第八章陶瓷材料
第1节陶瓷材料概述
第4讲陶瓷材料的性能特点
先进陶瓷分类
(按其性能和功能)
结构陶瓷：作为工程结构材料使用的陶瓷功能陶瓷：具有电、磁、光、声、超导、化学、生物等特性，且具有相互转化功能的一类陶瓷
力学性能特点1
硬度高
510
152025
几种典型陶瓷材料的维氏硬度与不锈钢材料的对比图
维氏硬度/G P a
结构陶瓷的力学性能
陶瓷材料硬度高
→陶瓷材料耐磨性好
→陶瓷材料可以制作刀具
50100150200250300350400450几种典型陶瓷材料的弹性模量与不锈钢材料的对比图
弹性模量/G P a
力学性能特点2
高弹性模量
陶瓷材料高弹性模量
陶瓷材料
硬度弹性模量熔点
变化规律具有一致性
是其主晶相结合键能高低的外在反映
弹性模量高→零件/构件的刚度好
氧化铝机械加工精度高
加工前加工中加工后
不锈钢加工过程后发生挠曲变形，精度无法保证
金属材料与陶瓷材料的应力-应变曲线(示意图)应力
应变
陶瓷
金属
力学性能特点3
无塑性变形，断裂强度低
陶瓷材料室温下拉伸时没有塑性变形→脆断
人们常说的陶瓷强度，主要指它的断裂强度
陶瓷材料的实际断裂强度和理论断裂强度对比
材料理论值/MPa实测值/MPa理论/实测强度比值Al2O3(蓝宝石)4900063077.0
Si3N4(热压)3770098038.5
SiC(热压)4800093051.5 Si3N4(反应烧结)37700290130.5
奥氏体型钢200003240 6.4
陶瓷材料的实际断裂强度比理论强度低很多
陶瓷材料实际断裂强度低的原因
•存在不规则形状的气孔，相当于裂纹
•内部组织结构复杂、和不均匀性
2004006008001000120014001600几种典型陶瓷材料的抗弯强度
抗弯强度/M P a
陶瓷材料的强度，一般采用抗弯强度(弯曲强度)和抗压强度(压缩强度)表示
采用三点弯曲测试抗弯强度示意图
力学性能特点4
低抗压强度高，抗弯强度低
几种典型陶瓷材料的抗压强度
抗压强度/M P a
碳钢
铸铁
高速钢
氧化铝(A479)单晶蓝宝石(SA100)
金属陶瓷(TC30)0
1000200030004000
•陶瓷材料抗压强度高，为抗拉强度的10~40倍•陶瓷材料承受压应力的能力大大超过拉应力的能力
抗压强度测试示意图
•陶瓷材料抗压强度比金属（碳钢）高
力学性能特点5
冲击韧性、断裂韧性低
陶瓷材料是脆性材料
冲击韧性~10kJ/m2
几种材料的断裂韧性
材料K IC/MPa∙m1/2不锈钢(SUS304)210
45钢90
球墨铸铁20~40
氮化硅陶瓷 3.5~5
氧化锆7-8
氧化铝(99%)3-4
K IC约为金属的1/60~1/100
物理与化学性能
1 较低的密度
12345678密度/g ∙c m -3
几种典型陶瓷材料的密度与钢的对比图
2 熔点高
一般在2000℃以上，
陶瓷高温强度和高温蠕变抗力优于金属
3化学稳定性高
•抗氧化性优良，在1000℃高温下不会氧化•对酸、碱、盐有良好的抗蚀性
4 热胀系数小
24681012141618几种典型陶瓷材料的热膨胀系数与钢的对比图
膨胀系数X 10-6/K
40~400℃
•随气孔率增加，陶瓷的热胀系数、热导率降低•多孔或泡沫陶瓷可作绝热材料
20406080100120140160几种典型陶瓷材料的热导率与钢的对比图
导热率W /m ∙K
5 热导率受材质和气孔影响大
6具有特殊性能
光学，电学，声学和磁学性能结构陶瓷→功能陶瓷
高硬度、耐高温、耐磨损、抗热震、耐腐蚀、抗氧化密度小弹性模量大陶瓷材料性能优势
脆性大，韧性差，难加工安全可靠性低
陶瓷材料性能短板
避免服役过程中工况：冲击载荷、大的拉应力
分析服役环境，取长补短可发挥优势工况条件：
高温、高压、强腐蚀、强磨损。