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（4）耐高温件用塑料
耐高温件用塑料主要有聚砜、氯化聚醚、聚丙烯等。聚砜的热稳定性高是其最突出的特点。长期使用温度可达150～174?，且蠕变值极低。它具有优良的力学性能和电性能，可进行一般成型加工和机械加工，广泛用于电气、机械设备。医疗器械、交通运输等工业。
聚苯醚具有良好的综合性能，蠕变值低，且随温度变化小，使用温度宽（-190-190?）。广泛用于机电、电器、化工、医疗器械等方面。
聚酰亚胺是耐热性最高的塑料，其在260?下可长期使用，但加工性能差，成本高，主要用于特殊条件下使用的精密零件，如喷气发动机供燃料系统的零件、耐高温、高真空的自润滑轴承及电气设备零件等。
（5）热固性塑料
热固性塑料是指在树脂中加入固化剂并压制成型的体型聚合物。酚醛树脂是由酚类和醛类合成的，应用最多的是苯醛和甲醛的聚合物。
酚醛塑料是以酚醛树脂为基，加入填料及其他添加剂而制成的。这种塑料的性能因填料不同而变化，广泛用于制作各种电讯器材和电木制品（如插座、开关等）、耐热绝缘件及各种结构件。
环氧塑料是以环氧树脂为基，加入填料及其它添加剂而制成的。环氧塑料强度高，耐热，耐蚀，电绝缘性好。主要用于制作仪表构件、塑料模具、黏合剂、复合材料等。 （二）合成橡胶
橡胶是以高分子化合物为基础的具有高弹性的材料。 1、相交的组成和性能特点
工业橡胶是由生胶和橡胶配合剂组成。生胶是指无配合剂、未经硫化的橡胶，其来源有天然和合成两种。生胶的性能随温度变化很大，如高温发粘，低温变脆，必须加入配合剂，经硫化处理后才能制成各种橡胶制品。橡胶配合剂有硫化剂、硫化促进剂、防老剂、软化剂、填充剂、发泡剂、着色剂等。
橡胶最大的特点是高弹性，它的弹性模量很低，只有1MPa。橡胶有储能、耐磨、隔音、绝缘等性能。橡胶广泛用于制造密封件、减振件、轮胎、电线等。
2、常用合成橡胶
合成橡胶按用途和用量分为通用橡胶和特种橡胶。前者主要用于制作轮胎、运输带、胶管、胶版、垫片、密封装臵等；后者主要用于高低温、强腐蚀、强辐射等特殊环境下工作的橡胶制品。
（三）判断题
1、只有在室温下处于玻璃态的高聚物才称为塑料。 （错） 2、天然橡胶和合成橡胶都是在高弹态使用的高分子材料。 （对） （四）综合分析题
塑料的状态与温度有什么关系？
答：塑料的状态与温度有着密切的关系。温度小于Tg时，塑料是玻璃态；温度在Tg-Tf之间是高弹态；温度在Tf-Td之间处于粘流态；塑料的种类不同，各种状态的温度高低也不一样。
三、重要考点 单选题
1. （ ）用于提高树脂的可塑性和柔软性。 A．添加剂 B．增塑剂 C．固化剂 D．稳定剂
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2. （ ）用于防止塑料老化，延长其使用寿命。 A．添加剂 B．增塑剂 C．固化剂 D．稳定剂
答案：1.B；2.D
《机械工程材料》辅导资料十二
主 题：第十章 陶瓷材料
学习时间：2013年12月16日－12月22日
内 容：
这周我们将开始本课程课件的第十章的学习，即陶瓷材料。具体学习内容如下： 学习要求
1、掌握陶瓷的基本概念和组织组成； 2、掌握常用的工业陶瓷分类；
3、理解现代陶瓷材料的应用领域及其特点。 主要内容 一、概述
陶瓷材料是除金属和高聚物以外的无机非金属材料的通称。传统陶瓷有陶瓷器、玻璃、水泥和耐火材料等。新型陶瓷指近几十年逐渐发展起来的新型无机材料。 （一）陶瓷材料的特点
1、相组成特点
陶瓷材料通常是由晶相、玻璃相和气相3种不同的相组成的，如图1所示。
图1 陶瓷的典型组织
决定陶瓷材料物理化学性质的主要是晶相。玻璃相的作用是充填材料间隙、粘结晶粒、提高材料致密程度、降低烧结温度和抑制晶粒长大。气相是在工艺过程中形成并保留下来的,它对陶瓷的电性能及热性能影响很大。
2、结合键特点
陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等,因而其结合键以离子键（MgO、Al2O3）、共价键（Si3N4、BN）及离子键和共价键的混合键为主。
具体形成的是离子键还是共价键主要取决于两原子之间的电负性的大小。
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3、性能特点
由于陶瓷材料的结合键为共价键或离子键,因而陶瓷材料具有高熔点、高硬度、高化学稳定性、耐高温、耐氧化、耐腐蚀等特性。陶瓷材料还具有密度小、弹性模量大、耐磨损、强度高、脆性大等特点。对于功能陶瓷,还具有电、光、磁等特殊性能。
4、工艺特点
陶瓷是脆性材料，所以大部分陶瓷是通过粉体成型和高温烧结来获得所需要的形状,因此陶瓷是烧结体。烧结体也是晶粒的聚集体，有晶粒和晶界，所存在的问题是其存在一定的气孔率。
（二）陶瓷材料的分类
1、按化学成分分类
氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷及其它化合物陶瓷。氧化物陶瓷种类多，应用广，常用的有：
Al2O3、SiO2、ZrO2、MgO、CaO、BeO、Cr2O3、CeO2、ThO2等。 碳化物陶瓷熔点高，易氧化，常用的有： SiC、B4C、WC、TiC等。 氮化物陶瓷常用的有： Si3N4、AlN、TiN、BN等。 2、按使用的原材料分类
可分为普通陶瓷和特种陶瓷。普通陶瓷主要用天然的岩石、矿石、黏土等含有较多杂质或杂质不定的材料做原料。特种陶瓷采用化学方法人工合成高纯度或纯度可控的材料做原料。
3、按性能和用途分类
可分为结构陶瓷和功能陶瓷两类。在工程结构上使用的陶瓷称为“结构陶瓷”。利用陶瓷特有的物理性能制造的陶瓷材料称为“功能陶瓷”。它们具有的物理性能差异很大，所以用途很广泛。
二、常用工业陶瓷 （一）普通陶瓷
普通陶瓷又称为传统陶瓷，使用黏土（Al2O3·2SIO2·2H2O）长石（K2O·Al2O3·6SiO2·Na2O·Al2O3·6SiO2）和石英（SiO2）为原料，经成型、烧结而成。
其组织中主晶相为莫来石（3Al2O3·2SiO2）,占25～30％，次晶相为SiO2，玻璃相占35～60％，它是以长石为溶剂，在高温下溶解一定量的黏土和石英后得到的，气相占1～3％。这类陶瓷加工成形性好，成本低，产量大,应用广。
除日用陶瓷、瓷器外，大量用于电器、化工、建筑、纺织等工业部门，如耐蚀要求不高的化工容器、管道，供电系统的绝缘子。纺织机械中的导纱零件等。特种陶瓷又称为“新型陶瓷”或“精细陶瓷”。
其组成除硅酸盐以外，氧化物、复合氧化物和含氧酸盐也较常见，还有碳化物、氮化物,硼化物、硫化物及其它盐类和单质，并由过去以I块状和粉状为主的状态向着单晶化、薄模化、纤维化和复合化的方向发展。 （二）特种陶瓷
1、氧化铝陶瓷
氧化铝陶瓷是以Al2O3为主要成分，含有少量的SiO2的陶瓷，又称“高铝陶瓷”。根据Al2O3含量不同分为75瓷（75% Al2O3,又称“刚玉-莫来石瓷”）、95瓷（95% Al2O3）和99瓷（99% Al2O3）,后两者又称“刚玉瓷”。氧化铝含量高,陶瓷性能也随之提高。
氧化铝陶瓷耐高温性能好，在氧化性气氛中可使用到1950?，被广泛用做耐火材料,如耐火砖、坩埚、热偶套管等。微晶刚玉的硬度极高（仅次于金刚石），并且其红硬性达到1200?，可用于制造淬火钢的切削刀具、金属拔丝模等。氧化铝陶瓷还具有良好的电绝缘性及耐磨性，
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强度比普通陶瓷高2～5倍，因此可用于制作内燃机的火花塞、火箭、导弹的导流罩及轴承等。
2、氮化硅（Si3N4）陶瓷
氮化硅是由Si3N4四面体组成的共价键固体,如图2所示。
图2 Si3N4四面体
（1）氮化硅的准备工艺
工业上使用氮化硅粉末主要又以下两种方法合成：
1200~1500℃工业硅直接氮化 3Si?2N2?????Si3N4二氧化硅还原和氮化：3SiO2＋6C＋2N2→Si3N4＋6CO 后者可直接得到粉末，纯度可控，且生产成本低。 （2）烧结工艺
氮化硅的烧结工艺主要有两种。氮化硅必须完全致密才能作为优质工程材料使用，因此必须进行烧结才能致密化。为达到致密，常加入一定量烧结助剂起充填作用，常用助剂 为MgO和Y2O3。烧结压力低，所需烧结助剂量大。
（3）性能特点及应用
氮化硅的强度、比强度、比模量高，反应烧结Si3N4室温抗弯强度为200MPa，并可一直保持到1200～1350?。热压氮化硅气孔率接近于零，其室温抗弯强度可达800～1000MPa，其比模量为11.9×104MPa ,是钢的4倍多。氮化硅硬度很高，仅次于金刚石。、氮化硼等几种物质，摩檫系数仅为0.1-0.2。
氮化硅的热膨胀系数小，反应烧结氮化硅热膨胀系数仅为2.53×10-6/?，抗热振性大大高于其他陶瓷材料。氮化硅的化学稳定性高，除熔融NaHO和HF外，能耐所有无机盐及某些碱溶液腐蚀,其抗氧化温度可达1000?。热压烧结氮化硅用于制造形状简单、精度要求不高的零件，如切削刀具、高温轴承等。
反应烧结氮化硅强度、韧性低于热压烧结氮化硅，多用于制造形状复杂、尺寸精度要求高的零件，如泵的机械密封环、热偶套管、泥沙泵零件等。氮化硅还可用于制造工作温度大1200?的涡轮机叶片、内燃机零件、坩埚、火箭喷嘴、核材料的支架和隔板等。
3、碳化硅（SiC）陶瓷
碳化硅的键合方式为共价键。是用石英砂（SiO2）加焦炭直接加热到高温还原而成： ~2000℃SiO2?3C?1900?????SiC?2CO
碳化硅的烧结工艺也有热压烧结和反应烧结两种。由于碳化硅表面有一层薄氧化膜，很难烧结，需要添加烧结助剂来促进烧结，常加的助剂有B、C、Al等。
碳化硅陶瓷耐腐蚀、耐磨损、抗蠕变,性能热传导仅次于氧化铍陶瓷。高温强度高，1400?时达500～600MPa。可用于制造火箭喷嘴、浇注金属用的喉管、热电偶套管、炉管、燃气轮机叶片及轴承等。因其耐磨性好，可用于制造各种泵的密封圈、拉丝成型模具等。作为陶瓷发动机材料的研究也在进行中。
4、氧化锆陶瓷
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氧化锆有多种晶型转变，由四方相转变为单斜相非常迅速,并引起很大体积变化（-5%）,热缩、冷胀,因而易使制品开裂。可在氧化锆中加入某些氧化物（如CaO、MgO、Y2O3等）,在高温下形成立方固溶体,快冷保持到室温,不再发生相变。具有这种结构的氧化锆称为”完全稳定氧化锆（FSZ）”，其力学性能低,抗热冲击性能很差，可用作电介质器件或耐火材料。
如果减少加入氧化物的数量，不使全部氧化物都呈稳定的立方相，而使一部分以四方相的形式存在，这种含有四方相的材料只使一部分氧化锆稳定，所以称其为“部分稳定氧化锆（PSZ）”。根据添加的氧化物不同，分别称为Ca－PSZ、Mg－PSZ、Y－TZP等（TZP为四方多晶氧化锆,图10－3为Mg－PSZ的组织。
氧化锆中的四方相向单斜相转变是M转变，金属的M转变特征可直接用于氧化锆，这种相变可通过应力诱发产生，当外力作用时，这种组织相变将吸收能量而使裂纹尖端应力场松弛，增加裂纹扩展阻力，从而大幅度提高陶瓷材料的韧性。
部分稳定氧化锆陶瓷的导热率低（Si3N4低4/5）,绝热性好；热膨胀系数大,接近于发动机中使用的金属，因而与金属连接比较容易；抗弯强度与断裂韧性高,除在常温使用外,以成为绝热柴油机的主要候选材料,如发动机的汽缸内衬、推杆、活塞帽、阀座、凸轮、轴承等。
5、其他特种陶瓷
（1）氮化硼（BN）陶瓷
具有良好的耐热性、热稳定性、导热性、化学稳定性、自润滑性及高温绝缘性，可进行机械加工。用于制造耐热润滑剂、高温轴承、高温容器、坩埚、热电偶套管、散热绝缘材料、玻璃制品成型模具及刀具等。
（2）氧化镁、氧化钙、氧化铍陶瓷 前两种抗金属碱性熔渣腐蚀性好，但热稳定性差,MgO高温易挥发,CaO易水化,可用于制造坩埚、热电偶保护套、炉衬材料等。BeO具有优良的导热性、高的热稳定性及消散高温辐射的能力，但强度不高，可用于制造真空陶瓷、高频电炉的坩埚、有高温绝缘要求的电子元件和核反应堆用陶瓷。
（3）氮化铝陶瓷
主要用于半导体基板材料、坩埚、保护管等耐热材料，树脂中高导热填料等。 （4）莫来石陶瓷 具有高的高温强度、良好的抗蠕变性能及低的导热率,主要用于1000?以上高温氧化气氛下工作的长喷嘴、炉管及热偶套管。加ZrO2、SiO2可提高莫来石陶瓷的韧性，用做刀具材料或绝热发动机的某些零件。
（5）赛隆陶瓷
是在Si3N4中加入一定量的Al2O3、MgO、Y2O3等氧化物形成的一种新型陶瓷。它具有很高的强度，优异的化学稳定性和耐磨性，耐热冲击性好。主要用于切削刀具、金属挤压模内衬、汽车上的针形阀、底盘定位销等。 重要考点
1、简述陶瓷材料的特点。 答：（1）相组成特点：陶瓷材料通常是由晶相、玻璃相和气相3种不同的相组成的。决定陶瓷材料物理化学性质的主要是晶相。玻璃相的作用是充填材料间隙、粘结晶粒、提高材料致密程度、降低烧结温度和抑制晶粒长大。气相是在工艺过程中形成并保留下来的,它对陶瓷的电性能及热性能影响很大。
（2）结合键特点：陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等,因而其结合键以离子键（MgO、Al2O3）、共价键（Si3N4、BN）及离子键和共价键的混合键为主。具体形成的是离子键还是共价键主要取决于两原子之间的电负性的大小。
（3）性能特点：由于陶瓷材料的结合键为共价键或离子键,因而陶瓷材料具有高熔点、高硬度、高化学稳定性、耐高温、耐氧化、耐腐蚀等特性。陶瓷材料还具有密度小、弹性模量大、
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