先進結構陶瓷的基本概念、結構和性能

1、先進結構陶瓷的基本概念、結構和性能第一章 緒 論材料 Materials金屬材料 Metal無機非金屬材料：CeramicsInorganic non-metallic materials高分子材料 Polymer 復合材料 Composite1.1 陶瓷的分類陶 瓷Ceramics傳統(tǒng)陶瓷: Traditional ceramics 陶器 Pottery 炻器 Stone ware 瓷器 Porcelain, China先進陶瓷：Advanced ceramics 結構陶瓷：Structural ceramics 功能陶瓷：Functional ceramics 陶瓷基復合材料：Cerami

2、c matrix composite 廣義的陶瓷：是指由無機非金屬材料經高溫處理而獲得的各種材料及其制品。 無機非金屬材料：除金屬材料和有機高分子材料之外的一切材料，包括各種無機非金屬單質（C，S、Si）、氧化物（Al2O3、SiO2）、碳化物（SiC、TiC）、氮化物（Si3N4、BN）、硼化物（TiB2、ZrB2）、硅化物（MoSi2）等。 材料及其制品：粉體、纖維、薄膜、塊體。Hunan University 傳統(tǒng)的陶瓷：是指由硅酸鹽礦物原料經細碎、混合、成型、燒成、彩繪等工序而獲得的具有堅硬結構的硅酸鹽制品。 陶瓷：ceramics, 陶：pottery, 炻：stoneware, 瓷

3、：porcelain, chinaHunan University1.2 傳統(tǒng)的陶瓷按材質分： 陶器：燒成溫度9001200，吸水率2% 炻器：燒成溫度11501280 ，吸水率0.52% 瓷器：燒成溫度12501400，吸水率0.5%按應用分： 日用陶瓷：杯、碟、碗、盆、勺、壺 藝術陶瓷：花瓶、掛盤、瓷板畫、陶塑、瓷塑 建筑陶瓷：內墻磚、外墻磚、地板磚、衛(wèi)生潔具、廣場磚 工業(yè)陶瓷：電瓷、化工陶瓷按裝飾特征分： 有釉、無釉；黑陶、彩陶、青花、釉下彩、釉中彩、釉上彩 釉下五彩、青花玲瓏、唐三彩、1.2.1 傳統(tǒng)陶瓷的分類Hunan University1.2.2 新石器時代的陶瓷 約8000年前

4、：河南裴李崗遺址（公元前5935480年）：中原地區(qū)新石器時代，粗陶，出土陶器有壺Hunan University1.2.2 新石器時代的陶瓷 約7000年前：淅江河姆渡遺址（公元前5005130年）：出土陶器有釜、罐、盆、盤缽Hunan University1.2.2 新石器時代的陶瓷 約6000年前：西安半坡遺址（仰韶文化時期）：彩陶Hunan University1.2.2 新石器時代的陶瓷 約4500年前：甘肅馬家窯（馬家窯，公元前2550100年）：彩陶、黑陶Hunan University1.2.2 新石器時代的陶瓷 約4000年前：中原地區(qū)（龍山文化，公元前2000前后）：彩陶、

5、黑陶Hunan University1.2.3 夏商周時期的陶瓷 約40003000年前：夏商周時期的陶瓷：彩陶、白陶、釉陶Hunan University1.2.4 秦漢時期的陶瓷 秦漢時期：瓦當、漢磚、兵馬俑、鉛釉陶Hunan University1.2.5 唐宋時期的陶瓷隋唐時期 ：彩陶、白陶原始瓷器發(fā)展，越窯瓷Hunan University1.2.5 唐宋時期的陶瓷隋唐時期 ：邢窯瓷Hunan University1.2.5 唐宋時期的陶瓷隋唐時期 ：唐三彩Hunan University1.2.5 唐宋時期的陶瓷 宋朝：中國瓷器的鼎盛時期：定窯Hunan University1.2

6、.5 唐宋時期的陶瓷宋朝：汝窯Hunan University1.2.5 唐宋時期的陶瓷宋朝：鈞窯Hunan University1.2.5 唐宋時期的陶瓷宋朝：官窯、哥窯Hunan University1.2.5 唐宋時期的陶瓷宋朝：景德鎮(zhèn)瓷器Hunan University1.2.5 唐宋時期的陶瓷宋朝：唐宋長沙窯Hunan University1.2.6 近代的瓷器景德鎮(zhèn)陶瓷：青花玲瓏、青花釉里紅、 斗彩、薄胎Hunan University1.2.6 近代的瓷器醴陵：釉下五彩、紅官窯、炻瓷Hunan University1.2.6 近代的瓷器長沙：中國紅瓷Hunan Universit

7、y1.2.6 近代的瓷器骨瓷：英國、韓國、唐山Hunan University1.3 先進陶瓷 先進陶瓷：是伴隨現代工業(yè)技術的發(fā)展而出現的各種新型陶瓷的總稱。先進陶瓷的種類繁多，其應用領域幾乎涉及工業(yè)技術的各個方面，尤其對電子技術、航天航空、通訊技術的進步發(fā)揮了重要作用。先進陶瓷也被稱之為“特種陶瓷”、“工業(yè)陶瓷”、“工程陶瓷”、“現代陶瓷”、“精細陶瓷”、“高技術陶瓷”、“高性能陶瓷”等1.3.1 先進陶瓷的分類按特性分：結構陶瓷：主要利用陶瓷材料的耐高溫、耐腐蝕、耐磨損及化學性質穩(wěn)定等特點。功能陶瓷：利用某些陶瓷材料所具有的特殊電、磁、熱、光、生物等性能。陶瓷基復合材料：通過材料設計的方法

8、來改善單組份陶瓷的性能或取得多組份材料性能互補的優(yōu)勢，擴大其應用范圍。按材質分：氧化物陶瓷：氧化鋁、氧化鋯、氧化硅、氧化鈦、氧化鋅氮化物陶瓷：氮化硅、氮化鋁、氮化硼、硼化物陶瓷：二硼化鈦、二硼化鋯硅化物陶瓷：二硅化鉬Hunan University1.3.1 先進陶瓷的分類按用途分：電子陶瓷：陶瓷電容、電阻、電感、基板、封裝用陶瓷，超導陶瓷、絕緣陶瓷熱陶瓷：發(fā)熱陶瓷、導熱陶瓷、隔熱陶瓷耐磨陶瓷：陶瓷軸承、密封件、研磨體、內襯光陶瓷：透明陶瓷、光導纖維、激光陶瓷敏感陶瓷：熱敏、壓敏、氣敏、光敏陶瓷核陶瓷：核燃料（氧化鈾）、核保護（含硼陶瓷）化學陶瓷：耐酸陶瓷、耐堿陶瓷、過濾、催化用陶瓷Hunan

9、 University1.3.2 先進結構陶瓷高溫結構陶瓷：發(fā)動機用陶瓷、高級耐火材料、噴嘴、陶瓷換熱器高硬耐磨陶瓷：陶瓷刀具、磨料磨具、陶瓷密封件、陶瓷軸承、研磨體生物結構陶瓷：人工齒、人工骨陶瓷基復合材料：復相陶瓷、Cf/SiC、C/C火箭噴管C/C剎車盤1.3.3 先進結構陶瓷的掘起1971：美國“脆性材料計劃”，陶瓷渦輪發(fā)動機，工作溫度提高200，功率提高30%，燃料消耗降低7%。1979：美國能源部“先進的燃汽輪機計劃”，AGT101發(fā)動機，渦輪入口溫度1371，轉速達10萬rpm1974：德國BMET計劃，1350 轉速5萬rpm，在奔馳2000車上運行724km1978：日本“月

10、光計劃”，磁流體發(fā)電，先進燃汽輪機，1984：日本全陶瓷發(fā)動機問世，熱效率達48%，節(jié)約燃料50%，功率提高30%，質量減輕30%1983：美國能源部“陶瓷技術計劃”1993：美國能源部“熱機用低成本陶瓷計劃”1996：美國能源部“發(fā)動機系統(tǒng)材料計劃”1986：我國“863”計劃中“陶瓷發(fā)動機用關鍵材料”專題發(fā)動機用陶瓷部件美國先進陶瓷市場規(guī)模 單位：百萬美元產品類型1980年1985年1990年2000年電子陶瓷534170819903485切削刀具35160耐磨零件2045180540發(fā)動機零件2156840生物陶瓷1030其 它21570合 計556177421965125日本先進陶瓷市

11、場規(guī)模 單位：億日元產品類型1983年1985年1990年1995年2000年電磁陶瓷57378586168982626537669機械陶瓷390580102016452082熱陶瓷266468277162359019生化陶瓷298437191229203959光陶瓷173229167246926342核陶瓷8617599014892190總 計6950104752526343246612611.3.4 先進結構陶瓷的發(fā)展趨勢結構微細化、納米化結構功能一體化組成可設計、復合化制備低成本化性能挖掘潛力大，發(fā)現新材料幾率高1.5 先進陶瓷結構基礎1.5.1 晶體的結構特征空間點陣：構成材料的質點（

12、分子、原子、原子團、 離子）在三維空間的排列方式晶 體：空間點陣的排列有規(guī)律地重復出現晶 胞：空間點陣重復出 現的最小單元晶格常數：a, b, c, a, b, g晶面指數：(abc) （100）1.5.2 化學鍵與晶體離子鍵與離子晶體 離子鍵：正、負離子間的靜電引力 特點：結構穩(wěn)定，結合能大，導電差，熔點高，硬度高共價鍵與原子晶體 共價鍵：原子共用電子對，方向性，飽和性 特點：很高的熔點和硬度，導電性弱金屬鍵與金屬晶體 金屬鍵：自由電子，為晶體所共有 特點：導電導熱性，延展性，金屬光澤分子間力與分子晶體 范德華力：作用力弱，源于分子的極性或表面電荷不平衡 特點：熔點很低（如惰性元素晶體），不

13、具方向性和飽和性1.5.3 晶體結構 晶體的基本結構等徑球的密堆積四面體、八面體、配位數 陰離子堆積 陽離子填隙立方密堆積 六方密堆積等徑球的密堆積四面體和八面體晶體缺陷點缺陷：空位，間隙原子，雜質原子晶體缺陷線缺陷： 刃型位錯 螺型位錯晶體缺陷面缺陷：表面、界面、堆垛層錯SP3雜化psSP2雜化SP雜化sppzpysppz碳的結構籠碳的結構 C60 由12個五邊形和20個六邊形的球形三十二面體構成,呈中空籠式結構，分子直徑約埃。 C60的結構也可以看作是在正二十面體每條邊的約1/3處平截12個頂角后在新的頂角位置放上60個碳原子形成的類似足球的球形三十二面體。 C70 由12個五邊形和25個

14、六邊形構成，呈橄欖球形。70個碳原子可以分成不等價的5組。納米碳管的結構 納米碳管又叫巴基管(buckytube)，是由若干同軸的圓柱形管狀碳原子層疊套而成，原子層的數目從一到幾十不等，直徑在幾納米到幾十納米之間。 如果管狀分子上全是六邊形的碳環(huán)，碳管不會封閉，可向兩邊繼續(xù)生長。 如果在管子兩端包含有五邊形、六邊形或七邊形的碳環(huán)，納米碳管將被封閉，并按正反兩個方向扭曲或呈同心的巴基套管。封閉后的納米碳管不能再繼續(xù)生長。第一章復習思考題1 請說出如何區(qū)別陶、炻、瓷？2 傳統(tǒng)陶瓷與先進陶瓷如何劃分？它們的發(fā)展過程有何特點？3 高性能結構陶瓷的特點有哪些？4 與金屬比，陶瓷的結構和性能特點？5 為什

15、么陶瓷一般具有高強度和高硬度？6 如何區(qū)分結構陶瓷與功能陶瓷？7 如何評價陶瓷材料的力學性能？8 影響陶瓷抗熱震性的因素主要有哪些？9 影響陶瓷材料摩擦磨損性能的因素有哪些？如何提高陶瓷材料的耐磨性？10 目前先進陶瓷的發(fā)展趨勢和研究熱點有哪些？第二章 結構陶瓷的先進成型技術2.1 結構陶瓷成型方法概述從氣態(tài)成型：氣相沉積（PVD、CVD）從液態(tài)成型：漿料成型（注漿、熱壓鑄、凝膠注模、熔鑄、流延等從固態(tài)成型：模壓、等靜壓、熱壓、熱等靜壓、激光選區(qū)燒結（SLS）凝膠注漿成型2.2 流延成型水基凝膠流延機陶瓷基板2.4 注射成型注射成形過程示意圖2.5 納米陶瓷粉體制備技術納米是一個尺度概念，1納

16、米109米，可排列約10個原子，并非高新技術的代名詞。納米材料是指其組織尺寸在1100nm之間并具有高性能的一類材料。 納米技術是指進行納米結構設計、合成、組裝、制備和應用中形成的相關工藝和技術。 納米粒子效應：小尺寸效應，表面效應，量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應。 納米材料特性：強度、韌性、超塑性顯著提高，光、電、磁、聲、熱、敏感性能出現異常。納米陶瓷的重要特性優(yōu)點：燒結溫度低，致密化程度高，強度和韌性大幅提高，具有超塑性、優(yōu)異的耐磨性和良好的可機加工性。缺點：制備成本高，技術難度大。物理方法：機械粉碎法：輥輾磨，高速旋轉磨，球磨，介質攪拌磨，氣流粉碎，用此方法很難達到納米級粒徑，易帶入雜質

17、，粒徑分布范圍寬。蒸發(fā)冷凝（PVD）法：在真空或低壓惰性氣體中，用電阻、等離子體、電子束、激光、高頻感應等加熱源，使原料氣化或形成等離子體，與惰性氣體原子碰撞而失去能量后，冷凝成納米級顆粒。化學方法： 沉淀法：金屬鹽溶液與沉淀劑中的OH反應生成氫氧化物沉淀，分離脫水后可獲得納米級氧化物陶瓷粉末。分為直接沉淀法、均勻沉淀法和共沉淀法，是制備氧化物陶瓷納米粉末的常用方法。溶膠凝膠法：金屬有機或無機化合物經過溶液溶膠凝膠過程，再將凝膠干燥后進行煅燒，獲得氧化物或非氧化物超細粉末的方法。按產生溶膠凝膠過程的機制，可分為傳統(tǒng)膠體型、無機聚合物型和絡合物型水熱法：在高溫、高壓水(或溶劑)中進行有關化學反應來合成超細粉末的方法，水熱反應包括：水熱氧化、水熱沉淀、水熱合成、水熱還原、水熱分解和水熱結晶熱分解法