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陶瓷分類
來源: | 作者:tianfengcn | 發布時間: 2021-03-20 | 188 次瀏覽 | 分享到:
陶瓷材料是用天然或合成化合物經過成形和高溫燒結制成的一類無機非金屬材料。具有高熔點、高硬度、高耐磨性、耐氧化等優點。可用作結構材料、刀具材料和模具材料,由于陶瓷還具有某些特殊的性能,又可作為功能材料。

陶瓷材料目前尚無統一的分類方法,通常把陶瓷材料分為玻璃、玻璃陶瓷和工程陶瓷3類。其中工程陶瓷又分為普通陶瓷和特種陶瓷兩大類。其中普通陶瓷又稱傳統陶瓷,特種陶瓷又稱現代陶瓷。


陶瓷材料是用天然或合成化合物經過成形和高溫燒結制成的一類無機非金屬材料。具有高熔點、高硬度、高耐磨性、耐氧化等優點。可用作結構材料、刀具材料和模具材料,由于陶瓷還具有某些特殊的性能,又可作為功能材料。


普通陶瓷


普通陶瓷又稱傳統陶瓷,其主要原料是黏土 (Al2O3·2SiO2·H2O)、石英 (SiO2) 和長石 (K2O·Al2O3·6SiO2)。通過調整3者比例,可得到不同的抗電性能、耐熱性能和機械性能。一般普通陶瓷堅硬,但脆性大,絕緣性和耐蝕性極好。

 

普通陶瓷通常分為日用陶瓷和工業陶瓷兩類。


特種陶瓷


特種陶瓷又稱現代陶瓷,按應用包括特種結構陶瓷和功能陶瓷兩類,如壓電陶瓷、磁性陶瓷、電容器陶瓷、高溫陶瓷等。工程上最重要的高溫陶瓷,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.氧化物陶瓷的性質 


Ⅰ.熔點大多在2000℃以上,燒成溫度在1800℃左右。在燒成溫度時,氧化物顆粒發生快速燒結,顆粒間出現固體表面反應,從而形成大塊陶瓷晶體 (單相),或有少量氣體產生。 


Ⅱ.氧化物陶瓷的強度隨溫度升高而降低,但在1000℃以下一直保持較高強度,隨溫度變化不大。 


Ⅲ.純氧化陶瓷都是很好的高溫耐火度結構材料,在任何情況下陶瓷都不會產生氧化。 


b.氧化物陶瓷的種類 


Ⅰ. 氧化鋁陶瓷 


氧化鋁的結構是O排成密排六方結構,Al占據間隙位置。自然界很少有純氧化鋁,根據含雜質的多少,氧化鋁可呈紅色或藍色。實際生產中,氧化鋁陶瓷Al2O3含量可分為75、95、99等幾種瓷。 


氧化鋁的熔點高達2050℃,而且抗氧化性好,硬度高,微晶剛玉紅硬性可達1200℃。常用于制造金屬拔絲模及切削淬火鋼刀具。


Ⅱ.氧化鈹陶瓷


以氧化鈹為主要成分的陶瓷。純氧化鈹 (BeO) 屬立方晶系。密度3.03 g/㏄,熔點2570℃。具有很高的導熱性,幾乎與純鋁相等,還有很好的抗熱震性。


粉末有劇毒性,且使接觸傷口難于愈合。以氧化鈹粉末為原料加入氧化鋁等配料經高溫燒結而成。制造這種陶瓷需要良好的防護措施。氧化鈹在含有水汽的高溫介質中,揮發性會提高,1000℃開始揮發,并隨溫度升高揮發量增大,這就給生產帶來困難,有些國家已不生產。 


制品性能優異,雖價格較高,仍有相當大的需求量。主要用作大規模集成電路基板,大功率氣體激光管,晶體管的散熱片外殼,微波輸出窗和中子減速劑等材料。在模具應用方面亦有用制造精密玻璃模具。 


Ⅲ. 氧化鋯陶瓷


Ⅰ.氧化鋯陶瓷的熔點在2700℃以上,能耐2300℃的高溫,其推薦使用溫度為2000℃~2200℃。因此,可以作反應堆絕熱材料。氧化鋯作為添加劑可大大提高陶瓷的強度和韌性,生產出氧化鋯增韌陶瓷 (PSZ)。


Ⅱ.氧化鋯增韌陶瓷具有多相結構,在不同溫度和壓力下可有3種不同的晶形結構,從而在合適的條件下應力可誘發相變和相變韌化,大幅度地提高斷裂韌性。氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷材料,其強度達1200 MPa,斷裂韌性為15MPa·m。


Ⅲ.氧化鋯增韌陶瓷具有滿足熱擠壓模具要求的性能,具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損的特點,特別是承受高溫高壓,永久變形小,比碳化鎢、鎳基或鈷基硬質合金更為適合熱擠壓模。


Ⅳ.氧化鋯增韌陶瓷硬度超過金屬,韌性比一般陶瓷高,有很高的化學穩定性,至少耐高溫800℃。金屬粉末擠壓模溫度可達到600℃,銅棒擠壓模工作在950℃,氧化鋯增韌陶瓷制造的模具可比硬質合金模使用壽命高幾十倍。含氧化鎂的PSZ其抗彎強度可達400 MPa。


Ⅴ.氧化鋯增韌陶瓷的缺點是無延展性,熱導率低,熱膨脹與金屬材料并不匹配,在設計和使用時應該加以考慮。氧化鋯和由于其優良的使用性能生產拉絲模、拉深模等,常用于拉深不銹鋼工藝。


②碳化物陶瓷


碳化物陶瓷包括碳化硅、碳化硼、碳化鈰、碳化鉬、碳化鈮、碳化鋯、碳化鈦、碳化釩、碳化鎢、碳化鉭等。這類碳化物具有很高的熔點、硬度和耐磨性,但耐高溫氧化能力差 (約900℃~1000℃),脆性較大。 


a.碳化物陶瓷的性質


Ⅰ.碳化物陶瓷具有高熔點。例如碳化鈦的熔點是3460℃,碳化鎢的熔點2720℃,碳化鋯的熔點3540℃。


Ⅱ.碳化物陶瓷硬度較高。例如碳化硼是僅次于金剛石和立方氮化硼最硬材料。


Ⅲ. 良好的導熱性和化學穩定性。碳化物陶瓷不與酸發生反應,個別金屬碳化物陶瓷即使加熱也不與酸發生反應,最穩定的碳化物陶瓷甚至不受硝酸+氫氟酸混合液的腐蝕。


b.碳化物陶瓷的分類


Ⅰ.碳化硅陶瓷


碳化硅陶瓷密度為 3.2×10 kg/m3,彎曲強度為200~250 MPa,抗壓強度1000~1500 MPa,硬度莫氏9.2,熱導率很高,熱膨脹系數很小,在900℃~1300℃時慢慢氧化。


Ⅱ.碳化硼陶瓷


碳化硼陶瓷硬度極高,抗磨粒磨損能力很強; 熔點達2450℃,高溫下會快速氧化,與熱或熔融黑色金屬發生反應,使用溫度限定在980℃以下。主要用于作磨料,有時用于制造超硬質工具材料。


Ⅲ.其他碳化物陶瓷


碳化鉬、碳化鈮、碳化鉭、碳化鎢和碳化鋯陶瓷的熔點和硬度都很高,在2000℃以上的中性或還原氣氛作高溫材料; 碳化鈮、碳化鈦用于2500℃以上的氮氣氣氛中的高溫材料。 


碳化物陶瓷主要用于化工、汽車工業、核工業、微電子工業、激光等領域作高溫材料或高功率材料。在模具制造中,常用于耐磨、耐蝕性拉絲模、成型模、熱壓鑄模具、蜂窩陶瓷模具等。


③硼化物陶瓷


a.硼化物陶瓷的性質


Ⅰ.優良的高溫特性。熔點范圍為1800℃~2500℃,具有較高的抗高溫氧化性能,使用溫度達1400℃。在800℃的高溫下其彎曲強度也幾乎不下降,而且其硬度隨溫度上升而下降的比例也較其他材料小。


Ⅱ.具有高韌性。在室溫下,其斷裂韌性值KIC達30 MN/m功,此一數值相當于有代表性的工程陶瓷碳化硅的6~8倍。當B4C的晶粒細化到5μm時,強度為500~600 MPa,晶粒尺寸小于1μm時,強度達1000 MPa以上。 


Ⅲ.硬度高,耐磨性好。硬度為1000 HV左右,具有高的剪切模量。耐化學浸蝕能力,難揮發,但高溫抗蝕性、抗氧化性較差。 


b.硼化物陶瓷的類型


常用的硼化物陶瓷分別以二硼化鋯 (ZrB2)、二硼化鈦(TiB2)、六硼化鑭 (LaB6) 等硼化物制成的硼化鋯陶瓷、硼化鈦陶瓷、硼化鉻陶瓷、硼化鉬陶瓷和硼化鎢陶瓷等。 


硼化物陶瓷具有高熔點、高硬度、高化學穩定性以及高耐磨、耐腐蝕性等特點,是重要的耐火材料之一。在核工業、宇航等領域有著廣泛應用。主要用于高溫軸承、內燃機噴嘴、各種高溫器件、處理熔融非鐵金屬的器件、電觸點材料、耐磨材料及工具材料等。在模具制造中常用于制造模具結構元件、耐熱構件等。


④氮化物陶瓷


氮化物陶瓷是氮與金屬或非金屬元素以共價鍵相結合的難熔化合物為主要成分的陶瓷。


Ⅰ.氮化物陶瓷的性質


a. 以四氮化三硅陶瓷的抗氧化能力最佳,1400℃時開始活性氧化,抗化學腐蝕性很好。有的還具有特殊的機械、介電或導熱性能。


b.燒結較困難。先制出優質粉末原料,然后采用氮化反應燒結法和熱壓法燒結法、熱等靜壓燒結法等制成陶瓷制品。


Ⅱ.氮化物陶瓷的類型


應用較廣的陶瓷有四氮化三硅 (Si3N4)、氮化硼 (BN)、氮化鋁(AlN) 等陶瓷。


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