陶瓷是指以各种金属的氧化物、氮化物、碳化物、硅化物为原料，经适当配料、成形和高温烧结等合成的无机非金属材料。陶瓷具有许多独特的性能，这类材料一般是由共价键、离子键或混合键结合而成，键合力强，具有很高的弹性模量和硬度。

陶瓷材料按其应用特性分为功能陶瓷和工程结构陶瓷两大类。功能陶瓷是指具有电、磁、光、声、热等功能以及耦合功能的陶瓷材料，从性能上分有铁电、压电、光电、声光、磁光、生物等功能陶瓷。工程结构陶瓷强调材料的力学性能，以其具有的耐高温、高强度、超硬度、高绝缘性、高耐磨性、抗腐蚀性等性能，在工程领域得到广泛应用。常见的工程结构陶瓷见表2.1。

表2.1　常见的工程结构陶瓷

2.1.1.1　物理和化学性能

陶瓷材料的物理性能与金属材料有较大的区别，主要表现在以下几个方面：陶瓷的线胀系数比金属低，一般在10－5～10－6K－1的范围内；陶瓷的熔点（或升华、分解温度）比金属的高得多，有些陶瓷可在2000～3000℃的高温下工作且保持室温时的强度，而大多数金属在1000℃以上就基本上丧失了强度。一些新型的特殊陶瓷具有特定条件下的导电性能，如导电陶瓷、半导体陶瓷、压电陶瓷等。还有一些陶瓷具有特殊的光学性能，如透明陶瓷、光导纤维等，但它们主要是功能陶瓷而不是结构陶瓷。

陶瓷的组织结构十分稳定，具有良好的化学性能。在它的离子晶体中，金属原子被非金属（氧）原子所包围，受到非金属原子的屏蔽，因而形成极为稳定的化学结构。一般情况下不再与介质中的氧发生作用，甚至在1000℃的高温下也不会氧化。由于化学结构稳定，大多数陶瓷具有较强的抵抗酸、碱、盐类的腐蚀以及抵抗熔融金属腐蚀的能力。

2.1.1.2　力学性能

陶瓷材料多为离子键构成的晶体（如Al2O3）或共价键组成的共价晶体（如Si3N4、SiC），这类晶体结构具有明显的方向性。多晶体陶瓷的滑移系很少，受到外力时几乎不能产生塑性变形，常常发生脆性断裂，抗冲击能力较差。由于离子晶体结构的关系，陶瓷的硬度和室温弹性模量也都较高。陶瓷内部存在大量的气孔，致密度比金属差很多，因此抗拉强度不高，但因为气孔在受压时不会导致裂纹扩展，所以陶瓷的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一般为1/3，而陶瓷则为1/10左右。

陶瓷是非常坚固的离子/共价结合（比金属键更强）组织，这种结合使陶瓷具有相关的特性：高硬度，高压缩强度，低导热、导电性及化学不活泼性。这种坚固的结合也表现出一些不好的特性，如低延伸性。通过控制显微组织可以克服陶瓷固有的高硬度并制出陶瓷弹簧。已经开发应用的复合陶瓷，其断裂韧性可达钢的一半。

陶瓷更广泛的特性可能并没有被认识到。人们一般认为陶瓷是电/热绝缘体，而陶瓷氧化物（以Y-Ba-Cu-O为基）却具有高温超导性。金刚石、氧化铍和碳化硅比铝或铜有着更高的导热性。

2.1.1.3　几种常用的结构陶瓷

（1）氧化物陶瓷

常用的氧化物陶瓷有氧化铝陶瓷、氧化铍陶瓷和部分稳定氧化锆陶瓷等。表2.2所示是常用的几种氧化物陶瓷的物理性能。

表2.2　几种氧化物陶瓷的物理性能

1）氧化铝陶瓷

氧化铝陶瓷是工程中广泛应用的陶瓷材料，氧化铝陶瓷主要成分是Al2O3和SiO2。Al2O3含量越高性能越好，但工艺更复杂，成本也更高。几种氧化物陶瓷的化学组成见表2.3。

表2.3　几种氧化物陶瓷的化学组成%

氧化铝有十多种同素异构体，常见的主要有三种：α-Al2O3，β-Al2O3和γ-Al2O3。

γ-Al2O3属于尖晶石型立方结构，高温下不稳定。在1600℃转变为α-Al2O3。α-Al2O3在高温下十分稳定，在达到熔点2050℃之前没有晶型转变。

氧化铝陶瓷的主要性能特点是硬度高（760℃时硬度为87HRA，1200℃仍可保持82HRA的硬度），有很好的耐磨性、耐腐蚀性、耐高温性能，可在1600℃高温下长期使用。氧化铝陶瓷还具有良好的电气绝缘性能，在高频下的电绝缘性能尤为突出，每毫米厚度可耐压8000V以上。氧化铝陶瓷的缺点是韧性低，抗热振性能差，不能承受温度的急剧变化。这类陶瓷主要用于制造刀具、模具、轴承、熔化金属的坩埚、高温热电偶套管，以及化工行业中的一些特殊零部件，如化工泵的密封滑环、轴套和叶轮等。

2）部分稳定氧化锆（ZrO2）陶瓷

氧化锆陶瓷有三种晶型：四方结构（t相）、立方结构（c相）和单斜结构（m相）。加入适量的稳定剂后，四方结构（t相）在室温以亚稳定状态存在，称为部分稳定氧化锆（简称PSZ）。部分稳定氧化锆陶瓷可应用于发动机的结构件，其抗弯强度在600℃时可达981MPa。

在应力作用下发生的四方结构（t相）向单斜结构（m相）的马氏体转变称为“应力诱发相变”，在相变过程中吸收能量，使陶瓷内裂纹尖端的应力场松弛，增加了裂纹的扩展阻力，实现氧化锆陶瓷的增韧。部分稳定氧化锆陶瓷的断裂韧性远高于其他的结构陶瓷。目前发展起来的几种氧化锆陶瓷中，常用的稳定剂包括MgO、Y2O3、CaO、CeO2等。

① 高强度氧化锆陶瓷（MG-PSZ）　抗弯强度为800MPa，断裂韧性为10MPa·m1/2。抗振型MG-PSZ的抗弯强度为600MPa，断裂韧性为8～15MPa·m1/2。

② 四方多晶氧化锆陶瓷（Y-TZP）　以Y2O3为稳定剂，抗弯强度可达800MPa，最高可达1200MPa，断裂韧性可达10MPa·m1/2以上。

③ 四方多晶ZrO2-Al2O3复合陶瓷　利用Al2O3的高弹性模量可使多晶氧化锆陶瓷晶粒细化，硬度提高，四方结构的t相含量增加，可以提高陶瓷的强度和韧性。用热压烧结方法制造的ZrO2-Al2O3复合陶瓷的抗弯强度可高达2400MPa，断裂韧性可达17MPa·m1/2。

（2）非氧化物陶瓷

包括氮化硅（Si3N4）、碳化硅（SiC）、氮化硼（BN）与氮化钛（TiN）等。碳化硼（B4C）在工程材料中的硬度仅次于金刚石和立方氮化硼，用于需要高耐磨性能的部件。由于非氧化物陶瓷在高温下仍具有高强度、超硬度、抗磨损、耐腐蚀等性能，已成为机械制造、冶金和宇航等高科技领域中的关键材料。

几种非氧化物陶瓷的物理性能和力学性能见表2.4。

表2.4　几种非氧化物陶瓷的物理性能和力学性能

① 氮化硅陶瓷　六方晶系，以Si3N4为结构单元，具有极强的共价键性，有α-Si3N4和β-Si3N4两种晶体。氮化硅陶瓷的特点是强度高，反应烧结氮化硅陶瓷的室温抗弯强度达200MPa，在1200～1350℃高温下可保证强度不衰减。热压烧结氮化硅陶瓷室温抗弯强度可高达800～1000MPa，加入某些添加剂后抗弯强度可达到1500MPa。氮化硅陶瓷的硬度很高，仅次于金刚石、立方氮化硼和碳化硼等。用氮化硅陶瓷制造的发动机可以在更高的温度下工作，使发动机的燃料充分燃烧，提高热效率，减少能耗与环境污染。

② 碳化硅陶瓷　具有高的热传导性、高耐蚀性和高硬度，是一种键能很高的共价键化合物，具有金刚石的结构类型。常见的碳化硅晶型为2100℃以下稳定存在的立方结构β-SiC和2100℃以上稳定存在的六方结构α-SiC。在压力为101.33MPa时，碳化硅在2830℃左右分解。碳化硅陶瓷的特点是高温强度高，在1400℃时抗弯强度仍保持在500～600MPa的较高水平。碳化硅陶瓷具有很好的耐磨损、耐腐蚀、抗蠕变性能。由于碳化硅陶瓷具有高温强度高的特点，可用于制造火箭尾喷管的喷嘴、浇注金属用的喉嘴、热电偶套管、加热炉管以及燃气轮机的叶片、轴承等，还可用于热交换器、耐火材料等。

③ 赛隆陶瓷（Sialon）　由Si3N4和Al2O3构成的陶瓷称为赛隆陶瓷，其成形和烧结性能优于纯Si3N4陶瓷，物理性能与β-Si3N4相近，化学性能接近Al2O3。这种陶瓷可以采用热挤压、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陶瓷的性能，是目前常压烧结强度最高的陶瓷材料。近年来赛隆陶瓷得到了较快的发展。

（3）陶瓷复合材料

提高陶瓷材料性能的方法之一是制作陶瓷基复合材料。加入其他化合物或金属元素形成的复合Al2O3陶瓷，可改善氧化物陶瓷的韧性和抗热震性。几种氧化铝复相陶瓷与热压氧化铝陶瓷的力学性能见表2.5。由于分散的第二相可阻止Al2O3晶粒长大，又可阻碍微裂纹扩展，因此复相陶瓷的抗弯强度明显提高。含5%（体积含量）SiC的Al2O3复相陶瓷的抗弯强度可达1000MPa以上，断裂韧性提高到4.7MPa·m1/2。

表2.5　热压Al2O3陶瓷及其复相陶瓷的力学性能

陶瓷可作为复合物系统（如玻璃钢GRP）和金属基复合材料（如氧化铝强化的Al/Al2O3）的增强剂，即将陶瓷纤维、晶须或颗粒混入陶瓷基体材料中。使基体和加入的材料保持固有的性能，而陶瓷复合材料的综合性能远远超过单一材料本身的性能。

陶瓷复合材料主要分为纤维增强和晶须或颗粒增强复合材料两大类。

① 纤维增强陶瓷复合材料　纤维是连续的或接近连续的细丝，在保持或提高强度的同时能增强韧性和抗高温性能。可以做成纤维的材料有Al2O3、SiC、Si3N4等。但是，陶瓷基体加入纤维后很难进行加工，许多靠纤维增强的陶瓷复合材料就因为纤维分布不均匀、加工（焊接）后纤维性能下降或基体密实性不足等原因而达不到提高性能的目的。

② 晶须或颗粒增强陶瓷复合材料　晶须是短小的单晶体纤维，无论是棒状或针状，其纵横比约为100，直径小于3μm。以SiC晶须增强的Al2O3陶瓷复合材料已经引起广泛地关注。将SiC晶须加入单一的Al2O3陶瓷或多元基体中，能使材料的强度和断裂韧性提高很多，而且还具有优异的抗热震性、耐磨性和抗氧化性。以ZrO2韧化的Al2O3系列陶瓷复合材料是以弥散分布的部分稳定的ZrO2颗粒来提高Al2O3陶瓷基体的强度和韧性。

陶瓷由于具有良好的介电性、耐热性、真空致密性、耐腐蚀性等，在工程技术中得到广泛应用。它具有持久的热稳定性，耐各种介质的浸蚀性，具有严格的电绝缘性能和绝磁性能，具有很广阔的应用前景。

2.1.1.4　复合陶瓷的制备方法

可采用多种方法制备复合陶瓷。复合陶瓷的制备工艺过程为：配料→混粉→压制成形→烧结。以Al2O3-TiC复合陶瓷为例，在烧结过程中，由于Al2O3和TiC之间会发生反应并有气体发生，因此烧结比较困难。一般需添加烧结助剂、表面处理或热压烧结（hot-pressing sintering，HP）、热等静压烧结（hot-isostatic-pressing sintering，HIP）工艺。烧结是使材料获得预期的显微结构，赋予材料各种性能的关键工序。可将Al2O3-TiC复合陶瓷按烧结方式的不同进行分类。

（1）无压烧结（pressureless sintering，PS）

无压（常压）烧结是指烧结过程中烧结坯体无外加压力、只在常压下烧结。由于Al2O3和TiC在高温下会发生反应产生气体，用常规烧结方法难以致密化（相对密度