1、 課 程 論 文 課程名稱 材料科學與工程導論 學生姓名 張龍飛 系 別 機械系 專業班級 11金屬（2）班 學 號 1110131082 授課教師 賀靜 二O 一三年十二月 簡述工程陶瓷材料摘要：本文主要對工程陶瓷性能中的力學性能展開描述，如強度、硬度與耐磨性、斷裂韌度與增韌、疲勞 、抗熱震性等。并簡單對陶瓷材料的分類應用進行描述。 陶瓷分為普通陶瓷和特種陶瓷，工程陶瓷主要以氧化鋁、氮化硅、碳化硅等為主，并簡要介紹它們在工程中的應用。關鍵字：強度，斷裂韌度與增韌，抗熱震性等，氧化鋁，碳化硅 陶瓷材料在人類生活和社會建設中是不可缺少的材料，他和金屬材料、高分子材料并列為當代三大固體材料之一。它

2、們之間的主要區別在于化學鍵的不同，因而在性能上存在很大的差異。傳統的臺詞制品是以天然粘土我原料，通過混料、成形、燒結而成，其性能特點是強度低而脆。本文所討論的主要為工程陶瓷，工程陶瓷是采用高純、超細的人工合成材料，精確控制其化學組成，經過特殊工藝加工而得到的結構精細、力學性能和熱學性能優良的陶瓷材料。常用的工程陶瓷材料有氮化硅、碳化硅、氧化鋁和ZTC。工程陶瓷的力學性能特點是耐高溫、強度高、彈性模量高、耐磨、耐蝕、抗蠕變性能好。在金屬和聚合物因腐蝕和軟化而不能使用的服役條件下，工程陶瓷材料充分顯示出其性能的優越性。例如，航空飛機頂首部和高溫燃燒室內壁溫度均在1500C以上，核電站需要能耐200

3、0C高溫的耐熱材料，但目前高溫耐熱合金的極限溫度只有1100C，能勝任上述服役條件的材料只有高溫結構材料。在發動機上使用高性能陶瓷材料，除具有高性能的耐磨損、耐腐蝕性能外，還由于這種材料的耐溫能力從9000C提高到1200C-1300C，且無需冷卻系統，可使冷卻效率從過去的30%提高到50%左右，發動機質量減輕20%，耗油量降低30%以上。由此可見，工程陶瓷材料較好的適應了近代科學技術發展的需要，具有廣闊的應用前景。目前在機械、冶金、化工、紡織等行業中，用工程陶瓷材料制作耐高溫、耐磨損、耐腐蝕的零部件越來越多。一 性能熱特性：陶瓷材料一般具有高的熔點（大多在2000以上），且在高溫下具有極好的

4、化學穩定性；陶瓷的導熱性低于金屬材料，陶瓷還是良好的隔熱材料。同時陶瓷的線膨脹系數比金屬低，當溫度發生變化時，陶瓷具有良好的尺寸穩定性。電特性：大多數陶瓷具有良好的電絕緣性，因此大量用于制作各種電壓（1kV110kV）的絕緣器件。鐵電陶瓷（鈦酸鋇BaTiO3）具有較高的介電常數，可用于制作電容器，鐵電陶瓷在外電場的作用下，還能改變形狀，將電能轉換為機械能（具有壓電材料的特性），可用作擴音機、電唱機、超聲波儀、聲納、醫療用聲譜儀等。少數陶瓷還具有半導體的特性，可作整流器。化學特性：陶瓷材料在高溫下不易氧化，并對酸、堿、鹽具有良好的抗腐蝕能力。光學特性：陶瓷材料還有獨特的光學性能，可用作固體激光器

5、材料、光導纖維材料、光儲存器等，透明陶瓷可用于高壓鈉燈管等。磁性陶瓷（鐵氧體如:MgFe2O4、CuFe2O4、Fe3O4）在錄音磁帶、唱片、變壓器鐵芯、大型計算機記憶元件方面的應用有著廣泛的前途。力學特性（1） 強度 陶瓷材料的強度大，陶瓷的實際強度比其理論值小1-2個數量級，只有晶須和纖維的實際強度才接近理論值。其強度分為抗彎強度、抗拉強度、抗壓強度。（2） 硬度與耐磨性 工程陶瓷材料硬度高是其優點之一，常用的有洛氏硬度HRA、維氏硬度HV、努氏硬度HK。工程陶瓷材料的耐磨性也比較高。陶瓷材料用于耐磨材料還是20實際80年代中期的事。陶瓷材料的耐磨性不僅遠優于金屬，而其在高溫、腐蝕環境條件

6、下更顯示出其獨特的優越性。最重要的耐磨材料是氧化鋁、碳化硅、氮化硅、賽隆陶瓷等。由于陶瓷材料對環境介質和氣氛極為敏感，因此在特定條件下還很可能形成摩擦化學磨損。這是陶瓷材料特有的磨損機理。這種磨損涉及表面、材料結構、熱力學與化學共同作用的摩擦化學問題。如對非氧化物氮化硅和碳化硅，水和濕度能有效的降低摩擦因數和磨損體積；而對氧化物陶瓷氧化鋁，水可能增加或降低摩擦因數和磨損體積，取決于實驗條件。（3） 斷裂韌度與增韌 陶瓷是脆性材料，裂紋一旦產生，極易失穩斷裂。工程陶瓷材料有一系列優異的性能，如優良的高溫力學性能、耐磨、耐蝕、電絕緣性好等;但因這種材料在受外力作用斷裂過程中，只有單一的增加新的斷裂

7、表面的表面能，沒有其他消耗能量的渠道，因此其脆性大。陶瓷材料的增韌一直是材料科學界研究的熱點之一。陶瓷增韌有多種途徑，如改善陶瓷顯微結構、相變增韌、微裂紋增韌等（4） 疲勞 在靜載荷作用下，陶瓷承載能力隨時間而下降的斷裂現象。以及在恒加載速率下，陶瓷斷裂對加載速率敏感性的研究，均被納入陶瓷疲勞范疇。前者為陶瓷的靜態疲勞，后者為動態疲勞。因此，陶瓷的疲勞包括循環疲勞、靜態疲勞和動態疲勞。研究陶瓷疲勞對于擴大陶瓷材料應用具有重要意義。（5） 抗熱震性 高溫下服役的機件常伴有急劇的加熱和冷卻情況，在這種條件下使用的高溫結構陶瓷，要求具有優良的抗熱震性，即材料承受溫度驟變而不破壞的能力。熱震破壞分為兩

8、類：由熱震引起的瞬時斷裂，稱為熱震斷裂；在熱沖擊循環作用下，材料先出現開裂，隨之裂紋擴展，導致材料強度降低，最終整體破壞，稱為熱震損傷。陶瓷材料的抗熱震性是其力學性能和熱學性能的綜合體現，不僅受幾何因素、環境介質的影響，同時也取決于材料的強度和斷裂韌度。在各種熱環境下引起的熱應力，以及與之相應的應力強度因子是熱震破壞的原因。當材料固有強度不足以抵抗熱震溫度引起的熱應力時，將導致材料瞬時熱震斷裂。當熱應力導致的存儲于材料中的應變能足以支付裂紋成核和擴展所需的新增表面能時，裂紋我就形成和擴展。隨著反復的加熱、冷卻，裂紋擴展，強度急劇降低，機件局部有可能發生剝落或崩裂，這就是熱震損傷的過程。 二 分

9、類 1 普通陶瓷：（1）建筑陶瓷： 包括有瓷質磚、錦磚、細炻磚、仿石磚、彩釉磚、劈離磚和釉面磚等。產品具有良好的耐久性和抗腐蝕性，其花色品種及規格繁多（邊長在5cm100cm間），建筑物內、外墻和室內、外地面的裝飾。（2）衛生陶瓷及衛浴產品：包括有洗面器、便器、淋浴器、洗滌器、水槽等。該類產品的耐污性、熱穩定性和抗腐蝕性良好，具有多種形狀、顏色及規格，且配套齊全，主要用作衛生間、廚房、實驗室等處的衛生設施。除此之外，還有搪瓷浴缸、壓克力浴缸、浴室等衛浴產品。（3）美術陶瓷：包括有陶塑人物、陶塑動物、微塑、器皿等。產品造型生動、傳神，具有較高的藝術價值，款式及規格繁多。主要用作室內藝術陳設及裝飾

10、，并為許多收藏家所珍藏。（4）園林陶瓷：包括有中式、西式琉璃制品及花盆等。產品具有良好的耐久性和藝術性，并有多種形狀、顏色及規格，特別是中式琉璃的瓦件、脊件、飾件配套齊全，用作園林式建筑的裝飾。（5）日用陶瓷：包括有細炻餐具、陶質砂鍋。產品熱穩定性好，基本沒有鉛、鎘溶出，具有多種款式及規格，主要作餐飲、烹飪用具。（6）陶瓷機械：包括有球磨機、噴霧干燥塔、壓磚機、輥道窯等建筑陶瓷生產用成套設備。（7）電工陶瓷：絕緣器件等。（8）化工陶瓷：試驗器皿、耐熱容器、管道、設備等。2 特種陶瓷：（1）氧化物陶瓷：氧化物陶瓷種類繁多，在陶瓷家族中占有非常重要的地位。最常用的氧化物陶瓷是用Al2O3、SiO2

11、、ZrO3、CeO2等。(2)碳化物陶瓷：碳化物陶瓷般具有比氧化物更高的熔點。最常用的是碳化硅、碳化硼。碳化物陶瓷在制備過程中應有氣氛保護。(3)氮化物陶瓷：氮化物中應用最廣泛的是氮化硼，它具有優良的綜合力學性能和耐高溫性能。另外，AI籌氮化物陶瓷的應用也日趨廣泛。最近剛剛出現的C3N4，可望其性能超過Si3O4。三 應用及展望（以氧化鋁、氮化硅、碳化硅展開）氧化鋁很早紡織用的導線器及火箭用的導流罩，現在還廣泛用于氬弧焊機的氣體罩、噴砂用的噴嘴等。利用氧化鋁的耐高溫性能和耐腐蝕的性能，可用作高溫試驗的儀器、熔化金屬用的坩堝以及高溫熱電偶套管等，可以制作化工用泵的密封滑環、葉輪等。利用氧化鋁的高

12、溫電絕緣性能制作活化塞，取代普通瓷而取得壟斷地位。氮化硅耐高溫，又兼有優良的抗熱震性能和耐磨性能，可用于制作高溫軸承。因它耐熔融有色金屬浸蝕，金屬對其不潤濕，是測量鋁液溫度的熱電偶套管的理想材料。氮化硅陶瓷在冶金工業和熱加工領域已有廣泛的應用。熱壓氮化硅用于制作拉拔不銹鋼管的浮動芯棒，由于其摩擦系數小，不需要昂貴的潤滑系統。另外，氮化硅可用于制作非鐵金屬的熔煉和鑄造時的鑄模、坩堝、馬弗爐爐膛、燃燒嘴等；也可用于制作燃氣輪機轉子的葉片，由于耐高溫，可以提高進口燃氣的溫度和壓力，從而提高發動機的動率又降低燃料消耗。氮化硅的密度只有合金鋼的三分之一左右，可以大大減輕發動機的自重，因此已開始用氮化硅制作燃氣輪機零件。碳化硅是溫度高于1500C時的良好結構材料，如用于制作火箭尾噴管的噴 嘴、澆注金屬用的喉嘴以及熱電偶套管，爐管等高溫零件。因此，它也適用于制作燃氣輪機的葉片軸承等零件。由于碳化硅熱傳導能力強，故也可用作高溫下熱交換器的材料、核燃料的包封材料等。碳化硅也是一種耐磨材料，常用于制作各種泵的密封圈。利用陶瓷對聲、光、電、磁、熱等物理性能所具有的特殊功能而制造的陶瓷材料稱為功能陶瓷。功能陶瓷種類繁多，用途各異。例如，根據陶瓷電學性質的差