常用工业陶瓷

10.2.4　常用工业陶瓷

1．普通陶瓷

普通陶瓷就是用天然原料制成的黏土类陶瓷，它是以黏土（Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O）、长石（K₂O·Al₂O₃·6SiO₂、Na₂O·Al₂O₃·6SiO₂）和石英（SiO₂）经制坯、成型、烧结而成的。这类陶瓷质硬，不导电，易于加工成形，成本低，产量大，广泛用于工作温度低于200℃的酸碱介质、容器、反应塔、管道、供电系统的绝缘子和纺织机械中的导纱零件等。但因其内部含有较多玻璃相，高温下易软化，所以耐高温及绝缘性不及特种陶瓷。

2．特种陶瓷

（1）Al2O3陶瓷

Al₂O₃陶瓷以Al₂O₃为主要成分，另外含有少量的SiO₂。根据Al₂O₃含量的不同又分为75瓷（Al₂O₃的质量分数为75%）、95瓷（Al₂O₃的质量分数为95%）和99瓷（Al₂O₃的质量分数为99%），后二者又称为刚玉瓷。Al₂O₃陶瓷中，Al₂O₃含量越高，玻璃相含量越少，气孔越少，其性能也越好，但同时工艺变得复杂，成本升高。

Al₂O₃陶瓷耐高温性好，在氧化性气氛中，可在1950℃下使用，且耐蚀性好，故可用于高温器皿，如熔炼铁、钴、镍等的坩埚及热电偶套管等。Al₂O₃陶瓷具有高硬度及高温强度，可用于高速切削及难切削材料加工的刃具（760℃时为87HRA，1200℃时为80 HRA）；还可做耐磨轴承、模具及活塞、化工用泵和阀门等。同时，Al₂O₃陶瓷有很好的电绝缘性能，内燃机火花塞基本都是用Al₂O₃陶瓷制造的。缺点是脆性大，不能承受冲击载荷；抗热振性差，不适合用于有温度急变的场合。

（2）其他氧化物陶瓷

MgO、BeO、ZrO₂、CaO、CeO₂等氧化物陶瓷的熔点高，均在2000℃附近，甚至更高。MgO陶瓷是典型的碱性耐火材料，用于冶炼高纯度Fe及其合金，Cu、Al、Mg以及熔化高纯度U、Th及其合金。缺点是力学强度低、热稳定性差、易水解。BeO陶瓷在还原性气氛中特别稳定，其热导性极好（与Al相近），故抗热冲击性能好，可用于制作高频电炉坩埚和高温绝缘子等电子元件，以及用于制作激光管、晶体管的散热片，集成电路的外壳和基片等；Be的吸收中子截面小，故BeO陶瓷还是核反应堆的中子减速剂和反射材料，但BeO粉末及蒸汽有剧毒，生产和应用中应注意。ZrO₂陶瓷的耐热性好，热导率小，高温下是良好的隔热材料；室温下是绝缘体，但在1000℃以上时将变为导体，是优异的固体电解质材料，用于制作离子导电材料（电极）、传感及敏感元件及1800℃以上的高温发热体。

（3）非氧化物工程陶瓷

常用的非氧化物陶瓷主要有氮化物陶瓷，如Si₃N₄、BN陶瓷，碳化物陶瓷如SiC、B₄C陶瓷等。

Si₃N₄陶瓷是以Si₃N₄为主要成分的陶瓷。它的稳定性极强，除氢氟酸外，能耐各种酸碱腐蚀，也可抵抗熔融非铁金属的侵蚀；硬度很高，仅次于金刚石、立方氮化硼和B₄C；耐磨性、减摩性好，具有自润滑性，是很好的耐磨材料；热膨胀系数小，有很好的抗热振性；电绝缘性好。可用于腐蚀介质下的机械零件，如密封环、高温轴承、燃气轮机叶片、冶金容器和管道以及精加工刀具等。近年来，在Si₃N₄陶瓷中加入一定量的Al₂O₃，形成Si-Al-O-N系陶瓷，即赛伦瓷，是目前强度最高的陶瓷，并具有优异的化学稳定性、热稳定性和耐磨性。

BN陶瓷包括六方结构和立方结构两种。六方BN陶瓷结构与石墨相似，性能也比较接近，故又称为“白石墨”，具有良好的耐热性、热导性（热导性与不锈钢类似）和高温介电强度，是理想的散热和高温绝缘材料；化学稳定性好，能抵抗大部分熔融金属的侵蚀；还具有极好的自润滑性；一般用于熔炼半导体材料的坩埚、高温容器、半导体散热绝缘件、高温润滑轴承和玻璃成型模具等。立方BN陶瓷为立方结构，结构紧密，其硬度与金刚石接近，是优良的耐磨材料，常用于制作磨料和金属切削刀具。

SiC陶瓷的主晶相是SiC，也是共价键结合晶体，键能高，很稳定。其最大特点是高温强度高，在l400℃时抗弯强度仍达500～600MPa；且其热导性好，仅次于BeO陶瓷，热稳定性、耐蚀性、耐磨性也很好。其主要可用于制作火箭尾喷管的喷嘴、炉管、热电偶套管，以及高温轴承、高温热交换器、各种泵的密封圈和核燃料的包封材料等。

B₄C陶瓷的硬度极高，抗磨粒磨损能力很强，熔点高达2450℃左右。但在高温下会快速氧化，并与热或熔融黑色金属发生反应，因此其使用温度限定在980℃以下。其主要用途是制作磨料，还可用于超硬质工具材料。