材料講堂：先進(jìn)陶瓷材料(純本人制作)

1、先 進(jìn) 陶 瓷 材 料Advanced Ceramic Materials2022-7-6先進(jìn)陶瓷材料第三章 常見(jiàn)先進(jìn)陶瓷的應(yīng)用第二章 先進(jìn)陶瓷材料的制備工藝目錄目錄 CONTENTS 第一章 陶瓷材料簡(jiǎn)介先進(jìn)陶瓷材料u 材料：金屬材料、有機(jī)高分子材料、無(wú)機(jī)非金屬材料。第一章 陶瓷材料簡(jiǎn)介先進(jìn)陶瓷材料傳統(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、成型、焙燒等工藝過(guò)程所制得的各種制品。亦稱為“普通陶瓷”。 一、 陶瓷的概念陶瓷材料簡(jiǎn)介陶瓷材料簡(jiǎn)介 廣義的陶瓷概念：是用陶瓷生產(chǎn)方法制造的無(wú)機(jī)非金屬固體材料和制品的統(tǒng)稱。 先進(jìn)陶瓷材料 按陶瓷的概念和用途來(lái)分類，陶瓷制品分為兩大類，即

2、普通陶瓷（傳統(tǒng)陶瓷）和先進(jìn)陶瓷（新型陶瓷）。二、 陶瓷的分類普通陶瓷先進(jìn)陶瓷陶瓷材料簡(jiǎn)介陶瓷材料簡(jiǎn)介先進(jìn)陶瓷材料普通陶瓷與先進(jìn)陶瓷的主要區(qū)別區(qū)別區(qū)別普通陶瓷普通陶瓷先進(jìn)陶瓷先進(jìn)陶瓷原料原料天然礦物原料人工精制合成原料成型成型以注漿、可塑成型為主模壓、等靜壓、流延、注射成型為主燒成燒成燒成溫度一般在1350以下，燃料以煤-油-氣為主結(jié)構(gòu)陶瓷燒成溫度在1600左右 功能陶瓷需要精確控制燒成溫度加工加工一般不需要加工需要切割、打孔、研磨和拋光性能性能以外觀效果為主以內(nèi)在質(zhì)量為主，表現(xiàn)出特定的物理化學(xué)性能用途用途炊具、餐具、陳設(shè)品和墻地磚、衛(wèi)生潔具主要應(yīng)用于航空、能源、冶金機(jī)械、交通、家電等行業(yè)陶瓷材

3、料簡(jiǎn)介陶瓷材料簡(jiǎn)介先進(jìn)陶瓷材料u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、耐腐蝕、抗氧化、抗熱震等特性。強(qiáng)調(diào)力學(xué)性能。u功能陶瓷：功能陶瓷：功能陶瓷是具有電、磁、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。強(qiáng)調(diào)物理、化學(xué)性能。透明陶瓷燈透明陶瓷燈陶瓷球閥陶瓷球閥 先進(jìn)陶瓷先進(jìn)陶瓷可分為可分為結(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。陶瓷材料簡(jiǎn)介陶瓷材料簡(jiǎn)介先進(jìn)陶瓷材料 結(jié)構(gòu)陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷l 氧化物陶瓷：如氧化鋁陶瓷、氧化鋯陶瓷、莫來(lái)石陶瓷、氧化鎂陶瓷、氧化鈣陶瓷、氧化鈹陶瓷等。l 氮化物陶瓷：如氮化硅陶瓷、氮化硼

4、陶瓷等。l 碳化物陶瓷：如碳化硅陶瓷、碳化硼陶瓷等。l 硼化物陶瓷：如硼化鈦陶瓷、硼化鋯陶瓷等。按組分分類，結(jié)構(gòu)陶瓷可分為：按組分分類，結(jié)構(gòu)陶瓷可分為： V型陶瓷球閥 結(jié)構(gòu)陶瓷吸聲板 氧化鋯納米陶瓷刀 陶瓷材料簡(jiǎn)介陶瓷材料簡(jiǎn)介先進(jìn)陶瓷材料 功能陶瓷功能陶瓷l 電子陶瓷：如絕緣陶瓷、介電陶瓷、鐵電陶瓷、壓電陶瓷、磁性陶瓷、導(dǎo)電陶瓷、超導(dǎo)陶瓷等；l 熱學(xué)陶瓷：如耐熱陶瓷、隔熱陶瓷、導(dǎo)熱陶瓷等；l 光學(xué)陶瓷：如透明陶瓷、紅外輻射陶瓷、發(fā)光陶瓷等；l 生物陶瓷：如生物活性陶瓷、醫(yī)用陶瓷等。按特性分類，功能陶瓷可分為：按特性分類，功能陶瓷可分為：稀土發(fā)光陶瓷陶瓷材料簡(jiǎn)介陶瓷材料簡(jiǎn)介先進(jìn)陶瓷材料第二章 陶

5、瓷材料的制備工藝陶陶瓷瓷燒燒結(jié)結(jié)爐爐胚體成型胚體燒結(jié)精加工粉體制備先進(jìn)陶瓷材料粉體制備粉體制備是指將各種原料通過(guò)物理機(jī)械或化學(xué)方法，制成所需的粉體。物理粉碎法化學(xué)合成法粉體制備方法陶瓷材料的制備工藝陶瓷材料的制備工藝一、粉體制備先進(jìn)陶瓷材料 1. 物理粉碎法物理粉碎法物料粉碎法分為：機(jī)械粉碎和氣流粉碎。機(jī)械粉碎機(jī)械粉碎 優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備成本低，過(guò)程簡(jiǎn)單，易操作。 缺點(diǎn)：雜質(zhì)多，粉體粒度一般在1m以上。 氣體粉碎氣體粉碎陶瓷材料的制備工藝陶瓷材料的制備工藝先進(jìn)陶瓷材料 優(yōu)點(diǎn)：粉體純度、粒度可控，均勻性好，顆粒微細(xì)。 缺點(diǎn)：過(guò)程復(fù)雜，不易操作。固相法固相法 通過(guò)從固相到固相的變化，來(lái)制造粉體。l 熱分解

6、反應(yīng)法：A(s)B(s)十C(g) l 化合反應(yīng)法：A(s)+B(s)C(s)+D(g)l 氧化還原法或還原碳化、還原氮化 如：3SiO2+6C+2N2 Si3N4+6CO 化學(xué)合成法一：固相法化學(xué)合成法：固相法、液相法和氣相法。 2. 化學(xué)合成法化學(xué)合成法陶瓷材料的制備工藝陶瓷材料的制備工藝先進(jìn)陶瓷材料液相法液相法 以均相的溶液為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)各種方法使溶質(zhì)與溶劑分離，溶質(zhì)形成一定大小和形狀的顆粒，得到所需粉末的前軀體，熱解后得到粉體。以ZrO2陶瓷粉體為例： 化學(xué)合成法二：液相法ZrSiO4+NaOHZrO2+Na2SiO3（1）水熱法：）水熱法：陶瓷材料的制備工藝陶瓷材料的制備工藝先進(jìn)陶瓷

7、材料液相法液相法 以均相的溶液為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)各種方法使溶質(zhì)與溶劑分離，溶質(zhì)形成一定大小和形狀的顆粒，得到所需粉末的前軀體，熱解后得到粉體。以ZrO2陶瓷粉體為例： 化學(xué)合成法二：液相法（2）水解法）水解法：四氧化鋯四氧化鋯氯化釔氯化釔循環(huán)加水分解循環(huán)加水分解水合氧化鋯水合氧化鋯氧化鋯納米粉氧化鋯納米粉焙燒焙燒陶瓷材料的制備工藝陶瓷材料的制備工藝先進(jìn)陶瓷材料液相法液相法 以均相的溶液為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)各種方法使溶質(zhì)與溶劑分離，溶質(zhì)形成一定大小和形狀的顆粒，得到所需粉末的前軀體，熱解后得到粉體。以ZrO2陶瓷粉體為例： 化學(xué)合成法二：液相法陶瓷材料的制備工藝陶瓷材料的制備工藝（3）噴霧法：）噴霧法：氧

8、化鋯粉+分散劑+粘結(jié)劑氧化鋯粉體先進(jìn)陶瓷材料 氣相法氣相法 直接利用氣體或通過(guò)某種手段將物質(zhì)變?yōu)闅怏w，使之在氣體狀態(tài)下發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，最后在冷卻過(guò)程中凝聚長(zhǎng)大形成納米微粒?；瘜W(xué)氣相沉積法 化學(xué)合成法三：氣相法陶瓷材料的制備工藝陶瓷材料的制備工藝先進(jìn)陶瓷材料二、胚體成型陶瓷材料的制備工藝陶瓷材料的制備工藝注漿成型模壓成型等靜壓成型流延成型擠壓成型注射成型其它胚體成型方法先進(jìn)陶瓷材料 對(duì)注漿成型所用的漿料，必須具備以下性能： 流動(dòng)性好 穩(wěn)定性好（不易沉淀和分層） 脫模性好 1. 注漿成型（傳統(tǒng)成型）注漿成型（傳統(tǒng)成型）缺點(diǎn)：勞動(dòng)強(qiáng)度大勞動(dòng)強(qiáng)度大不易自動(dòng)化不易自動(dòng)化收縮形變大收縮形變大陶瓷材料的制

9、備工藝陶瓷材料的制備工藝先進(jìn)陶瓷材料四柱式液壓成型機(jī)模壓受力分布 優(yōu)點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單、易自動(dòng)化生產(chǎn)。 缺點(diǎn)：胚體有明顯的各向異性，不適用形狀復(fù)雜的制品。陶瓷材料的制備工藝陶瓷材料的制備工藝 2. 模壓成型模壓成型先進(jìn)陶瓷材料等靜壓成型等靜壓成型 又稱靜水壓成型，利用液體介質(zhì)不可壓縮性和均勻傳遞壓力性的一種成型方法。胚體密度高制品密度接近理論密度不易變形優(yōu)點(diǎn)設(shè)備投資成本高不易自動(dòng)化生產(chǎn)效率不高 3. 等靜壓成型等靜壓成型陶瓷材料的制備工藝陶瓷材料的制備工藝缺點(diǎn)先進(jìn)陶瓷材料陶瓷材料的制備工藝陶瓷材料的制備工藝 4. 流延成型流延成型（專用于制作陶瓷薄膜）薄膜制備加工處理料漿制備步驟：料漿薄膜基帶刮刀流

10、延成型薄膜制備過(guò)程成品（陶瓷電容器） 優(yōu)點(diǎn)：工藝穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高，自動(dòng)化程度高，可制備厚度為10-1000m的高質(zhì)量陶瓷薄膜。 缺點(diǎn)：胚體粘結(jié)劑含量高，胚體密度小，燒成收縮率高達(dá)20-21%。先進(jìn)陶瓷材料 擠壓成型：擠壓成型：適用于連續(xù)化批量生產(chǎn)管、棒狀制品，易自動(dòng)化。 注射成型：注射成型：間歇式的操作過(guò)程，可生產(chǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的制品。擠壓成型注射成型陶瓷材料的制備工藝陶瓷材料的制備工藝 5. 其它的成型方法其它的成型方法先進(jìn)陶瓷材料三、胚體燒結(jié)陶瓷材料的制備工藝陶瓷材料的制備工藝宏觀變化：體積收縮、致密度提高、強(qiáng)度增加。微觀變化：晶粒長(zhǎng)大，氣孔減少。胚體燒結(jié)胚體燒結(jié) 是指把成型胚體轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅荏w的工

11、藝過(guò)程。先進(jìn)陶瓷材料 1. 常壓燒結(jié)（普通燒結(jié)）常壓燒結(jié)（普通燒結(jié)）陶瓷材料的制備工藝陶瓷材料的制備工藝 常壓燒結(jié)常壓燒結(jié) 燒結(jié)胚體在無(wú)外加壓力、只在常壓下，即自然 大氣條件下，置于窯爐中，進(jìn)行燒結(jié)。設(shè)備簡(jiǎn)單便宜，最傳統(tǒng)、最簡(jiǎn)便、最廣泛的一種方法。先進(jìn)陶瓷材料價(jià)格：價(jià)格：3131萬(wàn)歐元（￥萬(wàn)歐元（￥260260萬(wàn)）萬(wàn)） 2. 熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié) 熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié) 在燒結(jié)過(guò)程中同時(shí)對(duì)坯料施加壓力，加速了致密化的過(guò)程。燒結(jié)溫度低燒結(jié)時(shí)間短制品密度高優(yōu)點(diǎn)設(shè)備價(jià)格成本高生產(chǎn)率低缺點(diǎn)陶瓷材料的制備工藝陶瓷材料的制備工藝先進(jìn)陶瓷材料 對(duì)于空氣中很難燒結(jié)的制品，為防止其氧化等，研究了氣氛燒結(jié)方法。即在爐膛中通

12、入一定的氣體（惰性氣體），在此氣氛下進(jìn)行燒結(jié)。 如Si3N4、SiC等非氧化物，在高溫下易被氧化，因而需要在惰性氣體中進(jìn)行燒結(jié)。陶瓷材料的制備工藝陶瓷材料的制備工藝 3. 氣氛燒結(jié)氣氛燒結(jié)先進(jìn)陶瓷材料四、陶瓷精加工陶瓷材料屬于硬脆材料，陶瓷材料屬于硬脆材料，其特點(diǎn)是：硬度大，其特點(diǎn)是：硬度大，性脆，不變形。性脆，不變形。與金屬加工不同，與金屬加工不同，陶瓷加工一般是很難的。陶瓷加工一般是很難的。導(dǎo)致導(dǎo)致先進(jìn)陶瓷的精細(xì)加工已經(jīng)成為一門專門技術(shù)。陶瓷材料的制備工藝陶瓷材料的制備工藝先進(jìn)陶瓷材料力學(xué)的 化學(xué)的 光化學(xué)的 光刻電化學(xué)的 電解拋光電學(xué)的 光學(xué)的 激光加工磨料加工：磨削、研磨、拋光等刀具加

13、工：切割蝕刻：磨削、研磨、拋光等化學(xué)拋光電火花加工電子束加工離子束加工等離子束加工陶陶瓷瓷精精加加工工種種類類以力學(xué)加工為主陶瓷材料的制備工藝陶瓷材料的制備工藝先進(jìn)陶瓷材料 磨削原理：磨削原理：l 金屬：金屬：依靠磨粒切削刃引起的剪切作用，生成帶狀或近帶狀的切屑。l 陶瓷：陶瓷：在磨粒切削刃撞擊工件瞬間，材料內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，這些裂紋的連接就形成切屑。 1. 磨削加工磨削加工陶瓷材料的制備工藝陶瓷材料的制備工藝先進(jìn)陶瓷材料陶瓷球閥磨削加工 磨削加工設(shè)備：磨削加工設(shè)備：l 外圓磨床外圓磨床：磨削各種圓柱體、外圓錐體的外圓。l 平面磨床平面磨床：加工工件的平面、斜面、成型面。l 拋光機(jī)拋光機(jī)：使陶瓷件

14、形成光滑的表面。 1. 磨削加工磨削加工陶瓷材料的制備工藝陶瓷材料的制備工藝先進(jìn)陶瓷材料 工業(yè)上，最常用的是磨料切割，其多數(shù)采用金剛石砂輪進(jìn)行切割，可以得到精度相當(dāng)高的切割面。切割機(jī)金剛石砂輪 2. 切割加工切割加工陶瓷材料的制備工藝陶瓷材料的制備工藝先進(jìn)陶瓷材料 對(duì)直徑在一定范圍的孔，廣泛采用金剛石鉆頭（空心鉆頭）進(jìn)行圓孔加工。陶瓷打孔機(jī)陶瓷打孔機(jī)金剛石鉆頭 3. 打孔加工打孔加工陶瓷材料的制備工藝陶瓷材料的制備工藝先進(jìn)陶瓷材料激光、超聲波加工激光、超聲波加工激光切割機(jī) 激光打孔機(jī) 超聲波打孔機(jī)陶瓷材料的制備工藝陶瓷材料的制備工藝先進(jìn)陶瓷材料尖晶石透明陶瓷剛玉陶瓷光學(xué)石英玻璃第三章 常見(jiàn)先進(jìn)

15、陶瓷的應(yīng)用先進(jìn)陶瓷材料氧化鋁陶瓷絕緣材料高壓鈉燈常見(jiàn)先進(jìn)陶瓷的應(yīng)用常見(jiàn)先進(jìn)陶瓷的應(yīng)用v 熱學(xué)熱學(xué)：熔點(diǎn)很高，可作高級(jí)耐火材料，如坩堝、高溫爐管等。v 力學(xué)力學(xué)：硬度大，可以制造實(shí)驗(yàn)室使用的剛玉磨球機(jī)。v 光學(xué)光學(xué)：用高純度的原料，使用先進(jìn)工藝，還可以使氧化鋁陶瓷變得透明，可制作高壓鈉燈的燈管。v 電學(xué)電學(xué)：目前國(guó)內(nèi)外常用的電子絕緣材料是都是Al2O3陶瓷。先進(jìn)陶瓷材料氧化鋁陶瓷人造寶石人造寶石v 紅寶石和藍(lán)寶石的主要成分都是Al2O3。v 紅寶石呈現(xiàn)紅色是由于其中混有少量含鉻化合物；v 藍(lán)寶石呈藍(lán)色則是由于其中混有少量含鈦化合物。常見(jiàn)先進(jìn)陶瓷的應(yīng)用常見(jiàn)先進(jìn)陶瓷的應(yīng)用先進(jìn)陶瓷材料氧化鋯陶瓷結(jié)構(gòu)陶

16、瓷方面：由于其高韌性、高抗彎強(qiáng)度和高耐磨性，優(yōu)異的隔熱性能，熱膨脹系數(shù)接近于鋼等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)陶瓷領(lǐng)域。軸承軸承瓷球瓷球刀具刀具陶瓷球閥陶瓷球閥高爾夫球的輕型擊球棒高爾夫球的輕型擊球棒常見(jiàn)先進(jìn)陶瓷的應(yīng)用常見(jiàn)先進(jìn)陶瓷的應(yīng)用先進(jìn)陶瓷材料功能陶瓷方面：v 優(yōu)異的耐高溫性能：感應(yīng)加熱管、耐火材料、發(fā)熱元件等。v 敏感的電性能參數(shù)：氧傳感器、固體氧化物燃料電池和高溫發(fā)熱體等。超高溫氧化鋯窯具（耐火材料）汽車用氧傳感器氧化鋯陶瓷管常見(jiàn)先進(jìn)陶瓷的應(yīng)用常見(jiàn)先進(jìn)陶瓷的應(yīng)用氧化鋯陶瓷先進(jìn)陶瓷材料v 特性：密度小、本身具有潤(rùn)滑性，耐磨損，抗腐蝕能力強(qiáng)（除氫氟酸外，不與其他無(wú)機(jī)酸反應(yīng)）；高溫時(shí)也能抗氧化，抵抗冷熱沖擊性能強(qiáng)，在空氣中加熱到1000以上，急劇冷卻再急劇加熱，也不會(huì)碎裂。v正是Si3N4陶瓷具有如此良好的特性，人們常常用它來(lái)制造軸承、汽輪機(jī)葉片、機(jī)械密封環(huán)、永久性模具等機(jī)械構(gòu)件。常見(jiàn)先進(jìn)陶瓷的應(yīng)用常見(jiàn)先進(jìn)陶瓷的應(yīng)用氮化硅陶瓷先進(jìn)陶瓷材料SiC陶瓷：除了具有優(yōu)良的常溫力學(xué)性能，還具有優(yōu)良的高溫力學(xué)性能。SiC陶瓷是已知陶瓷材料中高溫力學(xué)性能(強(qiáng)度、抗蠕變性等)最佳的。高溫軸承（1300）高溫防腐