Ceramic
Material
2017/10/20
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目录
§1 陶瓷的基本相
§2 陶瓷的基本性能
§3 陶瓷力学性能的检测方法 §4 常见陶瓷 §5 产品分析
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§1
陶瓷的基本相
§1.1 晶相 §1.2 玻璃相 §1.3 气孔
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气孔 晶相
玻璃相
陶瓷基本相
1.1 晶相
§3 陶瓷力学性能的检测方法
§3.1 §3.2 §3.3 硬度 弯曲强度 断裂韧性
3.1 硬度
硬度是材料抵抗局部压力而产生变形能力的表征。通常采
用的是维氏硬度与莫氏硬度。
典型结构陶瓷材料维氏硬度 材料 硬度 (HV) 材料 Al2O3 2000 TiC 3200 MgO 1220 WC 2400 ZrO2 1700 金刚石 10000 BeO 1520Si3N4 1700 B4C 4950 CBN 7000 SiC 2550 AlN 1450 ZrC 2600 MoSi2 1180
于95%的Al2O3陶瓷具有优异的电绝缘性能和较低的介质
损耗等特点，因而在电子、电器方面有十分广阔的应用
领域。
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2）氧化锆陶瓷
ZrO2 有立方结构 (c 相 ) 、四方结构 (t 相 ) 及单斜结构 (m 相)。根据所含相的成分不同，ZrO2陶瓷可分为稳定ZrO2 陶瓷材料、部分稳定ZrO2陶瓷。
热的硫酸能溶解A12O3，热的HCl, HF对其也有一定腐蚀 作用。可作为耐酸泵叶轮、泵体、泵盖、轴套，输送酸 的管道内衬和阀门
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高硬度和耐磨性：在机械领域得到了广泛应用。如
制造纺织耐磨零件、刀具。各种发动机中还大量使用
A12O3陶瓷火花塞。
电绝缘性能和较低的介质损耗：氧化铝的含量高
硬度 (HV)
维氏硬度的测量
将一个相对夹角为136°的正四棱锥金刚石压头在一定 的负荷下压入试样表面，经过一定时间的保持后卸载，测 定压痕两对角线的长度并取其平均值（d）计算压痕的实际 面积，负荷和所测面积的比值就是维氏硬度，用HV表示。 经几何换算后得到：
P HV 0.1891 2 d
HV - 维氏硬度符号； P -试验力，N； d- 压痕两对角线d1、d2的算术平均值，mm
刚石、立方BN、B4C等少数几种超硬材料。
（2）摩擦因子小：只有0.1～0.2，具有自润滑性；
（3）化学稳定性好：抗氢氟酸以外的各种无机酸和 碱溶液的
侵蚀，也能抵抗熔融非 铁金属的侵蚀；
（4）较高的室温抗弯强度和断裂韧性:室温抗弯强度通常在
800-1050MPa，断裂韧性为6-7MPa·m1/2
应用：热压烧结氮化硅用于形状
2.2 物理及化学性能：
ⅰ.熔点：具有高的熔点，多数在2000℃以上。 ⅱ.热膨胀：线膨胀系数一般为10-5到10-6／Ｋ，结构
紧密，膨胀系数小。
ⅲ.抗热震性：在温度急剧变化时抵抗破坏的能力；
陶瓷抗热震性一般较差，受热冲击时易破坏。
ⅳ.高的化学稳定性：抗氧化，1000℃高温下不氧化；
对酸、 碱、盐有良好的抗蚀性。
应力集中是导致材料脆性断裂的主要原因之一，而反映材
料抵抗应力集中而发生断裂的指标是断裂韧性，常用的方法有
单边切口梁法、压痕法、双扭法和双悬臂梁法。本节只简要介 绍压痕法测定方法。
压痕法
用维氏或显微硬度压头，压入抛光的陶瓷试样表面，在压痕
对角线延长方向出现四条裂纹，测定裂纹长度，根据载荷与裂
纹长度的关系，求得KIc值。
方解石
正长石 黄玉 刚玉 金刚石
3.2 弯曲强度
弯曲实验一般分三点弯曲和四点弯曲两种
3P L (MPa) 2 2b h
式中σ为抗弯强度(MPa)， P为加载载荷(N)，L为支点跨距（mm)， b为试样断口处宽度(mm)， 三点弯曲强度测试示意图 h为试样断口处高度(mm)。
3.3 断裂韧性
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§4 常见陶瓷
§4.1 普通陶瓷 §4.2 特种陶瓷
§4.2.1 §4.2.2 §4.2.3 氧化物陶瓷 氮化物陶瓷 碳化物陶瓷
4.1 普通陶瓷
粘土（Al2O3 ▪ 2SiO2 ▪ H2O） 石英（SiO2）
原材料 长石（K2O▪Al2O3▪6SiO2；Na2O ▪ Al2O3 ▪ 6SiO2）
简单、精度要求不高的零件，如 切削刀具、高温轴承等。
Si3N4轴承
反应烧结氮化硅用 于形状复杂、尺寸 精度要求高的零件， 如机械密封环等。
汽轮机转子
叶片、气阀
2） 氮化铝AlN陶瓷
密度3.26g/cm3，无熔点，在2200℃- 2250℃升华分解，热 硬度很高，即使在分解温度前也不软化变形。莫氏硬度7~9， 强度200~300MPa。最大的特点是导热率高，可达200W/m.K 以上，是 A12O3的2-3倍，热压时强度比Al2O3还高，与单晶 硅相匹配的热膨胀系数，以及高电阻率，是理想的基片材料。
稳定ZrO2陶瓷：主要由立方相组成
耐火度高、比热与导热系数小：是理想的高温隔
热材料，可以用做高温炉内衬，也可作为各种耐热涂层。
化学稳定性好：高温时仍能抗酸性和中性物质的腐蚀，
但不能抵抗碱性物质的腐蚀。周期表中第V , VI ,VII族金
属元素与其不发生反应，可以用来作为熔炼这此金属的坩
埚。
部分稳定ZrO2陶瓷：由四方和立方双相组织组成
热压烧结和反应烧结氮化硅性能对比 烧结工艺 反应烧结 热压烧结 优点 缺点
烧结时几乎没有收缩， 密度低，强度低，耐 能得到复杂的形状 蚀性差 用较少的助剂就能致密 只能制造简单形状， 化，强度、耐蚀性最好 烧结助剂使高温强度 降低
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特点：
（1）硬度高：氮化硅的硬度高，HV=18GPa~21GPa，仅次于金
问题：难烧结，
成本高(气氛保护等等)
4.2.3 碳化物陶瓷
包括：碳化硅、碳化铈、碳化钼、碳化铌、碳化钛、 碳化钨、碳化钽、碳化钒、碳化锆、碳化铪等。
特点
•具有很高的熔点（3000℃以上）
• 高硬度（硬度B4C的硬度仅次于金刚石和立方氮化硼）
•耐高温氧化能力差，脆性极大
碳化硅陶瓷
碳化硅陶瓷在碳化物陶瓷中应用最广泛。其密度为 3.2×103kg· m-3 ，弯曲强度和抗压强度分别为 200 ～ 250MPa 和1000～1500MPa，硬度为莫氏9.2。
特点：热导率高，而热膨胀系数小。
应用：常用于制作加热组件、石墨表面保护层及砂轮和 磨料等。
碳化硅陶瓷用于制造火箭喷嘴、浇
注金属的喉管、热电偶套管、炉管、 燃气轮机叶片及轴承，泵的密封圈、
拉丝成型模具等。
SiC陶瓷件
SiC喷嘴
SiC轴承
谢谢
主晶相及含量
抗折强度/MPa
b.晶粒大小对陶瓷强度的影响：
强度与晶粒尺寸的关系符合Hall-Petch关系式：
b ＝ o ＋kd-1/2
式中o为无限大单晶的强度，k为系数，d为晶粒直径。 从上式可以看出，细晶组织对提高材料的室温强度有利 无害。
如刚玉陶瓷的晶粒尺寸大小对其抗折强度的影响。 刚玉陶瓷的晶粒尺寸与抗折强度
莫氏硬度：是应用划痕法将棱锥形金刚钻针刻划所测试
样的表面而发生划痕，其硬度值并非绝对硬度值，而是按硬
度的顺序表示的值。 莫氏硬度表
分级 代表材料 分级 代表材料 分级 代表材料
1
4 7 10 13
滑石
萤石 石英玻璃 石榴石 碳化硅
2
5 8 1 14
石膏
磷灰石 石英 熔融氧化铝 碳化硼
3
6 9 12 15
均匀的晶粒尺寸越小，缺陷产生的几率越小, 强度 越高。 不同截面大小陶瓷的强度值：MPa Al2O3 块状 280 纤维 2100 晶须 21000
§2 陶瓷的基本性能
§2.1
§2.2
力学性能
物理及化学性能
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2.1 力学性能:
ⅰ：硬度 是各类材料中最高的。陶瓷具有高硬度，大多在
氧化铝陶瓷的性能
牌号
85瓷 96瓷 99瓷
Al2O3 （％） 85 96 99
相对 密度 3.45 3.72 3.90
硬度 抗压强 （莫氏） 度Mpa 9 9 9 1800 2000 2500
抗拉强 度Mpa 150 180 250
应用
化学稳定性：A12O3陶瓷与大多数熔融金属不发生反
映，只有Mg, Ca,Zr和Ti在一定温度以上对其有还原作用;
坚硬，不氧化、不导电，成型性好 耐1200℃高温，成本低廉。 强度低，高温下玻璃相易软化。 日用陶瓷 化工陶瓷 电工陶瓷 建筑陶瓷
性能
用途
4.2 特种陶瓷
特种陶瓷，又称精细陶瓷，采用纯度较高的人工合成 化合物（如Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4、BN），经配料、 成型、烧结而制得。按其应用功能分类，大体可分为高 强度、耐高温和复合结构陶瓷及电工电子功能陶瓷。
强度，断裂韧性和抗热冲击性能非常高：被称
为“陶瓷钢”。同时其热传导系数小，隔热效果好，而热膨
胀系数又比较大，比较容易与金属部件匹配，在日前所研 制的陶瓷发动机中用于气缸内壁、活塞、缸盖板部件。
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足够高的强度和耐磨性， 又与光纤材料相似的线
膨胀系数（5*10-6/℃），
当环境温度发生变化时 候，氧化锆陶瓷的收缩 和膨胀和光纤基本相同， 以保证光纤端面的紧密
4.2.1 氧化物陶瓷：
1）氧化铝陶瓷 以α- Al2O3为主晶相，根据Al2O3含量和添
加剂的不同，有不同系列。如根据Al2O3含量不同可分为75瓷，