性质及用途刚玉陶瓷的嘭胀系数与金属差不多，莫氏硬度为9，密度为3．9 g／cm3左右，机械强度高（约150 MPa），具有良好的化学稳定性及生物相容性。刚玉陶瓷的性质是与β-Al2O3含量有关的（图3.3）。
上述优良性质使得刚玉陶瓷得到了广泛的应用：利用其高熔点而制成各种耐火元件；利用其化学稳定性好及生物相容性，可用作生物陶瓷、人工关节、化工、催化载体及航空用材料，代替铂坩埚、磁流体发电材料；利用其强度、硬度较大的性能，可以用作刀具、磨料磨具；利用其绝缘电阻较大的性能，可用作可控硅和固体电路外壳、火花塞绝缘体、真空器件、薄膜电路基板等；利用其能制成良好的透明陶瓷的性能，可以用作红外检测材料、钠光灯管等。其应用范围远较此广泛。
（2）氧化镁（MgO）陶瓷
氧化镁陶瓷是以MgO为主要成分和主晶相的陶瓷。主晶相MgO的晶体结构为立方面心的NaCl型，空间群m3m。理论密度为3．58 g／cm3，熔点为2800℃。温度高于2300℃时，MgO易挥发，因而，其制品的使用应限制在2200℃以下。MgO在高温下易被碳还原为金属镁。MgO陶瓷在高温下比体积电阻高（35 V／mm），介电系数为9．1，介质损耗低（20℃、1 MHz），（1～2）×10-4，具有良好的电绝缘性。MgO为弱碱性，对碱性金属熔渣等碱性物有较强的抗侵蚀能力。由于MgO在高温下与Fe，Ni，U，Th，Al，Cu，Zn，Mo，Pt．Mg等金属都不发生作用，故MgO陶瓷常用作高温炉的炉衬材料、浇注金属的模子、高温热电偶的保护管、熔炼金属的坩埚等。
MgO陶瓷的一大缺点是在潮湿空气中极易水化，生成Mg（OH）2。锻烧温度和颗粒细度对水化能力有较大影响。一般说来，提高煅烧温度可以降低MgO活性，降低水化能力，减小其比表面。当温度超过1 300℃时，对MgO水化能力影响不大。因此，制备MgO陶瓷的预烧温度一般都在11 00℃～1 300℃。采用电熔MgO作原料亦可改善其水化问题。如果MgO颗粒细度增大时，水化能力也增大。所以，降低细度，也是改善MgO陶瓷水化问题的一条途径。
MgO陶瓷的工业制备大都是从菱镁矿、白云水镁石、滑石等天然矿物或海水中提取MgO，大多先制成Mg（OH）2或MgCO3，然后煅烧分解成MgO并经过进一步化学或热处理制成高纯的MgO。锻烧温度>1000℃（一般1400℃左右）可制得活性较大的MgO。如果煅烧温度在1700℃～1800℃，则得到死烧MgO。煅烧分解制取MgO的过程大体分为以下三个阶段：第一阶段（200℃～300℃）：Mg（OH）2，MgCO3开始分解，放出气体；第二阶段（500℃～600℃）：Mg（OH）2，MgCO3分解剧烈，800℃时分解基本完成，得不完整MgO晶体；第三阶段（>800℃）：MgO结晶逐渐长大成完好晶体。
制备MgO陶瓷时，一般将MgO压成团块，在1100℃～1300℃进行预烧，再装入刚玉瓷匣钵中在1750℃～1800℃温度下保温2小时进行烧结。
（3）ZrO2陶瓷
氧化锆垢差热分析曲线
ZrO2是由自然界中主要的两种含锆矿石即斜锆石（ZrO2）和锆英石（ZrO2·SiO2）中提炼出来的。ZrO2的熔点为2715℃，密度为5．49 g／cm3。ZrO2随温度不同而存在以下四种同质异构转变：单斜-ZrO21170℃四方-ZrO22370℃立方-ZrO22715℃液相三种晶系的ZrO2密度分别为：单斜晶系为5．65 g／cm3四方晶系为6．10g／cm3，立方晶系为6．27 g／cm3。在单斜（m-ZrO2）收缩与四方（t-ZrO2）转化过程中伴随着7％左右的体积变化。这种体积收缩的温度约发生在1 200℃，膨胀温度约在1000℃（如图3.4），其线热膨胀曲线如图3.5所示。
氧化锆的热膨胀曲线
由于这种晶形转变，发生体积变化易产生开裂现象，因而很难用纯ZrO2生产ZrO2陶瓷，因此，通常称为不稳定ZrO2。通过不断研究和实验发现加入适量的CaO，MgO，Y2O3，CeO等氧化物可制得无异常膨胀的四方晶系和等轴晶系的稳定ZrO2。利用部分稳定和这种稳定的ZrO2备料，能制得性能良好的ZrO2陶瓷。部分稳定ZrO2就是将原来稳定ZrO2中所需的氧化物添加剂适量减少而得的。如Y2O3—PSZ（Y2O3部分稳定ZrO2）就是将原来稳定ZrO2中所需8mol％以上的Y2O3减少到3～4mol％制成的。
ZrO2陶瓷化学稳定性好，高温条件下抗中性及酸性物质腐蚀能力强，对钢水很稳定，为连铸用耐火材料。ZrO2陶瓷坩埚用于金及合金如铷、铑、钯、铂等的冶炼和提纯。
ZrO2陶瓷的耐火温度高，比热和导热系数小，纯ZrO2是理想的高温绝缘材料（常温比电阻高达1015Ω·m）。但其电性能随稳定剂的种类、含量和测试温度不同而变化。加入稳定剂后，其电导率明显增加。因而，稳定的ZrO2陶瓷在高温状态是离子导电陶瓷。
近年来，根据ZrO2晶体相变体积变化的特性，研究利用ZrO2相变增韧解决陶瓷材料的脆性问题已取得了显著进展，这就是ZrO2增韧陶瓷。它是通过四方相（t-ZrO2）转变成单斜相（m-ZrO2）马氏体相变（一级相变）来实现的。该相变仅能在固态中发生，具有成核和生长两个过程。当部分稳定的ZrO2存在于陶瓷基体中，就存在m-ZrO2t-ZrO2可逆相变，并伴随有3％～59%的体积膨胀。ZrO2有相变温度随着颗粒粒度的降低而下降，甚至可降到室温或室温以下的特性。ZrO2颗粒弥散在其它陶瓷（包括ZrO2本身）基体中，由于二者热膨胀系数的差别，在烧结后的冷却过程中，ZrO2颗粒周围有不同的受力情况。当基体对ZrO2颗料有足够的压应力，而ZrO2颗粒的粒度又足够小时，其相变温度可降至室温以下，使得ZrO2在室温时仍可保持四方晶系结构。如果材料受到外部应力作用时基体对ZrO2的压应力得以松驰，ZrO2颗料则由t-ZrO2向m-ZrO2变体转变，同时在基体中产生微裂纹，所产生的微裂纹吸收了主裂纹扩展的能量，起到增加断裂韧性的效果。这就是ZrO2的相变增韧机理。
上述ZrO2陶瓷的特异性质，使得其应用的范围不断扩大，应用价值不断提高。因而，近几年来ZrO2陶瓷的研究获得了显著的进展。
（4）BeO及其它氧化物结构陶瓷
氧化铍晶体结构
BeO晶体结构为六方晶系（图3.6），为无色晶体。密度为3．03 g／cm3，莫氏硬度与刚玉晶体同为9，熔化温度范围为2530℃～2570℃．高温蒸发速度及蒸气压比较低。BeO在氧化气氛中，1800℃时有明显的挥发作用。有水蒸气存在时，BeO与水蒸气作用生成氢氧化铍[Be（OH）2］，故在1500℃就大量挥发。BeO在真空中可在1800℃下使用；在惰性气体中可在2000℃下使用。BeO陶瓷耐碱性强，能抵抗除苛性碱外的碱性物质的侵蚀，高温绝缘性能良好，具有与金属相近的良好导热系数。
根据BeO陶瓷的性能特点，可用作散热器件、反应堆中的中子减速剂和防辐射材料、冶炼稀有金属和高纯金属Be，Pt，V等的坩埚、高温绝缘材料、如绝缘材料的基片材料等。
此外，结构型氧化物陶瓷材料还有用作反应堆部件原予能核燃料的UO2，UO，作高温电池的隔膜部件的CeO2，HFO2等陶瓷材料。
2.非氧化物陶瓷
非氧化物陶瓷是指金属的碳化物、氮化物、硅化物和硼化物等陶瓷的总称。其中，尤以大多以共价键结合而在高温下抗变形能力强的碳化物和氮化物结构陶瓷材料最为重要。它们是随着科学技术的发展，在结构材料领域中，特别是在耐热、耐高温结构材料中，迫切要求使用一些在以前氧化物陶瓷和金属材料无法胜任的，具有特殊性质的陶瓷材料而发展起来的。近年来，非氧化物结构陶瓷在高新技术的应用中取得了巨大的成就。比如，Si3N4，SiC等陶瓷材料已在耐磨部件（如轴承材料、刀具材料）、热核反应堆内壁材料、高效发动机和燃气轮机中获得了成功应用，为解决科学技术中的一些难题起了关键作用。
碳化物、氮化物等非氧化物是靠人工合成而自然界不存在的。由于氧化物的标准自由生成焓△Gof一般都小于相应碳化物、氮化物的△Gof，说明氧化物的生成更为稳定。所以，在这些非氧化物原料的合成及其烧结过程中，必须通入保护性气体N2或其它惰性气体，避免与O2接触生成氧化物而影响材料的高温性能。这一节主要介绍碳化物和氮化物两类陶瓷材料的结构、性质及用途。
（1）碳化物陶瓷
由于SiC化合物的电子结构特点所决定，在碳化硅晶体结构中，存在呈四面体空间排列的杂化键sP3。碳和硅两元素形成SiC晶体时，sP排列稳定化，碳化硅原子中s—P电子的迁移，将导致能量稳定的sP3排列的形成，而形成具有金刚石晶体结构的碳化硅，形成牢固的共价键联接。C和Si原子电负性之差△x=2．5-1．8=0．7，SiC中离子键约占12％，可见共价键是相当强的。碳化硅晶体结构中的单位晶胞是由相同的四面体构成（图3.7）。各种碳化硅变体的晶体结构都是由基本结构单位SiC四面体在三维空间堆积而成，只不过是有平行结合或反平行结合之区别（见图3.7）。
图3.7 SiC四面体和六方层状排列中国面体的取向（Ⅰ）平行；（Ⅱ）反平行最常见的SiC变体及多型结构主要有Q—SiC，6H—SiC，15R—SiC，4H—SiC和β-SiC等。符号H和R分别代表六方和菱面体格子构造，H和R前的数字表示沿c轴重复周期的层数。它们中最主要的是α和β两种变化。α—SiC为六方晶系结构，是高温稳定变体；β—SiC是面心立方结构，低温稳定变体。β-SiC向α-SiC转变温度始于21 00℃或略低的温度，转变速率很小，不存在熔点，其分解温度高，在1个大气压条件下分解温度为2830±40℃。
由于SiC的共价键结合特点，采用通常离子键结合材料的单纯化合物常压烧结途径难以制取高致密化材料，必须采用一些特殊工艺手段。常采用的方法有热压烧结，常压烧结，反应烧结和浸渍法等，以制备高致密化SiC陶瓷材料。反应烧结SiC的弹性模量B、抗弯强度、尤其抗热震参数等性能都比其它陶瓷性能优越。这使得SiC陶瓷在对这些性能要求较高的领域应用前景十分广阔。
利用SiC陶瓷材料的高强度、高模量、高热传导、耐磨损、低膨胀特性，可用作磨料、发热元件、耐火材料、精密轴承、压缩机的汽缸和活塞、抗磨密封件等。纯SiC是绝缘体（电阻1012Ω·m），但在存在杂质时，电导率增大，电阻大幅度下降到零点几欧姆·厘米。
SiC优越的高温特性，使其在高于1 000℃以上的高温应用中。可用作高温燃气轮机的转子、喷嘴、燃烧器，柴油发动机的汽缸和活塞，高温气体的热交换器等高温部件。
SiC陶瓷材料不仅是作为高温结构零部件最有希望的材料之一，而且在电子领域的应用也越来越广泛。
其他碳化物主要指碳化钛（TiC）、碳化硼（B4C）、碳化钨（WC）、碳化锆（ZrC）、碳化钒（VC）、碳化钼（Mo2C）、碳化钽（TaC）和碳化铌（NbC）等。它们是可以用通式MxCy（M：金属元素）来表示的熔点、硬度非常高的一类化合物。除少部分外，大部分碳化物均是电热的导体。
在高温下，所有的碳化物均会被氧化成金属元素的氧化物和CO2气体，所生成的金属氧化物还会受到还原气氛的侵蚀。
碳化钛陶瓷的力学性能好，可作耐火材料。透明的TiC陶瓷还是较好的光学功能材料。
碳化钛陶瓷的制备一般是使用TiO2与碳黑在高温下短时间内反应而得到含化合钛1 8．0％～20．3％的TiC粉末，然后用热压的办法将TiC粉末制成TiC陶瓷制品。热压TiC陶瓷制品的性能与原始粉末颗粒大小有关。
碳化硼（B4C）以高硬度（50 GPa，仅次于金刚石）为其突出特性，具有很高的耐磨性（为金刚石的60％～70％，超过碳化硅的50％，为刚玉的1～2倍），因此，B4C粉可直接用来研磨，加工硬质陶瓷，其烧结体可作切削工具。
碳化硼的热膨胀系数低（4．5×10-6／℃，20℃～1 000℃），热稳定性好，有吸收热中子性质，抗热冲击性、导热性都好，可作原子反应堆的控制剂、高温热交换器等。B4C的抗酸、碱能力及抵抗大多数熔融金属浸蚀的能力都强，在1000℃以下能抵抗空气的腐蚀，但在较高温的氧化气氛中易被氧化。
碳化物陶瓷的高硬度等突出特性决定了它们有着独特的应用，其缺点是较易被氧化。
（2）氮化物陶瓷
氮化硅作为高温工程材料而引人注目，20世纪60年代法国、英国最先开发这种陶瓷。到70年代，美国、日本、中国等国也大力开展这项研究。
氮化物的种类很多，但应用前景广阔的氮化物陶瓷材料主要有氮化硅（Si3N4）、氮化铝（AlN）、氮化硼（BN）、氮化钛（TiN）等，它们都是人工合成的而不是天然矿物。氮化物的分子式可用一般式MxNy（M：金属元素）来表示。
氮化物的晶体结构大都为立方晶系和六方晶系。氮化物在非氧化性气氛中耐热性很好，熔点很高。但许多氮化物在大气压下易分解，密度范围较宽（约为2．5～16g／cm3）。
氮化物陶瓷的某些性质特点弥补了氧化物陶瓷的弱点。作为结构材料，氮化物陶瓷按用途分类，可有高强度机械部件；耐腐蚀、耐磨损部件；耐热部件几大类。作为共价键结合的高强度氮化物陶瓷材料的这些用途，是其它一些以离子键结合或范德华力结合的陶瓷材料并不一定能满足的。因此，氮化物陶瓷成为受到人们极大重视的一类特殊陶瓷材料。
Si3N4的晶体结构
①氮化硅陶瓷
氮化硅（Si3N4）有α-Si3N4和β—Si3N4两种晶型。α-Si3N4的晶体形状为针状，β-Si3N4晶形则为颗粒状。两者都是以[SiN4］四面体共用角顶形成三维空间格架状的六方晶系（图3.8）。二者的晶体常数及密度如表3.9所示。H．K．Jack指出，β-Si3N4相是由几乎完全对称的六个[SiN4］四面体组成的六方环层沿c轴方向重叠而成，而α—Si3N4相是由两层不同且有形变的非六方环层重叠而成。α相的晶格常数c约为β相的两倍，二者密度几乎相等，相变过程中不会引起体积变化。
