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标  题: 常用工程结构陶瓷材料
发信站: BBS 哈工大紫丁香站 (Sat Mar 25 16:55:58 2006)

常用工程结构陶瓷材料
发信站: 鼓浪听涛 (Fri Mar 24 09:54:23 2006), 站内

一、普通陶瓷 

　　普通陶瓷是以粘土(Al2O3·2SiO2·2H2O)、长石(K2O·Al2O3·6SiO2；Na2O·Al2O3·
6SiO2)、石英(SiO2)为原料，经配料、烧结而制成。其组织中主晶相为莫来石(3Al2O3·2
SiO2)，占25％～30％；次晶相为SiO2，占10％～35％；玻璃相占35％～60％，气相占1％
～3％。其中玻璃相是以长石为溶剂，在高温下溶解一定量的粘土和石英后经凝固而形成的
。这类陶瓷质地坚硬，不会氧化生锈、不导电，能耐1200℃高温，加工成型性好，成本低
廉。其缺点是因含有较多的玻璃相，故强度较低，且在高温下玻璃相易软化，所以其耐高
温性能及绝缘性能不如特种陶瓷。

　　这类陶瓷的产量大，广泛用于电气、化工、建筑、纺织等工业部门。用来制作工作温
度低于200℃的耐蚀器皿和容器、反应塔管道、供电系统的绝缘子、纺织机械中的导纱零件
等。

　　二、特种陶瓷

　　1．氧化物陶瓷

　　(1)氧化铝陶瓷

　　它是Al2O3为主要成分，含有少量的SiO2的陶瓷，α-Al2O3为主晶相。根据Al2O3的含
量不同分为75瓷(75％Al2O3)，又称刚玉——莫来石瓷；95瓷(95%Al2O3)和99瓷(99％Al2O
3)，后两者又称刚玉瓷。氧化铝陶瓷中Al2O3含量愈高，玻璃相愈少，气孔也愈少，其性能
愈好，但工艺复杂，成本高。

　　氧化铝瓷强度高于普通瓷2～3倍，有的甚至高5～6倍；硬度高，仅次于金刚石、碳化
硼、立方氮化硼和碳化硅，有很好的耐磨性；耐高温性能好，含Al2O3高的刚玉瓷有高的蠕
变抗力，能在1600℃高温下长期工作；耐腐蚀性及绝缘性好。缺点是脆性大，抗热震性差
，不能承受环境温度的突然变化。主要用于制作内燃机的火花塞、火箭和导弹的导流罩、
轴承、切削刀具以及石油化工用泵的密封环、纺织机上的导线器、熔化金属用的坩锅及高
温热电偶的套管等。

　　(2)其它氧化物陶瓷

　　①氧化镁陶瓷

　　主晶相为MgO，是离子晶体，耐高温并抗熔融金属浸蚀。可制作坩锅用来熔炼高纯度的
Fe、Mo、Mg、U、Th及其合金。

　　②氧化锆陶瓷

　　主晶相为ZrO2，是离子晶体，耐高温及腐蚀。室温下为绝缘体，在1000℃以上为导体
。可作熔炼Pt、Pb、Ph等金属的坩锅和高温电极。

　　③氧化铍陶瓷

　　主晶相为BeO，是离子晶体，导热性好与金属相近，抗热震性好。可制作高频电炉的坩
锅及高温绝缘的电子元件。由于Be的吸收中子截面小，BeO陶瓷也可用于核反应堆的中子减
速剂和反射材料。

　　2．氮化物陶瓷

　　(1)氮化硅陶瓷

　　它是以Si3N4为主要成分的陶瓷，Si3N4为主晶相。按其制造工艺不同分为热压烧结氮
化硅(β-Si3N4)陶瓷和反应烧结氮化硅(α-Si3N4)陶瓷。热压烧结氮化硅陶瓷组织致密，
气孔率接近于零，强度高。反应烧结氮化硅陶瓷是以Si粉或Si-SiN4粉为原料，压制成型后
经氮化处理而得到的。因其有20％～30％气孔，故强度不及热压烧结氮化硅陶瓷，但和95
陶瓷相近。氮化硅陶瓷硬度高；摩擦系数小，只有0.1～0.2；具有自润滑性，可以在没有
润滑剂的条件下使用；蠕变抗力高，热膨胀系数小；抗热震性能在陶瓷中最佳，比Al2O3瓷
高2～3倍；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。此外，由于氮化硅为共价晶体，因此具有优异的电绝缘性能。

　　反应烧结氮化硅因在氮化过程中可进行机加工，主要用于形状复杂、尺寸精度高的耐
热、抗蚀、耐磨、绝缘制品，如石油、化工泵的密封环、高温轴承、热电偶导管。热压烧
结氮化硅陶瓷只用于形状简单的耐磨耐高温零件，如切削刀具等。

　　近年来在Si3N4中添加一定数量的Al2O3构成新型陶瓷材料，称为赛纶(Sialon)陶瓷。
它可用常压烧结方法就能达到接近热压烧结氮化硅陶瓷的性能，是目前强度最高并有优异
的化学稳定性、耐磨性和热稳定性的陶瓷。

　　(2)氮化硼陶瓷

　　氮化硼陶瓷的主晶相是BN，属于共价晶体，其晶体结构与石墨相仿为六方晶格，故有
白石墨之称。此类陶瓷具有良好的耐热性和导热性，其导热率与不锈钢相当；热膨胀系数
小(比其它陶瓷及金属均低得多)，故其抗热震性和热稳定均好；绝缘性好，在2000℃的高
温下仍是绝缘体；化学稳定性高，能抵抗铁、铝、镍等熔融金属的侵蚀；硬度较其它陶瓷
低，可进行切削加工；有自润滑性。常用于制作热电偶套管、熔炼半导体及金属的坩锅、
冶金用高温容器和管道、玻璃制品成型模、高温绝缘材料等。此外，由于BN有很大的吸收
中子截面，可作核反应堆中吸收热中子的控制棒。

　　3．碳化物陶瓷

　　碳化硅陶瓷其主晶相是SiC，碳化硅是键能高而稳定的共价晶体。根据其烧结工艺不同
，可分为反应烧结碳化硅和热压烧结碳化硅陶瓷。此类陶瓷的最大优点是高温强度高，而
室温强度稍低；在1400℃时其抗弯强度保持在500～600MPa，而其它陶瓷在1200℃～1400℃
时强度已显著降低。其次，导热性好，仅次于氧化铍陶瓷；热稳性、抗蠕变性能、耐磨性
、耐蚀性都优于Si3N4。主要用于制作火箭尾喷管的喷嘴、浇注金属用的浇道口、炉管、燃
气轮机叶片、热交换器及核燃料的包封材料等。常用工程结构陶瓷的种类、性能和用途见
下表。

　　脆性大、韧性低、难以加工成型是制约结构陶瓷发展及应用的主要原因。近年来，国
内外都在陶瓷的成分设计、改变组织结构、创建新的工艺等方面加强了研究，以期达到增
韧及扩大品种的目的。“利用ZrO2进行相变增韧”、“纤维补强增韧”以及应用特殊工艺
及方法制造“微米陶瓷”及“纳米陶瓷”等增韧技术都取得了一定进展，这无疑会使结构
陶瓷在工程结构中的应用范围进一步扩大。

　　在结构陶瓷发展的同时，种类繁多、性能各异的功能陶瓷也不断涌现。导电陶瓷、压
电陶瓷、快离子导体陶瓷、磁性陶瓷、光学陶瓷(例如光导纤维、激光材料)、敏感陶瓷(例
如传感器陶瓷)、超导陶瓷、陶瓷集成等陶瓷材料在各个领域中正发挥着巨大的作用。
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