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陶瓷材料—— Ryan Lee 2013 10 23第一部分 陶瓷基础知识1. 陶瓷的性能(1)硬度是各类材料中最高的高聚物99%) ，在沉积岩中的石英砂岩（ SiO2 =90~95%) ，地面风化 后有石英砂； • 水晶（最纯）、鹅卵石（最不纯）； • SiO2在常压下有七种结晶态和一个玻璃态：α-石英（三 方晶系）、β-石英（六方）、 α-鳞石英（斜方）、β-鳞石 英（六方）、 γ -鳞石英（六方）、 α-方石英（四方）、 β-方石英（等轴）及石英玻璃（非晶态）光学石英玻璃（2）Al2O3(刚玉)陶瓷• Al2O3陶瓷通常称刚玉瓷，与天然矿物刚玉同名，天然刚玉是一种纯氧化 铝矿物； •工业生产的刚玉主要成分是Al2O3和SiO2， Al2O3 含量越高， Al2O3陶瓷性 能越好； • 刚玉瓷这一名词只限于氧化铝含量为95%以上的，主晶相为刚玉的陶瓷 材料，工业上大量生产氧化铝含量为95%的刚玉瓷（简称95瓷），也生产 97%、99%的刚玉瓷； •刚玉瓷具有较高的室温和高温机械强度、很好的绝热性能、 高化学稳定 性、良好的介电性能、高硬度、高耐磨性； •用途： 1.高温热电偶套管、坩埚、电子陶瓷材料的热压烧结模具、高温炉衬、内 燃机火花塞、航空火花塞； 2.化工高压机械泵零件、理化器皿，酸、碱都不与其发生化学作用； 3.电绝缘、无线电、电真空等技术中使用的陶瓷元件，如雷达天线罩、微 波电介质、超高频大功率电子管的支架、集成电路的构件等； 4.高速切削工具、轴承、磨料磨具等； 致密的刚玉可用作电真空陶瓷；氧化铝透明陶瓷高压钠灯的灯管、红外光管的窗口等；多孔（氧孔率达90%）的氧化铝陶瓷在1700~1750ºC温度范 围内的优良绝热材料；刚玉瓷作为很前途的生物陶瓷材料，已被制成骨移植器件 ，人工关节，应用于临床医学；等等。

其它用途：刚玉陶瓷缺点是脆性大，抗热振性差，不能承受环境温度的突然变化羟基磷灰石（HA）是一种活性陶瓷材料,由于其成份接近生物机体骨骼的无机成份 、能诱发新骨生长、具有良好的生物相容性和生物活性等特点,作为替代材料已广 泛应用于人体硬组织的修复 （3）ZrO2陶瓷• ZrO2 陶瓷熔点高（2667ºC，在单一的纯氧化物中仅次于ThO2-3330ºC、MgO -2800ºC、HfO2-2770ºC），导热系数小；• 自然界中分布最广的二氧化锆是天然矿物斜锆矿，一般含80%~90%，质量 最好的可达96%~99% ；• 另一种分布较广的是锆英石（ZrSiO4）， ZrO2 –67.03%、SiO2-32.97%；• ZrO2有三种晶型：立方结构、四方结构、单斜结构三者可以相互转化立方四方单斜1200ºC1000ºC2300ºC2300ºC部分稳定氧化锆的断裂韧性远高于其他结构陶瓷，并由此获得了“陶瓷钢”的 称誉，也常用这类材料去增韧其他陶瓷材料即氧化锆增韧陶瓷（ZTC） ；• 氧化锆增韧氧化铝陶瓷材料的强度达1200MPa、断裂韧度为15.0MPa·m1/2 ，分别比原氧化铝提高了3倍和近3倍；• 应用：可代替金属制造模具、拉丝模、泵叶轮，还可制造汽车零件。

•MgO陶瓷，熔点高、呈碱性，可以制作坩埚，炉衬，高温装置• BeO陶瓷，导热性好，具有高的热稳定性，强度较差，用于制造熔化某些纯金属的坩埚，还可用作真空陶瓷和原子反应堆用陶瓷；• ThO2、UO2陶瓷，具有很高的熔点、高的密度，并具有放射性，主要用于制造熔化铑、铂、银和其他金属的坩埚、电炉构件、动力反应堆中的放 热元件等；• 莫来石，是Al2O3-SiO2系中唯一稳定的二元化合物，其组成可在 3Al2O3•2SiO2到2Al2O3•SiO2之间变化， 3Al2O3•2SiO2为化学计量莫来石：1.结构空隙大、比较疏松，具有较低的热膨胀系数、低的热导率和热容，弹性模量也较低，因而具有良好的绝热、抗震和耐腐蚀性；2.具有较低的蠕变性（指材料受不变的拉力下,长度不断伸长的现象蠕变使筋材承受拉力的能力不断下降 ）；3.大多数结构陶瓷其强度随温度上升均有不同程度的退化，而莫来石在一定组成和温度内不仅不下降反而有一定的起跳4）其它氧化陶瓷常见氧化物陶瓷的基本性能3.2.2 非氧化物陶瓷氮化物陶瓷（1）氮化硅陶瓷它是以Si3N4为主要成分的陶瓷，按其制造工艺不同可分为热压烧结 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 有20%～30%气孔，特点：氮化硅陶瓷硬度高，摩擦因子小，只有0.1～0.2，具有自润滑 性；蠕变抗力高，热膨胀系数小，抗热振性能在陶瓷中最佳，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；同时具有优异的电绝缘性能应用：反应烧结氮化硅陶瓷主要用于制作形状复杂、尺寸精度高、耐热、抗蚀、耐磨、绝缘制品热压烧结氮化硅陶瓷只用于制作形状简 单的耐磨、耐高温零件2）氮化硼陶瓷氮化硼陶瓷的主要晶相是BN，属于共价晶体，其晶体结构与石墨相仿为六方晶格，因而有白石墨之称；高温（1500∼2000ºC）、高压（6∼9×103MPa）下，六方BN可转化 为立方BN，其硬度接近于金刚石，是极好的耐磨材料特点：具有良好的耐热性和导热性，其热导率与不锈钢相当；热膨胀系数小，绝缘性好，化学稳定性高；硬度较其它陶瓷低，易于切 削加工；有自润滑性应用：常用于制作热电偶套管、坩埚、高温容器和管道3） 氮化钛TiN陶瓷是一种新型结构陶瓷，硬度大、熔点高（2950ºC）、化学稳定性好，且具有动人的金黄色金属光泽，是一种很好的耐火耐磨材料和受人欢 迎的代金装饰材料。

还有导电性，可用作熔盐电解的电极材料以及电触头等；具有较高的超导临界温度，是一种优良的超导材料氮化钛圆锯片钛金首饰，将氮化钛薄膜镀在金属 表面，以假乱真碳化物陶瓷碳化物陶瓷包括碳化硅、碳化铈、碳化钼、碳化铌、碳化钛、碳化钨、碳化钽、碳化钒、碳化锆、碳化铪等特点：具有很高的熔点、硬度和耐磨性缺点：耐高温氧化能力差，脆性极大 （1）碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷在碳化物陶瓷中应用最广泛其密度为3.2×103kg·m-3，弯 曲强度和抗压强度分别为200～250MPa和1000～1500MPa，硬度为莫氏9.2特点：热导率高，而热膨胀系数小应用：常用于制作加热组件、石墨表面保护层及砂轮和磨料等 （2）碳化硼陶瓷硬度极高，抗磨粒磨损能力很强，熔点高达2450℃左右在高 温下会很快氧化，使用温度范围应限定在980℃以下应用：主要用于制作磨料和超硬质工具材料 （3）其它碳化物陶瓷碳化铈、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，通常在2000℃以上的中性或还原气氛中作高温材 料在各类碳化物陶瓷中，碳化铪的熔点最高，达2900℃4）硼化物陶瓷 常见的有硼化铬、硼化钼、硼化钛、硼化钨和硼化锆等。

特点：高硬度，具有较好的耐化学浸蚀能力其熔点范围为 1800～2500℃，具有较高的抗高温氧化性能，使用温度达1400℃应用：主要用于高温轴承、内燃机喷嘴和各种高温器件 第二部分 先进陶瓷材料的应用陶瓷不粘锅—被特富龙风波逼出的世界冠军尽管国家早有“不粘锅无毒”的定论，但是屡屡困扰国内炊具行业的 “特富龙风波”还是卷土重来日前，美国环保署(EPA)下属的科学顾问 委员会专家小组达成共识，建议将生产“特富龙”等品牌不粘和防锈产品 的关键化工原料—全氟辛酸铵及其盐类(PFOA)分类为“可能致癌物”消息一经国内媒体发布，即再度引起了业内外的极大关注新型陶瓷材料不粘锅技术 不粘锅的需求—中国人的饮食习惯Ø 锅的不粘性，主要体现在内表面的自由能足够低(液体一般用表面张力表示)， 以达到疏油的效果Ø 食用油的表面张力通常在26～28dyn/cm，要达到理想的疏油性，就要把锅的 内表面的自由能处理到26dyn/cm以下Ø 氟树脂的表面张力通常是17～19dyn/cm，而且非常持久，目前在涂料中几乎 难有超越者氟涂料耐温可以达到260℃，基本能够满足烹饪的要求Ø 陶瓷涂层的表面大多富含甲基官能团，其表面张力通常是21～23dyn/cm，也 有良好的不粘性，而且比含氟物质更加安全。

因此，相当一部分无烟锅企业也 把无机陶瓷涂层作为主要的宣传卖点之一Ø 陶瓷涂层也可以减少油烟的产生某国产品牌瓷膜涂料主要成分图 从这张图中可以看出，其主要成分为Si硅、Al铝、O氧等为 典型的无机结构，未检出F氟存在但在实际生产中，由于目前瓷膜涂料相对传统有机涂料而言，原料和施工成本有所上升，特别是不粘性的持久性与氟涂料相比还有一定差距，有部 分宣传使用了“陶瓷涂层”的厂家，实际上使用的是含氟的有机涂料严格意义上说，厚度仅30～40微米的瓷膜涂层，尽管比有机涂层硬度很高，但如果使用铁铲炒菜，在硬物的长期摩擦下，涂层也难免有一定脱落 有些厂家宣称无烟锅可以永久使用铁铲，其实也夸大了瓷膜涂层的耐磨性这些做法被媒体曝光后，误导了消费者对陶瓷涂层的认识，使消费者误 以为陶瓷涂层是用氟涂料做的、是骗人的，甚至造成消费者产生“无烟锅”＝“ 毒锅”的误解使部分讲求信誉、坚持使用瓷膜涂料的厂家在这一风波中也深受其害陶瓷刀具刀具材料的发展与进步对人类的文明史有着重要的影 响，刀具的使用作为划分远古人类历史发展时期的标志 在新石器时代，人类开始采用打磨的石料作刀具；以后青 铜和铁刀工具的出现也成为古代人类历史发展阶段的标志 。

在历史上，刀具的发展走过了漫长的历程，不过，从 1850年至今一百余年来，刀具材料获得快速的发展1898年高速钢工具问世，1923年德国研制成功WC-Co硬 质合金，并于1927年开始工业化生产，使切削加工技术的 历史发生了两次革命性的进步石器时代用燧石打制的刀箭 汉代青铜刀铁制道具各种切削刀具金属切削过程是一种复杂的物理化学过程要求切削刀具材料具备高硬度、高耐磨性、高强度和高断 裂韧性、高热硬度、良好的抗热震性、抗侵蚀和抗黏 着性等随着科学技术的不断发展，各行各业出现了 多种难切削材料，特别是高技术领域对切削加工的精 度、表面粗糙度和切削效率提出了越来越高的要求， 这就使得刀具材料不断创新和发展陶瓷刀具是以陶瓷材料为基础制作的用于金属切削的刀具，能在高速切削条件下保持高的强度、硬度 和耐磨性，并具有长的使用寿命切削难题—超硬材料的切削Ø 1905年德国人开始了用氧化铝制作陶瓷刀具的研究，1912年英国首获Al2O3陶 瓷刀具专利但是，直到20世纪50年代陶瓷刀具才真正达到实用化我国也于 20世纪50年代末期开始了Al2O3陶瓷刀具的研究，但是由于Al2O3陶瓷的强度和 韧性都较差，抗热震性也不好，它的发展和应用受到了严重的限制。

20世纪70 年代人们研制成功了Al2O3+TiO2系统复合陶瓷刀具，使Al2O3陶瓷刀具走出了缓 慢发展的低谷，成为解决超硬材冷加工的一种新型刀具材料Ø 20世纪70年代初美国生产的多晶金刚石刀具和多晶立方氮化硼刀具开始投放 市场，它们超群的硬度和耐磨性是其他刀具难以比拟的但是由于人造金刚石 和立方氮化硼的制造工艺复杂，价格昂贵，至今没有广泛地使用Ø 20世纪80年代初清华大学用热压氮化硅陶瓷和英国Lucas公司用Sialon陶瓷（ Si3N4和Al2O3的固溶体）制作刀具都取得良好的切削效果由于Si3N4陶瓷有较 高的强度、硬度和断裂韧性，又有较小的线膨胀系数，因而作为金属切削刀具 使用时，表现出很好的耐磨性、红硬性、抗机械冲击性和抗热冲击性Ø 20世纪90年代以来，像纳米颗粒和晶须增强陶瓷刀具、陶瓷涂层刀具、梯度 功能陶瓷刀具、超硬刀具材料等都得到了快速的发展，促进了加工制造业的技 术进步氮化硅陶瓷刀具陶瓷涂层刀具α-Al2O3与κ-Al2O3交替涂层的刀具陶瓷刀具适用于加工以下多种材质的产品：高锰钢；高。