陶瓷工藝及功能

陶瓷的工藝及功能目錄一、簡(jiǎn)介二、陶瓷的成分三、傳統(tǒng)陶瓷的基本分類四、新型陶瓷材料的特點(diǎn)及分類五、金屬／陶瓷功能梯度涂層工藝的應(yīng)用現(xiàn)狀六、總結(jié)一、簡(jiǎn)介陶是瓷的源，瓷是陶的流，源遠(yuǎn)流長(zhǎng)的陶瓷，是古代華夏文明的起點(diǎn)。陶土經(jīng)500至600度的火焰燒成陶器，陶離土地近，陶罐一般為盛水器，實(shí)用又純樸。瓷土經(jīng)1200至1300度的窯火燒成瓷，瓷瓶大多供賞花用，漂亮飄逸。陶的屬性更多地帶有男性的陽(yáng)剛之氣，瓷的屬性更多地帶有女性的陰柔之美。陶與瓷的結(jié)合，精與神的交融，便有了千古佳話，精彩喜劇。一、簡(jiǎn)介狹義陶瓷(傳統(tǒng)陶瓷）：陶器、瓷器等以粘土為主要原料的制品的通稱。早在歐洲人掌握瓷器制造技術(shù)一千多年前，中國(guó)人就已經(jīng)制造出很精美的陶瓷器。中國(guó)是世界上最早應(yīng)用陶器的國(guó)家之一，而中國(guó)瓷器因其極高的實(shí)用性和藝術(shù)性而備受世人的推崇?？脊虐l(fā)現(xiàn)中國(guó)人早在新石器時(shí)代（約公元前8000－2000年）就發(fā)明了陶器。原始社會(huì)晚期出現(xiàn)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)使中國(guó)人的祖先過(guò)上了比較固定的生活，客觀上對(duì)陶器有了需求。人們?yōu)榱颂岣呱畹姆奖?，提高生活質(zhì)量，逐漸通過(guò)燒制粘土燒制出了陶器。二、陶瓷的成分陶瓷，陶器和瓷器的總稱。陶瓷的傳統(tǒng)概念是指所有以粘土等無(wú)機(jī)非金屬礦物為原料的人工工業(yè)產(chǎn)品。它包括由粘土或含有粘土的混合物經(jīng)混煉，成形，煅燒而制成的各種制品。由最粗糙的土器到最精細(xì)的精陶和瓷器都屬于它的范圍。對(duì)于它的主要原料是取之于自然界的硅酸鹽礦物(如粘土、長(zhǎng)石、石英等)，因此與玻璃、水泥、搪瓷、耐火材料等工業(yè)，同屬于“硅酸鹽工業(yè)”的范疇。三、傳統(tǒng)陶瓷的基本分類陶瓷制品的品種繁多，它們之間的化學(xué)成分、礦物組成，物理性質(zhì)，以及制造方法，常?；ハ嘟咏诲e(cuò)，無(wú)明顯的界限，而在應(yīng)用上卻有很大的區(qū)別。因此很難硬性地歸納為幾個(gè)系統(tǒng)，詳細(xì)的分類法各家說(shuō)法不一，到現(xiàn)在國(guó)際上還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的分類方法。常見(jiàn)的分類法是按用途應(yīng)該分為五大系列，分別是工業(yè)陶瓷、建筑陶瓷、衛(wèi)生陶瓷、日用陶瓷、還有藝術(shù)陶瓷。三、傳統(tǒng)陶瓷的基本分類1、日用陶瓷：如餐具、茶具、缸，壇、盆、罐、盤、碟、碗等。2、藝術(shù)（工藝）陶瓷：如花瓶、雕塑品．園林陶瓷器皿陳設(shè)品等。3、工業(yè)陶瓷：指應(yīng)用于各種工業(yè)的陶瓷制品。比如說(shuō)像供電的瓷瓶，坦克、汽車、火箭里面都有用陶瓷。一般我們老百姓很少涉足。4、建筑陶瓷：如磚瓦，排水管、面磚，外墻磚等。5、衛(wèi)生陶瓷：潔具衛(wèi)生間用的陶瓷，有如陶瓷馬桶、陶瓷面盆等。四、新型陶瓷材料的特點(diǎn)及分類陶瓷材料中已崛起了精細(xì)陶瓷，它以抗高溫、超強(qiáng)度、多功能等優(yōu)良性能在新材料世界獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。精細(xì)陶瓷是指以精制的高純度人工合成的無(wú)機(jī)化合物為原料，采用精密控制工藝燒結(jié)的高性能陶瓷，因此又稱先進(jìn)陶瓷或新型陶瓷。精細(xì)陶瓷有許多種，它們大致可分成三類。四、新型陶瓷瓷材料的特點(diǎn)點(diǎn)及分類(一)結(jié)構(gòu)陶陶瓷。這種陶瓷主要要用于制作結(jié)結(jié)構(gòu)零件。機(jī)機(jī)械工業(yè)中的的一些密封件件、軸承、刀刀具、球閥、、缸套等都都是頻繁經(jīng)經(jīng)受摩擦而易易磨損的零件件，用金屬和和合金制造有有時(shí)也是使用用不了多久就就會(huì)損壞，而而先進(jìn)的結(jié)構(gòu)構(gòu)陶瓷零件就就能經(jīng)受住這這種“磨難””。四、新型陶瓷瓷材料的特點(diǎn)點(diǎn)及分類(二)電子陶陶瓷指用來(lái)生產(chǎn)電電子元器件和和電子系統(tǒng)結(jié)結(jié)構(gòu)零部件的的功能性陶瓷瓷。這些陶瓷瓷除了具有高高硬度等力學(xué)學(xué)性能外，對(duì)對(duì)周圍環(huán)境的的變化能“無(wú)無(wú)動(dòng)于衷”，，即具有極好好的穩(wěn)定性，，這對(duì)電子元元件是很重要要的性能，另另外就是能耐耐高溫。四、新型陶瓷瓷材料的特點(diǎn)點(diǎn)及分類(三)生物陶陶瓷生物陶瓷是用用于制造人體體“骨骼一肌肌肉”系統(tǒng)，，以修復(fù)或替替換人體器官官或組織的一一種陶瓷材料料。四、新型陶瓷瓷材料的特點(diǎn)點(diǎn)及分類精細(xì)陶瓷是新新型材料巾特特別值得注意意的一種，它它有廣闊的發(fā)發(fā)展前途。這這種具有優(yōu)良良性能的精細(xì)細(xì)陶瓷，有可可能在很大的的范圍內(nèi)代替替鋼鐵以及其其他金屬而得得到廣泛應(yīng)用用，達(dá)到節(jié)約約能源、提高高效率、降低低成本的目的的；精細(xì)陶瓷瓷和高分子合合成材料相結(jié)結(jié)合．可以使使交通運(yùn)輸工工具輕量化、、小型化和高高效化。四、新型陶瓷瓷材料的特點(diǎn)點(diǎn)及分類精陶材料將成成為名副其實(shí)實(shí)的耐高溫的的高強(qiáng)度材料料，從而可用用作包括飛機(jī)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)在內(nèi)內(nèi)的各種熱機(jī)機(jī)材料、燃料料電池發(fā)電部部件材料、核核聚變反應(yīng)堆堆護(hù)壁材料、、無(wú)公害的外外燃式發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)材料等。精精細(xì)陶瓷與高高性能分子材材料、新金屬屬材料、復(fù)合合材料并列為為四大新材料料。有些科學(xué)學(xué)家預(yù)言．由由于精細(xì)陶瓷瓷的出現(xiàn)，人人類將從鋼鐵鐵時(shí)代重新進(jìn)進(jìn)入陶瓷時(shí)代代。五、金屬／陶陶瓷功能梯度度涂層工藝的的應(yīng)用現(xiàn)狀金屬具有高的的熱導(dǎo)率、韌韌性及延展性性等性能，陶陶瓷硬度高、、耐磨、耐蝕蝕、耐高溫，，有些陶瓷還還具有隔熱、、絕緣或光能能轉(zhuǎn)換等特殊殊性能。因此此，如何把金金屬與陶瓷的的優(yōu)異性能結(jié)結(jié)合起來(lái)，多多年來(lái)一直是是材料科學(xué)與與工程研究的的方向。五、金屬／陶陶瓷功能梯度度涂層工藝的的應(yīng)用現(xiàn)狀金屬表面陶瓷瓷涂層依其功功能大致可分分為耐熱涂層層(熱障涂層層)、耐磨涂涂層、耐蝕涂涂層、生物功功能涂層及其其它特殊功能能涂層等。然然而，陶瓷和和金屬的熱膨膨脹系數(shù)(CTE)及彈彈性模量等性性能不相匹配配，且基體與與涂層間存在在明顯界面，，因此，表面面具有陶瓷涂涂層的金屬零零部件在應(yīng)用用過(guò)程中會(huì)發(fā)發(fā)生涂層開(kāi)裂裂或剝落損壞壞等現(xiàn)象。雙雙層涂層及多多層涂層體系系也不能消除除基體與涂層層間及涂層內(nèi)內(nèi)部層與層間間性能不匹配配問(wèn)題。五、金屬／陶陶瓷功能梯度度涂層工藝的的應(yīng)用現(xiàn)狀為此，開(kāi)發(fā)了了功能梯度涂涂層(FGM涂層)。在在FGM涂層層中，沿涂層層厚度方向，，隨涂層厚度度增加，陶瓷瓷相成分含量量逐漸增加，，金屬相成分分含量則相應(yīng)應(yīng)減小，即金金屬相與陶瓷瓷相涂層間無(wú)無(wú)明顯界面，，很好地解決決了二者性能能不相匹配的的問(wèn)題，最大大程度地削弱弱或消除了涂涂層中的應(yīng)力力，提高涂層層與基體間結(jié)結(jié)合強(qiáng)度。五、金屬／陶陶瓷功能梯度度涂層工藝的的應(yīng)用現(xiàn)狀目前，F(xiàn)GM涂層在航空空、航天、能能源和生物醫(yī)醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)領(lǐng)域均已獲得得應(yīng)用［4，，9～11］］。而且，F(xiàn)GM深層制制備工藝也迅迅速發(fā)展，日日本、美國(guó)、、英國(guó)、中國(guó)國(guó)和德國(guó)等許許多國(guó)家均在在進(jìn)行FGM深層工藝的的研究。五、金屬／陶陶瓷功能梯度度涂層工藝的的應(yīng)用現(xiàn)狀1、FGM涂層工藝及及應(yīng)用目前制備FGM涂層的工工藝方法多種種多樣，主要要有氣相沉積積法、自蔓延延高溫合成法法、等離子噴噴涂法及激光光熔覆法等。。五、金屬／陶陶瓷功能梯度度涂層工藝的的應(yīng)用現(xiàn)狀2、氣相沉積積法制備FGM涂涂層的氣相沉沉積法包括物物理氣相沉積積法(PVD)和化學(xué)氣氣相沉積法(CVD)。。這兩種方法法又可細(xì)分為為許多具體的的工藝方法。。一般地說(shuō)，氣氣相沉積法可可以制得很薄薄的梯度涂層層。但是，PVD法難以以在復(fù)雜形狀狀表面沉積涂涂層，而CVD法可以在在形狀復(fù)雜的的零件表面制制備出梯度涂涂層，而且沉沉積層表面光光滑致密，沉沉積率較高。。五、金屬／陶陶瓷功能梯度度涂層工藝的的應(yīng)用現(xiàn)狀近年來(lái)，CVD和PVD技術(shù)已廣泛泛應(yīng)用于航空空航天、汽車車、化工、能能源和生物工工程等領(lǐng)域制制備功能梯度度涂層，同時(shí)時(shí)不斷與其它它表面涂層技技術(shù)相結(jié)合，，開(kāi)發(fā)出了一一些改進(jìn)型表表面涂層技術(shù)術(shù)制備梯度涂涂層，如電子子束物理氣相相沉積法(EB-PVD)、離子束束增強(qiáng)物理氣氣相沉積法(IBEB)、燃燒化學(xué)學(xué)氣相沉積法法(CCVD)、物理化化學(xué)沉積法(PCVD)、反應(yīng)濺射射及陰極磁控控濺射等。而而且，隨著科科學(xué)技術(shù)的發(fā)發(fā)展，CVD和PVD梯梯度涂層技術(shù)術(shù)在材料制備備及改善零部部件表面性能能等方面的應(yīng)應(yīng)用不斷增加加，有著美好好的應(yīng)用前景景。五、金屬／陶陶瓷功能梯度度涂層工藝的的應(yīng)用現(xiàn)狀3、自蔓延高溫合合成法自蔓延高溫合合成法(簡(jiǎn)稱稱SHS)又又稱燃燒合成成法，是一種種制備材料與與制造零部件件的新技術(shù)。。SHS法是是由前蘇聯(lián)科科學(xué)家Merzhanov于1967年首次正正式提出來(lái)的的［34］，，其基本特點(diǎn)點(diǎn)是利用能夠夠發(fā)生高效熱熱反應(yīng)的原料料反應(yīng)時(shí)放出出的熱使反應(yīng)應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，，從而達(dá)到合合成與制備材材料的目的。。SHS反應(yīng)應(yīng)溫度高，速速度快，整個(gè)個(gè)反應(yīng)過(guò)程在在幾秒至幾十十秒間即可迅迅速完成；反反應(yīng)時(shí)只需局局部或整體點(diǎn)點(diǎn)火，反應(yīng)一一旦進(jìn)行，即即不需外加能能源；采用SHS技術(shù)，，材料合成與與形成可以同同時(shí)完成。到到了80年代代，SHS技技術(shù)已應(yīng)用于于制備涂層，，在過(guò)去的15～20年年中，原蘇聯(lián)聯(lián)及俄羅斯對(duì)對(duì)SHS涂層層技術(shù)及物理理機(jī)制等進(jìn)行行了廣泛研究究［35］。?，F(xiàn)在，世界界上許多國(guó)家家，包括俄羅羅斯、美國(guó)、、日本、中國(guó)國(guó)、德國(guó)和法法國(guó)等均在從從事SHS法法制備FGM和涂層的研研究，并在某某些方面已經(jīng)經(jīng)獲得了成功功應(yīng)用。五、金屬／／陶瓷功能能梯度涂層層工藝的應(yīng)應(yīng)用現(xiàn)狀SHS梯度度涂層技術(shù)術(shù)的基本原原理是在金金屬基體上上預(yù)先鋪敷敷或粘結(jié)成成分呈梯度度變化的涂涂層，在壓壓力下局部部點(diǎn)火引燃燃化學(xué)反應(yīng)應(yīng)，利用反反應(yīng)放出的的熱使反應(yīng)應(yīng)持續(xù)進(jìn)行行，同時(shí)使使基體金屬屬表面短時(shí)時(shí)間內(nèi)達(dá)高高溫熔化，，涂層與基基體間形成成冶金結(jié)合合，從而制制得高粘結(jié)結(jié)強(qiáng)度的梯梯度涂層。。另外，也也可以預(yù)置置成分均勻勻的陶瓷粉粉涂層，由由于反應(yīng)過(guò)過(guò)程中的陶陶瓷粉涂層層中往往產(chǎn)產(chǎn)生至少一一種液相的的移動(dòng)有助助于成分的的再分布，，最終可以以在純陶瓷瓷層和純金金屬基體間間形成一個(gè)個(gè)成分連續(xù)續(xù)變化的梯梯度過(guò)渡層層。五、金屬／／陶瓷功能能梯度涂層層工藝的應(yīng)應(yīng)用現(xiàn)狀現(xiàn)在，俄羅羅斯、美國(guó)國(guó)、日本和和中國(guó)等許許多國(guó)家采采用SHS涂層工藝藝，已成功功地制備出出了在圓形形鋼管內(nèi)壁壁，具有成成分梯度分分布的陶瓷瓷復(fù)合鋼管管。SHS梯度陶瓷瓷復(fù)合鋼管管具有優(yōu)良良的耐磨、、耐蝕性能能，且耐燒燒蝕。因此此，在石油油、化工、、海洋和軍軍事等工業(yè)業(yè)中有廣泛泛應(yīng)用前景景?？梢?jiàn)，由于于SHS法法制備功能能梯度涂層層具有節(jié)能能省時(shí)、成成本低廉、、設(shè)備簡(jiǎn)單單和操作方方便等優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)，SHS法已成為為制備功能能梯度涂層層中非常有有吸引力的的工藝方法法。隨著研研究的深入入，其應(yīng)用用范圍會(huì)不不斷擴(kuò)大。。五、金屬／／陶瓷功能能梯度涂層層工藝的應(yīng)應(yīng)用現(xiàn)狀4、等離子噴涂涂法等離子噴涂涂法是制備備FGM涂涂層中非常常有吸引力力的工藝方方法［14］。等離離子噴涂方方法具有如如下特點(diǎn)［［15～17］：①①等離子焰焰熱量高度度集中，可可以獲得很很高的溫度度(噴槍出出口處火焰焰平均溫度度可以高達(dá)達(dá)10000K以上上)，足以以熔化任何何一種難熔熔材料；②②等離子流流速度較高高，使得噴噴涂粒子以以較大速度度撞擊到基基體上，形形成的涂層層與基體間間結(jié)合強(qiáng)度度較大；③③對(duì)基體熱熱影響小，，可以對(duì)已已加工成形形的工件進(jìn)進(jìn)行表面噴噴涂；④易易于實(shí)現(xiàn)自自動(dòng)化，且且成本適中中。五、金屬／／陶瓷功能能梯度涂層層工藝的應(yīng)應(yīng)用現(xiàn)狀等離子噴涂涂依據(jù)環(huán)境境介質(zhì)和壓壓力的不同同可以細(xì)分分為大氣等等離子噴涂涂(APS)、高能能等離子噴噴涂(HPPS)、、真空等離離子噴涂(VPS)、低壓等等離子噴涂涂(LPPS)、保保護(hù)氣氛等等離子噴涂涂(IPS)、水下下等離子噴噴涂(UPS)和感感應(yīng)電偶等等離子噴涂涂等［15，16］］。按噴涂涂時(shí)送粉方方式或噴槍槍數(shù)目可以以分為單槍槍等離子噴噴涂法和雙雙槍等離子子噴涂法。五、金屬／／陶瓷功能能梯度涂層層工藝的應(yīng)應(yīng)用現(xiàn)狀5、激光熔熔覆法制備備FGM涂涂層是90年代由D.R.Fwest和R.D.Rauliys等人發(fā)展展起來(lái)的一一種新方法法［14，，24］。。這種工藝藝的基本原原理和過(guò)程程見(jiàn)圖2。。把少量B陶瓷粉置置于A金屬屬基體表面面，采用激激光照射，，使B和A上表面薄薄層區(qū)同時(shí)時(shí)熔化，通通過(guò)冶金結(jié)結(jié)合形成B-A合金金金屬。重重復(fù)以上過(guò)過(guò)程，并合合理控制B涂層厚度度，激光束束能量及激激光束掃描描速度或工工件A移動(dòng)動(dòng)速度等參參數(shù)，可以以制得含有有多層薄層層的梯度涂涂層。在涂涂層中，A成分含量量沿厚度方方向上逐漸漸減少。五、金屬／／陶瓷功能能梯度涂層層工藝的應(yīng)應(yīng)用現(xiàn)狀熔覆層材料料B的初始始狀態(tài)有粉粉末狀、絲絲狀及膏狀狀等。涂層層材料B的的添加方式式主要有預(yù)預(yù)置法和同同步法兩種種。預(yù)置法法主要包括括火焰噴涂涂、等離子子噴涂、粘粘結(jié)劑法和和粉末松散散鋪展法等等；同步法法包括重力力送粉法、、氣動(dòng)動(dòng)態(tài)態(tài)送粉法、、送膏法和和送線法等等。涂層材材料的不同同添加方法法最終會(huì)影影響熔覆過(guò)過(guò)程的冶金金行為和涂涂層性能。五、金屬／／陶瓷功能能梯度涂層層工藝的應(yīng)應(yīng)用現(xiàn)狀該工工藝藝具具有有如如下下特特點(diǎn)點(diǎn)：：①①涂涂層層溫溫度度冷冷卻卻快快(高高達(dá)達(dá)106℃℃／／s)，，產(chǎn)產(chǎn)生生快快速速凝凝固固組組織織；；②②熱熱輸輸入入小小，，基基體體畸畸變變小小，，涂涂層層與與基基體體呈呈冶冶金金結(jié)結(jié)合合；；③③適適用用的的材材料料體體系系廣廣泛泛；；④④可可以以進(jìn)進(jìn)行行選選區(qū)區(qū)熔熔覆覆，，材材料料消消耗耗少少等等。。但但是是，，在在制制備備陶陶瓷瓷金金屬屬梯梯度度涂涂層層過(guò)過(guò)程程中中，，由由于于激激光光溫溫度度非非常常高高，，所所以以，，涂涂層層中中有有時(shí)時(shí)會(huì)會(huì)出出現(xiàn)現(xiàn)裂裂紋紋和和孔孔洞洞等等缺缺陷陷。。并并且且，，陶陶瓷瓷顆顆粒粒與與金金屬屬往往往往發(fā)發(fā)生生化化學(xué)學(xué)反反應(yīng)應(yīng)。采采用用激激光光熔熔覆覆梯梯度度涂涂層層工工藝藝可可以以顯顯著著改改善善基基體體材材料料表表面面的的耐耐磨磨、、耐耐蝕蝕、、耐耐熱熱及及電電氣氣特特性性和和生生物物活活性性等等性性能能。。目目前前，，該該工工藝藝已已應(yīng)應(yīng)用用于于改改善善航航空空渦渦輪輪發(fā)發(fā)動(dòng)動(dòng)機(jī)機(jī)葉葉片片、、汽汽車車缸缸體體、、汽汽輪輪機(jī)機(jī)葉葉片片和和人人體體置置入入件件等等的的表表面面性性能能六、、總總結(jié)結(jié)利用用陶陶瓷瓷對(duì)對(duì)聲聲、、光光、、電電、、磁磁、、熱熱等等物物理理性性能能所所具具有有的的特特殊