第5章 无机非金属材料
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5.1 陶瓷材料 5.2 水 泥 和 玻 璃 5.3 矿物材料简介
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5.1 陶 瓷 材 料 5.1.1 概述
1．陶瓷的概念 陶瓷(Ceramics)是一类历史悠久的无机非金属材料。陶 瓷在国际上并没有统一的定义。
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2．陶瓷的性能 1) 高弹性模量、高硬度 陶瓷主要以离子键和共价键结合，其弹性模量和硬度在 各类材料中是最高的。
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2) 低抗拉强度和较高抗压强 由于陶瓷材料结合键的结合力很高，因此具有很高的理 论强度，但其微观结构又具有复杂性和不均匀性(原料粉碎、 混合和烧结成型过程中产生的杂质、气孔及各种缺陷的影 响)，则容易产生裂纹，致使陶瓷材料的实际抗拉强度值(约 为E/1000～E/100或更低)远低于理论值(约为E/10～E/5)， 比金属的要低得多。
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3) 塑性、韧性低，脆性大 由于陶瓷材料的滑移系非常少，同时共价键又有明显的 方向性和饱和性、而离子键的同性离子接近时排斥力很大， 所以在陶瓷材料受到外载荷时不发生塑性变形而直接断裂， 即在低应力下脆断。
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4) 优良的高温性能和低抗热振性 陶瓷的熔点远高于金属，因而具有优于金属的高温 强度。
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3．陶瓷的分类 陶瓷制品是多种多样的。从微细的单晶晶须、细小的磁 芯和衬底基板到几吨重的耐火炉炉衬材料，从严格控制组成 的单相制品到多相多组分制品，以及从无气孔而透明的各类 晶体到轻质绝缘的泡沫制品(多孔陶瓷)等，由于其品种如此 之多、范围如此之广，目前对陶瓷尚无统一的分类方法。
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4．施釉 施釉是指通过高温方式，在陶瓷生坯上或烧好的瓷件上 烧附一层近似玻璃态的物质，使其表面具有光亮、美观、致 密、绝缘、不吸水、不透水及化学稳定性好等优异性能的一 种工艺方法。
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5．烧成或烧结 烧成通常是指在高温下粉粒集合体(坯体)表面积减少、 气孔率降低、致密度提高、颗粒间接触面积增大以及机械强 度提高的过程。干燥后的陶瓷坯体必须经过高温烧成，才能 获得坚固的外形并达到所要求性能。
表 5-1 常用的陶瓷粉体及其合成原料
化学试剂 煅烧氧化铝、氯化铝、硫酸铝氨、氢氧化铝、有机氯盐(醇盐) 氧氯化锆、硫酸锆、硝酸锆、有机锆盐(如醇盐、醋酸盐) 氯化钇、有机钇盐(如醇盐) 碳酸钡、草酸钡、硝酸钡、氧化钛、钛酸盐、有机钡(钛)盐(如醇盐) 煅烧氧化镁、氧化镁、有机镁盐 相关组分氧化物、草酸盐、硝酸盐、有机盐(醇盐、柠檬酸盐等) 氧化物、硝酸盐、有机盐等
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目前，应用较多的方法主要有以下几种。 1) 热压烧结 2) 气氛烧结 3) 反应烧结 4) 热等静压烧结 5) 等离子体烧结 6) 微波烧结
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6．陶瓷的加工与表面改性 1) 陶瓷的加工 传统陶瓷在烧成后一般不需要加工，但烧结后的特种陶 瓷制件，在形状、尺寸、表面状态等方面一般难以满足使用 要求。
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图5-1 硅酸盐的基本结构单元
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图5-2 链状连接[SiO4]源自面体结构9第5章 无机非金属材料
2) 玻璃相 玻璃相是一种非晶态固体，是陶瓷材料中SiO2在烧结处 于熔化状态后冷却时原子不能规则排列形成的非晶态玻璃相。
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3) 气相 气相是陶瓷中坯体各成分在加热过程中单独或互相发生 物理、化学作用所生成的空隙或气孔，常以孤立状态分布在 玻璃相中，或以细小气孔分布在晶界和晶内，是陶瓷生产工 艺中不可避免地形成而保留下来的。
2．陶瓷的原料 大多数传统陶瓷的主要原料有黏土、石英和长石。黏土 是细颗粒的含水硅酸盐，如高岭土(Al2O3·2SiO2·2H2O)、 蒙脱土(Al2O3·4SiO2·nH2O)等，它们具有层状的晶体结构， 属于可塑性原料。
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陶瓷材料 氧化铝 氧化锆 氧化钇 钛酸钡 氧化镁
锆钛酸铅(PZT、PLZT) 锰锌铁氧体
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5) 热性能 热性能包括熔点、比热容、热膨胀系数、热导率等与温 度有关的物理性能。
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6) 电性能与绝缘性好 大多数陶瓷具有很高的电阻率、很低的介电常数和介电 损耗，因此可以作为绝缘材料。
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7) 化学稳定性 从陶瓷的晶体结构看，金属正离子被周围氧负离子所包 围，屏蔽于其紧密排列的间隙之中，很难再与周围的氧发生 反应，甚至在1000℃以上的高温下也是如此，所以陶瓷具有 很好的耐火性或不燃烧性。
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2．陶瓷坯体的成型 陶瓷成型是将配制成的浆料、可塑泥团、半干粉料，经 适当的方法和设备制成一定形状、体积和强度的块体的过程。 陶瓷的成型方法很多，按坯料含水量的多少可分为三种：粉 料成型法、塑性料团成型法、注浆成型法。
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3．陶瓷坯体的干燥与排塑 成型后的坯件含有较多的水分，强度不是很高，而且成 型体中含有一定量的有机添加剂和溶剂。
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5.1.3 陶瓷的制备工艺 1．陶瓷坯料的制备 1) 传统陶瓷坯料的制备 陶瓷坯料是指陶瓷原料经过配料和加工后得到的多成分
混合物，一般指成型前按照要求配制好的供成型的物料。
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2) 特种陶瓷坯料的制备 特种陶瓷在性能方面有着相对较高的要求，因而其原料 采用高纯的化学试剂合成陶瓷粉末，以满足特种陶瓷原料高 纯度的要求。
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5.1.2 陶瓷的结构与性能 1．陶瓷的结构 陶瓷是由金属元素和非金属元素的化合物组成，主要成
分是SiO2、Al2O3、Fe2O3、TiO2、CaO、MgO、Na2O、PbO等。
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1) 晶体相 晶体相是陶瓷材料最主要的组成相，而且是多相多晶体， 又分为主晶相、次生相和第三相等。