第5章陶瓷基復合材料

第5章陶瓷基復合材料第一頁，共108頁。5.1陶瓷的種類、性能及制備工藝5.2氧化物基陶瓷復合材料5.3非氧化物基陶瓷復合材料5.4碳/碳復合材料JJJJ本章主要內容第二頁，共108頁。5.1陶瓷的種類、性能及制備工藝JJJJ5.1.1陶瓷的歷史、現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢5.1.2陶瓷的分類與制作工藝5.1.3陶瓷基復合材料的定義與分類5.1.4陶瓷基復合材料的性能第三頁，共108頁。5.1.1陶瓷的歷史、現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢陶瓷是泥土與火的藝術，是我國偉大發(fā)明之一我國有多處遺址出土１萬年前的陶器；商代前１１-１７世紀創(chuàng)造了有釉的原始瓷器；東漢２５-２２０年創(chuàng)造了青瓷器與黑瓷器；唐代６１８-９０７年，三彩、白瓷、青瓷、青花在歷史上有名；宋代９６０-１２７９年陶瓷遍布全國，汝、定、官、哥、鈞五大名窯瓷器至今仍享有盛名；１８世紀乾隆時期，形成具有中國特色的造型、裝飾、繪畫等綜合性的工藝品和實用品。獲有“白如玉、青如天、明如鏡、薄如紙、聲如磬”的美譽。第四頁，共108頁。鈞瓷汝瓷定瓷官瓷

哥瓷第五頁，共108頁。陶器與瓷器的區(qū)別陶器瓷器制作原料用黏土（陶土）用瓷土（高嶺土為主的原料）燒成溫度一般不超過1000度在1200度以上器物表面沒有釉或只施低溫釉施高溫玻璃釉（現(xiàn)代瓷器有的不施釉胎質有較強的吸水性不吸水或吸水性很小敲擊聲音不清脆有清越的金屬聲表5-1陶器與瓷器的區(qū)別第六頁，共108頁。舞蹈紋彩陶盆（新石器時代馬家窯文化

）

新石器時代紅山文化

第七頁，共108頁。秦跪射俑：身著戰(zhàn)袍，外披鎧甲，足穿方口布鞋；頭上結髻束帶，半跪於地，雙手仿佛正要拉開弓弦，姿式威武雄健。他雙目平視，機警勇敢。在他旁邊，曾發(fā)現(xiàn)腐朽的木弓殘跡、鏃和劍，說明他是帶劍的射手。其衣著、鎧甲、姿態(tài)、表情，都顯示出秦俑塑造精致、刻劃入微。他的下頷殘留著粉白色，說明秦俑制作時均經彩繪。

第八頁，共108頁。永樂青花云龍紋扁壺

中國最早的瓷器都是青瓷（或稱青釉磁），唐代以越窯（紹興、余姚等地）青瓷最著名

第九頁，共108頁。粉彩蟠桃天球瓶

第十頁，共108頁。ＣHＩＮＡ——中國，便是“唐瓷”之意，亦有“陶瓷王國”之譽。陶瓷是中華民族文化的象征；陶瓷文化與中華的美食文化、酒文化、茶文化一起構成華夏文化；

我國日用陶瓷產量、出口量均居世界首位

江西景德鎮(zhèn)、福建德化、湖南醴陵稱華夏三大瓷都；江蘇宜興、廣東佛山亦有陶都之譽。

第十一頁，共108頁。

瓷都——景德鎮(zhèn)，具有悠久的制瓷歷史，在漢代前２０６年就開始生產陶器。景德鎮(zhèn)，原名新平，又名昌南，出產制瓷原料，交通方便。宋代景德年間１００４—１００７年，這里專門生產細瓷，在瓷器上標有“景德年制”字樣，由于瓷質精美，全國聞名，遂改名景德鎮(zhèn)。后成為元、明制造御用瓷器中心及清至現(xiàn)代全國制瓷中心。

第十二頁，共108頁。陶都——佛山佛山是“南國陶都”（石灣鎮(zhèn)和南莊鎮(zhèn)），制陶藝術源遠流長，有700多年歷史，自古有“石灣瓦，甲天下”美譽。建于明代正德年間的南風古灶，是世界現(xiàn)存最古老的柴燒龍窯，薪火相傳至今400多年，被譽為“陶瓷活化石”。2005年佛山榮獲“中國陶瓷名都”稱號。第十三頁，共108頁?，F(xiàn)代陶瓷重要產區(qū)：唐山、邯鄲、淄博、宜興、佛山、景德鎮(zhèn)、醴陵、德化、湛江、潮州、大埔、北流、海城

一批優(yōu)秀的現(xiàn)代企業(yè)如華美、華光、長城、臨沂、高淳、景德鎮(zhèn)、國光等陶瓷股份有限公司，佛陶、邯鄲陶瓷集團等合資企業(yè)如石灣東亞瓷廠、淄博賽德克陶瓷顏料有限公司、唐山高檔陶瓷聯(lián)合發(fā)展有限公司、中釉集團大鴻制釉有限公司等

第十四頁，共108頁。5.1.2陶瓷的分類與制作工藝1、按用途分：日用陶瓷，藝術(陳列)陶瓷，衛(wèi)生陶瓷，建筑陶瓷，電器陶瓷，電子陶瓷，化工陶瓷，紡織陶瓷等2、按陶瓷性能分：高強度陶瓷，鐵電陶瓷、耐酸陶瓷，高溫陶瓷、壓電陶瓷，高韌性陶瓷，電解質陶瓷、光學陶瓷(即透明陶瓷)，磁性陶瓷，電介質陶瓷，磁性陶瓷和生物陶瓷等

3、按是否施釉分：可分為有釉陶瓷和無釉陶瓷兩類

4、按質地分：硬質瓷，軟質瓷、特種瓷三大類

1、陶瓷的分類第十五頁，共108頁。我國產的瓷器以硬質瓷為主。硬質瓷器，坯體組成熔劑量少，燒成溫度高，在1360℃以上色白質堅，呈半透明狀，有好的強度，高的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，又是電氣的不良傳導體，如電瓷、高級餐具瓷，化學用瓷，普通日用瓷等均屬此類，也叫長石釉瓷。

軟質瓷器與硬質瓷不同點是坯體內含的熔劑較多，燒成溫度稍低，在1300℃以下，因此它的化學穩(wěn)定性，機械強度，介電強度均低，一般工業(yè)瓷中不用軟質瓷，其特點是半透明度高，多制美術瓷，衛(wèi)生用瓷，瓷磚及各種裝飾瓷等，通常如骨灰瓷、熔塊瓷屬于此類。

第十六頁，共108頁。

特種陶瓷種類很多，多以各種氧化物為主體，如高鋁質瓷，它是以氧化鋁為主，鎂質瓷，以氧化鎂為主；滑石質瓷，以滑石為主；鈹質瓷，以氧化鈹或綠柱石為主；鋯質瓷，以氧化鋯為主；鈦質瓷，以氧化鈦為主。

特種陶瓷的特點：多是由不含粘土或含極少量的粘土的制品，成型多用干壓、高壓方法，在國防工業(yè)，重工業(yè)中多用此類瓷，如火箭、導彈上的擋板，飛機、汽車上用的火花塞，收音機內用的半導體，快速切削用的瓷刀等。

第十七頁，共108頁。表5-2特種陶瓷和傳統(tǒng)陶瓷的區(qū)別第十八頁，共108頁。

——具有電、光、磁、化學和生物體特性，而且具有相互轉換功能的陶瓷

——具有機械功能、熱學性能和部分化學功能的陶瓷特種陶瓷結構陶瓷功能陶瓷第十九頁，共108頁。結構陶瓷氧化物陶瓷Al2O3陶瓷、ZrO2陶瓷非氧化物陶瓷氮化物陶瓷、碳化物陶瓷第二十頁，共108頁。表5-3功能陶瓷(FunctionalCeramic)的應用第二十一頁，共108頁。壓電陶瓷壓電陶瓷Pachinko游戲機第二十二頁，共108頁。壓電陶瓷

能夠將機械能和電能互相轉換的功能陶瓷材料。

正壓電效應介質在受到機械壓力時，導致其表面帶電。逆壓電效應對介質施加激勵電場，導致其產生機械變形。電介質陶瓷與壓電陶瓷、熱釋電陶瓷及鐵電陶瓷的關系第二十三頁，共108頁。電光陶瓷具有電光特性的陶瓷，它的光學性質會隨外電場的變化而改變，表現(xiàn)出電控雙折射和電控散射。立體電影的原理立體電影奧秘在一副能分離左眼和右眼圖像的立體觀察鏡，這種觀察鏡的鏡片是用電光陶瓷制作的。立體電影出現(xiàn)于1922年，是利用人雙眼的視角差和會聚功能制作的可產生立體效果的電影。這種電影放映時兩幅畫面重疊在銀幕上，通過觀眾的特制眼鏡或幕前輻射狀半錐形透鏡光柵，使觀眾左眼看到從左視角拍攝的畫面，右眼看到從右視角拍攝的畫面，通過雙眼的會聚功能，合成為立體視覺影像。

第二十四頁，共108頁。鐵氧體磁性陶瓷由鐵和其它一種或多種金屬（Ba、Sr和稀土等）的氧化物組成的復合氧化物。

電阻率比金屬磁性材料高，原料來源充足，生產方便，價低，在永磁、高頻軟磁、磁記錄等方面的應用發(fā)展很快。磁性陶瓷第二十五頁，共108頁。表5-4各類生物材料比較生物陶瓷Bioceramics第二十六頁，共108頁。正溫度特性（PTC）——溫度升高，電阻增大如BaTiO3基PTC用途：彩電自動消磁、電機啟動、過電流保護、恒溫發(fā)熱、程控電話交換機熱敏陶瓷溫度傳感器第二十七頁，共108頁。負溫度特性（NTC）——溫度升高，電阻減小如SnO2基陶瓷用途：廣泛用于工業(yè)和醫(yī)用溫度計、液面控制、液體流量測定等J第二十八頁，共108頁。J表5-5TiO2陶瓷的色澤和電阻FormulaColourResistanceΩ·emTiO2.00白，灰白5×109灰2×107鴿灰8×103TiO1.996-1.994黑≤103第二十九頁，共108頁。2、陶瓷及陶瓷復合材料的制造工藝原料粉體制備成型燒結加工成品第三十頁，共108頁。陶瓷制造工藝流程圖第三十一頁，共108頁。

坯釉原料經過精選、淘洗，根據(jù)生產配方稱量配料，入球磨細碎，達到所需細度后，除鐵、過篩，然后根據(jù)成型方法的不同，機制成型用泥漿壓濾脫水，真空練泥，備用；

化漿工藝：把泥漿先壓濾脫水，后通過加入解凝劑化漿，除鐵、過篩后備用；對注漿成型用泥漿，進行真空處理后，成為成品漿，備用。

成型工序：分為滾壓成型和注漿成型。然后干燥、修坯，備用。

燒成工序：在取得白坯后，入窯素燒，經過精修、施釉，進行釉燒，對出窯后的白瓷檢選，得到合格白瓷。

彩烤工序：對合格白瓷進行貼花、鑲金等步驟后，入烤花窯燒烤，開窯后進行花瓷的檢選，得到合格花瓷成品。

包裝工序：對花瓷按照不同的配套方法、各種要求進行包裝，即形成本公司的最終產品，發(fā)貨或者入庫。第三十二頁，共108頁。（1）粉體的制備

物理化學法在離子、原子、分子水平上通過反應、成核和生長制成粒子的方法，純度、粒度可以控制，均勻性好，顆粒微細，并且可以實現(xiàn)分子級水平上的復合均化。

機械粉碎法應用機械力將粗顆粒粉碎獲得細粉，不易獲得粒徑在1μm以下的超細顆粒，且容易引入雜質；第三十三頁，共108頁。①固相合成法

②液相合成法

③氣相合成法

固-固反應

固-液反應

PVD

CVD

化學共沉淀法

溶膠-凝膠法

溶劑蒸發(fā)法

第三十四頁，共108頁?；瘜W氣相沉積法CVD(ChemicalVaporDepositon)C纖/SiC氣相沉積原理圖示CVD法是將連續(xù)纖維（或晶須）制成預成型坯體，而后置于化學氣相沉積爐內，通過高溫條件下的氣相反應形成復合材料基體物質沉積，填充于骨架纖維中，從而直接獲得陶瓷基復合材料制品。第三十五頁，共108頁。溶膠-凝膠法(Sol-Gel)

連續(xù)纖維增強陶瓷基復合材料示意圖。第三十六頁，共108頁。溶膠-凝膠法 (Sol-Gel)

真空浸漬增強陶瓷基復合材料示意圖。第三十七頁，共108頁。溶劑蒸發(fā)法第三十八頁，共108頁。（2）成型制備技術

粉體成型示意圖第三十九頁，共108頁。①擠壓成型

經增塑的粉末在壓力作用下，通過壓膜咀擠成所需的坯件。②注射成型

將原料粉末與粘結劑混合，調制成塑性瓷料，用注射成型機把瓷料于130℃～300℃溫度注射入金屬膜內，形成瓷坯。③料漿洗注成型

將原料粉末、水(或甘油、酒精等)分散懸浮刑、粘結劑、除氣劑等制成一定濃度的料漿，注入石膏模內，經一定時向后形成注件，在室溫下干燥。

第四十頁，共108頁。注漿成型工藝過程注漿成型是氧化鋁陶瓷使用最早的成型方法。由于采用石膏模、成本低；此法易于成型大尺寸、外形復雜的薄壁部件。注漿成型包括石膏模制做、粉漿制備和粉漿澆注。注漿成型的關鍵是漿料的制備。在制備漿料時，需要加入分散懸浮劑、粘結劑、除氣劑和滴定劑。第四十一頁，共108頁。⑤冷等靜壓成型

用單向加壓成型因壓力不均勻而使坯體易變形，難以保證質量。各向等壓成型是一種均勻加壓法。先在300MPa壓力下預成型，然后在薄膜袋中，用水、甘油為介質，在50MPa一400Mpa壓力下成型。⑥薄膜和厚膜成型膜成型技術有流延成型和軋制成型兩種。④模壓成型

通過模沖對裝在鋼模內的粉末施加壓力，壓制成一定尺寸和形狀的瓷坯，卸壓后，坯塊從陰模中脫出。第四十二頁，共108頁。等靜壓成形設備示意圖濕袋式等靜壓干袋式等靜壓第四十三頁，共108頁。成形方法與結合劑的選擇

特種陶瓷成形方法有很多種，生產中應根據(jù)制品的形狀選擇成形方法，而不同的成形方法需選用的結合劑不同。常見陶瓷成形方法、結合劑種類及用量如下所示：

成形方法

結合劑舉例

結合劑用量（質量％）

千壓法

聚乙烯醇縮丁醛等

1~5

澆注法

丙烯基樹脂類

1~3

擠壓法

甲基纖維素等

5~15

注射法

聚丙烯等

10~25

等靜壓法

聚羧酸銨等

0~3

第四十四頁，共108頁。陶瓷擠壓成形和成形用結合劑

原料粉末、結合劑、助劑（潤滑劑、界面活性劑等）及水經機械混練后，用螺桿擠壓機連續(xù)式擠壓或用油壓柱塞式擠壓機擠壓成形。一般來說，擠壓成形使用的結合劑只要用低濃度水溶液，便可顯示出高粘性的結合性能。常用的有甲基纖維素（MC）、羧甲基纖維素（CMC）、聚氧乙烯（PEO）、聚乙烯醇（PVA）、羥乙基纖維素（HEC）等。MC能很好溶于水中，當加熱時很快膠化。CMC能很好溶于水中，分散性、穩(wěn)定性也高。PVA廣泛地用于各種成形。潤滑劑可減少粉體間的磨擦，界面活性劑可提高原料粉末與水的潤濕性。

第四十五頁，共108頁。熱壓燒結反應熱壓燒結熱等靜壓燒結反應燒結法CVD法（3）燒結方法

第四十六頁，共108頁。陶瓷燒成過程（1）低溫階段（室溫～300C）（2）氧化分解階段（300～950C） 1）氧化反應 2）分解反應（3）高溫階段（950C～最高燒成溫度）（4）冷卻階段（燒成溫度～常溫）第四十七頁，共108頁。球形顆粒的燒結模型中期變化燒結前燒結后期孔隙球化第四十八頁，共108頁。陶瓷材料化學鍵的特點是以離子鍵及共價鍵為主要結合力；工藝上主要特點一般是先成型后燒成；從組織結構上看多數(shù)陶瓷材料可能包括晶體相、玻璃相(非晶相)和氣孔。實際材料中的結合鍵陶瓷材料中，以離子鍵(如MgO，Al2O3，ZrO2等)、共價鍵(如金剛石、Si3N4、BN、Si、Ge、GaAs等)以及離子鍵向共價鍵過渡的混合鍵結合在一起。

第四十九頁，共108頁。5.1.3陶瓷基復合材料的定義與分類

陶瓷基復合材料(CMC)是以陶瓷為基體與各種纖維復合的一類復合材料。

陶瓷基復合材料的增韌材料主要有碳纖維(CF)、碳化硅(SiC)纖維、玻璃纖維(GF)、氧化物纖維，以及碳化物和氧化物顆粒等，基體材料主要有氧化物陶瓷、碳化物陶瓷和氮化物陶瓷等。

第五十頁，共108頁。不同增強材料的陶瓷基復合材料連續(xù)纖維第五十一頁，共108頁。高溫陶瓷基復合材料專家——張立同院士

2004年，以張立同院士領軍研制的“耐高溫長壽命抗氧化陶瓷基復合材料”獲得突破，獲國家技術發(fā)明一等獎，填補了該獎項長達六年的空缺，引起了國內外的廣泛關注。主要研究成果：“具有類似金屬斷裂行為的連續(xù)纖維增韌高溫陶瓷基復合材料”、

“連續(xù)纖維增韌碳化硅陶瓷基復合材料”等第五十二頁，共108頁。陶瓷基復合材料（CMC）第五十三頁，共108頁。陶瓷基復合材料(CMC)的分類1）按材料作用分：結構陶瓷復合材料，用于制造各種受力構件；

功能陶瓷復合材料，具有特殊的性能（如光、電、磁、熱、生物、阻尼、屏蔽等）2）按增強材料形態(tài)分：顆粒增強陶瓷復合材料，顆粒增強體包括高熔點、高硬度的非氧化物材料如SiC、TiB2、B4C、CBN等，而基體陶瓷一般為Al2O3、ZrO2、莫來石等第五十四頁，共108頁。纖維（晶須）增強陶瓷復合材料，纖維增韌材料主要有碳纖維(CF)、碳化硅(SiC)纖維、玻璃纖維(GF)、硼纖維(BF)、氧化物纖維等，基體材料主要有氧化物陶瓷、碳化物陶瓷和氮化物陶瓷等。片材增強陶瓷復合材料，片材選用陶瓷薄片，基體材料較多采用SiC、Si3N4、Al2O3、ZrO2等第五十五頁，共108頁。2）按基體材料形態(tài)分：氧化物基陶瓷復合材料,如Al2O3、ZrO2、TiO2、SiO2、MgO、3Al2O3·2SiO2(莫來石）等；非氧化物陶瓷復合材料，如SiC、Si3N4、TiC、B4C、ZrC、TiN、BN、TiB2等；微晶玻璃基復合材料，包括硅酸鹽、鋁硅酸鹽、硼硅酸鹽、硼酸鹽和磷酸鹽5大類；碳/碳復合材料碳/碳復合材料第五十六頁，共108頁。5.1.4陶瓷基復合材料的性能

陶瓷基復合材料是在陶瓷基體中引入第二相組元構成的多相材料，它克服了陶瓷材料固有的脆性，已成為當前材料科學研究中最為活躍的一個方面，由微米級陶瓷復合材料發(fā)展到納米級陶瓷復合材料。

陶瓷基復合材料具有密度低、抗氧化、耐熱、比強度和比模量高、熱機械性能和抗熱震沖擊性能好的特點，工作溫度在1250～1650℃，可用作高溫發(fā)動機的部件，是未來軍事工業(yè)發(fā)展的關鍵支撐材料之一。陶瓷材料的高溫性能雖好，但其脆性大。改善陶瓷材料脆性的方法包括相變增韌、微裂紋增韌、彌散金屬增韌和連續(xù)纖維增韌等。

第五十七頁，共108頁。CMC的應用生物陶瓷方面目前正在進行將氧化鋁、磷石炭等用作人工牙齒、人工骨、人工關節(jié)等研究，這方面的應用引起人們極大關注。

第五十八頁，共108頁。(1)耐熱性能優(yōu)良的特種陶瓷可望作為超高溫材料用于原子能有關的高溫結構材料、高溫電極材料等。

(2)隔熱性優(yōu)良的特種陶瓷作為新的高溫隔熱材料，用于高溫加熱爐、熱處理爐、高溫反應容器、核反應堆等。

(3)導熱性優(yōu)良的特種陶瓷極有希望用作內部裝有大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路電子器件的散熱片。核反應堆第五十九頁，共108頁。在注水過程中由于堆內壓力大，注水困難，打開了泄壓閥，以降低壓力殼內壓力，這造成安全殼內壓力增高，使得抑壓池壓力提高，引起了抑壓池的損壞（爆裂），即安全殼已經與廠房內大氣通了。已經失去了安全殼對放射性物質的隔離和屏障。可是要注意到壓力殼還是完整的。安全殼（格納容器）的作用是包容可能從壓力殼內外泄放射性物質的安全容器。

日本福島核電站泄漏

第六十頁，共108頁。高強度的特種陶瓷可用于燃氣輪機的燃燒器、葉片、渦輪、套管等；在加工機械上可用于機床身、軸承、燃燒噴嘴等。

第六十一頁，共108頁。廣州本田新雅閣陶瓷發(fā)動機“梟龍”戰(zhàn)機發(fā)動機第六十二頁，共108頁。耐磨性優(yōu)良的硬質特種陶瓷主要用在軸承、切削刀具方面。

第六十三頁，共108頁。今后研究與開發(fā)的重點

(1)、特種陶瓷基礎技術的研究，例如燒結機理、檢測技術和粉末制備技術等；

(2)、超導陶瓷的研究；

(3)、特種陶瓷的薄膜化或非晶化是提高陶瓷功能的有效方法，因而許多國家都把它作為一項主要內容加以研究；

(4)、陶瓷的纖維化是研制隔熱材料、復合增強材料等的重要基礎，目前國外，尤其是日本對陶瓷纖維及晶須增強金屬復合材料的研究極為重視，其研究主要集中于碳化硅及氮化硅；

(5)、多孔陶瓷由于具有特殊結構，所以引起了各界的重視；

(6)、陶瓷與陶瓷或陶瓷與其它材料復合(陶瓷纖維增強陶瓷，陶瓷纖維增強金屬)問題也是現(xiàn)階段的研究重點。

(7)、在非氮化物陶瓷中，目前國外研究最多的是陶瓷發(fā)動機，高壓熱交挽器及陶瓷刀具等；

(8)、隨著生物化學，生物醫(yī)學這些新興學科的發(fā)展，生物陶瓷的開發(fā)研究也變得越來越重要。第六十四頁，共108頁。5.2氧化物基陶瓷復合材料JJJJ5.2.1氧化鋁基復合材料5.2.2氧化鋯基復合材料5.2.3氧化鈦基復合材料5.2.4氧化鎂基復合材料第六十五頁，共108頁。5.2.1氧化鋁基復合材料氧化鋁是氧化物精細陶瓷的代表性原料之一，具有一系列優(yōu)良性能，此外，它也是高溫耐火材料、磨料、磨具、激光材料以及氧化鋁寶石等的重要原料。一般有以下六大類：普通氧化鋁、低鈉氧化鋁、易燒結氧化鋁。高純氧化鋁、燒結氧化鋁和電熔氧化鋁。第六十六頁，共108頁。氧化鋁陶瓷材料具有優(yōu)良的絕緣性，高頻損耗小，高頻絕緣性好的特點；不燃、不銹，堅固不易損壞，有著其它有機材料和金屬材料不可比擬的優(yōu)良性質；耐磨性好，其硬度與剛玉相同，達到莫氏硬度九級，耐磨性與超硬合金相匹敵。耐熱性好，熱膨脹系數(shù)小，機械強度大，熱傳導率好。

具有良好的耐化學腐蝕性和熔融金屬性。

氧化鋁陶瓷第六十七頁，共108頁。規(guī)格說明用途普通氧化鋁煅燒氧化鋁的總稱，含Na2O>0.3%燒結、電熔氧化鋁、尖晶石、玻璃研磨材料、瓷器用原料低鈉氧化鋁電子元件、火花塞、機械零件、切削工具等易燒結氧化鋁一般是低鈉的機械構件、切削工具、電子元件、耐火材料高純氧化鋁純度在99.9%以上透明氧化鋁、熒光材料（發(fā)光材料）、切削工具、單晶、電子元件等表5-3Al2O3粉末原料的種類與用途第六十八頁，共108頁。氮化二鉻-氧化鋁復合材料——中國科學院上海硅酸鹽研究所（發(fā)明專利）

該發(fā)明專利是一種氮化二鉻-氧化鋁（Cr2N-Al2O3）復合材料。

主要特征為：該Cr2N-Al2O3復合材料采用機械球磨的制備方法，將納米氧化鋁和納米氮化鉻粉體混合均勻，在氮氣氣氛中采用熱壓燒結方法制得。

在所制備的Cr2N-Al2O3復合材料中，Cr2N的含量為3vol.%-30vol.%，納米級到微米級的Cr2N顆粒均勻分散在Al2O3基體中，密度接近理論密度，復合材料的室溫強度達700-800MPa，韌性4-4.8Mpa.m1/2，均較純Al2O3有明顯提高。

第六十九頁，共108頁。

碳化鉻與碳氮化鈦顆粒彌散強韌化氧化鋁基陶瓷復合材料——許崇海、孫德明（發(fā)明專利）

以Al2O3陶瓷為基體，同時添加Cr3C2和Ti(C，N)陶瓷硬質顆粒作為彌散相，以Y2O3和MgO作為燒結助劑熱壓燒結而成。該Al2O3基陶瓷復合材料的組分組成為：Cr3C2為5～30％，Ti(C，N)為5～30％，Y2O3為0.2～2％，MgO為0.2～1％，其余為Al2O3。該發(fā)明的制備方法具有操作簡單、成本低的優(yōu)點。與已有多相復合陶瓷相比，該發(fā)明的復合材料具有更好的綜合力學性能和優(yōu)良的耐磨損、耐腐蝕、抗氧化及抗熱震性能，可用于制作模具、刀具、噴嘴、耐磨耐蝕零部件等。

第七十頁，共108頁。5.2.2氧化鋯基復合材料以氧化鋯為主要成分的陶瓷。純氧化鋯(ZrO2)熔點2680℃，有單斜、四方、立方三種晶型。氧化鋯陶瓷具有耐高溫、耐磨、化學穩(wěn)定性好、離子導電性良好和常溫下不導電等特性。

可用于制作熔煉銥、鉑、鈀、銠等高熔點貴金屬的坩堝、承燒板、高溫發(fā)熱元件、測氧探頭、高溫電極材料(用于磁流體發(fā)電機組)、優(yōu)質研磨體、刀具(永不生銹、耐磨、可帶電作業(yè))等。

第七十一頁，共108頁。增韌氧化鋯陶瓷刀

高溫發(fā)熱元件坩堝氧化鋯陶瓷軸承

第七十二頁，共108頁。表5-4ZrO2原料粉末的種類與用途規(guī)格說明用途單斜氧化鋯用電熔法制得耐火材料，顏料，研磨材料的原料用濕法制得，純度高（達99.5%）壓電元件、氧傳感器的原料和光學玻璃的添加劑立方晶系氧化鋯添加MgO、CaO、Y2O3作為穩(wěn)定劑通過固溶制得主要用作CaO穩(wěn)定的電熔氧化鍺，也用作特種陶瓷，耐火材料的原料共沉淀法氧化鋯用Y2O3共沉淀制得,純度高（>99.9%），晶粒粒徑?。?lt;50nm）是精細陶瓷的一種令人矚目的原料，能在較低溫度下，且能得到高的強度第七十三頁，共108頁。以氧化鋯陶瓷材料為基體，以莫來石晶須為增強體的復合材料。根據(jù)基體的結構類型不同，可以分為莫來石晶須補強TZP陶瓷復合材料、莫來石晶須補強PSZ陶瓷復合材料兩類。氧化鋯基體的界面形成玻璃相，有利于致密化。莫來石晶須的加入可以大幅度提高氧化鋯陶瓷的高溫強度，而對室溫強度影響不大。例如在1600℃，200MPa，斷裂韌性為13.0MPa·m1/2，1000℃時的抗彎強度約為400MPa。這類材料主要采用熱壓的方法制備?？梢杂糜诮^熱、耐磨等部件上。

莫來石晶須補強氧化鋯陶瓷基復合材料

莫來石

莫來石是Al2O3-SiO2二元系中常壓下唯一穩(wěn)定存在的二元化合物，天然莫來石非常少，通常用燒結法或電熔法等人工合成。

第七十四頁，共108頁。羥基磷灰石-二氧化鋯復合生物陶瓷材料及其制備方法以二氧化鋯為基體中心層，并在其上下面分別鋪上按不同比例混合的二氧化鋯和羥基磷灰石的混合中間層，最外面鋪上一層純羥基磷灰石的表面層，形成一種梯度疊層復合結構；在鋼模中，在壓力為10～30MPa下干壓成形，再在1500～1600℃高溫下無壓燒結，就可得到羥基磷灰石-二氧化鋯復合生物陶瓷材料。該方法制得的復合材料，其抗彎強度為900～1100MPa，斷裂韌性(K1C)為7～10MPa·m1/2，粗糙度為0.50～5.0μm；該復合材料的生物相容性好，可以滿足人體不同部位的承載種植體的需要。第七十五頁，共108頁。

二氧化鈦俗稱鈦白粉。是制造鈦酸鋇電容器陶瓷、熱敏陶瓷和壓電陶瓷等電子材料的重要原料。納米氧化鈦是由高科技產品，按其晶相不同分為金紅石相和銳鈦礦相兩大系列。金紅石相納米氧化鈦具有獨特的顆粒形狀、良好的分散性和極高的紫外屏蔽性能（經紫外分光光度儀檢測，其紫外屏蔽率高達99.99%以上）。可廣泛應用于空氣凈化、污水處理、抗菌陶（搪）瓷和工業(yè)催化等領域。納米氧化鈦制品5.2.3氧化鈦基復合材料第七十六頁，共108頁。摻雜納米二氧化鈦陶瓷膜的制備方法屬于納米材料領域。步驟如下：(1)在劇烈攪拌下將25-50mL鈦酸丁酯緩慢滴加到80-100mL無水乙醇中，經10-30min攪拌，得溶液A；(2)將1.0％-2.5％檸檬酸緩慢加入A中，劇烈攪拌30-60min，得溶液B；(3)將去離子水和0.2％-1.0％氯化鋁溶液緩慢滴加到B中，劇烈攪拌40-60min，得膠體溶液；(4)以α-Al2O3為骨料，添加成孔劑，粘結劑，擠壓成型后燒結成載體；(5)把干燥的α-Al2O3陶瓷載體浸入膠體溶液中后取出；(6)陶瓷膜片在相對濕度為65％及室溫條件下干燥12-20小時；(8)然后在電阻爐中升至400-600℃并保持2小時，隨爐自然冷卻。本發(fā)明制備的摻雜納米二氧化鈦陶瓷膜高溫下性質穩(wěn)定，明顯提高了TiO2光催化活性。

摻雜納米二氧化鈦陶瓷膜的制備方法第七十七頁，共108頁。一種多孔二氧化鈦陶瓷的制備方法本發(fā)明公開了一種多孔二氧化鈦陶瓷的制備方法。其特征為：(1)以球形聚甲基丙烯酸甲脂和TiO2為主要原料，聚乙烯亞胺和乙二醇為輔助原料；(2)將聚甲基丙烯酸甲脂和TiO2分別加蒸餾水制成懸浮液，并嚴格控制兩種懸浮液的pH值；在TiO2懸浮液中加入聚乙烯亞胺作它的分散劑并進行超聲；將超聲好的TiO2懸浮液慢慢地添加到聚甲基丙烯酸甲酯的懸浮液中，緩慢攪拌并加入乙二醇；(3)將上述混合后的懸浮液通過真空抽濾、干燥、煅燒的工藝，制備出孔徑尺寸可控，孔徑分布均勻的TiO2微米級多孔陶瓷。本發(fā)明生產設備簡單，操作方便，容易控制；所制備的TiO2多孔陶瓷具有孔徑尺寸可控和孔徑均勻分布的特點。第七十八頁，共108頁。規(guī)格說明用途輕燒氧化鎂用作合成橡膠的填料、制藥、鋼鐵冶煉的添加劑與鎂鐵氧體。純度有98%、99%、99.9%幾種，而用于陶瓷的是純度為99.9%輕燒氧化鎂重燒氧化鎂用作耐火材料的原料,引發(fā)劑載體、填料等重燒氧化鎂電熔氧化鎂用作耐火材料、電加熱器、熱電偶的原料電熔氧化鎂表5-5.MgO的種類與用途5.2.4氧化鎂基復合材料第七十九頁，共108頁。氧化鎂陶瓷產品第八十頁，共108頁。鈦酸鹽： BaTiO3、SrTiO3、CaTiO3、MgTiO3等鋯酸鹽： BaZrO3、SrZrO3等錫酸鹽： BaSnO3、CaSnO3、CdSnO3等鈮酸鹽： LiNbO3、KNbO3等銻酸鹽： BaSb2O6、SrSb2O6、MgSb2O6等鋁酸鹽：尖晶石MgAl2O4鋁硅酸鹽：莫來石3Al2O3?2SiO2堇青石： 2MgO?2Al2O3?5SiO2PZT鋯鈦酸鉛：PbTiO3與BaTiO3形成的連續(xù)固溶體復合氧化物——復合陶瓷第八十一頁，共108頁。由兩種或兩種以上的化合物構成的復合陶瓷。例如，由氧化鋁和氧化鎂結合而成的鎂鋁尖晶石陶瓷，由氮化硅和氧化鋁結合而成的氧氮化硅鋁陶瓷，由氧化鉻、氧化鑭和氧化鈣結合而成的鉻酸鑭鈣陶瓷，由氧化鋯、氧化鈦、氧化鉛、氧化鑭結合而成的鋯鈦酸鉛鑭（PLZT）陶瓷等等。

氧化鋯復合陶瓷微珠

氧化鋁復合陶瓷刀片

第八十二頁，共108頁。5.3非氧化物基陶瓷復合材料JJJJ5.3.1碳化物基復合材料5.2.2氮化物基復合材料5.2.3硼化物基復合材料5.2.4硅化物基復合材料第八十三頁，共108頁。碳化硅β-SiC非晶碳化硅SiC5.3.1碳化物基復合材料特點：很高的熔點、良好的導電性和導熱性、高硬度、高抗氧化能力、良好的化學穩(wěn)定性。種類：SiC、B4C、WC、TiC、TaC、HfC、ZrC等第八十四頁，共108頁。晶須放大照片碳化硅晶須樣品碳化硅（SiC）是一種非常硬而脆的材料。在還原氣氛中，碳化硅具有很好的耐燒蝕與化學腐蝕能力。第八十五頁，共108頁。碳化硅陶瓷的特點高溫強度高，在1400℃時抗彎強度仍保持在500～600MPa，而其它陶瓷材料到1200～1400℃時強度水平顯著降低。具有很高的熱傳導能力，在陶瓷中僅次于氧化鈹陶瓷。具有較好的熱穩(wěn)定性、耐磨性、耐腐蝕性和抗蠕變性能。5.3.1碳化物基復合材料第八十六頁，共108頁。碳化硅陶瓷的應用研磨球噴嘴

陶瓷泵密封件第八十七頁，共108頁。反應燒結碳化硅產品性能反應燒結碳化硅產品具有高強度、高硬度、高耐磨、耐高溫、耐腐蝕、抗熱震性好、導熱系數(shù)大以及良好的抗氧化性等優(yōu)越的性能。因此這種材料可制成多種幾何形狀和不同用途的產品。

產品主要有：方梁、棍棒、噴火咀、輻射管、熱電偶保護套管噴砂咀、耐磨件、脫硫噴咀、匣缽、坩堝、密封件以及特殊形狀的耐磨結構件等

第八十八頁，共108頁。

碳化硅陶瓷基復合材料是一種新型制動材料。20世紀90年代中期，西方工業(yè)發(fā)達國家開始進行將碳化硅陶瓷基復合材料應用于制動領域的研究，現(xiàn)已經成為高性能制動材料的—個重要方向。2001年波爾舍汽車公司生產出碳化硅陶瓷基復合材料陶瓷制動盤，與金屬制動材料相比質量減輕了50％，而有效摩擦力提高了25％。英國SABWabco公司已經研制出了碳化硅陶瓷基復合材料制動閘瓦，試用于法國TGV—NG高速列車。日本新干線正在試用碳化硅陶瓷基復合構料的制動閘瓦。

第八十九頁，共108頁。5.2.2氮化物基復合材料高導熱氮化鋁基復相陶瓷由于結合鍵強度和結構的影響，氮化物具有硬度高、熔點高、相對密度小、熱穩(wěn)定性好和熱膨脹系數(shù)小等特點。氮化硅陶瓷氮化硅產品氮化硅刀具第九十頁，共108頁。強度高，反應燒結氮化硅室溫抗彎強度為200MPa，到1200-1350℃仍保持較高強度。熱壓氮化硅室溫抗彎強度可達500MPa；抗熱震性能和抗高溫蠕變性能比其它陶瓷材料好；硬度高，摩擦系數(shù)低，為0.1-0.2，是一種極其優(yōu)良的耐磨材料；具有自潤滑性，可在無潤滑的磨損條件下工作。氮化硅陶瓷的特點第九十一頁，共108頁。

氮化硅陶瓷是一種燒結時不收縮的無機材料。它是用硅粉作原料，先用通常成型的方法做成所需的形狀，在氮氣中及１２００℃的高溫下進行初步氮化，使其中一部分硅粉與氮反應生成氮化硅。然后在１３５０℃～１４５０℃的高溫爐中進行第二次氮化，反應成氮化硅。用熱壓燒結法可制得達到理論密度９９％的氮化硅。氮化硅的強度很高，尤其是熱壓氮化硅，是世界上最堅硬的物質之一。它極耐高溫，強度一直可以維持到１２００℃的高溫而不下降，受熱后不會熔成融體，一直到１９００℃才會分解，并有驚人的耐化學腐蝕性能，能耐幾乎所有的無機酸和３０％以下的燒堿溶液，也能耐很多有機酸的腐蝕；同時又是一種高性能電絕緣材料。

第九十二頁，共108頁。氮化硅由于具有高強度、高耐磨性、低密度（輕量化）、耐熱化、耐腐蝕性等優(yōu)良性能，所以適用于制造渦輪加料機葉輪、搖臂式燒嘴、輔助燃燒室等汽車用陶瓷部件。這些部件要求復雜的形狀、高精度尺寸和高可靠性。不允許有內在缺陷（裂紋、氣孔、異物等）和表面缺陷。

第九十三頁，共108頁。5.2.3硼化物基復合材料過渡金屬硼化物具有高電導、高熔點、高硬度和高穩(wěn)定性。比較高的熱傳導性和強度，使其熱穩(wěn)定性比較好?？谷渥冃院芎谩щ姀秃咸沾烧舭l(fā)舟

第九十四頁，共108頁。硅化物陶瓷硫化物陶瓷硅化物陶瓷既具有金屬導電性又有半導體性，其抗氧化性比較好，在常溫下硬而脆，熱導率較高，有良好的熱穩(wěn)定性。硫化物是金屬或半金屬元素與硫結合而成的天然化合物。絕大部分是熱液作用的產物。如CdS，用其制備的陶瓷具有光傳導性，用作光敏材料和太陽能電池。第九十五頁，共108頁。表5-6各種非氧化物陶瓷的特性J第九十六頁，共108頁。5.4碳/碳復合材料（C/C）

碳/碳復合材料（C/C）是由碳纖維及其制品（碳氈、碳布等）增強的碳基復合材料。一般C/C是由碳纖維及其制品作為預制體，通過化學氣相沉積法（CVD）或液態(tài)樹脂、瀝青浸漬碳化法獲得C/C的基體碳來制備的。CVD法得到基體碳為沉積碳，采用樹脂或瀝青碳化得到的基體碳分別為樹脂碳和瀝青碳。第九十七頁，共108頁。1963年，日本大谷杉郎成功地研制出瀝青基碳纖維，使制造高模、高強、低成本的碳纖維等成為可能，極大促進了碳碳復合材料的研制。六十年代末期，美國已成功地將碳碳復合材料用于火箭噴管，英國Dunlop公司在1974年成功地將碳碳復合材料剎車盤用于協(xié)和號飛機。七十年代起，碳碳復合材料在美國和歐洲得到很大發(fā)展，推出了碳纖維多向編織技術，高壓液相浸漬工藝及化學氣相浸滲法((CVI)，并利用這些方法制得了高密度的碳/碳復合材料，為碳l碳復合材料的制造、批