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1.按组成物分类
（1）氧化物陶瓷 这种陶瓷材料最多，它包括简单的氧化物，如Al 2 O 3 、SiO 2 、MgO、TiO 2 、BeO、CaO、V 2 O 3 等，以及各种氧化物的混合物，如Al 2 O 3 中加入SiO 2 、MgO及CaO；ZrO 2 中加入Y 2 O 3 或加入MgO、CaO；SiO 2 中加入Na 2 O、Al 2 O 3 、MgO等。还有具有超导性能的复杂的氧化物陶瓷，如Y-Ba-Cu-O（YBa 2 Cu 3 O 7 -x ）、Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O（Bi 1.6 Pb 0.4 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O y ）等。
（2）非氧化物陶瓷 包括如下种类：
1）碳化物陶瓷，如WC、HfC、ZrC、W 2 C、ThC、BC、ZrC、MoC、SiC、TiC、VC、TaC、NbC等。
2）氮化物陶瓷，如ZrN、HfN、TaN、UN、BeN、VN、Cr 2 N、Mo 2 N、SiN、TiN、Si 3 N 4 、BN、AlN、NbN等。
3）硼化物陶瓷，如ZrB 2 、HfB 2 、TaB 2 、WB 2 、WB、NbB 2 、ThB 2 、MoB 2 、MoB、CrB 2 、TiB 2 、W 2 B 5 等。
4）硅化物陶瓷，如Mg 2 Si、WSi 2 、W 5 Si 3 、MoSi 2 、NbSi 2 、Zr 6 Si 3 、CoSi、ZrSi、Ti 5 Si 3 、TiSi、HfSi等。
5）氟化物陶瓷，如CaF 2 、BaF 2 、MgF 2 等。
6）硫化物陶瓷，如ZnS、TiS 2 、M x Mo 6 S 8 （M为Pb、Cu、Cd）等。
生产中广泛应用的主要是氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷等，本书也只是讨论这些陶瓷的焊接问题。
2.按结晶组织分类
按结晶组织分类，有单晶相陶瓷、多晶相陶瓷和非晶相陶瓷。生产中单晶相陶瓷较少，多晶相陶瓷较为普遍。单晶相陶瓷有蓝宝石、钇铝石榴石和水晶石等，多晶相陶瓷有Al 2 O 3 、ZrO 2 、BeO、Si 3 N 4 、BN、SiC、结晶化玻璃等，其晶体结构有面心立方结构（FCC）、密排六方结构（HCP）和体心立方结构（BCC）。
非晶相陶瓷主要是各种成分的玻璃。
3.按形态分类
按形态分类，陶瓷主要有粉状陶瓷、纤维状陶瓷和块状陶瓷以及薄膜陶瓷等。
粉状（颗粒状）陶瓷可以加入金属形成金属基颗粒增强复合材料，以达到增大强度、塑性和韧性的目的，如Al 2 O 3 质量分数为30%的6061Al的铝基复合材料等。
将陶瓷材料制成纤维状或者丝状，并加入金属形成金属基纤维增强复合材料，同样可以达到增大强度、塑性和韧性的目的，如SiC质量分数为20%的6061Al的铝基晶须复合材料等。
此外，陶瓷还可以按用途进行分类。
由陶瓷材料的种类可知，陶瓷材料是各种金属与氧、氮及碳等经人工合成的无机化合物材料。
1.物理性能
陶瓷材料在耐热性、耐磨损性、耐蚀性、绝热性、电气绝缘性、强度、硬度等诸方面有着比金属更加优越的性能，有的还具有超导以及其他特殊性能，在电子工业、化工、汽车、冶金、航天、航空、能源、机械、光学及其他产业得到了广泛的应用。但是，由于陶瓷是脆性材料，韧性极低，容许缺陷的尺寸极小，强度波动大，易发生脆性破坏，加工困难，因此很难单独用来制造结构件。此外，陶瓷材料价格也高，加工性很差，这就决定了它必须与金属材料复合才能得到实际应用。目前所用的陶瓷主要是氧化铝、氮化硅、氮化铝、碳化硅及部分稳定的氧化锆（PSZ）。
陶瓷是非常坚固的离子/共价键结合，比金属键强得多。这种结合使陶瓷具有高硬度、低导热性、低导电性、化学不活泼性的特点。一般认为陶瓷是热/电绝缘体，而陶瓷氧化物（如以Y-Ba-Cu-O为基的陶瓷）则具有高温超导性。金刚石、BeO和SiC的导热性比Al和Cu还好。
表1-1～表1-3给出了一些陶瓷的熔点、表面张力和一些体系的固-液界面能的数据。表1-4、表1-5分别给出了几种简单氧化物陶瓷和多元氧化物陶瓷的物理性能。表1-6所列为几种非氧化物陶瓷的物理性能，表1-7列出了一些非氧化物高温陶瓷的物理性能。
表1-1 一些陶瓷的熔点
2.陶瓷材料的热物理和力学性能
（1）陶瓷的线胀系数 陶瓷的线胀系数比较低，而有些金属的线胀系数较高，在陶瓷材料与金属的焊接中容易产生较大残余应力，从而降低接头强度。表1-8给出了一些陶瓷材料的平均线胀系数。影响陶瓷材料线胀系数的因素如下：
表1-2 一些陶瓷的表面张力
表1-3 一些体系的固-液界面能
表1-4 几种简单氧化物陶瓷的物理性能
表1-5 几种多元氧化物陶瓷的物理性能
表1-6 几种非氧化物陶瓷的物理性能
表1-7 一些非氧化物高温陶瓷的物理性能
1）陶瓷材料熔点的影响。线胀系数与熔点有一定关系。
元素的线胀系数与熔点的关系为
化合物的线胀系数与熔点的关系为
图1-1给出了一些化合物的线胀系数与熔点之间的关系。
表1-8 一些陶瓷材料的平均线胀系数
①浸硅法。
②常压烧结。
③CVD法。
④反应烧结。
⑤热压烧结。
2）线胀系数与温度的关系。材料的线胀系数一般随着温度的升高而增大，陶瓷材料也是如此。图1-2所示为非晶体Si 3 N 4 伸长量与温度之间的关系，可以明显看到存在两个线性区。
图1-1 一些化合物的线胀系数与熔点之间的关系
图1-2 非晶体Si 3 N 4 伸长量与温度之间的关系
3）组织特征的影响。非晶体比晶体的线胀系数大得多。晶粒尺寸越大，线胀系数越小，如α-Al 2 O 3 陶瓷，其晶粒直径为80nm，线胀系数为9.3×10 -6 K -1 ；晶粒直径为105nm，线胀系数为8.9×10 -6 K -1 ；晶粒直径为5μm，线胀系数为4.9×10 -6 K -1 。
4）线胀系数的方向性。线胀系数还具有方向性，表1-9给出了一些陶瓷在垂直和平行方向上的线胀系数。
表1-9 一些陶瓷在垂直和平行方向上的线胀系数（单位：10 -6 K -1 ）
5）化学成分的影响。化学成分对陶瓷材料的膨胀率也有影响，有时会有很特殊的影响。图1-3所示为氧化硅含量对Li 2 O-Al 2 O 3 -SiO 2 （LAS）陶瓷材料膨胀率的影响，可以明显看到，当氧化硅质量分数超过40%之后膨胀率急剧下降，甚至达到负值；达到最小值之后，氧化硅开始固溶，膨胀率又有增加。
图1-3 氧化硅含量对Li 2 O-Al 2 O 3 -SiO 2 （LAS）陶瓷材料膨胀率的影响
（2）导热性 表1-10给出了一些陶瓷材料的热导率。
3.化学性能
陶瓷的组织结构十分稳定，在某些陶瓷的组织中，金属原子被非金属原子（如氧）所包围，金属原子难以再与介质中的氧发生作用，因而具有十分稳定的化学性能，甚至在高达1000℃的温度下也不会发生氧化。因此，大多数陶瓷都具有良好的耐酸、碱、盐腐蚀的性能。
表1-10 一些陶瓷材料的热导率
4.力学性能
由于陶瓷大多是由离子键（如Al 2 O 3 ）或共价键（如SiN、SiC等）构成的晶体，其多晶体的滑移系很少，在外力作用下几乎不发生塑性变形就会断裂；陶瓷材料的气孔很多，致密性较差，抗拉强度较低；但是，由于陶瓷材料的气孔很多，气孔受压时不会导致裂纹扩展，因此其抗压强度还是比较高的，脆性材料铸铁的抗拉强度与抗压强度之比为1/3，而陶瓷为1/10左右；陶瓷几乎不能发生塑性变形，韧性极低，常常发生脆性断裂；陶瓷的硬度和室温弹性模量都很高；容许缺陷的尺寸极小，强度波动大，难以发生延迟破坏，加工困难，因此很难单独用来制造结构件。
（1）陶瓷的弹性模量 表1-11为一些陶瓷材料的弹性模量，陶瓷材料的弹性模量与其熔点有关，图1-4给出了这些关系。
表1-11 陶瓷的弹性模量和泊松比
式中 V a ——原子体积或者分子体积；
T m ——熔点；
k ——常数。
陶瓷材料一般由粉末烧结而成，因此不可避免地存在不同程度的空隙，使其密度受到烧结条件（温度、保温时间、压力等）的影响，这种密度的变化对弹性模量也会产生一定的影响，因此弹性模量还与密度有关。图1-5所示为密度率对Al 2 O 3 陶瓷弹性模量的影响。
图1-4 弹性模量与 kT m / V a 之间的关系
（2）陶瓷材料的硬度 对于大多数陶瓷材料来说，陶瓷材料的硬度很高。实际上，陶瓷材料的硬度值覆盖的范围很广，表1-12给出了代表性陶瓷材料莫氏硬度的分级。
（3）陶瓷材料的断裂韧度 陶瓷材料的断裂韧度很低，表1-13给出了一些陶瓷材料的断裂韧度值。
图1-5 密度率对Al 2 O 3 陶瓷弹性模量的影响
（4）陶瓷材料的强度 影响陶瓷材料强度的因素有：
1）显微组织的影响。
①晶粒尺寸的影响。众所周知，晶粒尺寸对材料强度有明显的影响，晶粒尺寸对强度的影响可以用哈尔-裴茨（Hall-Petch）关系式来描述。
式中 σ ——强度；
σ ∞ ——晶粒尺寸无限大时的强度；
c ——与材料结构有关的系数；
d ——晶粒尺寸。
表1-12 陶瓷按照莫氏硬度分级
注：在莫氏十级分类中不包含7、10、11、13、14级。
表1-13 一些陶瓷材料的断裂韧度值
在材料晶粒尺寸很小时，断裂的发生往往是从材料表面的裂纹开始的，因此在晶粒尺寸与材料强度的关系图上，明显分为两个区。图1-6所示为TiO 2 晶粒尺寸与弯曲强度之间的关系。
②其他组织因素的影响。可以通过加入溶质原子或者弥散析出第二相而强化，还可以通过纤维强化、晶须强化，如陶瓷基增强材料等。
2）温度的影响。图1-7所示为几种陶瓷材料的弯曲强度与温度之间的关系。可以看到，陶瓷材料强度随着温度的升高而下降的趋势比金属及其合金要平缓得多。因此，陶瓷材料比金属及其合金更耐高温。
图1-6 TiO 2 晶粒尺寸与弯曲强度之间的关系
图1-7 几种陶瓷材料的弯曲强度与温度之间的关系
（5）陶瓷材料的应变特征 由于陶瓷材料多由离子和共价键构成，其滑移系统少，因此一般塑性较差。图1-8所示为陶瓷、金属和天然橡胶的应力-应变曲线，可以看到，陶瓷材料的塑性变形明显比金属和天然橡胶低得多。
图1-8 陶瓷、金属和天然橡胶的应力-应变曲线
（6）陶瓷材料的超塑性 细晶（晶粒直径小于10μm）陶瓷材料，在 T m /2以上的温度及应变速率在10 -6 ～10 -2 s -1 之间容易发生超塑性。图1-9所示为氧化铝单晶的屈服应力与温度和应变速率之间的关系。可以看到，随着温度的升高，材料的屈服应力降低；而随着应变速率的增大，材料的屈服应力增大。
1）晶粒尺寸对超塑性的影响。图1-10所示为不同晶粒尺寸在1.3×10 -4 /s的应变速率下，1400℃时TZP多晶体的应力-应变曲线。可以看到，随着晶粒尺寸的减小，流动应力也减小，材料的塑性增大。
2）应变速率的影响。图1-11所示为不同应变速率下，TZP+5%Si（质量分数）的应力-应变曲线。可以看到，在温度超过1200℃之后，材料出现明显的超塑性。随着温度的升高，材料的延伸率增大；另外，随着应变速率的增大，流变应力也增大；而在相同的应变速率下，流变应力随着温度的升高而减小（见图1-12）。
图1-9 氧化铝单晶的屈服应力与温度和应变速率（min -1 ）之间的关系
图1-10 晶粒尺寸对TZP应力-应变曲线的影响
图1-11 TZP+5%Si材料的应力-应变曲线
图1-12 应变速率对TZP多晶材料流变应力的影响
陶瓷材料在电子工业、化工、汽车、冶金、航天、航空、能源、机械、光学及其他产业得到了广泛的应用。表1-14给出了陶瓷材料的特性和用途。
表1-14 陶瓷材料的特性和用途
（续）
（续）
图1-13 Al 2 O 3 陶瓷的主要性能与Al 2 O 3 质量分数之间的关系
1—抗拉强度/9.8MPa 2—介电强度/（MV/m） 3—热导率/［0.116W/（cm·K）］ 4—介电常数 5—莫氏硬度 6—密度/（g/cm 3 ） 7—弹性模量/9.8GPa8—比热容/［4.19W/（g·K）］9—tan δ /10 -4
1.氧化物陶瓷
（1）Al 2 O 3 陶瓷 Al 2 O 3 陶瓷是最重要的一种陶瓷，它的主要成分为Al 2 O 3 、CaO和SiO 2 ，还有MgO、TiO、FeO、K 2 O、Na 2 O等。Al 2 O 3 的含量越高，性能越好，但生产工艺更复杂，成本也更高。Al 2 O 3 陶瓷有75瓷（Al 2 O 3 质量分数为75%）、95瓷（Al 2 O 3 质量分数为95%）、97瓷（Al 2 O 3 质量分数为97%）和99瓷（Al 2 O 3 质量分数为99%）等。
Al 2 O 3 陶瓷的主要性能特点是硬度高（760℃时硬度为87HRA，1200℃时硬度为82HRA），有良好的耐热性和耐磨损性，可以在1600℃的高温下使用。还有很强的耐蚀性、绝热性、电气绝缘性能，特别是在高频下的电气绝缘性能尤为突出，介电强度＞8000V/mm。氧化铝陶瓷的缺点是韧性差，抗热振性能差，不能承受温度的急剧变化。表1-15给出了部分Al 2 O 3 陶瓷的化学成分，表1-16给出了一些Al 2 O 3 陶瓷的主要物理性能，图1-13所示为Al 2 O 3 陶瓷的主要性能与Al 2 O 3 含量之间的关系。图1-14所示为CaO-Al 2 O 3 -SiO 2 相图和MgO-Al 2 O 3 -SiO 2 相图。Al 2 O 3 陶瓷的主要用途是制造刀具、模具、轴承、熔化金属的坩埚、高温热电偶套以及化工零件，如化工用泵的密封滑环、机轴套、叶轮等。
表1-15 部分Al 2 O 3 陶瓷的化学成分（质量分数）（%）
表1-16 Al 2 O 3 陶瓷的主要物理性能
图1-14 CaO-Al 2 O 3 -SiO 2 相图和MgO-Al 2 O 3 -SiO 2 相图
（2）BeO陶瓷 BeO陶瓷的BeO质量分数一般在95%以上，其最大特点是在高温下仍有很好的导电性能，其电导率几乎与金属铝接近，这是其他陶瓷材料无可比拟的；BeO陶瓷具有非常高的导热性，其低温导热性是其他陶瓷无可比拟的，近似于铝；有毒。
BeO陶瓷的力学性能良好，抗振性能和介电性能优良。其熔点很高，为2570℃。
（3）滑石陶瓷 滑石陶瓷是由天然滑石矿（3MgO·4SiO 2 ·H 2 O）加工而成，其主要相是偏硅酸镁（MgO·SiO 2 ）。它的最大特点是介电性能优良（介电常数低、介质损耗小、电绝缘性好），容易机械加工，原料丰富，成本低廉，是早期电子器件中广泛应用的陶瓷之一。表1-17所列为滑石陶瓷的性能。
MgO与SiO 2 还可能形成其他陶瓷，如图1-14和图1-15所示。
图1-15 MgO-SiO 2 相图
（4）镁橄榄石陶瓷 镁橄榄石陶瓷也是以MgO为主要成分的陶瓷，化学式为2MgO·SiO 2 ，质量分数在65%～75%之间。
表1-17 滑石陶瓷的性能
（5）锆英石陶瓷 锆英石陶瓷的主要相是ZrO 2 ·SiO 2 ，是二元系统中的二元化合物，其成分为ZrO 2 67.2-SiO 2 32.8，图1-16所示为ZrO 2 -SiO 2 相图。
图1-16 ZrO 2 -SiO 2 相图
（6）堇英石陶瓷 堇英石陶瓷的主要相是2MgO·2Al 2 O 3 ·5SiO 2 。
（7）莫来石陶瓷 莫来石陶瓷的主要相是3Al 2 O 3 ·2SiO 2 。
（8）ZrO 2 陶瓷 ZrO 2 陶瓷是一种具有多晶型转变的陶瓷材料，它可根据不同温度而转变晶型：低温下是单斜晶ZrO 2 ，升温到1170℃转变为四方ZrO 2 ，再升温到2300℃又转变为立方ZrO 2 ；从高温降温到2300℃时，又转变为四方ZrO 2 ，但是降温到1170℃时并不发生转变，而是降温到1000℃时才转变为单斜晶ZrO 2 。表1-18给出了纯ZrO 2 陶瓷和纯Al 2 O 3 陶瓷的主要性能。
表1-18 纯ZrO 2 陶瓷和纯Al 2 O 3 陶瓷的主要性能
ZrO 2 陶瓷加入适量的稳定剂后，t相也可部分地以亚稳定状态存在于室温，称为部分稳定化ZrO 2 陶瓷，记为PSZ。在应力作用下，可以发生t相→m相的马氏体转变，称为“应力诱发相变”。这种相变过程会吸收能量，使裂纹尖端的应力松弛，增加裂纹扩展阻力，提高韧性。因此，部分稳定的ZrO 2 陶瓷的断裂韧度远高于其他结构陶瓷。目前发展起来的几种ZrO 2 陶瓷中，常用的稳定剂有MgO、Y 2 O 3 、CaO、CeO等。
1）Mg-PSZ陶瓷。高强度型ZrO 2 陶瓷（Mg-PSZ）的抗弯强度为800MPa，断裂韧度为10MPa·m 1/2 ；抗振型ZrO 2 陶瓷（Mg-PSZ）的抗弯强度为600MPa，断裂韧度为8～15MPa·m 1/2 。
2）Y-TZP陶瓷。四方多晶ZrO 2 陶瓷TZP是PSZ的一个分支，以Y 2 O 3 为稳定剂，抗弯强度可达800MPa，最高可达1200MPa，断裂韧度为10MPa·m 1/2 以上。
3）PSZ-Al 2 O 3 陶瓷。利用Al 2 O 3 的高弹性模量可使Y-TZP陶瓷晶粒细化，硬度提高，t相含量增加，强度和韧性大大提高。用热压烧结的ZrO 2 -Al 2 O 3 陶瓷的抗弯强度可达2400MPa，断裂韧度可达17MPa·m 1/2 。
目前TZP陶瓷正逐渐应用于发电机元件，其抗弯强度可达600～981MPa。
（9）具有超导性能的复杂的氧化物陶瓷 如Y-Ba-Cu-O（YBa 2 Cu 3 O 7 -x ）、Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O（Bi 1.6 Pb 0.4 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O y ）等复杂的氧化物陶瓷具有良好的超导性能。
2.SiC陶瓷
SiC陶瓷按制造方法不同有反应烧结SiC陶瓷、常压烧结SiC陶瓷和热压烧结SiC陶瓷三种。其最大的特点是高温强度高，在1400℃抗弯强度可高达500～600MPa。SiC陶瓷还有很好的耐磨性、耐蚀性、抗蠕变性能，热传导能力强，在陶瓷中仅次于BeO陶瓷。
SiC陶瓷具有耐高温、强度高的特点，因此可以用来制造尾喷管的喷嘴、浇注金属用的喉嘴、热电偶套管、炉管以及燃气轮机的叶片、轴承等零件。因其良好的耐磨性可应用于各种泵的密封圈，SiC陶瓷也可用于制造陶瓷发电机的材料。SiC陶瓷的抗氧化性能很好，在1550℃下仍有良好的抗氧化能力。但是，SiC陶瓷在800～1140℃时抗氧化能力较差。这时其表面的氧化膜比较疏松，难以保护基体进一步被氧化。
3.氮化物陶瓷
（1）烧结氮化物陶瓷
1）氮化硅陶瓷。氮化硅陶瓷按制造方法不同有反应烧结氮化硅陶瓷和热压烧结氮化硅陶瓷两种，热压烧结的温度为1600～1700℃。氮化硅是六方晶系的晶体，有极强的共价性，有α-Si 3 N 4 和δ-Si 3 N 4 两种晶体。
氮化硅陶瓷的主要性能特点是高强度、高硬度（仅次于金刚石、立方氮化硼和碳化硼等几种物质）、抗热振性能好、组织结构稳定。表1-19给出了几种非氧化物（其中包括氮化硅）陶瓷的物理性能和力学性能。
表1-19 几种非氧化物（其中包括氮化硅）陶瓷的物理性能和力学性能
氮化硅陶瓷的结构稳定，不易与其他物质发生反应，能耐除了熔融NaOH和HF以外的所有无机酸和碱溶液的腐蚀，抗氧化温度可达1000℃。
氮化硅陶瓷主要用于热机、耐磨部件以及热交换器等，是制造新型陶瓷发电机的重要材料。用氮化硅陶瓷制造的发动机可以在更高的温度下工作，使燃料充分燃烧，提高热效率，减少能源消耗和环境污染。
它与金属材料的焊接可以采用活性金属法、钎焊、液相扩散焊、固相扩散焊、摩擦焊等化学连接法，还可采用烧结法、压入法、热嵌法、铸包法等机械连接法。被焊接的陶瓷有铝和锆的氧化物、氮化硅、氮化铝、碳化硅等非氧化物，与其焊接的金属材料有钢铁、Cu合金、Al合金、Ni基合金、Mo、Nb等。焊接方法也以活性金属法、固相扩散焊、摩擦焊为多。
氮化硅陶瓷的抗热振性能好，反应烧结氮化硅陶瓷的线胀系数仅为2.53×10 -6 K -1 ，其抗热振性能大大优于其他陶瓷材料。
2）赛隆陶瓷（Sialon）。赛隆陶瓷是由δ-Si 3 N 4 和Al 2 O 3 构成的复相陶瓷，其成形和烧结性能都优于Si 3 N 4 陶瓷，物理性能与δ-Si 3 N 4 接近，化学性能与Al 2 O 3 接近。这种陶瓷采用挤压、模压、浇注等技术成形，在1600℃常压无活性气氛中烧结，即可达到热压氮化硅的性能，是目前常压烧结强度最高的陶瓷。近年来赛隆陶瓷得到了较快的发展。
（2）氮化铝陶瓷 氮化铝陶瓷与其他陶瓷的性能比较在表1-20中给出。它主要应用于电子器件上。
表1-20 氮化铝陶瓷与其他陶瓷的性能比较
（3）氮化硼陶瓷 氮化硼陶瓷的晶体形态有α型（六方晶系）、β型（立方晶系）和γ型（纤维锌矿型）。由于氮化硼基本上是共价键，故其粉末烧成致密的陶瓷材料很困难。其生产方法为热压法（HP法）和化学气相沉积法（CVD法）。氮化硼陶瓷在冶金、化工工业中有应用。
