第四章結構陶瓷第四章結構陶瓷1教學基本要求了解結構陶瓷的發展現狀。了解和掌握陶瓷的增強和增韌。掌握典型的結構陶瓷。4.0教學基本要求第四章結構陶瓷教學基本要求了解結構陶瓷的發展現狀。4.0教學基本要2結構陶瓷利用其強度、硬度、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、耐熱沖擊等性能，用作研磨材料、切削工具、機械密封件、耐磨機械零件等。4.1概述第四章結構陶瓷結構陶瓷利用其強度、硬度、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、耐熱沖擊等3結構陶瓷引人注目，各發達國家20多年大量投資進行研究開發是因為有望應用于熱機部件。4.1概述第四章結構陶瓷另外一個重要應用是陶瓷刀具和磨削工具。結構陶瓷引人注目，各發達國家20多年大量投資進行研究開發是因4優異的性能和巨大的潛在經濟效益刺激著這一新材料的開發。

燃氣輪機和柴油機是汽車、飛機、輪船、坦克、發電機組等的動力來源。4.1概述第四章結構陶瓷優異的性能和巨大的潛在經濟效益刺激著這一新材料的開發。5幾十年來通過改進高溫合金的耐熱性能和采用新的冷卻技術，使渦輪機的進口溫度從500℃提高到1100℃，接近高溫合金極限使用溫度。

如用更耐高溫和高溫強度更高的陶瓷來作內燃機部件，可以將渦輪機的進口溫度提高到1370℃，動力效率可提高到46%。

4.1概述第四章結構陶瓷幾十年來通過改進高溫合金的耐熱性能和采用新的冷卻技術，使渦輪6陶瓷熱機還有其它優點:

可以比金屬轉子更快加速。

成本較低。可以采用低質量燃料和合成燃料。大幅度降低成本，提高可靠性，易于維護。4.1概述第四章結構陶瓷陶瓷熱機還有其它優點:4.1概述7對軍用車輛來說，節油意味增加行程，并減輕后勤的負擔，車身減輕提高了機動性，體積的減小，減少了車輛的投影面，提高了生存率，冷卻系統的取消使之利于在沙漠和高寒地帶作戰。金屬發動機和陶瓷發動機的綜合性能比較見表4-1。4.1概述第四章結構陶瓷對軍用車輛來說，節油意味增加行程，并減輕后勤的負擔，車身減輕8燃氣輪機類型渦輪最高進口溫度/℃熱交換器最高溫度/℃制動效率/%發動機質量/kg普通高溫合金渦輪機101070526272高級高溫合金渦輪機103898233166陶瓷渦輪機1370109346132表4-1金屬和陶瓷汽車燃氣輪機性能的比較4.1概述第四章結構陶瓷燃氣輪機類型渦輪最高進口溫度/℃熱交換器最高溫度/℃制動效率920世紀70年代初至80年代，美、日、德等國投入大量人力物力開展了這方面研究。

陶瓷發動機試驗樣機已在美、日、德等國和我國制成，并成功地進行了公路試驗。陶瓷發動機是結構陶瓷最大潛在市場。4.1概述第四章結構陶瓷20世紀70年代初至80年代，美、日、德等國投入大量人力物力10陶瓷刀具是結構陶瓷應用的另一廣闊市場。

陶瓷刀具可以加工這些超硬超強材料，而且它的耐磨和耐熱性好，其最佳切削速度比硬質合金刀具高3~10倍以上，壽命長，減少了換刀、磨刀次數，從而大大提高加工效率。

4.1概述第四章結構陶瓷陶瓷刀具是結構陶瓷應用的另一廣闊市場。4.1概述11傳統陶瓷最大弱點是性脆，即很低斷裂功，斷裂韌性很差，強度也很低。結構陶瓷研究、開發的總目標就是采用各種方法和途徑來提高材料強度和韌性，使之達到金屬的水平。陶瓷的增強、增韌是結構陶瓷的中心論題。

4.1概述第四章結構陶瓷傳統陶瓷最大弱點是性脆，即很低斷裂功，斷裂韌性很差，強度也很12陶瓷的實際強度約為金屬的1/10，斷裂韌性約為金屬的1/100。陶瓷的脆性和強度的分散性是陶瓷作為結構材料的致命弱點。陶瓷在斷裂過程中，除增加新的斷裂表面外，幾乎無其它可以吸收能量的機制。4.２陶瓷的增強與增韌第四章結構陶瓷陶瓷的實際強度約為金屬的1/10，斷裂韌性約為金屬的1/13提高斷裂韌性有兩個途徑：

提高強度。增強的途徑首先是提高陶瓷的致密度。增加臨界裂紋的長度，或提高斷裂功。4.２陶瓷的增強與增韌第四章結構陶瓷提高斷裂韌性有兩個途徑：4.２陶瓷的增強與增韌14陶瓷體是由粉末成型燒結而成，其內部有大量氣孔，它的數量、形狀、分布和大小都會對斷裂強度產生直接影響。氣孔率與陶瓷的強度有以下經驗公式：式中，σc是氣孔率為P時的強度；σ0是氣孔率為零時的強度；b是常數。4.２陶瓷的增強與增韌第四章結構陶瓷陶瓷體是由粉末成型燒結而成，其內部有大量氣孔，它的數量、形狀15氣孔率增加或密度降低可使陶瓷強度下降：

陶瓷的彈性模量隨氣孔率增大而減小，斷裂強度與彈性模量的平方根成正比，故氣孔率增大或材料密度減小使陶瓷的強度下降。

晶界處的氣孔會引起應力集中，在外力作用下形成微裂紋，降低強度。

4.２陶瓷的增強與增韌第四章結構陶瓷氣孔率增加或密度降低可使陶瓷強度下降：4.２陶瓷16氣孔率增加，晶粒間接觸面積減小，有利于微裂紋的形成與擴展，增大陶瓷的脆性。氣孔若呈不規則狀，則在多相交界處，氣孔本身就相當于裂紋。陶瓷高致密時，強度得到增加，增強的同時也增加了斷裂韌性，但單通過提高強度有時并不能明顯地增韌。

4.２陶瓷的增強與增韌第四章結構陶瓷氣孔率增加，晶粒間接觸面積減小，有利于微裂紋的形成與擴展，增17高速鋼硬金屬超級金屬ZrO2Si3N4SiCAl2O3纖維復合材料微晶玻璃耐火材料炻器陶器彎曲強度/GPa0123年代18501900195019701990圖4-1陶瓷強度近年來的進展及與金屬的比較4.２陶瓷的增強與增韌第四章結構陶瓷高速鋼硬金屬超級金屬ZrO2Si3N4SiCAl2O3纖維復18一氧化物陶瓷氧化物陶瓷是最早用于結構目的的先進陶瓷。氧化鋁是應用最廣泛的一種。氧化鋯則是現有結構陶瓷中強度和斷裂韌性最高的一種。4.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷一氧化物陶瓷氧化物陶瓷是最早用于結構目的的先進陶瓷。419（一）氧化鋁陶瓷氧化鋁有近十種變體。純氧化鋁主要有α-Al2O3和γ-Al2O3兩種晶型。

氧化鋁陶瓷最常用的原料是人工合成的α-Al2O3粉末。

4.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷（一）氧化鋁陶瓷氧化鋁有近十種變體。純氧化鋁主要有α-Al20氧化鋁的熔點高、硬度高、高絕緣、耐酸、耐堿、強度高、原料豐富。

工業氧化鋁原料制備方法主要用改進的Bayer法煉鋁工藝，由于含鈉量較高，在0.01%以上，在很多的應用上受到限制。4.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷氧化鋁的熔點高、硬度高、高絕緣、耐酸、耐堿、強度高、原料豐富21先進陶瓷應用的高純氧化鋁制造：銨明礬熱分解法。有機鋁鹽加水分解法。鋁在水中放電氧化法。鋁的銨碳酸鹽熱解法。4.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷先進陶瓷應用的高純氧化鋁制造：銨明礬熱分解法。4.322種類Al2O3質量分數/%Na2O質量分數/%拜爾氧化鋁普通氧化鋁99.3~99.6約0.3酸洗低鈉氧化鋁約99.80.02~0.06易燒結氧化鋁約99.80.02~0.06高純度氧化鋁99.95~99.99約0.002表4-2各種氧化鋁的純度及Na2O含量4.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷種類Al2O3質量分數/%Na2O質量分數拜爾氧化鋁普通23成型方法用途成型方法用途澆注成型絲軌、研缽、拉絲機用部件薄膜成型集成電路基片、封裝擠壓成型爐芯管、電阻管、蜂窩體注射成型火花塞、絲軌、噴燒嘴壓力成型開關電阻部件、滑動部件熱壓成型切削刀具等靜壓成型火花塞、透光管、噴嘴表4-3各種氧化鋁的成型方法和用途4.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷成型方法用途成型方法用途澆注成型絲軌、研缽、拉絲機用部件薄膜241234140012001.62.02.42.83.23.64.0燒結溫度/℃燒結密度/(g/cm2)圖4-2添加劑對氧化鋁燒結性能的影響1—不添加(O2中)；2—添加TiO21%(O2中)；3—添加MnO21%(O2中)；4—添加TiO21%(H2中)4.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷1234140012001.62.02.42.83.23.625制造透明氧化鋁陶瓷的條件：

高純原料。在真空或氫氣中燒結，使氣孔中的氣體脫去較易而無殘留氣孔。添加晶粒生長控制劑。

鋁的銨碳酸鹽熱解法。4.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷制造透明氧化鋁陶瓷的條件：高純原料。4.3典型的結26用途耐熱導熱電絕緣強度耐磨耐腐蝕火花塞★☆★☆×☆集成電路×★★★×▲絲軌×▲×☆★☆刀具▲☆×★☆▲爐芯管★☆☆☆×☆燒杯☆××☆×★表4-4氧化鋁的主要用途及性能要求注：★非常好；☆好；▲稍好；×不好。4.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷用途耐熱導熱電絕緣強度耐磨耐腐蝕火花塞★☆★☆×☆集成電路×27(二)氧化鋯陶瓷氧化鋯具有熔點高、高溫蒸氣壓低、化學穩定性好、熱導率低等特點，這些性能均優于氧化鋁陶瓷但價格昂貴，以往應用不廣。

4.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷(二)氧化鋯陶瓷氧化鋯具有熔點高、高溫蒸氣壓低、化學穩定性28近來氧化鋯的增韌性能被廣泛應用，開發出一系列高強度、高韌性陶瓷，力學性能為結構陶瓷之首，并且在功能陶瓷中成為敏感材料和電熱材料，有廣泛應用，引起了研究和生產的熱潮。

4.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷近來氧化鋯的增韌性能被廣泛應用，開發出一系列高強度、高韌性陶29二氧化鋯是一種多晶型氧化物，有三種變體，在不同溫度下互變：約1150℃約950℃單斜相ZrO2四方相ZrO22370℃立方相ZrO24.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷二氧化鋯是一種多晶型氧化物，有三種變體，在不同溫度下互變：30單斜相ZrO2的理論密度為5.56g/cm3，四方相為6.09g/cm3，立方相為6.27g/cm3，因此當單斜相ZrO2加熱到1100℃左右就會發生體積的突然收縮，同時變為四方相。當四方相ZrO2冷冷卻到950℃左右，就會變成單斜相，同時產生體積的突然膨脹。4.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷單斜相ZrO2的理論密度為5.56g/cm3，四方相為6.314.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷加入穩定劑，可使ZrO2高溫立方相在室溫下仍穩定存在。稱為穩定ZrO2(SZ)，這就避免了四方相轉變為單斜相時產生的體積膨脹而使制品開裂，從而制得ZrO2陶瓷。穩定劑要具備與ZrO2固溶的條件，即陽離子大小與Zr4+相似，穩定劑應是立方晶系。以Y2O3最好，MgO最差。

4.3典型的結構陶瓷324.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷Mg2+(0.078nm)比Zr4+(0.087nm)小，固溶結構不穩定。在1500℃固溶時，穩定劑的最小用量(摩爾分數)：MgO13.8%，CaO11.2%，Y2O36%。4.3典型的結構陶瓷334.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷穩定劑少于此限，ZrO2不能全部形成立方晶系，得到不同比例的立方、四方、單斜相混合物或純四方相燒結物。這種ZrO2陶瓷為部分穩定的ZrO2陶瓷(PSZ)

。4.3典型的結構陶瓷34二氧化鋯陶瓷原料的制法共沉淀法。在烴基氯化鋯等水溶性鋯鹽與穩定劑鹽類的混合水溶液中加入氨等堿類物質，產生氫氧化物共沉淀，干燥后經800℃左右煅燒，得到與穩定劑固溶的ZrO2粉末。4.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷二氧化鋯陶瓷原料的制法共沉淀法。在烴基氯化鋯等水溶性鋯鹽與穩35如穩定劑

得到混有穩定劑Y2O3的ZrO2粉末。4.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷如穩定劑得到混有穩定劑Y2O3的ZrO2粉末。4.336水解法。長時間沸騰或加壓使鋯酸鹽溶液水解，在溶液中形成水合氧化物，再煅燒得ZrO2粉末。如鋯鹽為ZrOCl·8H2O，則反應為4.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷水解法。長時間沸騰或加壓使鋯酸鹽溶液水解，在溶液中形成水合氧37如用有機醇鹽，則反應方程如下得到結晶良好的ZrO2粉末。

4.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷如用有機醇鹽，則反應方程如下得到結晶良好的ZrO2粉末。38熱分解法：包括將含鋯鹽和穩定劑的溶液在高溫噴霧熱解、醇鹽直接熱解和將冷凍干燥的干燥物熱分解等三種方法。二氧化鋯制品分為穩定二氧化鋯燒結體與部分穩定二氧化鋯(PSZ)制品兩種。4.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷熱分解法：包括將含鋯鹽和穩定劑的溶液在高溫噴霧熱解、醇鹽直接391200200200001606004003001008040保溫時間/h斷裂能/(J/m3)斷裂強度/MPa圖4-3摻CaO的ZrO2(1000℃)保溫時間與斷裂強度、斷裂能的關系4.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷12002002000016060040030010080440015501650100806040201250135014501150圖4-4Y2O3-ZrO2的燒結溫度與四方相含量的關系燒結溫度/℃四方相含量/%4.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷01550165010080604020125013501441PSZ的用途：刀具類：可作陶瓷剪刀和特殊用途的醫用、工業用刀具，它不銹、無磁性、與生物親和。

滑動部件類：利用其耐磨性、與金屬不親和性，可作拔絲模、拉管模、絲軌、軸承、噴嘴、泵部件、粉碎機部件等。5.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷PSZ的用途：刀具類：可作陶瓷剪刀和特殊用途的醫用、工業用刀42隔熱材料：ZrO2的熱導率低于Al2O3的1/10，ZrO2纖維、氈、板等是最好的高溫隔熱材料，用作高溫爐的保溫隔熱材料可大大減小爐子尺寸，塊材作為內燃機部件也可減小熱損失。4.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷隔熱材料：ZrO2的熱導率低于Al2O3的1/10，ZrO243穩定ZrO2制品的用途：傳統的ZrO2耐火材料用于用于煉鋼、煉鐵、玻璃熔融等的高溫設備中。近來利用其導電性能又作各種氧敏感元件、燃料電池的固體電解質、發熱元件等。

4.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷穩定ZrO2制品的用途：傳統的ZrO2耐火材料用于用于煉鋼、44二非氧化物陶瓷（一）氮化物4.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷氮化硅作為陶瓷材料已日益受到重視。Si3N4陶瓷的制備工藝:Si3N4陶瓷按燒結方法不同分為反應燒結法、熱壓燒結法、氣氛加壓燒結法、化學氣相沉積法等。二非氧化物陶瓷4.3典型的結構陶瓷454.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷化學氣相沉積法是利用氣相反應方法使Si3N4沉積在某一基材上，如用SiCl4和N2反應(在H2氣氛保護下)，使Si3N4沉積在石墨基體上形成一層致密的Si3N4保護層。反應：3SiCl4+2N2+6H2=Si3N4+12HCl。此法用于制作薄壁管制品，不宜制作厚制品。4.3典型的結構陶瓷464.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷氣氛加壓燒結法是為了防止Si3N4的高溫分解而采用加大氮氣壓力的方法。通常用幾十個MPa的N2，在高溫(2000℃)下快速燒結得到相當致密的Si3N4制品。該法要爐子設備氣密性好，且經得起高壓。4.3典型的結構陶瓷474.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷結構、性能及應用氮化硅有α-Si3N4及β-Si3N4兩種晶型，都屬于六方晶系晶體。Si3N4陶瓷室溫強度不高，強度強烈地依賴于氣孔率。4.3典型的結構陶瓷484.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷對氣孔率趨于零的熱壓和無壓燒結Si3N4，則常溫強度較高。它們的高溫強度強烈地受晶界相物質的影響，與晶界物質性質（軟化點和熔點等）和數量有關。4.3典型的結構陶瓷494.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷Si3N4具有較高硬度，僅次于金剛石、立方氮化硼、碳化硼等。Si3N4耐磨，具有自潤滑性，利用這種特性可作機械密封材料，但它仍屬于脆性材料，受瞬時沖擊易破碎。4.3典型的結構陶瓷504.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷Si3N4的熱膨脹系數僅為2.53×10-6/℃，比MgO、Al2O3低很多。其熱導率是較高的，可達18.4W/(m·K)。Si3N4材料低的熱膨脹系數、高的熱導率及機械強度使其具有優良的抗熱震性。4.3典型的結構陶瓷514.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷Si3N4的抗氧化溫度可達1300~1400℃，具有高溫抗氧化性。這種材料幾乎不受各類無機酸的腐蝕，常溫下不受強堿作用，但易被熔融堿液侵蝕。4.3典型的結構陶瓷524.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷Si3N4的另一個優點是不受大部分熔融金屬侵蝕，不反應，不潤濕，如用Si3N4作容器，用熔融鋁浸泡280d也不反應。Si3N4制品在燒結過程中，幾乎不發生收縮，可制成精密度高的產品。4.3典型的結構陶瓷534.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷目前Si3N4陶瓷主要用于制造氣輪機葉片、發動機軸承等。由于它能耐高溫、可大大提高熱機效率。4.3典型的結構陶瓷544.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷塞龍(sialon)陶瓷Si3N4與Al2O3可形成一系列固溶體，所得的Si-Al-O-N陶瓷材料稱為sialon(音譯為塞龍)。它也可看作AlN和SiO2的固溶體。其燒結機理稱為“過渡液相燒結”。4.3典型的結構陶瓷554.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷燒結初期，部分組分形成液相，促進燒結致密化。燒結后期，液相與固相組分反應，Al、O等進入β-Si3N4晶格，形成固溶體，液相起一種過渡作用，而沒有在晶界上留下玻璃相。4.3典型的結構陶瓷564.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷所以塞龍陶瓷的高溫強度、抗氧化性、抗蠕變性、抗熱沖擊性能均優于Si3N4。添加Y2O3、MgO等外加氧化物時，無壓燒結的致密度甚至接近理論密度。4.3典型的結構陶瓷574.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷塞龍陶瓷用α-Si3N4、Al2O3和AlN粉或α-Si3N4、AlN、SiO2粉末作為原料，在N2氣氛中高溫反應都可以獲得。還可由含SiO2、Al2O3礦物，如高嶺土、伊利石、火山灰等，或工農業廢料，如硅灰、稻殼等，通過碳熱還原反應制造。4.3典型的結構陶瓷584.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷雖然其性能因雜質含量高而有所下降，但成本低廉，易大規模生產，不失為一種很有前途的陶瓷材料。表4-5比較摻Y2O3的塞龍(商品名Syalon101)和熱壓Si3N4、反應燒結Si3N4的性能。4.3典型的結構陶瓷59性能Syalon101熱壓Si3N4反應燒結Si3N4室溫抗彎強度/MPa945896241韋伯模數1110~1510~15室溫抗拉強度/MPa450約580145室溫抗壓強度/MPa>3500>35001000室溫彈性模量/MPa3×1053.1×1052.0×105表4-5sialon性能與Si3N4的比較（續１）4.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷性能Syalon101熱壓Si3N4反應燒結Si3N4室溫抗60性能Syalon101熱壓Si3N4反應燒結Si3N4硬度(VPN，0.5kg負載)20002200900~1000斷裂韌性/MPa·m1/27.751.87泊松比0.230.270.27密度/(g/cm3)3.23~3.263.202.5表4-5sialon性能與Si3N4的比較（續２）4.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷性能Syalon101熱壓Si3N4反應燒結Si3N4硬度(61表4-5sialon性能與Si3N4的比較（續３，完）性能Syalon101熱壓Si3N4反應燒結Si3N4熱膨脹系數(1~1000℃)/℃-13.04×10-63.2×10-63.2×10-6比熱容/[J/(K·kg)]620710710熱導率/[W/(m·K)]21.3258~12抗熱沖擊性ΔT/K500/7005004.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷表4-5sialon性能與Si3N4的比較（續３，完）性能624.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷塞龍陶瓷目前最成功的應用是切削刀具，用于鑄鐵、鎳基高溫合金切削效果非常好，比TiN涂層硬質合金刀具切削速度快5倍，金屬切除率提高50~93%，切削時間減少90%。在其它領域，凡是Si3N4可應用的地方，塞龍陶瓷均可應用。4.3典型的結構陶瓷634.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷氮化鋁陶瓷氮化鋁陶瓷(AlN)具有纖鋅礦型結構，單晶是無色透明體，在常壓下沒有熔點，2450℃時升華分解，密度為3.26g/cm3。即使在分解溫度前也不軟化變形。4.3典型的結構陶瓷644.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷氮化鋁陶瓷常溫強度不如Al2O3，但高溫強度比Al2O3高，熱膨脹系數比Al2O3低(25~1000℃，4.9×10-6℃-1)，而熱導率是Al2O3的兩倍，故抗熱震性優于Al2O3。

4.3典型的結構陶瓷654.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷AlN在化學上也十分穩定。AlN電絕緣性能與Al2O3相似，電阻率>1013Ω·cm，介電常數8~9(107Hz)。tanδ0.001~0.0001(107Hz)，高頻時的介電常數變化小是其特點之一。各種方法生產的AlN陶瓷性能列于表4-6

。

4.3典型的結構陶瓷66表4-6各種AlN陶瓷的性能（續１）性能普通燒結熱壓燒結AlNAlN-Y2O3AlNAlN-Y2O3密度/(g/cm3)2.61~2.933.26~3.503.203.26~3.5氣孔率/%10~20020顏色灰白黑黑灰黑4.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷表4-6各種AlN陶瓷的性能（續１）性能普通燒結熱壓燒結A67表4-6各種AlN陶瓷的性能（續２）性能普通燒結熱壓燒結AlNAlN-Y2O3AlNAlN-Y2O3抗折強度/(kgf/mm2)10~3045~6530~4050~90硬度/(kgf/mm2)—1200~160012001200~1600彈性模量/(×106kgf/mm2)—3.103.512.794.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷表4-6各種AlN陶瓷的性能（續２）普通燒結熱壓燒結AlN68表4-6各種AlN陶瓷的性能（續３）性能普通燒結熱壓燒結AlNAlN-Y2O3AlNAlN-Y2O3熱膨脹系數(25~1000℃)/℃-15.70—5.044.90熱導率/[cal/(cm·s·℃)]200℃——0.07—4.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷表4-6各種AlN陶瓷的性能（續３）性能普通燒結熱壓燒結A69表4-6各種AlN陶瓷的性能（續４，完）性能普通燒結熱壓燒結AlNAlN-Y2O3AlNAlN-Y2O3800℃——0.05—機械加工性良良良抗氧化性劣優良優注：1kgf=9.80665N；1cal=4.1840J4.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷表4-6各種AlN陶瓷的性能（續４，完）性能普通燒結熱壓燒704.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷AlN陶瓷最吸引人的應用是做集成電路基板。它有良好的絕緣電阻和熱導率，而且熱膨脹系數與硅單晶的匹配很好。克服了用Al2O3作基片時與硅片不匹配和散熱性能差的缺點。4.3典型的結構陶瓷714.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷Al2O3基片上必須涂上銅和鉬鎢的隔離層以彌補上述缺點，從而使結構和工藝復雜，增加了工時和成本。采用氮化鋁材料，結構簡單，組件的可靠性提高，并提高了集成度，更加微型化和輕型化，4.3典型的結構陶瓷724.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷預計不久的將來硅器件的集成度可高達109元件/芯片。AlN陶瓷還可以取代石英玻璃制作合成GaAs半導體的坩堝，可消除硅對GaAs的污染。4.3典型的結構陶瓷734.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷純的AlN很難燒結，因為Al-N鍵屬強的共價鍵，鍵能很強，質點擴散系數小，擴散活化能高。在AlN燒結時往往加入一些BeO、BaO、Al2O3、Y2O3、MgO等氧化物，使它們與AlN反應生成一些鋁酸鹽來促進燒結。4.3典型的結構陶瓷744.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷由于有第二相的生成并富集于晶界，降低了晶粒處晶界能，使晶界處氣孔易于擴散、縮小，達到致密化的目的。為了促進燒結，提高坯體強度，有時也加入一些金屬，如鐵、鎳、鈷、鉬等細粉，彌補在AlN坯體中。4.3典型的結構陶瓷754.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷下面列出一個制造AlN陶瓷的工藝實例：平均粒徑為2.5μm的高純AlN粉和2%(質量分數)的33CaO·Al2O3粉添加劑混合、研磨后經造粒或制成料漿，經冷壓或流延法制成素坯，在1800℃氮氣氛中燒結10h，可達理論密度98%以上。4.3典型的結構陶瓷764.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷氮化硼陶瓷BN陶瓷的結構與碳元素相似，有六方和立方兩種晶型。六方BN是層狀的白色晶體，莫氏硬度僅為2，有滑膩感，類似于石墨，俗稱白石墨。4.3典型的結構陶瓷774.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷沒有石墨那樣令人討厭的黑色，而且是絕緣體。室溫電阻率為1×1012Ω·cm。高溫下電阻率仍很高，1000℃時為103Ω·cm，是一種新的固體潤滑劑。4.3典型的結構陶瓷784.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷與石墨一樣，六方BN在高溫高壓下(1350~1800℃，6.28~6.59MPa)可轉化為與金剛石結構相似的立方BN，其硬度僅次于金剛石，但熱穩定性和化學穩定性優于金剛石。立方BN與金剛石性能的對比見表5-7

。4.3典型的結構陶瓷79表4-7金剛石和立方氮化硼的性能比較（續１）性質金剛石立方BN性質金剛石立方BN晶體結構立方立方熔點/℃3700~40003000原子最小間距/nm0.1540.156比電阻/Ω·m3×1011~5×10122×1010理論密度/(103kg/m3)3.513.48彈性模量/(kgf/mm2)9×1067.1×106顯微硬度/MPa8600~100007000~10000抗壓強度/9.8MPa312~562230~5004.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷表4-7金剛石和立方氮化硼的性能比較（續１）性質金剛石立方80表4-7金剛石和立方氮化硼的性能比較（續２，完）性質金剛石立方BN性質金剛石立方BN熱導率/{102W/(m·K)}2013解理面(111)(110)比熱容0.12化學性質耐酸堿作用慢耐酸堿作用緩慢熱膨脹系數/10-6℃-10.8~4.83.5對鐵族元素易反應惰性熱穩定性/℃約900約14004.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷表4-7金剛石和立方氮化硼的性能比較（續２，完）性質金剛石814.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷BN是一種惰性物質，對一般金屬熔體、玻璃熔體、酸、堿都有很好耐腐蝕性，可做熔煉金屬的坩堝和各種酸堿盛器、反應器及隔離器。立方BN由于其高硬度和其它優異性能，最大應用前景是切削工具和切削材料，可用加工硬而韌、易于黏結的難切削材料，還可用來加工氮化硅等高硬陶瓷材料。4.3典型的結構陶瓷82（二）碳化物4.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷類金剛石薄膜天然金剛石是世界上最硬的材料，但很稀少。人工合成金剛石是將石墨在高溫和極高的壓力下轉變而成，而且只能得到少量的1mm的小顆粒，技術難度很大。（二）碳化物4.3典型的結構陶瓷834.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷近年來低壓化學氣相法合成金剛石制得了大面積金剛石薄膜，使金剛石合成有很大的發展。這種合成的金剛石薄膜中含有石墨碳和碳-氫結構，并不完全是純金剛石，故稱為類金剛石薄膜。4.3典型的結構陶瓷844.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷類金剛石薄膜與金剛石相比，含有較多結構缺陷，且多處于亞穩態，是一種石墨與金剛石之間的中間狀態，隨著sp3鍵碳含量的增加，sp3/sp2之比增大，則類金剛石薄膜的性質接近于金剛石體材料的性質。表5-8類金剛石薄膜的性質與金剛石的比較。4.3典型的結構陶瓷85表4-8類金剛石薄膜與金剛石性質比較（續１）性質金剛石類金剛石薄膜晶體結構F.C.C非晶/微晶/多晶密度3.511.8~3.4莫氏硬度107~9顯微硬度/MPa9800029400~88200摩擦系數（與鋼）0.05~0.150.002~0.24.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷表4-8類金剛石薄膜與金剛石性質比較（續１）性質金剛石類86表4-8類金剛石薄膜與金剛石性質比較（續２，完）性質金剛石類金剛石薄膜折射率2.421.5~3.0熱導率/[W/(m·K)]10~205~18電阻率/Ω·cmⅠa，Ⅰb，Ⅱa：1016；Ⅱb：103102~1014化學穩定性絕大部分無機酸和溶液許多無機酸和溶液4.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷表4-8類金剛石薄膜與金剛石性質比較（續２，完）性質金剛874.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷具有硬度高、高溫強度高、抗氧化性好、耐腐蝕性好和熱導率高等一系列優點，是一種十分重要的高溫陶瓷材料，很早以來就廣泛應用于研磨材料和耐火材料，近年來作為汽車用陶瓷、燃氣輪機高溫部件的主要候選材料之一，更有快速發展。4.3典型的結構陶瓷88表4-9各種方法制得的Si3N4與SiC陶瓷性能比較（續１）性能材料Si3N4SiC無壓燒結熱壓燒結反應燒結無壓燒結熱壓燒結反應燒結密度/(g/cm3)3.083.182.753.103.213.10分解溫度/℃190019001900270027002700室溫6508402965009305504.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷表4-9各種方法制得的Si3N4與SiC陶瓷性能比較（續１89表4-9各種方法制得的Si3N4與SiC陶瓷性能比較（續２）性能材料Si3N4SiC無壓燒結熱壓燒結反應燒結無壓燒結熱壓燒結反應燒結1000℃470680300475820530彈性模量/GPa230310160303440410斷裂韌性KIc/(MPa·m1/2)

5.35.63.62.44.44.64.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷表4-9各種方法制得的Si3N4與SiC陶瓷性能比較（續２90表4-9各種方法制得的Si3N4與SiC陶瓷性能比較（續３）性能材料Si3N4SiC無壓燒結熱壓燒結反應燒結無壓燒結熱壓燒結反應燒結熱膨脹系數α/(×10-7)3.33.283.04.34.84.3熱導率λ/[cal/(cm·s·℃)]0.070.0480.0480.140.190.16熱容/[cal/(g·℃)]0.190.170.190.20.200.24.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷表4-9各種方法制得的Si3N4與SiC陶瓷性能比較（續３91表4-9各種方法制得的Si3N4與SiC陶瓷性能比較（續４）性能材料Si3N4SiC無壓燒結熱壓燒結反應燒結無壓燒結熱壓燒結反應燒結熱沖擊抵抗參數(溫差ΔT)/K8608306203804403004.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷表4-9各種方法制得的Si3N4與SiC陶瓷性能比較（續４92表4-9各種方法制得的Si3N4與SiC陶瓷性能比較（續５，完）性能材料Si3N4SiC無壓燒結熱壓燒結反應燒結無壓燒結熱壓燒結反應燒結氧化增重/(mg/cm3)0.1(100h，1000℃)<0.1(100h，1000℃)2(100h，1000℃)<0.1(100h，1000℃)1.5(16h，1600℃)最高使用溫度/℃1400150015001650165016504.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷表4-9各種方法制得的Si3N4與SiC陶瓷性能比較（續５93表4-10碳化硅的用途(續1)領域使用環境用途主要優點石油工業高溫高壓研磨性物質噴嘴，軸承，密封，閥片耐磨，絕熱微電子工業大功率散熱封裝材料基片高熱導，高絕緣化學工業強酸強堿高溫氧化密封軸承泵套筒泵部件熱交換器汽化管道熱電偶保護管耐磨損，耐腐蝕，氣密性好，耐高溫4.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷表4-10碳化硅的用途(續1)領域使用環境用途主要優點石94表4-10碳化硅的用途（續2）領域使用環境用途主要優點汽車拖拉機燃燒（發動機）燃燒器部件渦輪增壓器低摩擦高強度飛機宇宙火箭渦輪葉片燃氣輪機靜動葉片火箭噴嘴低慣性，低負荷，耐熱沖擊激光大功率高溫反射屏高強度高穩定性汽車拖拉機發動機軸低摩擦耐磨損4.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷表4-10碳化硅的用途（續2）領域使用環境用途主要優點汽車95表4-10碳化硅的用途（續3，完）領域使用環境用途主要優點噴沙機高速研削噴嘴耐磨損造紙工業紙漿廢液紙漿密封陶管軸承襯墊耐磨損，耐腐蝕，低摩擦礦業研削內襯泵部件耐磨損原子能含硼高溫水密封軸套耐放射性其它加工工程拉絲成型模具耐磨損，耐腐蝕4.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷表4-10碳化硅的用途（續3，完）領域使用環境用途主要優點96第四章結構陶瓷第四章結構陶瓷97教學基本要求了解結構陶瓷的發展現狀。了解和掌握陶瓷的增強和增韌。掌握典型的結構陶瓷。4.0教學基本要求第四章結構陶瓷教學基本要求了解結構陶瓷的發展現狀。4.0教學基本要98結構陶瓷利用其強度、硬度、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、耐熱沖擊等性能，用作研磨材料、切削工具、機械密封件、耐磨機械零件等。4.1概述第四章結構陶瓷結構陶瓷利用其強度、硬度、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、耐熱沖擊等99結構陶瓷引人注目，各發達國家20多年大量投資進行研究開發是因為有望應用于熱機部件。4.1概述第四章結構陶瓷另外一個重要應用是陶瓷刀具和磨削工具。結構陶瓷引人注目，各發達國家20多年大量投資進行研究開發是因100優異的性能和巨大的潛在經濟效益刺激著這一新材料的開發。

燃氣輪機和柴油機是汽車、飛機、輪船、坦克、發電機組等的動力來源。4.1概述第四章結構陶瓷優異的性能和巨大的潛在經濟效益刺激著這一新材料的開發。101幾十年來通過改進高溫合金的耐熱性能和采用新的冷卻技術，使渦輪機的進口溫度從500℃提高到1100℃，接近高溫合金極限使用溫度。

如用更耐高溫和高溫強度更高的陶瓷來作內燃機部件，可以將渦輪機的進口溫度提高到1370℃，動力效率可提高到46%。

4.1概述第四章結構陶瓷幾十年來通過改進高溫合金的耐熱性能和采用新的冷卻技術，使渦輪102陶瓷熱機還有其它優點:

可以比金屬轉子更快加速。

成本較低。可以采用低質量燃料和合成燃料。大幅度降低成本，提高可靠性，易于維護。4.1概述第四章結構陶瓷陶瓷熱機還有其它優點:4.1概述103對軍用車輛來說，節油意味增加行程，并減輕后勤的負擔，車身減輕提高了機動性，體積的減小，減少了車輛的投影面，提高了生存率，冷卻系統的取消使之利于在沙漠和高寒地帶作戰。金屬發動機和陶瓷發動機的綜合性能比較見表4-1。4.1概述第四章結構陶瓷對軍用車輛來說，節油意味增加行程，并減輕后勤的負擔，車身減輕104燃氣輪機類型渦輪最高進口溫度/℃熱交換器最高溫度/℃制動效率/%發動機質量/kg普通高溫合金渦輪機101070526272高級高溫合金渦輪機103898233166陶瓷渦輪機1370109346132表4-1金屬和陶瓷汽車燃氣輪機性能的比較4.1概述第四章結構陶瓷燃氣輪機類型渦輪最高進口溫度/℃熱交換器最高溫度/℃制動效率10520世紀70年代初至80年代，美、日、德等國投入大量人力物力開展了這方面研究。

陶瓷發動機試驗樣機已在美、日、德等國和我國制成，并成功地進行了公路試驗。陶瓷發動機是結構陶瓷最大潛在市場。4.1概述第四章結構陶瓷20世紀70年代初至80年代，美、日、德等國投入大量人力物力106陶瓷刀具是結構陶瓷應用的另一廣闊市場。

陶瓷刀具可以加工這些超硬超強材料，而且它的耐磨和耐熱性好，其最佳切削速度比硬質合金刀具高3~10倍以上，壽命長，減少了換刀、磨刀次數，從而大大提高加工效率。

4.1概述第四章結構陶瓷陶瓷刀具是結構陶瓷應用的另一廣闊市場。4.1概述107傳統陶瓷最大弱點是性脆，即很低斷裂功，斷裂韌性很差，強度也很低。結構陶瓷研究、開發的總目標就是采用各種方法和途徑來提高材料強度和韌性，使之達到金屬的水平。陶瓷的增強、增韌是結構陶瓷的中心論題。

4.1概述第四章結構陶瓷傳統陶瓷最大弱點是性脆，即很低斷裂功，斷裂韌性很差，強度也很108陶瓷的實際強度約為金屬的1/10，斷裂韌性約為金屬的1/100。陶瓷的脆性和強度的分散性是陶瓷作為結構材料的致命弱點。陶瓷在斷裂過程中，除增加新的斷裂表面外，幾乎無其它可以吸收能量的機制。4.２陶瓷的增強與增韌第四章結構陶瓷陶瓷的實際強度約為金屬的1/10，斷裂韌性約為金屬的1/109提高斷裂韌性有兩個途徑：

提高強度。增強的途徑首先是提高陶瓷的致密度。增加臨界裂紋的長度，或提高斷裂功。4.２陶瓷的增強與增韌第四章結構陶瓷提高斷裂韌性有兩個途徑：4.２陶瓷的增強與增韌110陶瓷體是由粉末成型燒結而成，其內部有大量氣孔，它的數量、形狀、分布和大小都會對斷裂強度產生直接影響。氣孔率與陶瓷的強度有以下經驗公式：式中，σc是氣孔率為P時的強度；σ0是氣孔率為零時的強度；b是常數。4.２陶瓷的增強與增韌第四章結構陶瓷陶瓷體是由粉末成型燒結而成，其內部有大量氣孔，它的數量、形狀111氣孔率增加或密度降低可使陶瓷強度下降：

陶瓷的彈性模量隨氣孔率增大而減小，斷裂強度與彈性模量的平方根成正比，故氣孔率增大或材料密度減小使陶瓷的強度下降。

晶界處的氣孔會引起應力集中，在外力作用下形成微裂紋，降低強度。

4.２陶瓷的增強與增韌第四章結構陶瓷氣孔率增加或密度降低可使陶瓷強度下降：4.２陶瓷112氣孔率增加，晶粒間接觸面積減小，有利于微裂紋的形成與擴展，增大陶瓷的脆性。氣孔若呈不規則狀，則在多相交界處，氣孔本身就相當于裂紋。陶瓷高致密時，強度得到增加，增強的同時也增加了斷裂韌性，但單通過提高強度有時并不能明顯地增韌。

4.２陶瓷的增強與增韌第四章結構陶瓷氣孔率增加，晶粒間接觸面積減小，有利于微裂紋的形成與擴展，增113高速鋼硬金屬超級金屬ZrO2Si3N4SiCAl2O3纖維復合材料微晶玻璃耐火材料炻器陶器彎曲強度/GPa0123年代18501900195019701990圖4-1陶瓷強度近年來的進展及與金屬的比較4.２陶瓷的增強與增韌第四章結構陶瓷高速鋼硬金屬超級金屬ZrO2Si3N4SiCAl2O3纖維復114一氧化物陶瓷氧化物陶瓷是最早用于結構目的的先進陶瓷。氧化鋁是應用最廣泛的一種。氧化鋯則是現有結構陶瓷中強度和斷裂韌性最高的一種。4.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷一氧化物陶瓷氧化物陶瓷是最早用于結構目的的先進陶瓷。4115（一）氧化鋁陶瓷氧化鋁有近十種變體。純氧化鋁主要有α-Al2O3和γ-Al2O3兩種晶型。

氧化鋁陶瓷最常用的原料是人工合成的α-Al2O3粉末。

4.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷（一）氧化鋁陶瓷氧化鋁有近十種變體。純氧化鋁主要有α-Al116氧化鋁的熔點高、硬度高、高絕緣、耐酸、耐堿、強度高、原料豐富。

工業氧化鋁原料制備方法主要用改進的Bayer法煉鋁工藝，由于含鈉量較高，在0.01%以上，在很多的應用上受到限制。4.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷氧化鋁的熔點高、硬度高、高絕緣、耐酸、耐堿、強度高、原料豐富117先進陶瓷應用的高純氧化鋁制造：銨明礬熱分解法。有機鋁鹽加水分解法。鋁在水中放電氧化法。鋁的銨碳酸鹽熱解法。4.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷先進陶瓷應用的高純氧化鋁制造：銨明礬熱分解法。4.3118種類Al2O3質量分數/%Na2O質量分數/%拜爾氧化鋁普通氧化鋁99.3~99.6約0.3酸洗低鈉氧化鋁約99.80.02~0.06易燒結氧化鋁約99.80.02~0.06高純度氧化鋁99.95~99.99約0.002表4-2各種氧化鋁的純度及Na2O含量4.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷種類Al2O3質量分數/%Na2O質量分數拜爾氧化鋁普通119成型方法用途成型方法用途澆注成型絲軌、研缽、拉絲機用部件薄膜成型集成電路基片、封裝擠壓成型爐芯管、電阻管、蜂窩體注射成型火花塞、絲軌、噴燒嘴壓力成型開關電阻部件、滑動部件熱壓成型切削刀具等靜壓成型火花塞、透光管、噴嘴表4-3各種氧化鋁的成型方法和用途4.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷成型方法用途成型方法用途澆注成型絲軌、研缽、拉絲機用部件薄膜1201234140012001.62.02.42.83.23.64.0燒結溫度/℃燒結密度/(g/cm2)圖4-2添加劑對氧化鋁燒結性能的影響1—不添加(O2中)；2—添加TiO21%(O2中)；3—添加MnO21%(O2中)；4—添加TiO21%(H2中)4.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷1234140012001.62.02.42.83.23.6121制造透明氧化鋁陶瓷的條件：

高純原料。在真空或氫氣中燒結，使氣孔中的氣體脫去較易而無殘留氣孔。添加晶粒生長控制劑。

鋁的銨碳酸鹽熱解法。4.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷制造透明氧化鋁陶瓷的條件：高純原料。4.3典型的結122用途耐熱導熱電絕緣強度耐磨耐腐蝕火花塞★☆★☆×☆集成電路×★★★×▲絲軌×▲×☆★☆刀具▲☆×★☆▲爐芯管★☆☆☆×☆燒杯☆××☆×★表4-4氧化鋁的主要用途及性能要求注：★非常好；☆好；▲稍好；×不好。4.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷用途耐熱導熱電絕緣強度耐磨耐腐蝕火花塞★☆★☆×☆集成電路×123(二)氧化鋯陶瓷氧化鋯具有熔點高、高溫蒸氣壓低、化學穩定性好、熱導率低等特點，這些性能均優于氧化鋁陶瓷但價格昂貴，以往應用不廣。

4.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷(二)氧化鋯陶瓷氧化鋯具有熔點高、高溫蒸氣壓低、化學穩定性124近來氧化鋯的增韌性能被廣泛應用，開發出一系列高強度、高韌性陶瓷，力學性能為結構陶瓷之首，并且在功能陶瓷中成為敏感材料和電熱材料，有廣泛應用，引起了研究和生產的熱潮。

4.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷近來氧化鋯的增韌性能被廣泛應用，開發出一系列高強度、高韌性陶125二氧化鋯是一種多晶型氧化物，有三種變體，在不同溫度下互變：約1150℃約950℃單斜相ZrO2四方相ZrO22370℃立方相ZrO24.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷二氧化鋯是一種多晶型氧化物，有三種變體，在不同溫度下互變：126單斜相ZrO2的理論密度為5.56g/cm3，四方相為6.09g/cm3，立方相為6.27g/cm3，因此當單斜相ZrO2加熱到1100℃左右就會發生體積的突然收縮，同時變為四方相。當四方相ZrO2冷冷卻到950℃左右，就會變成單斜相，同時產生體積的突然膨脹。4.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷單斜相ZrO2的理論密度為5.56g/cm3，四方相為6.1274.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷加入穩定劑，可使ZrO2高溫立方相在室溫下仍穩定存在。稱為穩定ZrO2(SZ)，這就避免了四方相轉變為單斜相時產生的體積膨脹而使制品開裂，從而制得ZrO2陶瓷。穩定劑要具備與ZrO2固溶的條件，即陽離子大小與Zr4+相似，穩定劑應是立方晶系。以Y2O3最好，MgO最差。

4.3典型的結構陶瓷1284.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷Mg2+(0.078nm)比Zr4+(0.087nm)小，固溶結構不穩定。在1500℃固溶時，穩定劑的最小用量(摩爾分數)：MgO13.8%，CaO11.2%，Y2O36%。4.3典型的結構陶瓷1294.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷穩定劑少于此限，ZrO2不能全部形成立方晶系，得到不同比例的立方、四方、單斜相混合物或純四方相燒結物。這種ZrO2陶瓷為部分穩定的ZrO2陶瓷(PSZ)

。4.3典型的結構陶瓷130二氧化鋯陶瓷原料的制法共沉淀法。在烴基氯化鋯等水溶性鋯鹽與穩定劑鹽類的混合水溶液中加入氨等堿類物質，產生氫氧化物共沉淀，干燥后經800℃左右煅燒，得到與穩定劑固溶的ZrO2粉末。4.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷二氧化鋯陶瓷原料的制法共沉淀法。在烴基氯化鋯等水溶性鋯鹽與穩131如穩定劑

得到混有穩定劑Y2O3的ZrO2粉末。4.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷如穩定劑得到混有穩定劑Y2O3的ZrO2粉末。4.3132水解法。長時間沸騰或加壓使鋯酸鹽溶液水解，在溶液中形成水合氧化物，再煅燒得ZrO2粉末。如鋯鹽為ZrOCl·8H2O，則反應為4.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷水解法。長時間沸騰或加壓使鋯酸鹽溶液水解，在溶液中形成水合氧133如用有機醇鹽，則反應方程如下得到結晶良好的ZrO2粉末。

4.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷如用有機醇鹽，則反應方程如下得到結晶良好的ZrO2粉末。134熱分解法：包括將含鋯鹽和穩定劑的溶液在高溫噴霧熱解、醇鹽直接熱解和將冷凍干燥的干燥物熱分解等三種方法。二氧化鋯制品分為穩定二氧化鋯燒結體與部分穩定二氧化鋯(PSZ)制品兩種。4.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷熱分解法：包括將含鋯鹽和穩定劑的溶液在高溫噴霧熱解、醇鹽直接1351200200200001606004003001008040保溫時間/h斷裂能/(J/m3)斷裂強度/MPa圖4-3摻CaO的ZrO2(1000℃)保溫時間與斷裂強度、斷裂能的關系4.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷120020020000160600400300100804136015501650100806040201250135014501150圖4-4Y2O3-ZrO2的燒結溫度與四方相含量的關系燒結溫度/℃四方相含量/%4.3典型的結構陶瓷第四章結構陶瓷015501650100806040201250135014137PSZ的用途：刀具類：可作陶瓷剪刀和特殊用途的醫用、工業用刀具，它不銹、無磁性、與生物親和。

滑動部件類：利用其耐磨性、與金屬不親和性，可作拔絲模、拉管模、絲軌、軸承、噴嘴、泵部件、粉碎