合工大機械工程材料教案第10章 陶瓷材料

第十章陶瓷材料

陶瓷是陶器和瓷器的總稱。許多科學工作者將陶瓷、玻璃、耐火材料、磚瓦、水泥、石膏等凡是經原料配制、坯料成型和高溫燒結而制成的固體無機非金屬材料都叫做陶瓷。

§10.1傳統陶瓷與先進陶瓷陶瓷可粗略地分為傳統陶瓷和先進陶瓷。其中，傳統陶瓷是利用天然硅酸鹽礦物(如黏土、石英、長石等)為原料制成的陶瓷，又稱普通陶瓷。先進陶瓷是采用高純度的人工合成原料(如氧化物、氮化物、碳化物、硅化物、硼化物等)制成的具有各種獨特而優異的力學、物理或化學性能的陶瓷，又稱特種陶瓷、新型陶瓷、現代陶瓷或精細陶瓷。

一.陶瓷性能的特點陶瓷的性能與多種因素有關，波動范圍很大，但還是存在一些共同的特性。1.力學性能陶瓷有很高的彈性模量，一般高于金屬2～4個數量級。陶瓷的硬度很高，一般遠高于金屬和高聚物。例如，各種陶瓷的硬度多為1000—5000HV，淬火鋼為500～800HV，高聚物一般不超過20HV。陶瓷材料的理論強度很高，然而陶瓷存在大量氣孔、缺陷，致密度小，致使它的實際強度遠低于理論強度。金屬材料的實際抗拉強度和理論強度的比值為1／3—1／50，而陶瓷常常低于1／100。陶瓷的強度對應力狀態特別敏感，它的抗拉強度雖低，但抗壓強度高，因此要充分考慮與設計陶瓷應用的場合。陶瓷一般具有優于金屬的高溫強度，高溫抗蠕變能力強，且有很高的抗氧化性，適宜作高溫材料。陶瓷在室溫幾乎沒有塑性，但在高溫慢速加載的條件下，特別是組織中存在玻璃相時，陶瓷也能表現出一定的塑性。陶瓷的韌性低、脆性大，是陶瓷結構材料應用的主要障礙。2.物理性能陶瓷的熱膨脹系數比高聚物和金屬低得多。陶瓷的導熱性比金屬差，多為較好的絕熱材料。抗熱震性是指材料在溫度急劇變化時抵抗破壞的能力，一般用急冷到水中不破裂所能承受的最高溫差來表達。多數陶瓷的抗熱震性差，例如，日用陶瓷的抗熱震性為220℃。陶瓷的導電性能變化范圍很大，。多數陶瓷具有良好的絕緣性，是傳統的絕緣材料。但有些陶瓷具有一定的導電性，甚至出現陶瓷超導。3.化學性能陶瓷的結構非常穩定，常溫下很難同環境中的氧發生作用。陶瓷對酸、堿、鹽等的腐蝕有較強的抵抗能力，也能抵抗熔融的有色金屬(如鋁、銅等)的侵蝕。但在有些情況下，例如，高溫熔鹽和氧化渣等會使某些陶瓷材料受到腐蝕破壞。

二.傳統陶瓷傳統陶瓷成本低，加工成型性好，質地堅硬，不氧化，耐腐蝕，不導電，能耐一定高溫。但強度較低，高溫性能也不及先進陶瓷。普通陶瓷廣泛用于日用、電氣、化工、建筑、紡織中對強度和耐溫性要求不高的領域，例如鋪設地面、輸水管道和隔電絕緣器件等。

三.先進陶瓷1.氧化鋁陶瓷一般所說的氧化鋁陶瓷是指含Al2O3，在95％以上的氧化鋁陶瓷又稱為剛玉瓷。剛玉瓷的玻璃相和氣孔都很少。氧化鋁陶瓷的強度大大高于普通陶瓷。硬度很高，僅次于金剛石、立方氮化硼、碳化硼和碳化硅，居第五位。耐高溫性能好，含Al2O3，高的剛玉瓷能在1600℃的高溫下長期使用，蠕變很小，也不存在氧化的問題。具有優良的電絕緣性能。由于鋁氧之間鍵合力很大，氧化鋁又具有酸堿兩重性，所以氧化鋁陶瓷特別能耐酸堿的侵蝕，高純度的氧化鋁陶瓷也非常能抵抗金屬或玻璃熔體的侵蝕，廣泛用來制備耐磨、抗蝕、絕緣和耐高溫材料。2.氧化鎂陶瓷MgO陶瓷在高溫下抗壓強度較高，能承受較大負重，但抗熱震性差。能抵抗熔融金屬及堿性渣的腐蝕。可制作坩堝、爐襯和高溫裝置等。3.氧化鋯陶瓷ZrO2噸陶瓷呈弱酸性或惰性，耐侵蝕，耐高溫，但抗熱震性差。主要用作坩堝、爐子和反應堆的隔熱材料、金屬表面的防護涂層等，也常常是陶瓷增韌的材料。4.碳化硅陶瓷SiC陶瓷具有高硬度和高的高溫強度，在1600℃高溫仍可保持相當高的抗彎強度，而其他的陶瓷材料在1200—1400℃時強度就要明顯下降。碳化硅有很高的熱傳導能力，抗熱震性高，抗蠕變性能好，化學穩定性好。碳化硅主要用作高溫結構材料，應用十分廣泛。例如，火箭尾噴管的噴嘴、熱電偶套管等高溫零件。還可用作高溫下熱交換器的材料、核燃料的包裝材料等。此外，SiC還常作為耐磨材料，用于制作砂輪、磨料等。5.氮化硅陶瓷Si3N4陶瓷具有優異的化學穩定性和良好的電絕緣性能。強度、硬度高，摩擦系數小，是一種優良的耐磨材料；熱膨脹系數小，抗熱震性高。氮化硅常用于耐高溫、耐磨、耐蝕和絕緣的零件。例如高溫軸承、燃氣輪機葉片等。近年來，在Si3N4中添加一定數量的A1203構成Si-A1-O-N系統的新型陶瓷材料，稱為賽隆(sialon)陶瓷。這類陶瓷的最大突破在于制備工藝的簡單。6.氮化硼陶瓷氮化硼通常為六方BN，六方BN在高溫高壓下可以轉變為立方BN。六方BN導熱性好，熱膨脹系數小，抗熱震性高，是優良的耐熱材料；具有高溫絕緣性，是一種優質電絕緣體；硬度低，有自潤滑性，可進行機械加工：化學穩定性好，能抵抗許多熔融金屬和玻璃熔體的侵蝕。因此，它可做耐高溫、耐腐蝕的潤滑劑、耐熱涂料和坩堝等。立方BN的硬度極高，接近金剛石，是優良的耐磨材料。

§10.2玻璃玻璃是非晶無機非金屬材料。工業用玻璃一般是用多種無機礦物(如石英砂、硼砂、硼酸、重晶石、碳酸鋇、石灰石、長石、純堿等)為主要原料，另外加入少量輔助原料制成的。它的主要成分為二氧化硅和其他氧化物。

一.玻璃的性能玻璃的理論強度很高，而實際強度僅為理論強度的1％以下。具有很高的抗壓強度，而抗拉強度較低。玻璃的硬度比較高，脆性很大。常溫下一般玻璃是絕緣體。隨溫度上升，玻璃的導電性迅速提高，達到熔融狀態時，玻璃成為良導體。玻璃的導熱性很差，一般不耐溫度變化。熱膨脹系數較小。玻璃的化學性質較穩定，但不耐氫氟酸和堿。

二.常見玻璃1.普通玻璃（鈉鈣玻璃）普通玻璃是由石英和氧化鈉或氧化鈣等金屬氧化物熔化，可用于制造對耐熱、化學穩定性沒有特殊要求的玻璃制品。2.鋁玻璃用氧化鉛代替普通玻璃中的氧化鈣制成。高氧化鉛含量的鉛玻璃對于高能輻射有屏蔽作用，因此可用于輻射窗口、電視機顯像管，還可用作某些光學玻璃(如消色差透鏡等)以及裝飾玻璃等。3.硼硅酸鹽玻璃硼硅酸鹽玻璃是用氧化硼取代普通玻璃中的部分堿金屬氧化物而得到的。它具有良好的化學穩定性，因而在化學工業上得到廣泛應用。4.石英玻璃石英玻璃是由各種純凈的天然石英(如水晶、石英砂等)熔化制成。線膨脹系數極小，是普通玻璃的1／10—1／20，有很好的抗熱震性。它的耐熱性很高，經常使用溫度為1100～1200℃，短期使用溫度可達1400℃。石英玻璃主要用于實驗室設備和特殊高純產品的提煉設備。由于它具有高的光譜透射，不會因輻射線損傷(其他玻璃受輻射線照射后會發暗)，因此也是用于宇宙飛船、風洞窗和分光光度計光學系統的理想玻璃。5.鋼化玻璃鋼化玻璃又稱淬火玻璃。它是將普通玻璃采用淬火或化學方法制成的高強度玻璃。它的強度比普通玻璃高得多，不易破碎。一旦破碎，其碎片棱角圓滑，不易傷人，是很好的安全玻璃，可用作窗玻璃。6.微晶玻璃在玻璃中加入某些成核物質，通過熱處理、光照射，或化學處理等手段，在玻璃內均勻地析出大量的微小晶體，形成致密的微晶相和玻璃相的多相復合體，稱為微晶玻璃。通過控制微晶的種類數量、尺寸大小等，可以獲得透明微晶玻璃、膨脹系數為零的微晶玻璃、表面強化微晶玻璃、不同色彩或可切削微晶玻璃。

§10.3耐火材料耐火材料是指耐火度不低于1580℃的無機非金屬材料。

一.耐火材料的性能要求1.耐火度耐火度是指無荷重時材料抵抗高溫作用而不熔化的性能。2.荷重軟化溫度荷重軟化溫度表示耐火材料抵抗高溫和負荷共同作用而保持穩定的能力。3.高溫體積穩定性高溫體積穩定性是指耐火材料在高溫長期作用下外形體積或線度保持穩定而不發生永久變形的性能。高溫體積穩定性對避免砌筑體開裂和造成設備損壞有重要意義。4.抗熱震性耐火材料在使用過程中，經常會受到溫度急劇變化的作用，因此耐火材料必須具備高的抗熱震性。5.抗渣性抗渣性指耐火材料抵抗熔渣或其他熔液侵蝕而不損壞的能力。耐火材料在與熔液直接接觸的高溫冶煉爐、熔化爐、煅燒爐和反應爐等窯爐和高溫容器中，極易受熔渣侵蝕而損壞。因而，提高耐火材料的抗渣性，對提高砌筑體的使用壽命是很有意義的。6.耐真空性耐真空性是指耐火材料在真空和高溫下工作時的耐久性。耐火材料在高溫減壓下工作時，其中一些組分容易揮發，同時材料與介質間的一些化學反應也更易進行，使許多耐火材料的耐久性降低。

二.常見耐火磚1)黏土磚黏土磚的主要成分是氧化鋁和二氧化硅，屬于中性耐火材料。荷重軟化溫度為1350℃，使用溫度不超過1000℃，有很好的耐急冷急熱性能。2)半硅磚半硅磚是由石英和耐火黏土混合制成，屬于半酸性耐火材料。其特點是重燒線收縮很小，抗渣性也好。主要用于轉爐、電爐和化鐵爐等。3)高鋁磚高鋁磚是氧化鋁含量大于48％的硅酸鋁質耐火材料，其他組成是二氧化硅。它的耐火度和荷重軟化溫度都比黏土磚高，抗渣性較好，抗壓強度也大。4)硅磚硅磚中二氧化硅含量大于93％，由二氧化硅加入石灰和黏土燒制而成，屬于酸性耐火材料。硅磚的高溫強度好，荷重軟化溫度幾乎接近耐火度，可達1650—1660℃，但抗熱震性差。主要用于煉鋼爐、焦爐和玻璃熔爐等。5)輕質磚輕質磚含有較多的氣孔，因而不僅耐火而且絕熱。主要用作爐子中的保溫層，降低設備的熱損失，減少燃料消耗。但它的抗熱震性差，抗渣性和抗壓強度都低。所以，一般不能直接與火焰或熔渣接觸。6)鎂質耐火磚主要是鎂磚，其中氧化鎂的含量為85％左右，是堿性耐火材料。耐火度很高，在2000℃以上，但抗熱震性很差。主要用于堿性平爐、電爐及有色金屬冶金爐等。7)炭磚以無煙煤、焦炭為原料，加入瀝青等結合劑，加熱混煉、成型并在還原氣氛中燒成。炭磚的特點是耐火度高、抗渣性強、抗熱震性好、高溫結構強度高，但容易氧化。可用于高爐爐缸和爐底、鐵合金電爐爐襯以及煉鋁電解槽等。

三.耐火纖維耐火纖維是纖維狀的耐火材料，是一種高效絕熱材料。它具有一般纖維的特性(如柔軟、強度高等)，可加工成各種紙、帶、線繩、氈和毯等，又具有普通纖維所沒有的耐高溫、耐腐蝕和抗氧化的性能，克服了一般耐火材料的脆性。同時，有非常顯著的節能效果。目前發展最快應用最多的是硅酸鋁耐火纖維，其主要化學成分是氧化鋁和二氧化硅。硅酸鋁纖維及其制品的耐火度多數可達1700℃以上，具有彈性好，熱膨脹小，熱傳導小，重量輕，抗熱震性好，安裝容易等優點，廣