陶瓷的显微结构及性能

陶瓷材料的力学性能陶瓷材料陶瓷、金属、高分子材料并列为当代三大固体材料之间的主要区别在于化学键不同。

金属：金属键高分子：共价键（主价键）范德瓦尔键（次价键）陶瓷：离子键和共价键。

普通陶瓷，天然粘土为原料，混料成形，烧结而成。

工程陶瓷：高纯、超细的人工合成材料，精确控制化学组成。

工程陶瓷的性能：耐热、耐磨、耐腐蚀、绝缘、抗蠕变性能好。

硬度高，弹性模量高，塑性韧性差，强度可靠性差。

常用的工程陶瓷材料有氮化硅、碳化硅、氧化铝、氧化锆、氮化硼等。

一、陶瓷材料的结构和显微组织1、结构特点陶瓷材料通常是金属与非金属元素组成的化合物；以离子键和共价键为主要结合键。

可以通过改变晶体结构的晶型变化改变其性能。

如“六方氮化硼为松散的绝缘材料；立方结构是超硬材料”2、显微组织晶体相，玻璃相，气相晶界、夹杂（种类、数量、尺寸、形态、分布、影响材料的力学性能。

（可通过热处理改善材料的力学性能）陶瓷的分类玻璃—工业玻璃(光学，电工，仪表，实验室用)；建筑玻璃；日用玻璃陶瓷—普通陶瓷日用，建筑卫生，电器（绝缘），化工，多孔……特种陶瓷-电容器，压电，磁性，电光，高温……金属陶瓷--结构陶瓷，工具（硬质合金），耐热，电工……玻璃陶瓷—耐热耐蚀微晶玻璃，光子玻璃陶瓷，无线电透明微晶玻璃，熔渣玻璃陶瓷…2.陶瓷的生产(1)原料制备（拣选，破碎，磨细，混合）普通陶瓷（粘土，石英，长石等天然材料）特种陶瓷（人工的化学或化工原料--- 各种化合物如氧、碳、氮、硼化合物）(2)坯料的成形（可塑成形，注浆成形，压制成形）(3)烧成或烧结3. 陶瓷的性能(1)硬度是各类材料中最高的。

（高聚物<20HV，淬火钢500-800HV，陶瓷1000-5000HV）(2)刚度是各类材料中最高的（塑料1380MN/m2，钢MN/m2)(3)强度理论强度很高（E/10--E/5）；由于晶界的存在，实际强度比理论值低的多。

2 （E/1000--E/100）。

陶瓷产品的质量标准一、尺寸精度尺寸精度是衡量陶瓷产品精度的重要指标，包括产品的外形尺寸、内部结构尺寸、孔位尺寸等。

高质量的陶瓷产品尺寸精度应符合设计要求，误差不超过规定范围。

二、外观质量陶瓷产品的外观质量主要指表面平整度、光洁度、色泽等。

高质量的陶瓷产品外观应光滑、细腻、色泽均匀，无明显瑕疵、裂纹、变形等质量问题。

三、热稳定性热稳定性是衡量陶瓷产品在温度变化下的稳定性的重要指标。

高质量的陶瓷产品应具有较好的热稳定性，在温度变化的情况下不易变形、开裂或炸裂。

四、机械强度机械强度是衡量陶瓷产品承受外力作用的能力的重要指标。

高质量的陶瓷产品应具有较高的机械强度，能够承受一定范围内的外力作用，不易破碎或损坏。

五、化学成分陶瓷产品的化学成分是影响其性能和质量的关键因素之一。

高质量的陶瓷产品应具有符合设计要求的化学成分，不含影响性能和质量的有害杂质。

六、显微结构显微结构是影响陶瓷产品性能和质量的重要因素之一。

高质量的陶瓷产品应具有符合设计要求的显微结构，包括晶粒大小、晶界形态、气孔大小和分布等。

七、使用寿命使用寿命是衡量陶瓷产品质量和使用效果的重要指标之一。

高质量的陶瓷产品应具有较长的使用寿命，能够满足设计要求的使用寿命。

八、安全性能安全性能是衡量陶瓷产品安全性的重要指标之一。

高质量的陶瓷产品应具有符合安全标准的安全性能，如电气安全、防火安全等。

九、功能性要求功能性要求是衡量陶瓷产品满足设计功能要求的重要指标之一。

高质量的陶瓷产品应具有符合设计要求的各项功能性指标，如透气性、透光性、耐腐蚀性等。

1引言陶瓷用具作为辊道窑的关键部件，在辊道窑中起到重要作用。

刚玉-莫来石质陶瓷辊棒，在长期转动过程中要求具备抗高温蠕变的特性，是一种特殊的结构陶瓷。

随着陶瓷大板、岩板、薄板、厚板、发泡陶瓷等新型建筑材料的快速发展，陶瓷辊棒的使用要求越来越高。

刚玉-莫来石质陶瓷辊棒是陶瓷行业辊道窑最常用的材质，具有较高的机械强度、良好的抗热震性以及较低的高温蠕变，能较好的满足辊道窑稳定运转和烧成陶瓷制品的要求[1]。

本文设计了多种烧成制度，对比研究其对刚玉-莫来石陶瓷相含量、显微结构以及性能的影响。

2实验冯斌1,2;张军恒1,2;张脉官1;杨华亮1,2;王玉梅2;罗琼1,2;孔令锋1,2;严玉琳1,2;吴丹1,2（1.广东金刚新材料有限公司，佛山5280002.佛山市陶瓷研究所集团股份有限公司，佛山528000）研究烧成制度对刚玉-莫来石结构陶瓷微观结构、相变反应及性能的影响。

结果表明：当升温速率较快时，刚玉固溶和溶解速度较慢，残余刚玉量较高，生成玻璃相较少；随着温度升高，刚玉与莫来石的相对质量比越来越小，说明提高温度，加速了刚玉溶解，但是玻璃相/莫来石比值不同，更易受升温速率影响，快速升温时温度越高，比值越小，慢速升温时温度越高则比值越大；升温速率对莫来石、刚玉和玻璃相作用因子从大到小排列顺序是：玻璃相>刚玉>莫来石，快速升温时最高温度影响因子排列顺序是：玻璃相>莫来石>刚玉，慢速升温时最高温度影响因子是：玻璃相>刚玉>莫来石；1550℃以下烧成莫来石生长发育不良，晶体出现短柱状长径比较小，网状交叉分布数量明显减少，气孔较多，这是因为二次莫来石化未完全反应，未充分烧结；结构陶瓷热膨胀系数影响因子：刚玉与莫来石质量比、显气孔率、体积密度，其中刚玉与莫来石质量比是最主要影响因素，后两者影响作用比较接近，刚玉与莫来石质量比越大，陶瓷热膨胀系数则越大。

刚玉-莫来石；热膨胀系数；玻璃相研究与探讨Research&Discussion本次设计了1组目前比较常见的刚玉-莫来石结构陶瓷配方，见表1。

陶瓷材料显微结构与性能1陶瓷烧结过程中影响⽓孔形成的因素有哪些？(1)煅烧温度过低、时间过低 (2)煅烧是时原料中的⽔碳酸盐、硫酸盐的分解或有机物的氧化 (3) 煅烧时炉内⽓氛的扩散 (4) 煅烧时温度过⾼，升温过快或窑内⽓氛不合适等。

夏炎2.影响陶瓷显微结构的因素有哪些？参考答案：(1) 原料组成、粒度、配⽐、混料⼯艺等(2) 成型⽅式、成型条件、制品形状等(3)⼲燥制度（⼲燥⽅式、温度制度、⽓氛条件、压⼒条件等）(4) 烧成制度（烧成⽅式、窑炉结构、温度制度、⽓氛条件、压⼒条件等）3. 提⾼陶瓷材料强度及减轻其脆性有哪些途径？参考答案：a.制造微晶、⾼密度、⾼纯度的陶瓷。

例如，采⽤热等静压烧结制成的Si3N4⽓孔率极低，其强度接近理论值。

b.在陶瓷表⾯引⼊压应⼒可提⾼材料的强度。

钢化玻璃是成功应⽤这⼀⽅法的典型例⼦。

c.消除表⾯缺陷，可有效地提⾼材料的实际强度。

d.复合强化。

采⽤碳纤维、SiC纤维制成陶瓷/陶瓷复合材料，可有效地改善材料的强韧性。

e.ZrO2与增韧。

ZrO2对陶瓷的强韧化的贡献有四种机理（相变增韧、微裂纹增韧、裂纹偏转增韧、表⾯残余应⼒增韧）罗念4.影响氧化锆相变增韧的因素是什么？简单叙述氮化硅陶瓷具有的性能及常⽤的烧结⽅法。

①晶粒⼤⼩。

当晶粒尺⼨⼤于临界尺⼨易于相变。

若晶粒尺⼨太⼩，相变也就难以进⾏。

②添加剂及其含量使⽤不同的添加剂， t-ZrO2的可转变最佳晶粒⼤⼩、范围也不同。

③晶粒取向。

晶粒取向的不同⽽影响相变导致增韧的机制。

氮化硅陶瓷具有⾼强度、⾼硬度、耐磨、耐化学溶液和熔体的腐蚀、⾼电绝缘体、低热膨胀和优良抗热冲击、抗机械冲击等性能。

烧结⽅法：反应烧结氮化硅、⽆压烧结氮化硅、重烧结氮化硅、⽓氛加压氮化硅和热压烧结氮化硅。

——李成5.⽓孔对功能陶瓷性能的影响及降低功能陶瓷中的⽓孔量的措施？⽓孔均可使磁感应强度、弹性模量、抗折强度、磁导率、电击穿强度下降，对畴运动造成钉扎作⽤，影响了铁电铁磁性。