第五章陶瓷材料的連接主要內容陶瓷材料的性能特點陶瓷連接的要求和存在的問題陶瓷材料的焊接性問題陶瓷材料的連接方法1.陶瓷材料概論

1.1陶瓷的概念第一節陶瓷材料的性能特點陶瓷的英文名為Ceramic，起源于希臘語Keramos(意為陶器)陶瓷是指以各種金屬的氧化物、氮化物、碳化物、硅化物為原料，經適當配料、成型和高溫燒結等人工合成的無機非金屬材料。特種陶瓷普通陶瓷陶瓷日用陶瓷（包括藝術陳列陶瓷）建筑衛生陶瓷化工陶瓷化學瓷電瓷及其他工業用陶瓷1.2陶瓷的分類按陶瓷概念和用途來分類結構陶瓷功能陶瓷結構陶瓷，是指那些利用其高強度、高硬度、良好的耐磨性等力學性能及耐高溫、耐腐蝕、抗氧化等特性，作為結構部件使用的陶瓷材料。功能陶瓷，是指那些利用其電、磁、聲、光、電、熱等直接效應和耦合效應所提供的一種或是多種性質來實現某種使用功能的特種陶瓷。結構陶瓷氧化物陶瓷非氧化物陶瓷

氧化鋁陶瓷氧化鋯陶瓷

氧化鈹氮化物

碳化物陶瓷

功能陶瓷裝置瓷

電容器陶瓷

高鋁瓷

鎂質瓷非鐵電電容器陶瓷反鐵電電容器陶瓷鐵電電容器陶瓷壓電陶瓷

磁性瓷導電陶瓷和超導陶瓷

其他功能陶瓷

特種陶瓷與傳統陶瓷區別物質結構：指組成材料的化學鍵和晶體結構顯微結構：指在顯微鏡下看到的結構陶瓷具有多相多晶體結構：由晶相(1)、玻璃相(2)和氣相(3)所組成1.3

陶瓷材料的結構（1）晶相晶相是陶瓷材料的主要組成相，對陶瓷的性能起決定性作用。晶相的性質：①結合鍵是離子鍵、共價鍵、混合鍵陶瓷晶相具有牢固結合鍵的性質，是陶瓷材料具有高熔點、高耐熱性、高硬度、高耐蝕性和無塑性的根本原因氧化物結構的結合鍵以離子鍵為主，又稱離子晶體。Si3N4、SiC、BN等以共價鍵為主，稱共價晶體。陶瓷材料的結合鍵特點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。共價鍵離子鍵α-石英870℃α-鱗石英1470℃α-方石英1713℃熔融SiO2573℃β-石英163℃β-鱗石英117℃γ-鱗石英180~270℃β－方石英急冷加熱石英玻璃SiO2的同素異構轉變②有些晶相存在同素異構轉變，同一種化合物能夠獲得不同的晶體結構③

晶粒越細，強韌性越高細晶強化是提高陶瓷材料強韌性的有效措施晶粒愈細，陶瓷的強度愈高。如剛玉（Al2O3）晶粒平均尺寸為200μm時，抗彎強度為74MPa，1.8μm時抗彎強度可高達570MPa。④主晶相的性質是決定陶瓷性能的主要因素

玻璃相是一種非晶態固體，是陶瓷燒結時，各組成相與雜質產生一系列物理化學反應形成的液相在冷卻凝固時形成的非晶態物質。（2）玻璃相玻璃相的作用將分散的晶相粘結在一起；降低燒結溫度；抑制晶相的晶粒長大填充氣孔。氣相指陶瓷孔隙中的氣體即氣孔。是生產過程中不可避免的，陶瓷中的孔隙率常為5~10%，要力求使其呈球狀，均勻分布。氣孔對陶瓷的性能有顯著影響，使陶瓷強度降低、介電損耗增大，電擊穿強度下降，絕緣性降低。（3）氣相氣相可使陶瓷的密度減小，并能吸收振動；用作保溫的陶瓷和化工用的過濾多孔陶瓷等需要增加氣孔率，有時氣孔率可高達60％。氧化鋯陶瓷缺陷2.結構陶瓷的性能特點(1)

線脹系數比金屬低，大約10-5~10-6K銅：17.7×10-6K鋁：23×10-6K鐵：11.76×10-6K鎂：24.3×10-6K

隨氣孔率增加，陶瓷的熱脹系數降低。(2)

熔點比金屬高得多，一般在2000℃以上銅：1083℃鋁：660℃鐵：1538℃鎂：650℃

故陶瓷高溫強度和高溫蠕變抗力優于金屬。2.1物理性能(3)

導電性大多數是良好的絕緣體也有一些半導體，如NiO、Fe3O4等(4)

導熱性導熱性差，大多為良好的絕熱體

λ=10-2~10-5W/m·K隨氣孔率增加，陶瓷的熱導率降低(5)

有些陶瓷具有特殊的光學性能紅寶石（α-Al2O3摻鉻離子）、釔鋁石榴石、含釹玻璃等可作固體激光材料；玻璃纖維可作光導纖維材料，此外還有用于光電計數、跟蹤等自控元件的光敏電阻材料。(6)

磁性磁性陶瓷又名鐵氧體或鐵淦氧，主要是Fe2O3和Mn、Zn等的氧化物組成的陶瓷材料，為磁性陶瓷材料，可用作磁芯、磁帶、磁頭等。2.2化學性能

化學穩定性高原因：金屬原子被非金屬原子包圍，受到非金屬原子的屏蔽，因而形成極為穩定的化學結構。表現：抗氧化(不再與介質中的氧發生作用，甚至在1000℃的高溫下也不會氧化)

抗腐蝕(具有較強的抵抗酸、堿、鹽類的腐蝕，以及抵抗熔融金屬腐蝕的能力)2.3力學性能(1)

硬度硬度是各類材料中最高的，可作為刀具材料使用高聚物＜20HV淬火鋼500~800HV

陶瓷1000~5000HV(2)

強度抗壓不抗拉，

(抗拉強度很低，比抗壓強度低一個數量級)，抗彎(抗彎強度高)。內部存在微裂紋和氣孔等缺陷，是導至陶瓷材料抗拉強度較低的原因：高彈性模量，E=100~400GPa（金屬：210）韌性陶瓷硬度壓痕脆性陶瓷硬度壓痕周圍的裂紋(3)

塑性在室溫幾乎沒有塑性，韌性差，脆性大，是陶瓷的最大缺點。沖擊韌性、斷裂韌性低。

KIC

約為金屬的1/60~1/100材料KIC/MPa.m1/245鋼90球墨鑄鐵20~40氮化硅陶瓷3.5~5(4)

高溫強度高、蠕變抗力高作為耐高溫材料，已在工程中獲得廣泛應用3.幾種常用的結構陶瓷氧化物陶瓷是指包含氧元素的陶瓷，包括由金屬與非金屬元素的化合物構成的非均勻固體物質。主要由離子鍵結合，也有一定成分的共價鍵。最重要的氧化物陶瓷是幾種簡單類型的氧化物：AO，AO2，A2O3，ABO3和AB2O4等結構類型(A、B表示陽離子)。工程意義較大的是純氧化物陶瓷，它們的熔點多數超過2000℃，應用最多的是SiO2，Al2O3，ZrO2，MgO，CaO，BeO，ThO2等，以及一些氧化物之間的化合物，如尖晶石等。3.1氧化物陶瓷

以α-Al2O3為主晶相的陶瓷材料晶體結構：

Al2O3目前已知有10種同質異晶體，主要有三種晶型：

α-Al2O3β-Al2O3γ-Al2O3（1）氧化鋁陶瓷α-Al2O3的晶體結構氧化鋁的結構是O-2排成密排六方結構，Al+3占據間隙位置。根據含雜質的多少，氧化鋁呈紅色(如紅寶石)或藍色(如藍寶石)氧化鋁陶瓷的性能與用途以基體中所含Al2O3質量分數分類(75瓷，95瓷，99瓷……)隨Al2O3的質量分數增加，機械強度，介電常數，導熱系數等也提高優點：硬度高、很好的耐磨性、耐蝕性和高溫性能缺點：韌性低，抗熱振性能差，不能承受溫度的急劇變化用于制造刀具、模具、軸承、熔化金屬的坩堝、高溫熱電偶套管，以及化工行業中的一些特殊零部件，如化工泵的密封滑環、軸套和葉輪等。（2）氧化鋯陶瓷研發歷史20世紀20年代開始被用做熔化玻璃和冶煉鋼鐵等的耐火材料；1968年，日本松下電器公司開發出氧化鋯非線性電阻元件；1973年，美國R.Zechnall制得電解質氧傳感器，能正確顯示汽車發動機的空氣/燃料比，1980年用于鋼鐵工業；1975年，澳大利亞R.G.Garvie以CaO為穩定劑制得部分穩定的氧化鋯，并首次利用陶瓷馬氏體相變的增韌相應，提高了其韌性和強度；1982年，日本絕緣子公司和美國Cummins發動機公司共同開發出節能柴油機缸套。ZrO2陶瓷晶型及其轉化單斜(m)、四方(t)、立方(c)3種晶系氧化鋯陶瓷的應用特點：密度大，硬度高，抗彎強度大,斷裂韌性高(已知陶瓷中最高)應用：可用做內燃機氣缸內襯、活塞頂等耐磨、耐腐蝕器件模具高溫發熱體材料，在空氣中最高發熱溫度可達2200℃燃料電池材料等3.2非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷與氧化物陶瓷的區別：人工制備的燒結需在保護氣氛中進行難熔、難燒結（1）氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷的優異性能對于現代技術經常遇到的高溫、高速、強腐蝕介質的工作環境，具有特殊的使用價值。比較突出的性能有：1）機械強度高，硬度接近于剛玉，有自潤滑性，耐磨。室溫抗彎強度可以高達800~1000MPa，強度可以一直維持到1200℃不下降。2）熱穩定性好，熱膨脹系數小，有良好的導熱性能，所以抗熱震性很好，從室溫到1000℃的熱沖擊不會開裂。3）化學性能穩定，幾乎可耐一切無機酸（HF除外）和濃度在30%以下燒堿（NaOH）溶液的腐蝕，也能耐很多有機物質的侵蝕，對多種有色金屬熔融體（特別是鋁液）不潤濕，能經受強烈的放射輻照。4）密度低，比重小，僅是鋼的2/5，電絕緣性好。氮化硅的晶體結構六方晶系，α、β兩種晶型α-Si3N4低溫相，1500℃轉變為高溫相β-Si3N4氮化硅陶瓷的應用用于制造火箭尾噴管的噴嘴、澆注金屬用的喉嘴、電熱偶套管、加熱爐管以及燃氣輪機的葉片、軸承等，還可用于熱交換器、耐火材料等。（2）碳化硅陶瓷兩種晶型α-SiC

六方結構β-SiC

面心立方碳化硅陶瓷的性能和用途熱導率高，優異的高溫強度和高溫蠕變高電阻率化學穩定性高性能比氮化硅更好（3）賽隆陶瓷Si3N4-Al2O3-AlN-SiO2系列化合物的總稱塞隆陶瓷的性能塞隆陶瓷的應用高溫燒結材料常溫和高溫下強度高，化學性能穩定優異的抗熔融腐蝕熱機材料(發動機針閥)切削材料(熱硬性好于Co-WC合金，1000℃以上高速切削)軸承等滑動部件及磨損件(直接燒制成所需尺寸)4.陶瓷材料的制備工藝陶瓷坯料的制備成型釉制備及施釉干燥燒成坯料是指將陶瓷原料經篩選，破碎等工序后進行配料，再經混合、細磨等工序后得到的具有成型性能的多組分混合物。

坯料的制備過程可大致分為：原料處理、配料、混合制備三部分。4.1陶瓷坯料的制備

（1）原料處理

a、預燒——對原料進行的預先燒制b、精選——對原料進行分離，提純，除去原料中的各種雜質（尤其含鐵雜質），使之在化學組成、礦物組成、顆粒尺寸上更符合原料的質量要求。物理方法：水選、篩選、磁選、超聲波選化學方法：溶解法、升華法物理化學方法：電解法、浮選法（2）配料根據制品的化學性能要求、生產工藝確定坯料的組成；根據原料的性質選擇合適的原料；根據特定的方法（如成分滿足法）確定配方。(3)混合制備a、粉碎粒度分析、比表面測定和X射線衍射技術影響研磨效果的因素：研磨工藝和設備、研磨時間、強度和研磨介質。b、脫水注漿料的含水量為30-35%時才能澆注成型可塑泥料是采用壓濾機脫水至含水量為20-25％壓制粉料可分為：濕法壓制粉料：含水量8％-15％；干法壓制粉料：含水量3％-7％脫水操作：壓濾脫水法、噴霧干燥技術c、陳腐與練泥（ⅰ）陳腐所謂陳腐就是把泥餅置于避光、空氣不流通的室內或密閉容器內，保持一段時間，該工藝也叫困料。因料室內溫度應保持在20℃左右，相對濕度要求在80%-90%。坯料在困制過程中，在毛細管的作用下，水分分布漸趨均勻。坯料困制時間越長，水分分布就越均勻，其成型性也就越好。一般困料時間為10天左右。（ⅱ）練泥經過壓濾得到的泥餅和困料得到的坯料的組織疏松且不均勻，含有大量的氣泡。這樣既降低了坯料的可塑性，難以擠壓成型，通常采用真空練泥機多次練泥的方法，排除泥餅中的殘留空氣，提高泥料的致密度和可塑性，并使泥料組織均勻，改善成形性能，提高干燥強度和成瓷后的機械強度。陶瓷制品的成形，就是將坯料制成具有一定形狀和規格的坯體，并使坯料具有所要的機械強度和一定的致密度。普通成型方法主要有注漿成型、塑制成型與壓制成型三種工藝。具體選擇何種工藝需要依據最終產品的性質，形狀和尺寸。4.2成型

釉是指覆蓋在陶瓷坯體表面上的一層很薄的均勻的玻璃態物質。陶瓷坯體表面的釉層，從外觀來說，使陶瓷具有平滑而光澤的表面，增加了陶瓷的美觀；從機械性能來說，正確配合的釉層可以增加陶瓷的強度與表面硬度，同時還可以使陶瓷的電絕緣性能、抗化學侵蝕性能有所提高。平滑而光澤的表面，不僅增加美觀，而且就日用瓷來說，為飲用器皿的洗滌清潔提供了方便條件。4.3釉制備及施釉玻璃形成劑：形成玻璃的主要氧化物在釉層中以多面體的形式相互結合為連續網絡，又稱為網絡形成劑。助熔劑：在釉料熔化過程中能促進高溫化學反應，加速高熔點晶體（如SiO2）結構鍵的斷裂和生成低共熔點的化合物。同時還起調整釉層物理化學性質的作用。乳濁劑：它是保證釉層有足夠覆蓋能力的成分,也就是保證燒成時熔體析出的晶體、氣體或分散粒子出現折射率的差別，引起光線散射產生乳濁的化合物。著色劑：使釉層吸收可見光波，從而呈現不同顏色。其他輔助劑：為了提高釉面質量、改善釉層物化性能，控制釉漿性能(如懸浮性、與坯體的粘附性)等而加入。釉層的組成：

釉料在加熱過程中將發生一系列復雜的物理化學反應，如脫水、固相反應、碳酸鹽和硫酸鹽分解、部分原料熔化并生成共熔體、熔融物相互溶解、部分原料揮發和坯釉間的相互反應等。在反應的同時，釉料開始燒結、熔化并在坯體上鋪展為光滑釉面。釉層的形成

排除坯體中水分的工藝過程稱為“干燥”。干燥的目的：除去坯體中所含的一部分水分，使坯體具有一定的強度；提高坯體吸附釉層能力；縮短燒成周期，提高窯爐的周轉率，降低燃料消耗。4.4干燥將陶瓷坯體加熱至高溫，經過一系列的物理化學變化（如膨脹、收縮、氣體的產生、液相的出現、舊晶相的消失、新晶相的析出等），冷卻至室溫后，坯體的礦物組成與顯微結構發生顯著變化，外形尺寸得以固定，強度得以提高，最終獲得某種特定使用性能（如機械強度、致密度、絕緣、耐熱等）陶瓷制品，這一工藝過程稱為燒成。坯體在高溫作用下，發生一系列物理化學反應，最后氣孔率接近于零，達到完全致密程度的瓷化