

致密度很高的瓷化过程

二陶瓷材料的组织结构

按照组织形态

陶瓷材料可以分为三类

一无机玻璃

即硅酸盐玻璃

其粒子在空间呈不规则排列

二微晶玻璃 即玻璃陶瓷

单个晶粒分布在

非晶态的玻璃基体上

三陶瓷 或者称晶体陶瓷

具有单相晶体结构的特种陶瓷

以及具有复杂结构的普通陶瓷

是最常用的陶瓷结构材料

和工具材料

陶瓷材料的典型组织结构

包括三种相

即晶体相 玻璃 气相

我们看这张照片

一晶体相

陶瓷的主要组成相

有硅酸盐 氧化物

和非氧化物等

它决定陶瓷的主要性能和应用

第一小类是硅酸盐类

普通陶瓷的主要原料

它的结合键为

离子键与共价键的混合键

构成硅酸盐的基本单元

是硅氧四面体

二 氧化物

离子键结合 也有共价键

氧离子作为紧密立方

和紧密六方排列

金属离子规则地分布在四面体

和八面体的间隙之中

三 非氧化物

如金属碳化物

以共价键和金属键之间的过渡键

以共价键为主

主要有间隙相

如碳化钛 碳化锆 碳化钒等

还有复杂的碳化物

如铁三碳 锰三碳

铬三碳二 铬二三碳六

碳化钨 铬七碳三等

我们看这是碳化钛的晶体结构

三 氮化物

它的金属性弱一些

有一定的离子键

如六方晶格氮化硼

六方晶系的氮化硅 氮化铝

我们看这是六方氮化硼的结构

还有硼化物和硅化物

具有较强的共价键

二 玻璃相

玻璃相主要有以下作用

黏结晶体相

填充晶体相间隙

提高材料致密度

二降低烧成温度 加快烧结

三阻止晶体转变抑制其长大

四获得透光性等玻璃特征

五对陶瓷的机械强度

介电性能

耐热 耐火性等是不利的

下面我们看

玻璃相的结构特点

玻璃相主要有氧化硅

和其它氧化物组成

当硅氧四面体

组成不规则的空间网结构时

形成玻璃的骨架

我们看这里有石英玻璃

石英晶体和钠硅酸盐玻璃

三气相

陶瓷内部残留的孔洞

根据气孔情况

陶瓷可以分为致密陶瓷

无开孔陶瓷和多孔陶瓷

普通陶瓷的气孔率为5%至10%

特种陶瓷在5%以下

金属陶瓷则要求

气孔率在低于0.5%以下

气孔降低陶瓷的强度

是造成裂纹的根源

应尽量降低其含量

但多孔陶瓷它的隔热性能很好

第二部分陶瓷的性能特点

第一陶瓷的工艺性能

我们看这个图

是陶瓷它的加工工艺路线图

通过陶瓷的原材料

将其粉末 配制 压制和烧结

制成零件

它的主要工艺是成形

成形有粉浆成形 压制成形

挤压成形和可塑成形等等

陶瓷材料除了可以用碳化硅

或金刚石砂轮进行磨削加工外

几乎不能进行其它的加工

我们再看看不同陶瓷材料

成形工艺的比较

这里列出了粉浆成形

压制成形 挤压成形

和可塑成形

从这个表中可以看出

各种成形工艺

它有各自的优点和它的缺点

二陶瓷的力学性能

一刚度

陶瓷的刚度在各类材料中

是最高的

因为陶瓷具有很强的结合键

我们看这张表

为常见材料的弹性模量和硬度

刚度可以由弹性模量来进行衡量

我们看塑料

它的弹性模量只有1380兆帕

我们看钢为二十万七千兆帕

我们再看看陶瓷

碳化钛为三十九万兆帕

而金刚石为

一百一十七万一千兆帕

我们再看硬度

同样不同材料硬度差异很大

而陶瓷材料它的硬度

是远高于其它材料

陶瓷硬度高的原因

是因为其结合键很强

陶瓷的硬度远高于淬火钢

和高聚物

尽管陶瓷硬度

随温度的升高会降低

但在高温下

仍有很高的硬度

三强度

陶瓷的实际强度

是理论值的千分之一至百分之一

原因是它的晶界

有局部的分离或空隙

晶界上原子键被拉长

键强度被削弱

相同电荷离子的靠近会产生斥力

会造成裂纹

我们看

这是陶瓷的晶界结构示意图

正是因为这些原因

使陶瓷它的实际强度

比理论强度要低的多

陶瓷它的致密度 杂质

和各类缺陷

会影响它的实际强度

我们看刚玉

即三氧化二铝陶瓷

它的块体的拉伸强度为280兆帕

而刚玉陶瓷纤维

它的抗拉强度为2100兆帕

提高了一到两个数量级

陶瓷材料的强度

对应力状态特别敏感

它的抗拉强度很低

抗弯强度较高

而抗压强度很高

四塑性

陶瓷在室温下几乎没有塑性

陶瓷晶体滑移系很少

位错运动所需要的切应力很大

另外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

高温慢速加载

特别是组织中存在着玻璃相时

陶瓷也能表现出一定的塑性

五韧性

陶瓷是典型的脆性材料

它的冲击韧度

在每平方米10千焦以下

断裂韧性值也很低

它的韧性对表面状态特别敏感

表面有微细裂纹时

受载时 裂纹很快扩展

改善陶瓷韧性的方法有

消除陶瓷表面的微裂纹

预防陶瓷中产生缺陷

三陶瓷的物理性能和化学性能

第一热膨胀性能

陶瓷的线膨胀系数很低

比高聚物低 比金属更低

二导热性

陶瓷无自由电子传热

热导性很低

是很好的绝热材料

三热稳定性

一般用急冷到水中不破裂

所能承受的最高温度

来表示其热稳定性

陶瓷热稳定性很低

比金属低很多

日用陶瓷的热稳定性为220度

四导电性

多数陶瓷是良好的绝缘体

但也有不少陶瓷有一定的导电性

很多氧化物

如氧化锌 氧化镍

四氧化三铁

都是重要的半导体材料

五化学稳定性

由于结构非常稳定

对酸 碱 盐等

腐蚀性很强的介质

均有很强的抵抗能力

与很多金属的熔体也不发生反应

下面我们对这一部分

进行一下小结

陶瓷材料具有高的耐热性

高的化学稳定性

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 抗弯性能较差

好 这一部分就到这里