常用的结构陶瓷种类简介

1.氧化物陶瓷

常用的氧化物陶瓷有氧化铝陶瓷、氧化铍陶瓷和部分稳定氧化锆陶瓷等。表12-2是常用的几种氧化物陶瓷的物理性能。

表12-2常用的几种氧化物陶瓷的物理性能

（1）氧化铝陶瓷 主要成分是Al₂O₃和SiO₂。Al₂O₃含量越高，性能越好，但工艺更复杂。氧化铝有十多种同素异构体，常见的主要有三种：α-Al₂O₃、β-Al₂O₃和γ-Al₂O₃。γ-Al₂O₃属于尖晶石型立方结构，高温下不稳定。在1600℃转变为α-Al₂O₃。α-Al₂O₃在高温下十分稳定，在达到熔点2050℃之前没有晶格类型转变。氧化铝陶瓷的主要性能特点是硬度高（1200℃仍可保持82HRA），有很好的耐磨性、耐蚀性、耐高温性能，可在1600℃高温下长期使用。氧化铝陶瓷还具有良好的电气绝缘性能，在高频下的电绝缘性能尤为突出，每毫米厚度可耐压8000V以上。氧化铝陶瓷的缺点是韧性低，抗热振性能差，不能承受温度的急剧变化。这类陶瓷主要用于制造刀具、模具、轴承、熔化金属的坩埚、高温热电偶套管及化工行业中的一些特殊零部件，如化工泵的密封滑环、轴套和叶轮等。

（2）部分稳定氧化锆（ZrO₂）陶瓷 有三种晶格类型：四方结构（t相）、立方结构（C相）和单斜结构（m相）。加入适量的稳定剂后，四方结构（t相）在室温以亚稳定状态存在，称为部分稳定氧化锆（简称PSZ）。部分稳定氧化锆陶瓷正逐渐应用于发动机的结构件，其抗弯强度在600℃时可达981MPa。在应力作用下发生的四方结构（t相）向单斜结构（m相）的马氏体转变称为“应力诱发相变”，在相变过程中吸收能量，使陶瓷内裂纹尖端的应力场松弛，增加了裂纹的扩展阻力，实现氧化锆陶瓷的增韧。部分稳定氧化锆陶瓷的断裂韧度远高于其他结构的陶瓷。目前发展起来的几种氧化锆陶瓷中，常用的稳定剂包括MgO、Y₂O₃、CaO、CeO₂等。

1）高强度氧化锆陶瓷（MG-PSZ）。抗弯强度为800MPa，断裂韧度为10MPa·m¹／2。抗振型MG-PSZ的抗弯强度为600MPa，断裂韧度为8～15MPa·m¹／2。

2）四方多晶氧化锆陶瓷（Y-TZP）。以Y₂O₃为稳定剂，抗弯强度可达800MPa，最高可达1200MPa，断裂韧度可达10MPa·m¹／2以上。

3）四方多晶ZrO2-Al₂O₃复合陶瓷。利用Al₂O₃的高弹性模量可使多晶氧化锆陶瓷晶粒细化，硬度提高，四方结构的t相含量增加，可以大大地提高陶瓷的强度和韧性。用热压烧结方法制造的ZrO₂-Al₂O₃复合陶瓷的抗弯强度可高达2400MPa，断裂韧度可达17MPa·m¹／2。

2.非氧化物陶瓷

包括氮化硅（Si₃N₄）、碳化硅（SiC）、氮化硼（BN）与氮化钛（TiN）等。碳化硼（B₄C）在工业材料中的硬度仅次于金刚石和立方氮化硼，用于需要高耐磨性的部件。由于非氧化物陶瓷材料在高温下仍具有高强度、高硬度、抗磨损、耐腐蚀等性能，已成为机械制造、冶金和航天等高科技领域中的关键材料。

几种非氧化物陶瓷的物理性能和力学性能见表12-3。

表12-3几种非氧化物陶瓷的物理性能和力学性能

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（1）氮化硅陶瓷 六方晶系，以Si₃N₄为结构单元，具有极强的共价键性，有α-Si₃N₄和β-Si₃N₄两种晶体。氮化硅陶瓷的特点是强度高，反应烧结氮化硅陶瓷的室温抗弯强度达200MPa，在1200～1350℃高温下可保证强度不衰减。热压烧结氮化硅陶瓷室温抗弯强度高达800～1000MPa，加入某些添加剂后抗弯强度可达1500MPa。氮化硅陶瓷的硬度很高，仅次于金刚石、立方氮化硼和碳化硼等几种物质。用氮化硅陶瓷制造的发动机可以在更高的温度下工作，使发动机的燃料充分燃烧，提高热效率，减少能耗与环境污染。

（2）碳化硅陶瓷 具有高的导热性、高耐蚀性和高硬度，是一种键能很高的共价键化合物，具有金刚石的结构类型。常见的碳化硅晶格类型为2100℃以下稳定存在的立方结构β-SiC和2100℃以上稳定存在的六方结构α-SiC。在压力为1atm（101.325kPa）时，碳化硅在2830℃左右分解。碳化硅陶瓷的特点是高温强度高，在1400℃时抗弯强度仍保持在500～600MPa的较高水平。碳化硅陶瓷具有很好的耐磨损、耐腐蚀、抗蠕变性能。由于碳化硅陶瓷具有高温强度高的特点，可用于制造火箭尾喷管的喷嘴、浇注金属用的喷嘴、热电偶套管、加热炉管以及燃气轮机的叶片、轴承等，还可用于热交换器、耐火材料等。

（3）赛隆陶瓷（Sialon）由Si₃N₄和Al₂O₃构成的陶瓷称为赛隆陶瓷，其成形和烧结性能优于纯Si₃N₄陶瓷，物理性能与β-Si₃N₄相近，化学性能接近Al₂O₃。这种陶瓷可以采用热挤压、模压、浇注等方法成形，在1600℃常压无活性气氛中烧结即可达到热压氮化硅陶瓷的性能，是目前常压烧结强度最高的陶瓷材料。近年来赛隆陶瓷得到了较快的发展。

3.陶瓷复合材料

提高陶瓷材料性能的方法之一是制作陶瓷基复合材料。加入其他化合物或金属元素，形成的复合Al₂O₃陶瓷，可改善氧化物陶瓷的韧性和抗热振性。几种氧化铝复相陶瓷与热压氧化铝陶瓷的力学性能见表12-4。由于分散的第二相可阻止Al₂O₃晶粒长大，又可阻碍微裂纹扩展，所以复相陶瓷的抗弯强度明显提高。含5％（体积分数）SiC的Al₂O₃复相陶瓷的抗弯强度可达1000MPa以上，断裂韧度提高到4.7MPa·m¹／2。

陶瓷可作为复合物系统（如玻璃钢GRP）和金属基复合材料（如氧化铝强化的Al／Al₂O₃）的增强剂，即将陶瓷纤维、晶须或颗粒混入陶瓷基体材料中。使基体和加入的材料保持固有的性能，而陶瓷复合材料的综合性能远远超过单一材料本身的性能。

表12-4几种Al₂O₃复相陶瓷与热压陶瓷的力学性能

陶瓷复合材料主要分为纤维增强和晶须或颗粒增强复合材料两大类。

（1）纤维增强陶瓷复合材料 纤维是连续的或接近连续的细丝，在保持或提高强度的同时能增强韧性和抗高温性能。可以做成纤维的材料有Al₂O₃、SiC、Si₃N₄等。但是，陶瓷基体加入纤维后很难进行加工，许多靠纤维增强的陶瓷复合材料就因为纤维分布不均匀、加工（焊接）后纤维性能下降或基体密实性不足等原因而达不到提高性能的目的。

（2）晶须或颗粒增强陶瓷复合材料 晶须是短小的单晶体纤维，无论是棒状或针状，其纵横比约为100，直径小于3μm。以SiC晶须增强的Al₂O₃陶瓷复合材料已经引起广泛关注。将SiC晶须加入单一的Al₂O₃陶瓷或多元基体中，能使材料的强度和断裂韧度提高很多，而且还具有优异的抗热振性、耐磨性和抗氧化性。以ZrO₂韧化的Al₂O₃系列陶瓷复合材料是以弥散分布的部分稳定的ZrO₂颗粒来提高Al₂O₃陶瓷基体的强度和韧性。

陶瓷由于具有良好的介电性、耐热性、真空致密性、耐蚀性等，在工程技术中得到广泛应用。陶瓷具有持久的热稳定性，耐各种介质的侵蚀性，具有很高的电绝缘性能和绝磁性能，具有很广阔的应用前景。