現(xiàn)代陶瓷材料及其先進(jìn)制備技術(shù)

1、現(xiàn)代陶瓷材料 及其先進(jìn)制備技術(shù) 中國海洋大學(xué)材料科學(xué)與工程研究院 戴金輝 結(jié)構(gòu)陶瓷材料的研究進(jìn)展 n陶瓷材料的發(fā)展歷程及現(xiàn)代陶瓷 材料的內(nèi)涵 n現(xiàn)代陶瓷材料的特點及其應(yīng)用 n現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法 n現(xiàn)代陶瓷材料的研究方向 n深海浮力材料簡介 陶瓷材料的發(fā)展歷程 及現(xiàn)代陶瓷材料的內(nèi)涵 陶瓷材料的發(fā)展歷程 古老的文明 時代的見證 6000年前 唐 宋 元 明 清 陶瓷材料的發(fā)展歷程 陶器陶器炻器炻器瓷器瓷器 技術(shù)進(jìn)步推動材料優(yōu)化 陶瓷材料的發(fā)展歷程 n科技進(jìn)步的標(biāo)志 n國家實力的象征 陶瓷材料的發(fā)展歷程 古古 代代 日用陶瓷為主日用陶瓷為主 （杯盤碗罐）（杯盤碗罐） 近近 代代 日用陶瓷日用陶瓷

2、 建筑陶瓷建筑陶瓷 衛(wèi)生陶瓷衛(wèi)生陶瓷 電電 瓷瓷 工藝陶瓷工藝陶瓷 現(xiàn)現(xiàn) 代代 傳統(tǒng)陶瓷傳統(tǒng)陶瓷（日用、建筑、衛(wèi)生陶瓷等）（日用、建筑、衛(wèi)生陶瓷等） 現(xiàn)代陶瓷現(xiàn)代陶瓷 結(jié)構(gòu)陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷（發(fā)揮其力學(xué)特性）（發(fā)揮其力學(xué)特性） 高強(qiáng)、超硬、耐高溫等高強(qiáng)、超硬、耐高溫等 功能陶瓷功能陶瓷（發(fā)揮其物力性能）（發(fā)揮其物力性能） 電容器介質(zhì)陶瓷、壓電陶瓷、電容器介質(zhì)陶瓷、壓電陶瓷、 敏感陶瓷、磁性陶瓷、生物敏感陶瓷、磁性陶瓷、生物 陶瓷、超導(dǎo)陶瓷、陶瓷基功陶瓷、超導(dǎo)陶瓷、陶瓷基功 能復(fù)合材料能復(fù)合材料 材料 有機(jī)材料 無機(jī)非金屬材料 金屬材料 玻璃 陶瓷 水泥 耐火材料 其他無機(jī)礦物材料 復(fù)合材料 陶瓷陶瓷

3、 材料材料 陶瓷材料的發(fā)展歷程 陶瓷材料的發(fā)展歷程 品種 傳統(tǒng)陶瓷 現(xiàn)代材料 原料 天然礦物 人工合成高純度原料 制備工藝 礦物加工礦物加工成型燒結(jié)燒結(jié) n組分多樣化 n性能多元化 n應(yīng)用廣泛化 現(xiàn)代陶瓷材料高新技術(shù) 現(xiàn)代陶瓷材料的內(nèi)涵 三個特點 1. 屬于高新技術(shù)產(chǎn)品； 2. 技術(shù)經(jīng)濟(jì)密集型產(chǎn)品； 3. 具有優(yōu)異的和特殊的性能。 現(xiàn)代陶瓷材料的特點及其應(yīng)用 現(xiàn)代陶瓷材料分類 n 按化學(xué)成分分類 氧化物陶瓷 單一氧化物陶瓷 al2o3 、zro2等 復(fù)合氧化物陶瓷 莫來石（3al2o32sio2） 尖晶石（mgl2o4） 硅酸鹽（zrsio4、casio3） batio3、catio3等 碳化

4、物陶瓷 sic、wc、b4c、tic 氮化物陶瓷 si3n4、tin、bn、tic 硼化物陶瓷 tib2、zrb2 現(xiàn)代陶瓷材料的分類 氧 化 物 al2o3 sio2 mgo cr2o3 beo zro2 tio2 v2o5 b2o3 mgoal2o3 y2o3 cao ceo2 3al2o32sio2 batio3 catio3 pbzrtio3 zrsio4 碳 化 物 sic tic wc zrc b4c hfc tac be2c uc vc nbc mo2c moc 氮 化 物 si3n4 tin bn aln c c3 3nn4 4 zrn vn tan nbn scn 硼 化 物

5、 tib2 zrb2 mo2b wb6 lab6 hfb wb zrb 陶瓷按化學(xué)成分分類表 n 按性能和用途分類 結(jié)構(gòu)陶瓷： 用作結(jié)構(gòu)材料，制造結(jié)構(gòu)零部件，主要使用其力學(xué)性 能。（強(qiáng)度、韌性、硬度、耐磨性及耐高溫性等） 功能陶瓷： 用作功能材料，制造功能器件，主要使用其物理性能。 （電、磁、聲、光、熱及生物性能） 現(xiàn)代陶瓷材料的分類 n基本結(jié)構(gòu)特點 金屬材料： 金屬鍵 無方向性 陶瓷材料： 離子鍵、共價鍵 很強(qiáng)的方向性及結(jié)合強(qiáng)度 現(xiàn)代陶瓷材料的特點 n基本性能特點 金屬材料良好的塑性 陶瓷材料： 1）高硬度優(yōu)異的耐磨性 2）高強(qiáng)度優(yōu)良的機(jī)械性能 3）高熔點杰出的耐熱性 4）高化學(xué)穩(wěn)定性良好的

6、耐腐蝕性 現(xiàn)代陶瓷材料的特點 陶瓷材料的缺點缺點 現(xiàn)代陶瓷材料的特點 脆性脆性 斷斷 裂裂 和和 失失 效效 方方 式式 不可恢復(fù)性不可恢復(fù)性不可加工性不可加工性 安安 全全 和和 可可 靠靠 性性 強(qiáng)強(qiáng) 韌韌 化化 技技 術(shù)術(shù) 可可 加加 工工 陶陶 瓷瓷 超超 塑塑 性性 陶陶 瓷瓷 ？ 現(xiàn)代陶瓷材料的應(yīng)用 陶瓷材料陶瓷材料 科技進(jìn)步的先導(dǎo)，國家安全的保障 現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法 陶瓷材料的制備過程 現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法 原料制備原料制備 配料制備配料制備 坯體成型坯體成型 燒結(jié)燒結(jié) 后處理后處理 現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法 v熱壓注成型 陶瓷粉料石蠟（12.513.5%）熱的流動漿料 壓縮

7、空氣壓縮空氣 模具模具 恒溫槽恒溫槽 供料管供料管 盛漿桶盛漿桶 料漿料漿 成型制品尺寸精確 制品表面光潔度高 適合各種復(fù)雜形狀制品成型 不適合薄壁和大件制品成型 現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法 v注凝成型（gel-casting） 有機(jī)單體溶液 + 分散劑漿料 漿料 + 引發(fā)劑、催化劑聚合體 工藝及機(jī)理工藝及機(jī)理 以丙烯酰胺體系為例以丙烯酰胺體系為例 單體：丙烯酰胺單體：丙烯酰胺 （am） n,n -亞甲基雙丙烯酰胺（亞甲基雙丙烯酰胺（mbam ） 分散劑：檸檬酸分散劑：檸檬酸 引發(fā)劑：過硫酸銨引發(fā)劑：過硫酸銨 （aps） 催化劑：催化劑：n,n,n ,n 四甲基乙二胺（四甲基乙二胺（temed）

8、工藝過程 分散劑分散劑 有機(jī)單體有機(jī)單體 水溶液水溶液 催化劑催化劑 引發(fā)劑引發(fā)劑 注模注模懸浮體懸浮體 陶瓷粉末陶瓷粉末 干燥干燥排膠排膠脫模脫模 凝膠化凝膠化 燒結(jié)燒結(jié) 現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法 機(jī)理 h2cch c nh2 o (nh 224) s o84nh + 22+ 4so . - h2cch c nh2 o . os 4 +ch c nh2 o ch2 . 4so h2cch c nh2 o +ch c nh2 o ch2 . 4soos4ch c nh2 o ch2 n ch c nh2 o ch2 . ch c nh2 o ch2(n+1) 現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法 原位固化 現(xiàn)

9、代陶瓷的先進(jìn)制備方法 注凝成型實例 近靜尺寸成型 陶瓷坯體密度高 可以機(jī)械加工 適合各種復(fù)雜形狀制品成型 適合大件制品成型 現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法 v軋膜成型 現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法 等靜壓成型 利用高壓液體傳遞壓力成型 濕式等靜壓、干式等靜壓 濕式等靜壓濕式等靜壓 現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法 n干式等靜壓 現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法 陶瓷坯體密度高且分布均勻 適合簡單形狀制品成型 不適合大件制品成型 流延成型 現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法 陶瓷材料的制備過程 原料制備原料制備 配料制備配料制備 坯體成型坯體成型 燒結(jié)燒結(jié) 后處理后處理 現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法 陶瓷材料的燒結(jié)方法 常壓燒結(jié)（常壓燒結(jié)（pre

10、ssureless sintering ） 反應(yīng)燒結(jié)（反應(yīng)燒結(jié)（reaction sintering） 熱壓燒結(jié)（熱壓燒結(jié)（hphot pressed sintering） 高溫等靜壓燒結(jié)（高溫等靜壓燒結(jié)（hiphot isostatic pressing） 氣壓燒結(jié)（氣壓燒結(jié)（gpsgas pressed sintering） 等離子放電燒結(jié)（等離子放電燒結(jié)（spsspark plasma sintering ） 現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法 常壓燒結(jié) 在通常的空氣條件下對制品進(jìn)行燒結(jié) 傳統(tǒng)陶瓷的燒結(jié) 氧化物陶瓷的燒結(jié) 抗氧化組分材料的燒結(jié) 最普通、最常用的燒結(jié)方法 一般得不到完全致密的材料 現(xiàn)代

11、陶瓷的先進(jìn)制備方法 反應(yīng)燒結(jié) 一般適用于非氧化物陶瓷材料 反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷（自結(jié)合碳化硅） 硅粉 -sic+石墨 1650c si + c(石墨) -sic 現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法 反應(yīng)燒結(jié)氮化硅 硅粉 n2 3si +2n2 si3n4 1450c 現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法 熱壓燒結(jié)(hp) 適用于難燒結(jié)材料的燒結(jié) sic、wc、b4c、tic 、si3n4、 tin、bn、tic 壓力：30mpa 溫度：2300c 現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法 氣壓燒結(jié)（gsp） 利用氣體的壓力燒結(jié) 壓力：10100mpa 溫度：2300c 高溫等靜壓 類似等靜壓成型，金屬薄代替橡膠模具 壓力：100300mp

12、a 溫度：2300c 現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法 等離子放電燒結(jié)（sps） 快速燒結(jié) 渴望獲得細(xì) 晶陶瓷 目前僅能做 20mm小 試樣 p 現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法 現(xiàn)代陶瓷材料的研究方向 現(xiàn)代陶瓷材料的研究方向 材料發(fā)展的根本動力技術(shù)發(fā)展的需求 研究熱點的形成 宏觀經(jīng)濟(jì)、科技政策引導(dǎo) 傳統(tǒng)理論、技術(shù)的缺陷 人們認(rèn)識世界、改造世界的需求 材料研究熱點問題 現(xiàn)代陶瓷材料的研究方向 l結(jié)構(gòu)陶瓷材料的強(qiáng)韌化 l結(jié)構(gòu)功能一體化 l陶瓷材料新功能開發(fā)及應(yīng)用 l新材料、新結(jié)構(gòu)的制備及性能 l陶瓷材料的納米化技術(shù)及其應(yīng)用 n相變增韌技術(shù) 馬氏體相變 帶有5的體積膨脹 增韌機(jī)理： 應(yīng)力誘導(dǎo)相變韌化 微裂紋韌化 結(jié)構(gòu)

13、陶瓷的強(qiáng)韌化技術(shù) 結(jié)構(gòu)陶瓷的強(qiáng)韌化技術(shù) n顆粒彌散增韌技術(shù) 結(jié)構(gòu)陶瓷的強(qiáng)韌化技術(shù) n纖維和晶須增韌技術(shù) 結(jié)構(gòu)陶瓷的強(qiáng)韌化技術(shù) n自增韌技術(shù) 結(jié)構(gòu)陶瓷的強(qiáng)韌化技術(shù) 結(jié)構(gòu)陶瓷的強(qiáng)韌化技術(shù) 陶瓷材料的納米化及潛在應(yīng)用 陶瓷材料的納米化及潛在應(yīng)用 陶瓷材料的納米化及潛在應(yīng)用 納米發(fā)電技術(shù) 2010年11月5日 深海浮力材料 7000米載人潛水器米載人潛水器 2010年年11月月5日日 深海浮力材料 70% 30% 2010年年11月月5日日 深海浮力材料 2006年前 中國 和諧號諧號、蛟龍?zhí)桚執(zhí)?2007-2009 2000m 7000m 發(fā)展動態(tài)發(fā)展動態(tài) 4500m 6500m 6500m 600

14、0m 歐美 阿爾文號阿爾文號 1964 (美國美國) 鸚鵡螺號鸚鵡螺號 1984 (法國法國) 深海深海6500號號 1989 (日本日本) 新阿爾文號新阿爾文號 (美國美國) 和平和平-i，ii as-37 (俄羅斯俄羅斯) 2007 11000m 目前狀態(tài)目前狀態(tài) 全海深全海深 潛水器潛水器 攻關(guān)攻關(guān) 存在的問題 主要原料高強(qiáng)空心玻璃微珠依賴進(jìn)口 深海浮力材料沒有形成生產(chǎn)能力 2010年年11月月5日日 深海浮力材料 浮力材料基本結(jié)構(gòu)浮力材料基本結(jié)構(gòu) 空心玻璃微珠空心玻璃微珠 添加劑添加劑 環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂 浮力浮力 材料材料 填充度填充度 7000m 高強(qiáng)玻璃微珠制備高強(qiáng)玻璃微珠制備 陶

15、瓷空心球制制備陶瓷空心球制制備 合理級配選選擇合理級配選選擇 填充骨料組裝填充骨料組裝 復(fù)合固化復(fù)合固化 研究工作整體構(gòu)思及目標(biāo) 玻璃微珠：玻璃微珠： 密度70mpa 陶瓷空心球：陶瓷空心球： 密度100mpa 2010年年11月月5日日 深海浮力材料 關(guān)鍵技術(shù) 高強(qiáng)空心玻璃微珠制備 輕質(zhì)骨料輕質(zhì)骨料 復(fù)配技術(shù)復(fù)配技術(shù) 普通 玻璃 微晶 玻璃 玻璃強(qiáng)度玻璃強(qiáng)度 2010年年11月月5日日 深海浮力材料 0100200300400500 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 the densety ratio (bm) the deamter of hollow microball / m m

16、 m m m m m m m 目前研究進(jìn)展 synthesis of hollow glass-ceramics microspheres via template method materials research bulletin， 2010.10 2010年年11月月5日日 深海浮力材料 01000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 the densety ratio (bm) the deamter of hollow microball / m m m m m m m m m m m m 陶瓷空心球制備 玻璃微珠玻璃微珠 100m 密度密度0.2g/cm3 陶瓷球陶瓷球3mm 密度密度0.7g/cm3 陶瓷球陶瓷球10mm 密度密度0.2g/cm3 300mpa 1500mpa 強(qiáng)度對比強(qiáng)度對比 玻 璃 陶 瓷 2010年年11月月5日日 深海浮力材料 工藝設(shè)想及實踐工藝