陶瓷的密度和石头的密度应该是一样的，陶瓷也就是人造石，陶瓷的成分和陶瓷矿石成分基本一样。
石头的密度是2.7/m3
网址
http://cmse.szu.edu.cn/jp/daolun/5.htm#z51 陶瓷的密度具有特殊的含义。如果我们说铁的密度是7.8Mg/m3，聚丙烯的密度是0.89 Mg/m3，高密度聚乙烯的密度是0.94 Mg/m3，意义是很清楚的。但当我们描述陶瓷的密度时，就必须说明是什么密度。因为陶瓷一般是由微小的颗粒烧结而成的，颗粒之间必然存在孔隙，于是就有了表观体积与真实体积之别，显然，表观体积为真实体积与材料内孔隙体积之和（这里“孔隙”的概念不是指晶格中原子排列的空隙，而是由于球形颗粒堆积时必然留下的孔隙，尺寸在微米或纳米级）。陶瓷的重量除以表观体积就得到表观密度，除以真实体积就得到真实密度。但所谓“真实”密度并不等于理论密度（r），理论密度是计算得到的晶格密度，而真实密度是用某种测定方法得到的不含孔隙的密度。孔隙体积占表观体积的百分数称为孔隙度。如果我们说某一陶瓷的孔隙度为20%，那么其表面密度就应是理论密度的80%。在实际情况中，陶瓷的密度一般低于理论密度的60%。要想提高陶瓷的密度，可采取很多措施。如使用宽分布的颗粒，让小颗粒嵌入大颗粒的缝隙中；或采用机械振动，拍打等手段。即使如此，也很难使陶瓷的表观密度达到理论密度的80%以上。要想进一步提高密度，就不能使用颗粒烧结的方法，必须采用新技术。气相渗滤法、定向氧化法就可以大大降低孔隙度，使表观密度达到95%以上
氧化物是最大的一族陶瓷材料。氧可以与几乎所有金属形成化合物，也可以与许多非金属元素化合。氧化物可分为单氧化物与复氧化物两大类。单氧化物是氧与另一种元素形成的二元化合物，而复氧化物是氧与两种以上元素形成的化合物。单氧化物是按氧原子数与另一种原子数的比例分类的。以字母A代表另一种元素，单氧化物可以有A2O，AO，A3O4，A2O3，AO2，AO3等类型。AO型中比较重要的有氧化镁（MgO）、氧化锌（ZnO）和氧化镍（NiO）；AO2型中较重要的有二氧化硅（SiO2）、二氧化钛(TiO2)和二氧化锆（ZrO2）；A2O3型中最重要的是三氧化二铝（Al2O3）。氧化物体系由图5－15所示。
图5－15氧化物的分类
二氧化钛(TiO2)有三种晶形：低温下稳定的锐钛（anatase）、板钛(brookite)与高温下稳定的金红石(rutile)。锐钛与板钛在400~1000°C的温度范围内会不可逆地转化为金红石。
氧化铝（Al2O3）是在铝钒土(Al2O3·2H2O)的加热过程中制得的。在不断升温的过程中，会产生一系列不同结构的氧化铝，这些结构都是不稳定的，最终都会不可逆地转化为a- Al2O3。a- Al2O3具有六方的刚玉结构，是1200°C以上唯一可用作结构材料与电子材料的稳定形式。另一个稳定结构是g- Al2O3，但只能在催化方面应用。故在本书中Al2O3特指a- Al2O3。由于O-Al键的键能高达400kcal/mol，Al2O3具有突出的物理性质，硬度是氧化物中最高的，而熔点高达2050°C。
硅酸盐是地壳中最丰富的矿物，有正式名称的硅酸盐就有几千种。大多数硅酸盐都不是人工合成的，而是直接取自矿物，用于耐火材料、砖瓦、瓷器和陶器。一般说来，硅酸盐的力学性能低于氧化铝、氧化锆等单氧化物，但在民用领域，各种硅酸盐得到了广泛的应用，也有少数作为工程陶瓷应用。我们只以堇青石和叶蜡石作为此类工程陶瓷的代表加以介绍。
堇青石(Cordierite, 2MgO·2Al2O3·5SiO2)的热胀系数极低，所以有很高的抗热冲击性能。其力学性能也不低，所以被用在发动机过滤器、火花塞、汽轮机换热器的叶轮等热敏感部位。堇青石有两种结构形式，天然存在的形式是四方晶形，人工合成的形式是六方晶形。为保证纯度与加工重复性，工程应用中都使用六方晶形的合成堇青石。
叶蜡石(Pyrophyllite)是一种层状结构的硅酸盐，化学组成为Al2(Si2O5)2(OH)2。它的用途非常广泛。由于价廉易得，不仅可以烧制成各种陶瓷，还可以机械加工，在西方被称为“魔石”。层间作用力主要是范德华力，因此材料较软，易于机械加工。热处理时，在800°C发生脱羟基反应，在1100°C时发生相转变，产生白硅石（SiO2）和铝红柱石(3Al2O3·2SiO2)的双相结构。在脱羟基和相转变过程中尺寸变化仅有2%。
铝红柱石在自然界非常罕见，主要矿藏发现于英国Mull岛，故称为Mullite。其热胀系数低于Al2O3，故具有更好的抗热冲击性，尤其是在1000°C以上的温度。工程上应用的铝红柱石都是人工合成的。最初的合成方法是将Al2O3与SiO2在1600°C下烧结，但强度与韧性都不高。采用新技术合成的新一代铝红柱石，具备了高强度和高韧性，强度达到500MPa，断裂韧性可达到2-4MPa·m1/2。铝红柱石的传统用途是熔炉中的耐火材料。工程化的铝红柱石的用途大大加宽，包括电子元件的基板、保护性涂料、发动机部件和红外透射窗等。
表5－5氧化物陶瓷的性质
性质 氧化铝
铝红柱石
尖晶石
堇青石
氧化铝/氧化锆
化学成分
Al2O3
3Al2O3·2SiO2
MgO·Al2O3
2MgO·2Al2O3
·5SiO2
20.0wt% Al2O3
75.7 wt% ZrO2
4.2 wt% Y2O3
熔点/°C
2015
1830
2135
1470
--
热胀系数/
（10-6/°C）
8.3
4.5-5.3
7.6-8.8
1.4-2.6
9
导热系数/
(W/cm·K)
0.27
0.059
0.15
--
0.035
杨氏模量/
GPa
366
150-270
240-260
139-150
260
挠曲强度/
MPa
550
500
110-245
120-245
2400
5.3.2 碳化物
一般意义上的碳化物可以分为三类：（1）离子碳化物，即碳与I，II，III族金属或镧系金属形成的化合物；（2）共价碳化物，只包括两种：碳化硅（SiC）与碳化硼(B4C)；(3)间隙碳化物，包括许多与过渡元素形成的化合物，如IVa族的钛、锆，Va族的铌、钽，VIa族的铬、钼、钨，以及VIII族的铁、钴、镍等。从工程的角度看，离子碳化物可以不必考虑。因为它们在空气中极不稳定，还容易与潮分作用分解为烃类。间隙碳化物虽然数量众多，但目前有工程价值只有碳化钨与碳化钛两种。主要碳化物的性能见表5－6。
5.3.2.1 碳化硼
在工业上碳化硼不单独使用，而是以与石墨的复合材料的形式使用。碳化硼是通过氧化硼与碳在熔炉中作用生成。这种共价的陶瓷很难制成100%密度的制品，所以常用石墨粉与碳化硼混合使用，形成两者的复合材料。石墨的加入降低了碳化硼的使用性能，但目前还找不到更好的助剂。工业上的碳化硼制品一般用热压法成型，少数制品先进行烧结，再进行均匀热压。热压条件为2100°C，35MPa，30min。典型的烧结条件为2200-2250°C，30min，压力只需10Pa左右。烧结后的均匀热压条件为2000°C，200MPa和120min。热压只能加工简单形状的制品，如管、板、轴向对称的喷管等。复杂形状的制品必须先经过烧结。碳化硼能够捕捉热中子，同时释放出低能粒子。5B10原子吸收中子后的蜕变并不放出高能射线：
5B10 + 0n1 ® 3Li7 + 2He4
故其主要用途是中子吸收剂和屏蔽材料。
5.3.2.2 碳化硅
碳化硅有上百种结构，最简单的一种具有金刚石结构，每隔一个碳原子被硅取代一个。这种立方结构被称为b体，其它的六方和菱形结构合称为a体。碳化硅粉末用Acheson法生产。将电流通过SiO2与焦炭的混合物。当混合物温度升到2200°C左右时，焦炭会与SiO2作用生成SiC与CO。根据反应时间与温度的不同，还原产物可能是细粉末，也可能是团块。结团的产物则必须粉碎后使用，较细的级分可以用来烧结，较粗的级分直接用作磨料。
根据不同的用途，碳化硅可用三种方法加工。（1）将碳化硅粉末与第二相材料如树脂、金属、氮化硅、粘土等混合，然后根据第二相材料进行处理，将碳化硅粘结起来。（2）将碳化硅粉末与纯碳粉或纯硅粉混合，制成型坯。让碳与硅蒸汽反应形成碳化硅，新形成的碳化硅会将原有的碳化硅融合起来，这一过程称为自融合。如果让硅粉与氮气作用生成氮化硅，也可将碳化硅融合起来。这两种加工技术都称为反应融合。（3）用碳化硼作助剂，烧结碳化硅制品。这种方法可得到高密度的制品。以上三种方法各有优缺点。第二相融合法多用于烧蚀与耐火材料。第二材料的性质限制了材料的应用。自融合碳化硅中常含有残留的硅粉，在温度高于1400°C时会熔融流出。用火焰或真空处理可除去这些游离硅。自融合时如果使用过量的碳就会避免硅的残留。自融合碳化硅比烧结产物抗氧化能力强。烧结碳化硅只能在非氧化场合使用。由于产物中含硼与游离碳，抗氧化能力较差。
碳化硅的膜、涂层与渗透加工产物不是用碳化硅粉末制造的，而是用化学气相沉积（CVD）或化学气相渗透（CVI）法制造的。
表5－6 碳化物的性能
碳化物 密度/
Mg/m3
熔点/
°C
韧性/
（MPa·m1/2）
模量/
GPa
拉伸强度/
MPa
导热系数/
W/m·K
硬度/
kg/mm2
B4C
2.51
2450
445
155
28
2900-3100
SiC
3.1
2972
3.0
410
300
83.6
2800
TiC
4.94
3017
2500
ZrC
6.56
3532
WC
15.7
2800
2050-2150
TaC
14.5
3800
1750
5.3.3 氮化物
与金属相比，氮化物陶瓷的主要优势是耐高温性能，在1000°C以上仍能保持高强度；以及抗氧化与抗腐蚀性能。
氮化物家族中最主要的成员是氮化硅。氮化硅的粉末通过硅粉与氮气在1250-1400°C的温度下反应制得。氮化硅在陶瓷材料中的优势是抗热冲击性能，其导热系数几乎为Al2O3·TiC的两倍，热胀系数却只有Al2O3的一半，是制造陶瓷发动机的有力竞争材料。使用氮化硅的主要问题是烧结比较困难。纯氮化硅在高温下不能发生有效的体积扩散，即粒子之间很难互相粘合在一起。欲得到密实的氮化硅材料，必须使用烧结助剂。氮化硅的性能，尤其是高温性能，主要取决于烧结助剂。氮化硅最有效的烧结助剂是Al2O3、氮化铝（AlN）与二氧化硅。氮化硅材料基本上都是氮化硅与其它材料的合金，而不用纯粹的氮化硅。氮化硅材料可以用许多不同的方法加工，根据加工方法的不同分为以下几类：反应融合氮化硅、热压氮化硅、烧结（无压）氮化硅、烧结反应融合氮化硅、均匀热压氮化硅等。不同加工方法的氮化硅性能不同，见表5－7。
表5－7不同方法加工的氮化硅的性能
反应融合
热压
无压烧结
反应烧结
均匀热压
杨氏模量/GPa
120-250
310-330
260-320
280-300
310-330
挠曲强度/MPa
150-350
450-1000
600-1200
500-800
600-1200
断裂韧性/
(MPa·m1/2）
1.5-2.8
4.2-7.0
5.0-8.5
5.0-5.5
4.2-7.0
相对密度/%
77-88
99-100
95-99
93-99
99-100
热胀系数/（10-6/K）
3.0
3.2-3.3
2.8-3.5
3.0-3.5
3.0-3.5
导热系数/（W/m·°C）
1.4-3
5-10
4-5
--
22
由于在氮化硅的烧结过程中要加入Al2O3、AlN或SiO2等助剂，铝原子可能取代部分硅原子的位置，氧原子可能取代部分氮原子的位置，这样的结合体就形成了一类特殊的陶瓷—硅铝氧氮陶瓷。这种陶瓷具有Si6-zAlzOzN8-z的通式，晶格与b-Si6N8相似。这种氮化物的烧结要容易得多，但烧结过程中会有部分玻璃相形成。玻璃相限制了高温下的使用，但在较低温度下的优异性能仍使此类陶瓷有广泛的应用。
氧氮化硅从氮化硅和二氧化硅的混合物中合成。在Al2O3存在的情况下，具有一定的固体溶解性。可以用无压或压力烧结加工。氧氮化硅的性能略低于氮化硅，但由于其杨氏模量较低，热胀系数较高，在热机械方面有应用的潜力。
氮化铝具有较高的导热系数，在微电子工业中用作绝缘基板。用氮化铝粉末与密化助剂和CaO或Y2O3在1650-1800°C下在氮气氛中烧结而成。用Y2O3作烧结助剂时，会有钇铝化合物在颗粒边界形成。氮化铝的导热系数随Y2O3的含量迅速增加。这是由于当Y2O3含量很低时（<0.8wt%），钇铝化合物会在氮化铝颗粒外形成一层连续的外壳，阻止了氮化铝（导热系数50-90W/m·K）颗粒间的热传导。当钇的含量增加时，钇铝全结成较大的瘤（可达15m），氮化铝颗粒之间能够直接接触。钇含量达到 4.2wt%时，导热系数可达160W/m·K。氮化铝的机械性能不高，且在800°C以上发生氧化，所以不能作为结构材料使用。
氮化硼的电子结构与碳相似，晶体有两种变体，一种类似于石墨（六方），一种类似于金刚石（立方）。六方氮化硼较软，具有片层结构，可以热压成型。材料具有各向异性，因为层片垂直于压力方向取向，不同方向上的导热系数与导电率大不相同。可以用化学沉积法制造坩埚一类薄壁制品。立方氮化硼的密度和硬度要高得多，用六方氮化硼在高温高压下制得，类似人造金刚石的制法。可用作磨料或切削刀具。
氮化硅基体的复合材料主要用碳化硅晶须和碎片增强，目的是提高韧性和高温强度。由于碳化硅晶须的存在，阻碍了氮化硅基体的收缩，使无压烧结更为困难。因此，氮化硅复合材料只能用热压法才能得到致密的产品。在从烧结温度冷却时，由于基体与晶须的热胀系数不匹配，材料内会产生应力。碳化硅为4.4´10-6/K，而氮化硅为3.2´10-6/K。这样，纤维会处于张力状态而基体处于压缩状态。因此使基体开裂的应力就应更高。在径向上，晶须会收缩而减弱与基体的结合，这样会使裂缝偏移并会使晶须容易拔出，也造成增韧。虽然碳化硅晶须的加入使强度略有降低，但有显著的增韧作用，报道的最高断裂韧性为10MPa·m1/2。上述各类氮化物的性能见表5－8。
表5－8氮化物陶瓷的性能
硅铝氧氮
氧氮化硅
（Si2N2O）
氮化铝
（AlN）
六方氮化硼
(平行于晶片)
六方氮化硼
(垂直于晶片)
立方氮化硼
杨氏模量/GPa
300
275-280
260-350
100
20
150
挠曲强度/MPa
750-950
450-480
235-370
低
低
高
理论密度/%
2.90
3.20
2.27
2.27
3.48
热胀系数/
(10-6/K）
3.0-3.7
4.3
4.4-5.7
2-6
1-2
--
导热系数/（W/m·K）
15-22
8-10
50-170
20
33
--
5.3.5金属陶瓷
顾名思义，金属陶瓷是金属与陶瓷的结合体，实际上是一种复合材料。其分散相是陶瓷颗粒，多为碳化物，如碳化钛、碳化钨等。基体是一种金属或几种金属的混合物，如镍、钴、铬、钼等。实际上金属仅起到粘合剂的作用，将坚硬的陶瓷粒子粘合在一起。金属陶瓷家族中最著名的成员是钴粘合的碳化钨。
图5-16金属陶瓷的制备过程
碳化钨/钴的起点原料是钨的粉末，通过碳化将钨粉转化为碳化钨。然后将碳化钨粉末与钴一起球磨，一方面减小碳化钨的粒度，一方面将钴涂到陶瓷表面。涂饰好的粉末按粒度分级，取所需粒度压成型坯。型坯在真空下或氢气氛中烧结成型。所谓烧结不过是将金属熔融，把陶瓷粒子彻底“焊”在一起。图5-16是金属陶瓷的一般制备流程。
陶瓷金属比任何工具钢都硬，耐磨性能极佳。可作切削工具，可作任何软、硬表面的磨擦件。如果单纯使用陶瓷，因为其脆性，不能用作切削工具、模具或振动强烈的机器部件。而金属陶瓷中的金属提供了韧性，陶瓷提供了硬度与强度，这种复合产生了性能上的协同效应。
金属陶瓷有下列共同的特点：
模量比钢高（413-620GPa）。
密度高于钢。
压缩强度高于大多数工程材料。
硬度高于任何钢与其它合金。
拉伸强度与合金钢相当（1380MPa）。
表5-9 各种规格的金属陶瓷
用途 代码
等级
成分
硬度
(RA)
侧向断裂强度
(MPa)
WC
TiC
TaC
Co
加工属铸铁，有色金属与非金材料
C-1
粗加工
94
-
-
6
91
2000
C-2
通用加工e
92
-
2
6
92
1550
C-3
细加工
92
-
4
4
92
1520
C-4
精加工
96
-
4
93
1400
加工碳钢，合金钢与工具钢
C-5
粗加工
75
8
7
10
91
1870
C-6
通用加工
79
8
4
9
92
1650
C-7
细加工
70
12
12
6
92
1750
C-8
精加工
77
15
3
5
93
1180
耐磨件
C-9
无振动
94
-
-
6
92
1520
C-10
轻振动
92
-
-
8
91
2000
C-11
强振动
85
-
-
15
89
2200
抗冲击件
C-12
轻度
88
-
-
12
88
2500
C-13
中度
80
-
-
20
86
2600
C-14
重度
75
-
-
15
85
2750
目前市场上已有多种规格的金属陶瓷，其碳化物的种类、含量、粒度不同，金属粘合剂的种类与含量不同。表5-9列出了各种规格的成分、性能与用途。由于碳化钽比碳化钨还硬，含碳化钽的金属陶瓷更为耐磨。金属含量越低，陶瓷粒度越细（<1mm），耐磨性能越好。所有金属陶瓷都具有室内耐腐蚀性，含有镍和铬的金属陶瓷可耐化学环境的腐蚀。表中侧向断裂强度一项是机械强度的度量，该项强度越高，冲击强度越高。但作为陶瓷，抗冲击性能毕竟是有限的，比任何金属都要低。作为最坚硬的材料之一，金属陶瓷的加工性能很差，不能车，不能锯，甚至不能钻孔，只能进行电火花加工。如果同一个部件需要两件以上，最经济的办法就是加工一个烧结模具。把加工的问题放到烧结以前解决。限制金属陶瓷应用的最大障碍是价格问题。1996年价格为$44/kg。这个价格是普通工具钢的5倍。但要考虑到作为耐磨部件和切削工具，金属陶瓷的寿命是工具钢的50倍，这个价格就应该不成为问题了。