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陶瓷分类
来源: | 作者:tianfengcn | 发布时间: 2021-03-20 | 144 次浏览 | 分享到:
陶瓷材料是用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料。具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点。可用作结构材料、刀具材料和模具材料,由于陶瓷还具有某些特殊的性能,又可作为功能材料。

陶瓷材料目前尚无统一的分类方法,通常把陶瓷材料分为玻璃、玻璃陶瓷和工程陶瓷3类。其中工程陶瓷又分为普通陶瓷和特种陶瓷两大类。其中普通陶瓷又称传统陶瓷,特种陶瓷又称现代陶瓷。


陶瓷材料是用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料。具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点。可用作结构材料、刀具材料和模具材料,由于陶瓷还具有某些特殊的性能,又可作为功能材料。


普通陶瓷


普通陶瓷又称传统陶瓷,其主要原料是黏土 (Al2O3·2SiO2·H2O)、石英 (SiO2) 和长石 (K2O·Al2O3·6SiO2)。通过调整3者比例,可得到不同的抗电性能、耐热性能和机械性能。一般普通陶瓷坚硬,但脆性大,绝缘性和耐蚀性极好。

 

普通陶瓷通常分为日用陶瓷和工业陶瓷两类。


特种陶瓷


特种陶瓷又称现代陶瓷,按应用包括特种结构陶瓷和功能陶瓷两类,如压电陶瓷、磁性陶瓷、电容器陶瓷、高温陶瓷等。工程上最重要的高温陶瓷,包括氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷和氮化物陶瓷。


①氧化物陶瓷


a.氧化物陶瓷的性质 


Ⅰ.熔点大多在2000℃以上,烧成温度在1800℃左右。在烧成温度时,氧化物颗粒发生快速烧结,颗粒间出现固体表面反应,从而形成大块陶瓷晶体 (单相),或有少量气体产生。 


Ⅱ.氧化物陶瓷的强度随温度升高而降低,但在1000℃以下一直保持较高强度,随温度变化不大。 


Ⅲ.纯氧化陶瓷都是很好的高温耐火度结构材料,在任何情况下陶瓷都不会产生氧化。 


b.氧化物陶瓷的种类 


Ⅰ. 氧化铝陶瓷 


氧化铝的结构是O排成密排六方结构,Al占据间隙位置。自然界很少有纯氧化铝,根据含杂质的多少,氧化铝可呈红色或蓝色。实际生产中,氧化铝陶瓷Al2O3含量可分为75、95、99等几种瓷。 


氧化铝的熔点高达2050℃,而且抗氧化性好,硬度高,微晶刚玉红硬性可达1200℃。常用于制造金属拔丝模及切削淬火钢刀具。


Ⅱ.氧化铍陶瓷


以氧化铍为主要成分的陶瓷。纯氧化铍 (BeO) 属立方晶系。密度3.03 g/㏄,熔点2570℃。具有很高的导热性,几乎与纯铝相等,还有很好的抗热震性。


粉末有剧毒性,且使接触伤口难于愈合。以氧化铍粉末为原料加入氧化铝等配料经高温烧结而成。制造这种陶瓷需要良好的防护措施。氧化铍在含有水汽的高温介质中,挥发性会提高,1000℃开始挥发,并随温度升高挥发量增大,这就给生产带来困难,有些国家已不生产。 


制品性能优异,虽价格较高,仍有相当大的需求量。主要用作大规模集成电路基板,大功率气体激光管,晶体管的散热片外壳,微波输出窗和中子减速剂等材料。在模具应用方面亦有用制造精密玻璃模具。 


Ⅲ. 氧化锆陶瓷


Ⅰ.氧化锆陶瓷的熔点在2700℃以上,能耐2300℃的高温,其推荐使用温度为2000℃~2200℃。因此,可以作反应堆绝热材料。氧化锆作为添加剂可大大提高陶瓷的强度和韧性,生产出氧化锆增韧陶瓷 (PSZ)。


Ⅱ.氧化锆增韧陶瓷具有多相结构,在不同温度和压力下可有3种不同的晶形结构,从而在合适的条件下应力可诱发相变和相变韧化,大幅度地提高断裂韧性。氧化锆增韧氧化铝陶瓷材料,其强度达1200 MPa,断裂韧性为15MPa·m。


Ⅲ.氧化锆增韧陶瓷具有满足热挤压模具要求的性能,具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损的特点,特别是承受高温高压,永久变形小,比碳化钨、镍基或钴基硬质合金更为适合热挤压模。


Ⅳ.氧化锆增韧陶瓷硬度超过金属,韧性比一般陶瓷高,有很高的化学稳定性,至少耐高温800℃。金属粉末挤压模温度可达到600℃,铜棒挤压模工作在950℃,氧化锆增韧陶瓷制造的模具可比硬质合金模使用寿命高几十倍。含氧化镁的PSZ其抗弯强度可达400 MPa。


Ⅴ.氧化锆增韧陶瓷的缺点是无延展性,热导率低,热膨胀与金属材料并不匹配,在设计和使用时应该加以考虑。氧化锆和由于其优良的使用性能生产拉丝模、拉深模等,常用于拉深不锈钢工艺。


②碳化物陶瓷


碳化物陶瓷包括碳化硅、碳化硼、碳化铈、碳化钼、碳化铌、碳化锆、碳化钛、碳化钒、碳化钨、碳化钽等。这类碳化物具有很高的熔点、硬度和耐磨性,但耐高温氧化能力差 (约900℃~1000℃),脆性较大。 


a.碳化物陶瓷的性质


Ⅰ.碳化物陶瓷具有高熔点。例如碳化钛的熔点是3460℃,碳化钨的熔点2720℃,碳化锆的熔点3540℃。


Ⅱ.碳化物陶瓷硬度较高。例如碳化硼是仅次于金刚石和立方氮化硼最硬材料。


Ⅲ. 良好的导热性和化学稳定性。碳化物陶瓷不与酸发生反应,个别金属碳化物陶瓷即使加热也不与酸发生反应,最稳定的碳化物陶瓷甚至不受硝酸+氢氟酸混合液的腐蚀。


b.碳化物陶瓷的分类


Ⅰ.碳化硅陶瓷


碳化硅陶瓷密度为 3.2×10 kg/m³,弯曲强度为200~250 MPa,抗压强度1000~1500 MPa,硬度莫氏9.2,热导率很高,热膨胀系数很小,在900℃~1300℃时慢慢氧化。


Ⅱ.碳化硼陶瓷


碳化硼陶瓷硬度极高,抗磨粒磨损能力很强; 熔点达2450℃,高温下会快速氧化,与热或熔融黑色金属发生反应,使用温度限定在980℃以下。主要用于作磨料,有时用于制造超硬质工具材料。


Ⅲ.其他碳化物陶瓷


碳化钼、碳化铌、碳化钽、碳化钨和碳化锆陶瓷的熔点和硬度都很高,在2000℃以上的中性或还原气氛作高温材料; 碳化铌、碳化钛用于2500℃以上的氮气气氛中的高温材料。 


碳化物陶瓷主要用于化工、汽车工业、核工业、微电子工业、激光等领域作高温材料或高功率材料。在模具制造中,常用于耐磨、耐蚀性拉丝模、成型模、热压铸模具、蜂窝陶瓷模具等。


③硼化物陶瓷


a.硼化物陶瓷的性质


Ⅰ.优良的高温特性。熔点范围为1800℃~2500℃,具有较高的抗高温氧化性能,使用温度达1400℃。在800℃的高温下其弯曲强度也几乎不下降,而且其硬度随温度上升而下降的比例也较其他材料小。


Ⅱ.具有高韧性。在室温下,其断裂韧性值KIC达30 MN/m功,此一数值相当于有代表性的工程陶瓷碳化硅的6~8倍。当B4C的晶粒细化到5μm时,强度为500~600 MPa,晶粒尺寸小于1μm时,强度达1000 MPa以上。 


Ⅲ.硬度高,耐磨性好。硬度为1000 HV左右,具有高的剪切模量。耐化学浸蚀能力,难挥发,但高温抗蚀性、抗氧化性较差。 


b.硼化物陶瓷的类型


常用的硼化物陶瓷分别以二硼化锆 (ZrB2)、二硼化钛(TiB2)、六硼化镧 (LaB6) 等硼化物制成的硼化锆陶瓷、硼化钛陶瓷、硼化铬陶瓷、硼化钼陶瓷和硼化钨陶瓷等。 


硼化物陶瓷具有高熔点、高硬度、高化学稳定性以及高耐磨、耐腐蚀性等特点,是重要的耐火材料之一。在核工业、宇航等领域有着广泛应用。主要用于高温轴承、内燃机喷嘴、各种高温器件、处理熔融非铁金属的器件、电触点材料、耐磨材料及工具材料等。在模具制造中常用于制造模具结构元件、耐热构件等。


④氮化物陶瓷


氮化物陶瓷是氮与金属或非金属元素以共价键相结合的难熔化合物为主要成分的陶瓷。


Ⅰ.氮化物陶瓷的性质


a. 以四氮化三硅陶瓷的抗氧化能力最佳,1400℃时开始活性氧化,抗化学腐蚀性很好。有的还具有特殊的机械、介电或导热性能。


b.烧结较困难。先制出优质粉末原料,然后采用氮化反应烧结法和热压法烧结法、热等静压烧结法等制成陶瓷制品。


Ⅱ.氮化物陶瓷的类型


应用较广的陶瓷有四氮化三硅 (Si3N4)、氮化硼 (BN)、氮化铝(AlN) 等陶瓷。