先進(jìn)陶瓷材料-講義

1、先進(jìn)陶瓷材料Advanced ceramic materials飛霧流飛霧流雪雪20180528陶瓷陶瓷傳統(tǒng)上，陶瓷的概念是指以粘土及傳統(tǒng)上，陶瓷的概念是指以粘土及其天然礦物為原料，經(jīng)過(guò)粉碎混合、其天然礦物為原料，經(jīng)過(guò)粉碎混合、成型、焙燒等工藝過(guò)程所制得的各種成型、焙燒等工藝過(guò)程所制得的各種制品。亦稱為制品。亦稱為“普通陶瓷普通陶瓷”或或傳統(tǒng)陶傳統(tǒng)陶瓷瓷。 先進(jìn)陶瓷先進(jìn)陶瓷是是“采用高度精選或合成采用高度精選或合成的原料，具有精確控制的化學(xué)組成，按的原料，具有精確控制的化學(xué)組成，按照便于控制的制造技術(shù)加工、便于進(jìn)行照便于控制的制造技術(shù)加工、便于進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且有優(yōu)異特性的陶瓷。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且

2、有優(yōu)異特性的陶瓷?！眑 功能陶瓷功能陶瓷：功能陶瓷是具有電、磁、：功能陶瓷是具有電、磁、光、熱、化學(xué)、生物等特性，且具有相光、熱、化學(xué)、生物等特性，且具有相互轉(zhuǎn)化功能的一類陶瓷。功能陶瓷在先互轉(zhuǎn)化功能的一類陶瓷。功能陶瓷在先進(jìn)陶瓷中約占進(jìn)陶瓷中約占70%70%的市場(chǎng)份額，其余為的市場(chǎng)份額，其余為結(jié)構(gòu)陶瓷。結(jié)構(gòu)陶瓷。l 結(jié)構(gòu)陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷：是指能作為工程結(jié)構(gòu)材料是指能作為工程結(jié)構(gòu)材料使用的陶瓷。它具有高強(qiáng)度、高硬使用的陶瓷。它具有高強(qiáng)度、高硬度、高彈性模量、耐高溫、耐磨損、度、高彈性模量、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、抗氧化、抗熱震等特性。耐腐蝕、抗氧化、抗熱震等特性。先進(jìn)陶瓷先進(jìn)陶瓷按照性能和應(yīng)用按照

3、性能和應(yīng)用可分為可分為結(jié)構(gòu)陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷和和功能陶瓷功能陶瓷兩大類。兩大類。（1）高熔點(diǎn)氧化物，如）高熔點(diǎn)氧化物，如Al2O3、ZrO2、MgO、BeO等，它們的熔點(diǎn)一般等，它們的熔點(diǎn)一般都在都在2000攝氏度以上；攝氏度以上；（2) 碳化物，如碳化物，如SiC、WC、TiC、B4C、ZrC等；等；（3）氮化物，如）氮化物，如Si3N4、BN、AlN、TiN等，氮化物常具有很高的硬度；等，氮化物常具有很高的硬度；（4）硼化物，如）硼化物，如ZrB2等，硼化物具有很強(qiáng)的抗氧化能力；等，硼化物具有很強(qiáng)的抗氧化能力；（5）硅化物，如）硅化物，如MoSi2、ZrSi等，在高溫使用中具有很強(qiáng)的抗氧化能力。

4、等，在高溫使用中具有很強(qiáng)的抗氧化能力。2003年2月1日美國(guó)“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)外部燃料箱表面泡沫材料安裝過(guò)程中存在的缺陷，是造成整起事故的禍?zhǔn)住！案鐐惐葋啞碧?hào)航天飛機(jī)事故調(diào)查委員會(huì)去年公布的調(diào)查報(bào)告稱，外部燃料箱表面脫落的一塊泡沫材料擊中航天飛機(jī)熱保護(hù)系統(tǒng)，是導(dǎo)致事故發(fā)生的主要原因。8功能陶瓷功能陶瓷電功能陶瓷：絕緣陶瓷、介電陶瓷、鐵電陶瓷、壓電陶瓷、半導(dǎo)體陶瓷、快離子導(dǎo)體陶瓷、高溫超導(dǎo)陶瓷磁功能陶瓷：軟磁鐵氧體、硬磁鐵氧體、記憶用鐵電體光功能陶瓷：透明陶瓷、透明鐵電陶瓷敏感陶瓷：熱敏陶瓷、氣敏陶瓷、濕敏陶瓷、壓敏陶瓷、光敏陶瓷生物及化學(xué)功能陶瓷：載體用陶瓷、催化用陶瓷、生物陶瓷種 類性

5、能應(yīng) 用結(jié)構(gòu)陶瓷高溫陶瓷800以上長(zhǎng)期使用，超高溫短期使用窯爐器件、柴油機(jī)等發(fā)動(dòng)機(jī)、航空航天、空間技術(shù)等高強(qiáng)陶瓷高韌性、高強(qiáng)度、良好的抗沖擊性機(jī)床主軸軸承、密封環(huán)、模具等超硬陶瓷熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、彈性模量?jī)?yōu)良高速磨削道具、防彈裝備等耐腐蝕陶瓷優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和耐沖刷性能化工設(shè)備、艦船潛艇密封、金屬液體防護(hù)、過(guò)濾陶瓷等功能陶瓷電子陶瓷壓電、光電、熱釋電、鐵電、絕緣性電子元器件、超高壓絕緣子等超導(dǎo)陶瓷超導(dǎo)特性、耐低溫超導(dǎo)光纜、空間、電子、生物等光學(xué)陶瓷透波性能、透明性、熒光性基板、天線罩、發(fā)光器、陶瓷傳感器、激光器件等生物陶瓷與血液、器官良好的生物相容性陶瓷關(guān)節(jié)、骨骼、牙齒等磁性陶瓷磁導(dǎo)率、矯

6、頑力大、硬度高微波器件、量子無(wú)線電等儲(chǔ)能陶瓷能量轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)特性熱、電、光、氫儲(chǔ)能等力學(xué)性能力學(xué)性能物理、化學(xué)性能物理、化學(xué)性能先先 進(jìn)進(jìn) 陶陶 瓷瓷 應(yīng)應(yīng) 用用 性性 能能 分分 析析美國(guó)美國(guó)日本日本歐盟歐盟l 全球第二大先進(jìn)陶瓷材料生產(chǎn)全球第二大先進(jìn)陶瓷材料生產(chǎn)基地；基地；l 國(guó)家航空和宇航局對(duì)結(jié)構(gòu)陶瓷的大規(guī)模國(guó)家航空和宇航局對(duì)結(jié)構(gòu)陶瓷的大規(guī)模研究與開(kāi)發(fā)研究與開(kāi)發(fā)；l 業(yè)內(nèi)業(yè)內(nèi)知名企業(yè)：格魯曼、杜邦、賽瑞丹知名企業(yè)：格魯曼、杜邦、賽瑞丹l 全球最大先進(jìn)陶瓷材料生產(chǎn)全球最大先進(jìn)陶瓷材料生產(chǎn)基地；基地；l 功能陶瓷領(lǐng)域壟斷國(guó)際市場(chǎng)功能陶瓷領(lǐng)域壟斷國(guó)際市場(chǎng)；l 業(yè)內(nèi)知名企業(yè)：京瓷、東芝、旭硝業(yè)內(nèi)知

7、名企業(yè)：京瓷、東芝、旭硝子、住友、村田、東陶子、住友、村田、東陶l(shuí) 市場(chǎng)份額僅次于日本和美國(guó)；市場(chǎng)份額僅次于日本和美國(guó)；l 德國(guó)、法國(guó)在結(jié)構(gòu)陶瓷領(lǐng)域重點(diǎn)研發(fā)德國(guó)、法國(guó)在結(jié)構(gòu)陶瓷領(lǐng)域重點(diǎn)研發(fā)；國(guó)內(nèi)外國(guó)內(nèi)外研究發(fā)展情況研究發(fā)展情況中國(guó)中國(guó)l 市場(chǎng)市場(chǎng)份額穩(wěn)步增長(zhǎng)；份額穩(wěn)步增長(zhǎng)； 1） 技術(shù)及新產(chǎn)品工程轉(zhuǎn)化極度匱乏技術(shù)及新產(chǎn)品工程轉(zhuǎn)化極度匱乏雖然我國(guó)同樣能制備出性能良好的陶瓷材料，但絕大部分仍停留在實(shí)雖然我國(guó)同樣能制備出性能良好的陶瓷材料，但絕大部分仍停留在實(shí)驗(yàn)室樣品上，有的產(chǎn)品由于成本高及可靠性等問(wèn)題，市場(chǎng)還不能接受，所驗(yàn)室樣品上，有的產(chǎn)品由于成本高及可靠性等問(wèn)題，市場(chǎng)還不能接受，所以產(chǎn)品的銷(xiāo)售額

8、與發(fā)達(dá)國(guó)家相比相差甚遠(yuǎn)。以產(chǎn)品的銷(xiāo)售額與發(fā)達(dá)國(guó)家相比相差甚遠(yuǎn)。 2）高端粉體制備及分散技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后高端粉體制備及分散技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后我國(guó)對(duì)陶瓷粉料的制備仍未引起足夠的重視，多種陶瓷粉料尚無(wú)專業(yè)我國(guó)對(duì)陶瓷粉料的制備仍未引起足夠的重視，多種陶瓷粉料尚無(wú)專業(yè)化生產(chǎn)企業(yè)，許多企業(yè)不得不化生產(chǎn)企業(yè)，許多企業(yè)不得不“自產(chǎn)自銷(xiāo)自產(chǎn)自銷(xiāo)”。受部分發(fā)達(dá)國(guó)家限制，國(guó)內(nèi)。受部分發(fā)達(dá)國(guó)家限制，國(guó)內(nèi)企業(yè)在粉料質(zhì)量上仍存在較大的波動(dòng)；同時(shí)，粉體的高效分散技術(shù)也存在企業(yè)在粉料質(zhì)量上仍存在較大的波動(dòng)；同時(shí)，粉體的高效分散技術(shù)也存在較大差距。較大差距。 3）分析測(cè)試儀器及制造裝備加工技術(shù)落后）分析測(cè)試儀器及制造裝備加工技術(shù)落后雖然

9、我國(guó)引進(jìn)了國(guó)外先進(jìn)的工藝裝備，像氣壓燒結(jié)爐、熱等靜壓、注雖然我國(guó)引進(jìn)了國(guó)外先進(jìn)的工藝裝備，像氣壓燒結(jié)爐、熱等靜壓、注射成型機(jī)、流延機(jī)等來(lái)提高我國(guó)的技術(shù)裝備水平，但因投資大，在經(jīng)濟(jì)上射成型機(jī)、流延機(jī)等來(lái)提高我國(guó)的技術(shù)裝備水平，但因投資大，在經(jīng)濟(jì)上給企業(yè)造成了很大壓力，從而限制了先進(jìn)陶瓷的發(fā)展。而國(guó)內(nèi)仿制設(shè)備因給企業(yè)造成了很大壓力，從而限制了先進(jìn)陶瓷的發(fā)展。而國(guó)內(nèi)仿制設(shè)備因加工水平差距，可靠性和穩(wěn)定性暫時(shí)無(wú)法與國(guó)外產(chǎn)品相比。加工水平差距，可靠性和穩(wěn)定性暫時(shí)無(wú)法與國(guó)外產(chǎn)品相比。我國(guó)先進(jìn)陶瓷產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀我國(guó)先進(jìn)陶瓷產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀坯體成型坯體燒結(jié)精密加工粉體制備先進(jìn)陶瓷制備工藝及分析表征先進(jìn)陶瓷制備工藝及分析表征

10、分析測(cè)試液相法液相法氣相法氣相法固相法固相法電電 阻阻 加加 熱熱 法法化化 學(xué)學(xué) 火火 焰焰 法法等等 離離 子子 法法激激 光光 法法溶溶 液液 法法乳乳 液液 法法溶膠溶膠-凝膠法凝膠法熔鹽合成法熔鹽合成法噴霧干燥法噴霧干燥法熱熱 分分 解解 法法燒燒 結(jié)結(jié) 法法還原還原-化合法化合法機(jī)械化學(xué)法機(jī)械化學(xué)法機(jī)械粉碎法機(jī)械粉碎法粉體制備活性高 純度高粒徑小坯體成型成型技術(shù)成型技術(shù)干法壓制成型干法壓制成型塑性成型塑性成型干壓成型干壓成型冷等靜壓成型冷等靜壓成型擠壓成型擠壓成型注射成型注射成型熱蠟鑄成型熱蠟鑄成型扎膜成型扎膜成型漿料成型漿料成型固體無(wú)模成型固體無(wú)模成型注漿成型注漿成型流延成型流延

11、成型凝膠注模成型凝膠注模成型原位凝固成型原位凝固成型熔融沉積成型熔融沉積成型三維打印成型三維打印成型分層實(shí)體成型分層實(shí)體成型立體光刻成型立體光刻成型激光選取燒結(jié)成型激光選取燒結(jié)成型坯體燒結(jié)坯體燒結(jié)坯體燒結(jié) 是指把成型坯體轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅荏w的工藝過(guò)程。燒結(jié)狀態(tài)燒結(jié)狀態(tài)燒結(jié)壓力燒結(jié)壓力特殊加熱原理特殊加熱原理固態(tài)燒結(jié)固態(tài)燒結(jié)液相燒結(jié)液相燒結(jié)常壓燒結(jié)常壓燒結(jié)無(wú)壓燒結(jié)無(wú)壓燒結(jié)真空燒結(jié)真空燒結(jié)熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)熱等靜壓燒結(jié)熱等靜壓燒結(jié)氣氛燒結(jié)氣氛燒結(jié)微波燒結(jié)微波燒結(jié)放電等離子燒結(jié)放電等離子燒結(jié)自蔓延燒結(jié)自蔓延燒結(jié)坯坯 體體 燒燒 結(jié)結(jié) 技技 術(shù)術(shù)精密加工陶瓷球閥磨削加工陶瓷球閥磨削加工激光切割機(jī)激光切割機(jī) 激光

12、打孔機(jī)激光打孔機(jī) 超聲波打孔機(jī)超聲波打孔機(jī)分析測(cè)試常用儀器常用儀器激光粒度儀差示掃描熱分析（DSC）同步熱分析（TGA/DSC）比表面積分析儀（BET）X射線熒光光譜（XRF）X射線衍射儀 （XRD）3D激光顯微鏡 掃描電鏡(SEM)原子力顯微鏡(AFM)透射電鏡（TEM）X射線光電子能譜（XPS）拉曼光譜紅外光譜儀多孔碳化硅陶瓷制備流程簡(jiǎn)圖多孔碳化硅陶瓷制備流程簡(jiǎn)圖舉例碳化硅、層析氧化鋁、石墨原料的微觀結(jié)構(gòu)碳化硅、層析氧化鋁、石墨原料的微觀結(jié)構(gòu) 碳化硅和石墨的碳化硅和石墨的TGA-DSC 曲線（曲線（10C/min,空氣氣氛中）空氣氣氛中） 不同燒結(jié)溫度（不同燒結(jié)溫度（1300-1500C）

13、相同保溫時(shí)間（）相同保溫時(shí)間（3h3h）制得的）制得的樣品樣品XRD圖譜（圖譜（A A代表氧化鋁，代表氧化鋁，C C代表方石英，代表方石英，M M代表莫來(lái)石，代表莫來(lái)石，S S代表碳化硅）代表碳化硅） 在空氣氣氛中燒成溫度為在空氣氣氛中燒成溫度為1450（3h）制得的二氧化硅結(jié)合碳化硅多孔陶瓷）制得的二氧化硅結(jié)合碳化硅多孔陶瓷（a）和莫來(lái)石結(jié)合碳化硅多孔陶瓷的場(chǎng)發(fā)射電子顯微鏡圖；（）和莫來(lái)石結(jié)合碳化硅多孔陶瓷的場(chǎng)發(fā)射電子顯微鏡圖；（a）、（）、（b）的）的內(nèi)置圖分別為他們的頸部的能譜圖內(nèi)置圖分別為他們的頸部的能譜圖 石墨的含量對(duì)在空氣氣氛中燒成溫度為石墨的含量對(duì)在空氣氣氛中燒成溫度為1450（3h）制得的莫）制得的莫來(lái)石結(jié)合碳化硅多孔陶瓷氣孔率和抗彎強(qiáng)度的影響來(lái)石結(jié)合碳化硅多孔陶瓷氣孔率和抗彎強(qiáng)度的影響 粒徑及氧化鋁對(duì)粒徑及氧化鋁對(duì)