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    陶瓷基礎知識及工業陶瓷的應用

    時間: 2019-12-14 15:31:25來源: 宜興市巖邦特種陶瓷有限公司

    一、陶瓷基礎知識

    陶瓷材料是除金屬和高聚物以外的無機非金屬材料通稱。陶瓷材料通常由三種不同的相組成,即晶相、玻璃相和氣相。晶相是陶瓷材料中主要的組成相,決定陶瓷材料物理化學性質的主要是晶相。玻璃相的作用是充填晶粒間隙、粘結晶粒、提高材料致密度、降低燒結溫度和控制晶粒長大。氣相是在工藝過程中形成并保留下來的。  

    陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等,因而其結合鍵以離子鍵(如Al2O3)、共價鍵(如Si3N4)及兩者的混合鍵為主。  

    陶瓷材料的性能特點 :

    陶瓷材料具有高熔點、高硬度、高化學穩定性,耐高溫、耐氧化、耐腐蝕等特性。

    陶瓷材料還具有密度小、彈性模量大、耐磨損、強度高等特點。

    功能陶瓷還具有電、光、磁等特殊性能。    

    陶瓷材料的工藝特點:

    陶瓷是脆性材料,大部分陶瓷是通過粉體成型和高溫燒結來成形的,因此陶瓷是燒結體。

    燒結體也是晶粒的聚集體,有晶粒和晶界,所存在的問題是其存在一定的氣孔率。

    二、陶瓷材料的分類

    1、按化學成分分類

    可將陶瓷材料分為氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷及其它化合物陶瓷。

    2、按使用的原材料分類

    可將陶瓷材料分為普通陶瓷和特種陶瓷。普通陶瓷以天然的巖石、礦石、黏土等材料作原料。特種陶瓷采用人工合成的材料作原料。

    3、按性能和用途分類

    可將陶瓷材料分為結構陶瓷和功能陶瓷兩類。

    三、常用工業陶瓷及應用

    1、普通陶瓷

    普通陶瓷是用粘土(Al2O3·2SiO2·2H2O)、長石(K2O·Al2O3·6SiO2,Na2O·Al2O3·6SiO2)和石英(SiO2)為原料,經成型、燒結而成的陶瓷。其組織中主晶相為莫來石(3Al2O3·2SiO2),占25~30%,玻璃相占35~60%,氣相占1~3%。

    普通陶瓷加工成型性好,成本低,產量大。除日用陶瓷、瓷器外,大量用于電器、化工、建筑、紡織等工業部門。

    2、氧化鋁陶瓷

    氧化鋁陶瓷以Al2O3為主要成分, 含有少量SiO2的陶瓷,又稱高鋁陶瓷。根據Al2O3含量不同分為75瓷(含75%Al2O3,又稱剛玉-莫來石瓷)、95瓷和99瓷,后兩者又稱剛玉瓷。氧化鋁陶瓷耐高溫性能好,可使用到1950℃,。具有良好的電絕緣性能及耐磨性。微晶剛玉的硬度極高(僅次于金剛石)。.  

    氧化鋁陶瓷被廣泛用作耐火材料,如耐火磚、坩堝、熱偶套管,淬火鋼的切削刀具、金屬拔絲模,內燃機的火花塞,火箭、導彈的導流罩及軸承等。

    3、氮化硅(Si3N4)陶瓷

    氮化硅是由Si3N4四面體組成的共價鍵固體。氮化硅的強度、比強度、比模量高;硬度僅次于金剛石、碳化硼等;摩擦系數僅為0.1~0.2;熱膨脹系數??;抗熱震性大大高于其他陶瓷材料;化學穩定性高。

    熱壓燒結氮化硅用于形狀簡單、精度要求不高的零件,如切削刀具、高溫軸承等。反應燒結氮化硅用于形狀復雜、尺寸精度要求高的零件,如機械密封環等。


    4、碳化硅(SiC)陶瓷

    碳化硅是通過鍵能很高的共價鍵結合的晶體。碳化硅是用石英沙(SiO2)加焦碳直接加熱至高溫還原而成:SiO2+3C→SiC+2CO。碳化硅的燒結工藝也有熱壓和反應燒結兩種。由于碳化硅表面有一層薄氧化膜,因此很難燒結,需添加燒結助劑促進燒結,常加的助劑有硼、碳、鋁等。碳化硅的較大特點是高溫強度高,有很好的耐磨損、耐腐蝕、抗蠕變性能,其熱傳導能力很強,僅次于氧化鈹陶瓷。

    碳化硅陶瓷用于制造火箭噴嘴、澆注金屬的喉管、熱電偶套管、爐管、燃氣輪機葉片及軸承,泵的密封圈、拉絲成型模具等。

    5、氧化鋯陶瓷

    氧化鋯的晶型轉變:立方相?四方相?單斜相。四方相轉變為單斜相非常迅速,引起很大的體積變化,易使制品開裂。在氧化鋯中加入某些氧化物(如CaO、MgO、Y2O3等)能形成穩定立方固溶體,不再發生相變,具有這種結構的氧化鋯稱為完全穩定氧化鋯(FSZ),其力學性能低,抗熱沖擊性差。減少加入的氧化物數量,使部分氧化物以四方相的形式存在。由于這種材料只使一部分氧化鋯穩定,所以稱部分穩定氧化鋯(PSZ)。氧化鋯中四方相向單斜相的轉變可通過應力誘發產生。當受到外力作用時,這種相變將吸收能量而使裂紋頂端的應力場松弛,增加裂紋擴展阻力,從而大幅度提高陶瓷材料的韌性。  

    部分穩定氧化鋯的導熱率低,絕熱性好;熱膨脹系數大,接近于發動機中使用的金屬,抗彎強度與斷裂韌性高,除在常溫下使用外,已成為絕熱柴油機的主要侯選材料,如發動機汽缸內襯、推桿、活塞帽、閥座、凸輪、軸承等。

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