一、定義
陶瓷材料是指用天然或合成化合物經(jīng)過(guò)成形和高溫?zé)Y(jié)制成的一類無(wú)機(jī)非金屬材料。它具有高熔點(diǎn)、高硬度、高耐磨性、耐氧化等優(yōu)點(diǎn)??捎米鹘Y(jié)構(gòu)材料、刀具材料,由于陶瓷還具有某些特殊的性能,又可作為功能材料。
二、性能
力學(xué)特性
陶瓷材料是工程材料中剛度最好、硬度最高的材料,其硬度大多在1500HV以上。陶瓷的抗壓強(qiáng)度較高,但抗拉強(qiáng)度較低,塑性和韌性很差。
熱特性
陶瓷材料一般具有高的熔點(diǎn)(大多在2000℃以上),且在高溫下具有極好的化學(xué)穩(wěn)定性;陶瓷的導(dǎo)熱性低于金屬材料,陶瓷還是良好的隔熱材料。同時(shí)陶瓷的線膨脹系數(shù)比金屬低,當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí),陶瓷具有良好的尺寸穩(wěn)定性。
電特性
大多數(shù)陶瓷具有良好的電絕緣性,因此大量用于制作各種電壓(1kV~110kV)的絕緣器件。鐵電陶瓷(鈦酸鋇BaTiO3)具有較高的介電常數(shù),可用于制作電容器,鐵電陶瓷在外電場(chǎng)的作用下,還能改變形狀,將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能(具有壓電材料的特性),可用作擴(kuò)音機(jī)、電唱機(jī)、超聲波儀、聲納、醫(yī)療用聲譜儀等。少數(shù)陶瓷還具有半導(dǎo)體的特性,可作整流器。
化學(xué)特性
陶瓷材料在高溫下不易氧化,并對(duì)酸、堿、鹽具有良好的抗腐蝕能力。
光學(xué)特性
陶瓷材料還有獨(dú)特的光學(xué)性能,可用作固體激光器材料、光導(dǎo)纖維材料、光儲(chǔ)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(jì)算機(jī)記憶元件方面的應(yīng)用有著廣泛的前途。
三、分類及應(yīng)用
普通材料
采用天然原料如長(zhǎng)石、粘土和石英等燒結(jié)而成,是典型的硅酸鹽材料,主要組成元素是硅、鋁、氧,這三種元素占地殼元素總量的90%,普通陶瓷來(lái)源豐富、成本低、工藝成熟。這類陶瓷按性能特征和用途又可分為日用陶瓷、建筑陶瓷、電絕緣陶瓷、化工陶瓷等。
特種材料
采用高純度人工合成的原料,利用精密控制工藝成形燒結(jié)制成,一般具有某些特殊性能,以適應(yīng)各種需要。根據(jù)其主要成分,有氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、金屬陶瓷等;特種陶瓷具有特殊的力學(xué)、光、聲、電、磁、熱等性能。
根據(jù)用途不同,特種陶瓷材料可分為結(jié)構(gòu)陶瓷、工具陶瓷、功能陶瓷。
結(jié)構(gòu)陶瓷
氧化鋁陶瓷主要組成物為Al2O3,一般含量大于45%。氧化鋁陶瓷具有各種優(yōu)良的性能。耐高溫,一般可要1600℃長(zhǎng)期使用,耐腐蝕,高強(qiáng)度,其強(qiáng)度為普通陶瓷的2~3倍,高者可達(dá)5~6倍。其缺點(diǎn)是脆性大,不能接受突然的環(huán)境溫度變化。用途極為廣泛,可用作坩堝、發(fā)動(dòng)機(jī)火花塞、高溫耐火材料、熱電偶套管、密封環(huán)等,也可作刀具和模具。
氮化硅陶瓷主要組成物是Si3N4,這是一種高溫強(qiáng)度高、高硬度、耐磨、耐腐蝕并能自潤(rùn)滑的高溫陶瓷,線膨脹系數(shù)在各種陶瓷中最小,使用溫度高達(dá)1400℃,具有極好的耐腐蝕性,除氫氟酸外,能耐其它各種酸的腐蝕,并能耐堿、各種金屬的腐蝕,并具有優(yōu)良的電絕緣性和耐輻射性。可用作高溫軸承、在腐蝕介質(zhì)中使用的密封環(huán)、熱電偶套管、也可用作金屬切削刀具。
碳化硅陶瓷主要組成物是SiC,這是一種高強(qiáng)度、高硬度的耐高溫陶瓷,在1200℃~1400℃使用仍能保持高的抗彎強(qiáng)度,是目前高溫強(qiáng)度最高的陶瓷,碳化硅陶瓷還具有良好的導(dǎo)熱性、抗氧化性、導(dǎo)電性和高的沖擊韌度。是良好的高溫結(jié)構(gòu)材料,可用于火箭尾噴管噴嘴、熱電偶套管、爐管等高溫下工作的部件;利用它的導(dǎo)熱性可制作高溫下的熱交換器材料;利用它的高硬度和耐磨性制作砂輪、磨料等。
六方氮化硼陶瓷主要成分為BN,晶體結(jié)構(gòu)為六方晶系,六方氮化硼的結(jié)構(gòu)和性能與石墨相似,故有“白石墨”之稱,硬度較低,可以進(jìn)行切削加工具有自潤(rùn)滑性,可制成自潤(rùn)滑高溫軸承、玻璃成形模具等。
工具陶瓷
硬質(zhì)合金主要成分為碳化物和粘結(jié)劑,碳化物主要有WC、TiC、TaC、NbC、VC等,粘結(jié)劑主要為鈷(Co)。硬質(zhì)合金與工具鋼相比,硬度高(高達(dá)87~91HRA),熱硬性好(1000℃左右耐磨性優(yōu)良),用作刀具時(shí),切削速度比高速鋼提高4~7倍,壽命提高5~8倍,其缺點(diǎn)是硬度太高、性脆,很難被機(jī)械加工,因此常制成刀片并鑲焊在刀桿上使用,硬質(zhì)合金主要用于機(jī)械加工刀具;各種模具,包括拉伸模、拉拔模、冷鐓模;礦山工具、地質(zhì)和石油開(kāi)采用各種鉆頭等。
金剛石天然金剛石(鉆石)作為名貴的裝飾品,而合成金剛石在工業(yè)上廣泛應(yīng)用,金剛石是自然界最硬的材料,還具備極高的彈性模量;金剛石的導(dǎo)熱率是已知材料中最高的;金剛石的絕緣性能很好。金剛石可用作鉆頭、刀具、磨具、拉絲模、修整工具;金剛石工具進(jìn)行超精密加工,可達(dá)到鏡面光潔度。但金剛石刀具的熱穩(wěn)定性差,與鐵族元素的親和力大,故不能用于加工鐵、鎳基合金,而主要加工非鐵金屬和非金屬,廣泛用于陶瓷、玻璃、石料、混凝土、寶石、瑪瑙等的加工。
立方氮化硼(CBN)具有立方晶體結(jié)構(gòu),其硬度高,僅次于金剛石,具熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性比金剛石好,可用于淬火鋼、耐磨鑄鐵、熱噴涂材料和鎳等難加工材料的切削加工??芍瞥傻毒?、磨具、拉絲模等
其它工具陶瓷尚有氧化鋁、氧化鋯、氮化硅等陶瓷,但從綜合性能及工程應(yīng)用均不及上述三種工具陶瓷。
功能陶瓷
功能陶瓷通常具的特殊的物理性能,涉及的領(lǐng)域比較多,常用功能陶瓷的特性及應(yīng)用見(jiàn)表。
種類
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性能特征
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主要組成
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用途
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介電陶瓷
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絕緣性
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Al2O3、Mg2SiO4
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集成電路基板
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熱電性
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PbTiO3、BaTiO3
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熱敏電阻
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壓電性
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PbTiO3、LiNbO3
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振蕩器
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強(qiáng)介電性
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BaTiO3
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電容器
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光學(xué)陶瓷
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熒光、發(fā)光性
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Al2O3CrNd玻璃
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激光
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紅外透過(guò)性
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CaAs、CdTe
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紅外線窗口
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高透明度
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SiO2
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光導(dǎo)纖維
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電發(fā)色效應(yīng)
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WO3
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顯示器
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磁性陶瓷
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軟磁性
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ZnFe2O、γ-Fe2O3
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磁帶、各種高頻磁心
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硬磁性
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SrO.6 Fe2O3
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電聲器件、儀表及控制器件的磁芯
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半導(dǎo)體陶瓷
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光電效應(yīng)
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CdS、Ca2Sx
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太陽(yáng)電池
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阻抗溫度變化效應(yīng)
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VO2、NiO
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溫度傳感器
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熱電子放射效應(yīng)
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LaB6、BaO
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熱陰極
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四、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)
1 GB/T 4738-2015 日用陶瓷材料耐酸、耐堿性能測(cè)定方法
2 GB/T 5594.3-2015 電子元器件結(jié)構(gòu)陶瓷材料性能測(cè)試方法 第3部分:平均線膨脹系數(shù)測(cè)試方法
3 GB/T 5594.4-2015 電子元器件結(jié)構(gòu)陶瓷材料性能測(cè)試方法 第4部分:介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切值的測(cè)試方法
4 GB/T 5594.6-2015 電子元器件結(jié)構(gòu)陶瓷材料性能測(cè)試方法 第6部分:化學(xué)穩(wěn)定性測(cè)試方法
5 GB/T 5594.7-2015 電子元器件結(jié)構(gòu)陶瓷材料性能測(cè)試方法 第7部分:透液性測(cè)定方法
6 GB/T 5594.8-2015 電子元器件結(jié)構(gòu)陶瓷材料性能測(cè)試方法 第8部分:顯微結(jié)構(gòu)的測(cè)定方法
7 GB 30367-2013 牙科學(xué) 陶瓷材料
8 GB/T 15750-2008 壓電陶瓷材料性能測(cè)試方法 老化性能的測(cè)試
9 GB/T 11387-2008 壓電陶瓷材料性能測(cè)試方法 靜態(tài)彎曲強(qiáng)度的測(cè)試
10 GB/T 16304-2008 壓電陶瓷材料性能測(cè)試方法 電場(chǎng)應(yīng)變特性的測(cè)試
11 GB/T 3389-2008 壓電陶瓷材料性能測(cè)試方法 性能參數(shù)的測(cè)試
12 GB/T 3388-2002 壓電陶瓷材料型號(hào)命名方法
13 GB/T 4740-1999 陶瓷材料抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法
14 GB/T 4741-1999 陶瓷材料抗彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)方法
15 GB/T 6426-1999 鐵電陶瓷材料電滯回線的準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)試方法
16 GB/T 2414.1-1998 壓電陶瓷材料性能試驗(yàn)方法 圓片徑向伸縮振動(dòng)模式
17 GB/T 2414.2-1998 壓電陶瓷材料性能試驗(yàn)方法 長(zhǎng)條橫向長(zhǎng)度伸縮振動(dòng)模式
18 GB/T 4734-1996 陶瓷材料及制品化學(xué)分析方法
19 GB/T 5594.1-1985 電子元器件結(jié)構(gòu)陶瓷材料性能測(cè)試方法 氣密性測(cè)試方法
20 GB/T 5594.2-1985 電子元器件結(jié)構(gòu)陶瓷材料性能測(cè)試方法 楊氏彈性模量、泊松比測(cè)試方法
21 GB/T 5594.5-1985 電子元器件結(jié)構(gòu)陶瓷材料性能測(cè)試方法 體積電阻率測(cè)試方法