特种陶瓷复习题

特种陶瓷复习参考题

1．特种陶瓷：

采用高度精选的原料，具有能精确控制的化学组成，按照便于进行结构设计及控制制造的方法进行制造、加工的，具有优异特性的陶瓷。主要包括高温、高强、耐磨、耐腐蚀为特征的结构陶瓷及用以进行能量转换的功能陶瓷和生物陶瓷。由于不同的化学组分和显微结构而决定其具有不同的特殊性质和功能，如高强度、高硬度、耐腐蚀、导电、绝缘、磁性、透光、半导体以及压电、铁电、光电、电光、声光、磁光、超导、生物相容性等。由于性能特殊，这类陶瓷要应用于高温、机械、电子、宇航、医学工程等方面，成为近代尖端科学技术的重要组成部分。

2．说明Al 2O3 陶瓷的晶型，各种晶型的结构。

Al 203同质异晶体主要的三种：a- AI2O3, 3- AI2O3, Y AI2O3。1300 C以上的高温几乎完

全转变为a- AI2O3。

Y- A I 2 O 3属尖晶石型(立方)结构，氧原子形呈立方密堆积，铝原子填充在空隙中。3- AI2O3 是一种AI2O3 含量很高的多铝酸盐矿物。其结构由碱金属或碱土金属离子如[NaO] 层和[ AI11O12 ] 类型尖晶石单元交叠堆积而成，氧离子排列成立方密堆积，Na 完全包含在垂直于C轴的松

散堆积平面内。a- AI2O3属三方晶系，单位晶胞是一个尖的菱面体。

3.说明AI 2O3的预烧的目的，并说明哪些因素对预烧的影响。

预烧的目的：一是使Y AI2O3全部转变为a- AI2O3,减少烧成收缩，二是可以排除AI 2O3 原料中的Na2O，提高原料的纯度，从而保证产品的性能。

影响预烧的因素：(1 )温度：预烧温度偏低即不完全转变成 a AI 2O3，且电性能降低；

预烧温度过高，粉料发生烧结，不易粉碎，且活性降低。(2)气氛：1450 C以下，不同气氛

中预烧的AI 2O3,其Na2O的含量不同。

4.简要说明AI 2O3瓷的生产工艺过程。

原料煅烧T磨细T配方T加粘结剂T成型T素烧T修坯T烧结T表面处理。

5.简述制备透明氧化铝陶瓷的关键，并分析加入MgO 的作用。

(1)控制氧化铝以体积扩散为烧结机制的晶粒长大过程。若在烧结过程中晶粒生长过

快就会产生晶界裂缝，许多气孔被晶粒包围。而且当晶粒生长速度大于气孔的移动速度时，晶体内部包裹的气孔更不易排除。实践表明，加入某些添加物具有抑制晶粒长大的作用。如加入适量的MgO，能获得透明氧化铝陶瓷。由于加入MgO，形成MgO?Al2O3尖晶石相在

AI2O3晶只是表面析出，阻止晶界过快迁移。而且MgO在高温下比较容易挥发，奶防止形

成封闭气孔，因此限制了氧化铝晶粒的长大。MgO 的加入量一般为0.1 ~0.5% 。

(2)根据用不同波长的单色光通过透明氧化铝陶瓷表明，当气孔大小与波长相等时，光透射主最小。说明气孔的平均尺寸是制作透明陶瓷应该控制的重要因素。

(3)在工艺上，AI 2O3的纯度、细度、成型方法、烧结气氛等，对其透光率也的影响。对烧结来说，在氢气(或真空)中烧结，由于氢气渗入坯体，在封闭气孔中，氢气的扩散速度比其它气体大，容易通过AI 2O3坯体，气孔比较容易排除，从而提高其透光率。

6.简述MgO 陶瓷的主要制造工艺过程。

(1)锻烧分解制取MgO :从矿物或海水中提取MgO，大多先制成氢氧化镁或碳酸镁，然后经锻烧分解成MgO。

(2)预烧：为了降低MgO的化学活性，应预烧到1100~1300C。研磨原料时用的磨球及磨衬才要采用陶瓷材料制成，不能采用钢球，采用干法研磨以防水化。

(3)成型：MgO 陶瓷大多采用注浆法进行生产。为了使MgO 在制备料浆时不与水接触，

须先采用无水乙醇等有机液体作选浮介质。将MgO 原料用足够量的蒸馏水混合形成糊状, 并充分水化成Mg(OH) 2，存放一定时间后在1000C以下烘干，在1450~1600 C在密封情况下进行锻烧，保温8小时，使氢氧化镁重新分解成MgO，然后球磨约45~90小时。再加入

冷却水继续磨大约70~80 分钟，形成悬浮浆料,用于浇注成型。

(4 )脱模后在70 C温度下干燥。

(5) MgO烧成：先在1250 C温度下进行素烧，再装入刚玉瓷匣钵中在1750~1800 C温度下

保温2 小时烧结。

7．说明ZrO 2的结晶形态和晶型转化。

在不同温度下ZrO2以三种同质异形体存在，即立方晶系，单斜晶系，四方晶系。

1170o C 2370o C 2715o C

单斜-ZrO2四万-ZrO2立万-ZrO2液相

8．非氧化物陶瓷：

是由金属的碳化物、氮化物、硫化物、硅化物和硼化物等制造的陶瓷总称。9．简述碳化硅陶瓷的几种制造工艺。

(1)热压烧结：纯Si 粉热压采用热压—烧结，采用添加Al 2O3、AlN 、BN 、B4 、B+ 等作为添加剂。

(2)常压烧结：对含有微量氧的3-SiC中添加硼和碳，在2000 C 左右，惰性气氛中烧结，可获得98%理论密度的碳化硅烧结体。

(3)反应烧结：是由a-SiC粉和石墨粉按一定比例混合压成坯体后，加热到1650C左右，同时熔渗Si或通过气相Si渗入坯体，使之与石墨起反应生成3-SiC,把原先存在的a-SiC 颗粒结合起来。

(4)浸渍法：将制造SiC 纤维的原料聚碳硅烷作为结合剂加入到SiC 粉末中，然后烧结，得到多孔SiC 制品，再置于聚碳硅烷中浸渍，在1000 C再烧成，其密度增大，如此反复进行。浸渍三次体积密度过理论密度80~95% 。

10?说明Si3N4的两种晶型及晶型转变。

a Si3N4是针状结晶体；3- Si3N4是颗粒状结晶体。两者均属六方晶系。都是[SQ4]四

面体共用顶角构成的三维空间网络。3相是由几乎完全对称的六个[SiO4]四面体组成的六

方环层在C轴方向的重叠而成，而a-相是由两层不同，且有形变的非六方环层重叠而成。

将高纯硅在1200~1300C下氮化，可得到白色或灰白色的a- Si3N4，而在1450 C左右氮

化时，可得到3- Si3N4。

a Si3N4在1400~1600C下加热，会转变成3 Si3N4。a~湘是建式转变，a和3相除了在结构上有对称性高低的差别外，并没有高低温之分，3相不过在温度上是热力学稳定的。

a相对称性低，容易形成。在高温下a相发生重建式转变，转化为3相。

11?从原料、添加剂、烧结气氛、埋粉、保温时间、重烧结等几方面说明制备高密度Si3N4 在生产工艺中的要求。

(1)原料：应采用1呵以下的粉末。使用以a相为主的Si3N4粉料。

(2)添加剂：采用复合添加剂，如同时加入Y2O3、

AI2O3对促进烧结的提高产品的商温性能是有利的。

(3)烧结气氛：在温度为1900~2100C时，相应的N2气氛下，压力1~5MPa能够保证有好的烧结性和小于2%的失重。

（4）埋粉：埋粉组成及含量为Si3N4：BN ：MgO=70 ：20：3。不仅的效地抑制失重,

使失重控制在4%以下,而且能有力地促进烧结。

（5）保温时间：1~3 小时。

（6）重烧结：是指将含有添加剂的反应烧结氮化硅在一定氮气压力、较高温度下再次烧结，使这进一步致密化。重烧结一般加入MgO、Y2O3、Al2O3、AlN 、La2O3、TiO2、Mg3N2 等。添加剂的作用在于高温

下形成液相，引起收缩达到致密化，一般采用的范围为添加剂与Si3N4 之比为（4~15）：（85~96）。重烧结后，密度一般都在理论密度的90%以上。

12．Sialon 陶瓷

金属氧化物在金属氮化物中的固溶体，即在Si3N4- AI2O3系统中存在3- Si3N4的固溶体。这是由Al 203的Al、O原子部分地置换了Si3N4中的Si、N原子因而有效地促进了Si、N的烧结。该固溶体即称为

"Silico n Alumi num Oxy nitride ”用其字头即"Salo n”又称3- Salon。可用化学式表示：

Si

0.75x Al 0.67 z O x N 8 x x 为O 原子置换N 原子数。

13．功能陶瓷

是指在应用时主要利用其非力学性能的材料，这类陶瓷通常具有一种或多种功能。如电、磁、光、化学、生物等功能，以及耦合功能，如压电、热电、电光、声光、磁光等功能。

14．电介质陶瓷

是指电阴率大于108Q?m的陶瓷材料，能承受较强的电场而不被击穿。按其在电场中的极化特性，可分为电绝缘陶瓷和电容器陶瓷。

15．说明在制备刚玉—莫来石瓷过程中，各种组分的作用

（1 ）粘土：它赋予坯体良好的可塑性,便于成型。粘土中含有有害杂质较多，随着粘土含量的增加，瓷坯的电性能将显著恶化，因此粘土的用量不可过多。

（2）工业氧化铝：工业氧化铝能转化成刚玉，又能与粘土分解后的游离石英生成二次莫来石。

（3）氧化钙：能够增时二次莫来石化的程度，还能与AI2O3、SiO2及其它物质生成低熔点的钙玻璃，不但除去了坯体中游离石英还能起助熔作用，促进烧结。

（4）氧化镁：也能增进二次莫来石化的程度。由于MgO能与Al 2O3生成镁铝尖晶石。

在Al2O3 含量高的高铝瓷中，抑制刚玉晶体的二次再结晶, 使之晶体细小, 提高瓷坯性能。MgO还能与Al 2O3、SiO2及其它物质生成低熔点的玻璃体，不但除去坯体中的游离石英，还能降低烧结温度，起助熔作用。

（5）滑石：滑石在700~900C之间脱水，并析出活性较大的SiO2和MgO- SQ2。这种初生态的物质，具有较大的化合能力，因此能够活跃地与其它物质化合，起到矿化、助熔等作用。

（6）白云石：在锻烧过程分解出CO2,得到活性较大的CaO及MgO。它们在配方中起前面所述的氧化钙和氧化镁的作用。

（7）碳酸钡：与AI2O3、SiO2等生成低熔点的钡玻璃，有利于瓷坯的烧结。15．简述刚玉—莫来石瓷的生产工艺过程

细磨T成型T烧结T冷却。

细磨：硬质原料先磨，然后加入软质原料及其它化工原料一并再磨。在生产过程中要尽量避免铁质及其它杂质混入，球磨机中的磨球及磨衬在用莫来石或刚玉质，磨衬也可采用橡胶质，原料细度对制品的烧结温度及性能有很大的影响，细度愈细，烧结温度愈低。

成型：由于莫来石及刚玉莫来石瓷坯料的可塑性较差，坯泥最好能陈腐一个时期。必要时还可加入各种有机塑化剂，根据制品的形状及坯料的性质，决定成型方法，如干压、挤压、车坯、注浆、热压注或等静压等。

烧结：莫来石及刚玉莫来石瓷属于液相烧结，在烧成中存在两个问题，一是Y AI2O3转

变成a AI2O3时，体积收缩13%，容易造成坯体开裂，这点可用预烧工业Al 2O3的方法予以

消除。此外，当a- Al2O3与游离SiO2在1300~1350C左右生成二次莫来石时，体积膨胀10%

左右，很容易导致坯体疏松，产生缺陷，这可由细磨AI2O3得到解决。二是烧成范围窄。这

个问题可以采用小截面的隧道窑或其它类型温度均匀的窑炉来烧结,并严格控制烧成制度来

解决。

冷却：采用快烧快泠工艺可以提高制品的机械性能，这主要是坯体生成微晶结构所致。16．镁质瓷主要包括哪些？

镁质瓷是以含MgO 的铝硅酸盐为主晶相的陶瓷，按瓷坯的主晶相不同，可分为：原顽辉石瓷(即滑石瓷)、镁橄榄石瓷、尖晶石瓷扩堇表厂瓷。它们都属于MgO- Al 2O3- SiO 2三

元系。

17．简述滑石瓷中几种常用外加剂的主要作用。

(1)粘土：加入粘土的目的是为了增加可塑性及降低烧结温曲直，一般加入量为5~10%。因为量多，带入的碱金属离子及铁质也多，不仅使电气性能恶化，而且还会使烧成范围变窄。

(2)碱土金属氧化物：加入少量CaCO3、SrCO3及BaCO s均能改善滑石瓷的电性能，其中BaO 的效果最显著，它能提高瓷件的体积电阻率两个数量级。由于碱土金属氧化物

与滑石、粘土及其它杂质生成低共融物，因此奶降低烧结温度，但含量高时又会缩小烧结范围，其中CaO 最严重，SrO 及BaO 稍好。CaO 还会导致晶粒粗大，促使瓷坯老化，因此在配方

中CaO的含量要少。此外，BaCO3还能防止瓷件的老化，但加入量以5~10%为宜，超过10% 会降低玻璃粘度，缩小烧结范围。MgO 还能与滑石分解出的游离石英结合，生成电性能优良的偏硅酸镁(MgO ? SiO2),既除去了不利的石英，又提高了电性能，部分MgO可进入

玻璃相，降低烧结温度。MgO 的加入量应小于8%，当超过去10%时，就可能生成镁橄榄石

(2 MgO ? SiO2),不仅提高了烧结温度，还增加了线膨胀系数，降低了热稳定性。MgO的

引入一般为未预烧的MgCO 3及菱镁矿。

(3)氧化铝：与游离石英化合成性能优良的硅线石( Al 2O3 ? SiO2)。Al 2O3还能与SiO2

一同转入玻璃相中，除去SiO2，而不降低结温度。因此它能防止瓷坯才能化，改善并稳定

瓷的电介性能。

( 4)硼酸盐：是强的助熔剂，能大幅度降低烧结温度。

( 5)氧化锆和氧化锌：能有效地扩大材料的结范围和提高材料的机械强度。

(6)长石：在配方中加入6~7%的长石，烧结范围可以扩大到60C，但长石中含有碱

金属氧化物，大大降低了瓷坯的电性能和机械强度，故应严格控制。

18．铁电陶瓷

铁电性是指在一定温度范围内具有自发极化，在外电场作用下，自发极化能重新取向，而且电位移矢量与电场强度之间的关系呈电滞回线现象的特性。铁电陶瓷电具铁电性的陶瓷

材料。铁电陶瓷包括压电陶瓷、热释电陶瓷等。

19．压电陶瓷陶瓷材料是由粉粒之间的固相反应和烧结过程而获得的微晶不规则集合的多晶体。由于陶瓷体内部的晶粒随机取向，因而陶瓷体内部的自发极化也是随机取向的，整体上表现不出压电效应。在使烧结后的铁电陶瓷具有压电性，必须作人工极化处理。人工极化是在压电陶瓷上施加直流电场进行极化，极化后陶瓷的各个晶粒内的自发极化方向将平均地取向于电场方向，因而具有近似于单晶的极性，并呈现出明显

的压电效应。利用这种压电效应，将铁

电性陶瓷进行极化处理，所获得的制品就是压电陶瓷。

20．压电陶瓷的主要生产流程

配料T球磨T过滤、干燥T预烧T二次球磨T过滤、干燥T过筛T成型T排塑T烧结T精修T上电极T 烧银T极化T测试。

21．热释电效应

某些晶体中可以由于温度变化而产生电极化。这种介质因温度变化而引起表面电荷变化的现象称为热释电效应。又称焦电效应。

22．制备透明铁电陶瓷，要使陶瓷达到透明需具备的条件

（1）具有高致密度（要求体积密度达到理论密度的99%以上）如果陶瓷中残留气孔，

则每个气孔都将成为光散射中心，降低了透明度。（2）化学组成均匀，包括不同晶粒的化学

组成也应该相同。（3）研磨加工成光学表面。由于化学和物理的不均匀性都会增加散射，所以均匀性能是影响透明度的重要因素。

23．敏感陶瓷

敏感陶瓷是某些传感器中的关键材料之一，用于制作敏感元件。是根据某些陶瓷的电阻率、电动势等物理时对热、湿、光、电压及某种气体、某种离子的变化特别敏感这一特性，按其相应的特性，可把这些材料分别称为热敏、湿敏、光敏、压敏、气敏及离子敏感陶瓷。

陶瓷是由晶粒、晶界、气孔组成的多相系统，通过人为掺杂，造成晶粒表面的组分偏离，在晶粒表面层产生固溶、偏析及晶格缺陷，在晶界（包括同质粒界、异质粒界及粒间相）处产生异质相的析出，杂质的聚集、晶格缺陷及晶格的各向异性等。这些晶粒边界层的组成、结构变化，显著改变了晶界的电性能，从而导致整个陶瓷电气性能的显著变化。

24.Na —3-AI2O3导电陶瓷的主要生产工艺

利用纯的Al 203粉，按照一定的配比加入纯Na2O （一般用Na2CO3的形式加入）。在

1600 C左右温度下合成为Na-3—AI2O3。然后再把合成物料进行细碎后，经注浆或等静压成型后，在1750~1850 C高温下烧结面制品。

原料：原料的纯度十分重要，如存在杂质，很容易发生离子置换，而影响到Na—3—AI2O3的性质。Na —3- Al 2O3原料可采用电熔3- AI2O3,经脱炭、球磨、酸洗、烘干。

烧结：因为Na-3-Al 2O3一般是很难烧结的，而且强度不高会影响到使用，因此在不影响其性质时，可以适当加入一些添加物，降低其烧结温度，并改善其性能。由于坯料中的钠含量低于Na- 3- Al 2O3的化学式量（Na2O、IIAI2O3）,故需加入一定时的Na2CO3,使组成中的钠含量增加到7.5wt%。为了降低烧结温度，改善钠离子导电性能，需加入2.5wt% 的MgO 。坯料在球磨罐中混和后，烘干、加结合剂、造粒、成型。

烧结时为了防止高温钠的蒸发，需要用3-Al 2O3制成内缽，Na- 3—Al 2O3陶瓷放入其

中，外面用刚玉砂制成的缽包装密封。烧结是在钠气氛的保护下，在1770~1800C温度下进

行，保温时间一般在45~60 分钟。

25.简述ZrO 2 的稳定化

用单纯的ZrO2是很难生产ZrO2陶瓷的，由于发生晶型转变，且伴随有7%左右的体积

变化，一般都会开裂。实践中发现，加入其些适量的氧化物（例如Y2O3、CaO、MgO、CeO 等）后，可以稳定ZrO2，而且形成稳定的立方型结晶固溶体，这种立方固溶体的ZrO2就称

为稳定ZrO2,加入的氧化物称为稳定剂，制备稳定ZrO2的过程叫ZrO2的稳定化。

对稳定剂有一定要求。即加入氧化物离子半径与Zr4+离子半径之比相差在12%以内，如果添加进去的离子半径太大，不能进到ZrO2的晶格中去，不能发生固溶形成稳定型立方结

构。如果添加的离子半径太小，虽然易进入结格，但又容易失掉，也不能形成稳定的产方结构。稳定剂的加入时，视氧化剂的不同而不同。MgO为16~20mol% , CaO为15~24mol% ,

Y2O3 为2~40mol% , CeO 大于13 mol %。

ZrO2稳定化时，一般用纯度大于96%的ZrO2原料与一定时的稳定剂一起在球磨筒内球

磨8~24小时，然后加入少量的粘结剂，在60~100MPa压力下压成坯体。其目的是使粉料之

间紧密接触，促进固相反应完全，有利于均匀稳定。坯块可在1450~1800 C保温4~6小时进

行稳定化。然后把坯块粉碎至各种粒度的粉料。如果在1800 C或者1800 C以上进行稳定化，

稳定的坯块将不易磨细。

26.陶瓷的金属化与封接

随着电子陶瓷、空间技术科学的不断发展，有时需要将陶瓷与金属、陶瓷与陶瓷牢固地

封接在一起，由于陶瓷材料表面结构与金属材料表面结构不同，焊料往往不能润湿陶瓷表面，

也不能与之作用而形成牢固的粘接，因而陶瓷与金属的封接是一种特殊工艺方法，即金属化的方法，先在陶瓷表面牢固地粘附一层金属薄膜，从而实现陶瓷与金属的焊接。主要有被银

法和烧结金属粉末法。

被银法又称烧渗银法，是指在陶瓷表面烧渗一层金属银，作为电容器、滤波器的电极或

集成电路基片的导电网络。由于银的导电能力强，抗氧化性能好，在银面上可直接焊接金属。

具体流程为：瓷件的预处理T银浆的配制T涂敷T烧银

含熔粘

银剂合

原剂

料

烧结金属粉末法是在高温还原气氛中，使金属粉末在瓷件表面上烧结成金属溥膜，再进行陶瓷-金属封接的一种方法。工艺过程应遵循的原则：（1 ）金属件的熔点应比金属温度高200C以上；焊料、金属件的成份不应再和金属化中的金属形成合金。（2）金属件的膨胀系

数与陶瓷的膨胀系数尽可能地接近、相互匹配。封包陶瓷的金属应有较高的热膨胀系数，封接于陶瓷内部的金属，则应具有较低的热膨胀系数数，这是为了要使陶瓷保持受压状态，封接处的金属壁应做得比较薄。