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材料工艺学第五章2第五章无机非金属材料与工艺第五章无机非金属材料与工艺•5－1陶瓷材料概述•5－2陶瓷的性能•5－3工业陶瓷的成型方法•5－4产品设计中常用的工业陶瓷3第五章无机非金属材料与工艺•5－1陶瓷材料概述•5.1.1陶瓷的概念•陶瓷是人们熟悉的一种材料，在产品造型中也作为重要的造型材料被广泛使用。常把金属、工程塑料和工业陶瓷作为工业产品造型的三大材料。•陶瓷为所有无机非金属材料的简称。其定义为：陶瓷是用天然或人工合成的粉状化合物，经过成型和高温烧结制成的、由金属元素和非金属元素的无机化合物构成的多相固体材料，包括陶器和瓷器，也包括玻璃、搪瓷、石膏、水泥、石灰、砖瓦、耐火材料等人造无机非金属材料。•由于这些材料都是用天然的硅酸盐矿物（即含有二氧化硅的化合物），如粘土、石灰石、长石、石英、砂子等原料生产的，所以陶瓷材料也常称为硅盐材料。4第五章无机非金属材料与工艺近20年来，陶瓷材料有巨大的发展，许多新型陶瓷的成分远超出硅酸盐的范畴，陶瓷的性能面临重大的突破，陶瓷的应用已渗透到各类工业、各种工程和各个技术领域。•陶瓷的共同特征是：•①耐热性优良；•②绝缘性、半导体性，还具有磁性、介电性等多种功能•③不易变形，断裂时属于脆性破坏•④韧性低。5第五章无机非金属材料与工艺•5.1.2陶瓷的特点•工业陶瓷区别于其他工业造型材料，其特点主要为以下三个方面：•1.在陶瓷结构中，离子键和共价键是主要的结合键。完全由一种键组成的陶瓷是不多的；大多为离子键和共价键的混合。•键的性质与材料的结构和性能有密切关系，如离子键性强的无机材料常呈结晶态，如某些共价键性强的无机材料则容易形成非晶结构。•2.陶瓷的生产工艺是先成型后烧结成制品，工艺流程一般都很复杂。对已经烧成的陶瓷进行再加工一般较困难，这是陶瓷与其他材料的主要差别之一。•生产可归纳为三个步骤：坯料制备、成型、烧结。坯料制备将直接影响成型加工性能和陶瓷制品的使用性能。6第五章无机非金属材料与工艺3.工业陶瓷具有一系列优良的物理、化学性能和独特的质感。陶瓷按使用性能可分为：功能陶瓷和结构陶瓷两大类。前者具有能量转换等功能。结构陶瓷主要作为工业造型材料和高温结构材料，它们的熔点高、强度高、化学稳定性好。在产品设计中，应用较为广泛的是结构陶瓷，特别是工业玻璃。7第五章无机非金属材料与工艺•5.1.3陶瓷的分类•陶瓷材料的分类很复杂，可以按照性能，用途和化学组成来分类。•作为工业产品造型材料的工业陶瓷的分类主要包括：•工业玻璃、陶瓷、玻璃陶瓷三大类。•工业陶瓷材料的分类如图：8工业玻璃：光学玻璃、电工玻璃、仪表玻璃、实验室用玻璃、器皿玻璃、建筑玻璃、日用玻璃陶瓷普通陶瓷：日用陶瓷、建筑卫生陶瓷、电器绝缘陶瓷、化工陶瓷、多孔陶瓷特种陶瓷：按性能包括：高强度陶瓷、高温陶瓷、耐磨陶瓷、耐酸陶瓷、压电陶瓷、半导体陶瓷、磁性陶瓷、生物陶瓷等。按化学组成包括：氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、复合陶瓷、金属陶瓷、纤维增强陶瓷等。玻璃陶瓷：耐热耐蚀微晶玻璃、光学玻璃陶瓷、无线电透明微晶玻璃、熔渣玻璃陶瓷。9第五章无机非金属材料与工艺•5－2陶瓷的性能•陶瓷的性能受许多因素影响，波动范围很大，但还是存在一些共同的特性。•5.2.1陶瓷的机械性能•1.刚度刚度由弹性模量衡量，弹性模量反映结合键的强度，所以具有强大化学键的陶瓷都有很高的弹性模量。陶瓷的刚度是各类材料中最高的，比金属高若干倍。2.硬度陶瓷也是各类材料中硬度最高的，这是陶瓷的最大特点。陶瓷的硬度随温度的升高而降低，但在高温下仍有较高的数值。10第五章无机非金属材料与工艺3.强度•抗拉强度很低，抗弯强度较高，抗压强度很高。在产品造型中应用陶瓷时，应对意这种承载能力的特点。4.塑性塑性变形是在切应力作用下，由位错运动所引起的密排原子面间的滑移变形。陶瓷位错运动所需要的切应力很大，比较接近于晶体的理论剪切强度。陶瓷的塑性很差，在室温下几乎没有塑性。不过，在高温慢速加载的条件下，陶瓷也能表现出一定的塑性。11第五章无机非金属材料与工艺5.韧性或脆性韧性极低或脆性极高，是非常典型的脆性材料。陶瓷的脆性对表面状态特别敏感。陶瓷的表面和内部由于各种原因，如表面划伤、化学侵蚀、冷热胀缩不均等，很容易产生细微裂纹，受载时，裂纹尖端产生很高的应力集中，由于不能形成塑性变形缓解应力，所以裂纹很快扩展而发生裂变。脆性是陶瓷的最大缺点，是阻碍其作为产品造型材料广泛应用的主要问题。可以从以下几个方面改善其韧性：1、预防在陶瓷中特别是表面上产生缺陷；2、在陶瓷表面造成压应力；3、消除陶瓷表面的微裂纹。12第五章无机非金属材料与工艺5.2.2陶瓷的热性能•1.陶瓷的高温抗蠕变能力强。2.陶瓷多为较好的绝热材料。3.陶瓷的热稳定性很低。比金属低得多，这是陶瓷的主要缺点。例如，日用陶瓷的热稳定性为220C。它与材料的线膨胀系数和导热性等有关。线膨胀系数大和导热性低的材料的热稳定性不高，韧性低的材料的热稳定性也不高。13第五章无机非金属材料与工艺•5.2.3陶瓷的其他性能•1.导电性•陶瓷的导电性变化范围很广。由于缺乏电子导电机制，大多数陶瓷是良好的绝缘体。•但不少陶瓷既是离子导体，又是一定的电子导电体。许多氧化物，例如ZnO、NiO等实际上是半导体，所以陶瓷也是重要的半导体材料。随着科学技术的发展，已经出现了具有各种电性能的陶瓷，如压电陶瓷、磁性陶瓷、透明铁电陶瓷等，它们作为功能材料为陶瓷的应用开拓了广阔的天地。14第五章无机非金属材料与工艺2.化学稳定性•陶瓷的结构非常稳定。甚至在1000℃以上的高温下也是如此，所以具有很好的耐火性能或不可燃烧性，是很好的耐火材料。另外，陶瓷对酸、碱、盐等腐蚀性很强的介质均有较强的抗蚀能力，与许多金属的熔体也不发生作用，所以也是很好的坩埚材料。3.透明性•陶瓷通常是透明或半透明的，这一性质在产品设计中应用较广，如各种工业玻璃在汽车、机床、建筑，太阳能面板、照相器材、光学仪器、家具、日常生活用品中得到了广泛的应用15第五章无机非金属材料与工艺•5－3工业陶瓷的成型方法•陶瓷成型的方法很多，按照坯料的性能，成型方法可分为三类：•可塑法•注浆法•压制法16第五章无机非金属材料与工艺•5.3.1可塑法•可塑法又叫塑性料团成型祛。坯料中加入一定量的水分或塑化剂，使坯料成为具有良好塑性的料团。然后；利用料团的可塑性通过手工或机械成型。其中最常用的是挤压和车坯成型。•l.挤压成型•挤压成型是将可塑泥团在活塞的压力下，经过机咀模孔而达到要求的形状。挤压成型适用于加工各种断面形状规则的瓷棒或轴（如圆形、方形、椭圆形、六角形瓷棒）和各种管状产品（如高温炉管、热电偶套、电容器瓷管等）。•2.车坯成型•车坯成型是用挤压出的圆柱形泥段作为坯料，在卧式或立式车床上加工成型。车坯成型常用于加工形状较为复杂的圆形制品，特别是大型的圆形制品。17第五章无机非金属材料与工艺•5.3.2注浆法•注浆法又叫浆料成型法。它是把原料配制成浆料然后注入模具中成型。注浆法又分为一般注浆成型和热压注浆成型。•l.一般注浆成型•它是将泥浆注入石膏型中，经过一段时间后在模型内壁粘附着具有一定厚度的坯体，然后将余泥浆料出，坯料形状便在型内固定下来。这种成型方法常用于制造形状复杂、精度要求不高的日用陶瓷和建筑陶瓷。1819第五章无机非金属材料与工艺2.热压注成型它和熔模铸造中蜡模的制造工艺相似。它是在原料中加入塑化剂（石蜡），制成蜡浆，然后在适当的温度下以一定的压力将蜡浆注入金属模具中，等到坯体冷却凝固后再进行脱模。由于通常用浆料中的石蜡含量在13%以上，在烧结之前先要排蜡，即将坯体埋在吸附剂中，在低于烧结温度的高温下，使石蜡熔化、渗透、扩散到吸附剂中蒸发掉，并使坯料初步发生化学反应而具有一定的强度。排蜡后的坯体再经高温烧结后而成陶瓷制品。热压注成型是工业陶瓷中常用的一种成型方这，制得的产品尺寸较准确，光洁度高、结构紧凑。在产品设计中常用于制造形状复杂、尺寸和质量要求高的工业陶瓷产品。20第五章无机非金属材料与工艺•5.3.3压制法•压制法又叫粉料成型法。它是将含有一定水分和添加剂的粉料在金属模具中用极高的压力压制成型。•与注浆法、可塑法相比，压制法成型由于坯料采用粉料、水分和粘结剂的量较少，故压成后坯体的强度较大，变形小，烧结后收缩小，并且产品尺寸精度高，易于机械化和自动化，生产率高。但模具磨损大，产品的体积和尺寸有一定限制。•压制成型对零件的结构有一定的要求，在产品造型设计时应注意这一点，否则会增加成型时的难度，甚至影响产品的产量和质量。21222324第五章无机非金属材料与工艺•5－4产品设计中常用的工业陶瓷•5.4.1工业玻璃•玻璃是一种由熔体经过冷却所得，并因粘度逐渐增大而具有固体机械性质的无定型非金属材料。玻璃是产品造型中应用最广泛的一类重要的陶瓷材料。25•内表面喷砂造型的浇铸玻璃26第五章无机非金属材料与工艺•1.玻璃的性质•（l）强度:玻璃具有很高的抗压强度，它的抗拉强度较低。•（2）硬度:玻璃的硬度对雕刻、加工和玻璃的耐磨性等方面响很大意义。玻璃比石英软，用砂子可进行研磨加工。•（3）光学性质:玻璃是一种高度透明的物质，具有一定的光学常数、光谱特性等一系列重要光学性质。如普通平板玻璃，能透过可见光线的80－90%，紫外线大部分不能透过，但红外线较易通过。•（4）电学性质:常温下玻璃一般是绝缘体。到熔融状时，玻璃成为良导体。•（5）热性能:玻璃的导热性能很差。•（6）化学稳定性27第五章无机非金属材料与工艺•2.常用工业玻璃•（l）普通玻璃普通玻璃又称纳钙玻璃。在没有杂质氧化时，纳钙玻璃是无色透明的，称为无色玻璃。在熔体中如有铁的氧化物会使玻璃带有绿色，少量的钻氧化物使玻璃呈蓝色。•普通玻璃常用于对耐热、化学稳定性没有特殊要求的玻璃制品。如器皿玻璃、平板玻璃、照明玻璃、瓶罐玻璃、保温瓶玻璃等。•（2）铅玻璃是很好的光学玻璃。无色光学玻璃按光学特性分为“冕派”（K）玻璃和“火石（F）玻璃。光学系统中冕派玻璃作凸透镜，火石玻璃作凹透镜。•（3）硼硅酸盐玻璃又称耐热玻璃或硬质玻璃，具有良好的化学稳定性，因而在化学工业上广泛应用，抗压强度大。它的热稳定性也较高，并具有良好的耐焊接性能。28弯弧夹层夹胶玻璃29碎石夹胶玻璃30中空玻璃砖31玻璃桌32玻璃茶几33玻璃装饰—隔断和地面34各种压花玻璃35第五章无机非金属材料与工艺•（4）高硅氧玻璃耐化学侵蚀，许多性能都和石英玻璃相近，其制造工艺简单，成本低，是石英玻璃的代用品。透过紫外线的性能也较好。•（5）石英玻璃由各种纯净的天然石英（水晶、脉石英、石英砂）熔化而成。分为透明的和不透明的两大类。由于石英玻璃制造困难，成本较高，限制了它的使用范围，目前主要用于实验室设备和特殊高纯产品的提炼设备。•（6）钢化玻璃对玻璃进行特殊的冷处理，使玻璃表面产生残余压应力，从而增加了玻璃的静力强度和冲击强度。经钢化处理的玻璃常称钢化玻璃。36第五章无机非金属材料与工艺•目前钢化玻璃有两种制造方法：•高温淬火法，即首先把玻璃加热到退火温度范围，然后用流动空气激冷外表面，这将导致表面冷却和收缩，而中心部分的玻璃仍是可塑的，从而重新调整了应力。以后中心部分的缓慢冷却又引起表面收缩，但表面此时已变硬，从而在玻璃表面产生压应力，而在断面中心为拉应力。•化学强化法，化学强化玻璃的原理是把玻璃放在熔融的盐中，使金属离子渗入玻璃表面，从而改变了玻璃表面的密度或它的热膨胀系数。这样调整了表面层的性能，以便在制成和冷却后玻璃表面处于压应力状态。•钢化玻璃的强度比普通玻璃大4－6倍，而且碎片棱角圆滑，是很好的安全玻璃，常用在汽车、电车、客车以及飞机的窗玻璃上。37•防弹玻璃38•防弹玻璃窗•内层夹有PVB膜39第五章无机非金属材料与工艺•（7）微晶玻璃•是一种我国刚刚开发的新型的建筑材料，它的学名叫做玻璃陶瓷。•①抗热冲击和耐热微晶玻璃，热膨胀系数接近于零，可制造耐温度剧变的产品。如炊具、实验台桌面、管道、阀门、汽轮机用大型旋转热交换器等。•②微晶玻璃与金属封接，可制造