無機非金屬專業(yè)導(dǎo)論先進陶瓷材料

無機非金屬材料工程專業(yè)導(dǎo)論先進陶瓷材料1當前第1頁\共有73頁\編于星期二\8點概述陶瓷制品是人類在征服自然過程中所獲得的第一種經(jīng)化學(xué)變化而制成的產(chǎn)品。特點：熔點高、硬度大、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐高溫、耐磨損、耐氧化、耐腐蝕、重量輕、彈性模量大、強度高等優(yōu)良性能，可在高溫、腐蝕、輻照等環(huán)境工作。

先進陶瓷當前第2頁\共有73頁\編于星期二\8點陶瓷的定義

什么是陶瓷(Ceramics)？傳統(tǒng)陶瓷是“由粘土或主要含粘土（有長石、石英等）的混合物，經(jīng)成形、干燥、燒結(jié)而成的制品”。美國陶瓷學(xué)會給陶瓷下的定義：“在高溫下形成及使用的無機非金屬材料”先進陶瓷當前第3頁\共有73頁\編于星期二\8點

Ceramics——themakingofpots,tiles,etc.,byshapingpiecesofclayandbakingthemuntiltheyarehard;articlesproducedinthisway.當前第4頁\共有73頁\編于星期二\8點Ceramics來自希臘字Keramic，意為“anartofpotter”;而Keramic來自希臘字Keramos，意為“Burntstuff”用火燒成的制品，多指粘土燒成的陶器。后經(jīng)長期演變，含義進一步延伸，凡屬粘土燒成的制品都屬于Ceramics，如陶瓷、磚瓦、耐火材料等。

先進陶瓷當前第5頁\共有73頁\編于星期二\8點陶瓷的定義：無機非金屬粉末經(jīng)成型后在低于熔點的高溫下燒結(jié)而制成的固體材料。（狹義的，由工藝而來）“傳統(tǒng)陶瓷”主要以天然的硅酸鹽為原料，因此又被稱為“硅酸鹽材料”。由于陶瓷的化學(xué)組成是以離子鍵和共價鍵為主要鍵的無機非金屬化合物，故又稱陶瓷為“無機非金屬材料”、“無機絕緣材料”、“無機介電材料”。先進陶瓷當前第6頁\共有73頁\編于星期二\8點隨著新型材料的發(fā)展，陶瓷概念擴展到整個無機非金屬固體材料或無機化合固體材料，除了一般的多晶燒結(jié)體外，還包括單晶、玻璃、薄膜、纖維、粉體等，其制備方法也不再局限于常規(guī)燒結(jié)法，因此是“廣義陶瓷”。先進陶瓷當前第7頁\共有73頁\編于星期二\8點國際上對陶瓷的廣義的定義與上述定義類似。W.D.Kingery—現(xiàn)代陶瓷工程之父，在“IntroductiontoCeramics”中把陶瓷定義為:“theartandscienceofmakingandusingsolidarticleswhichhaveastheiressentiallycomponent,andarecomposedinlargepartof,inorganicnonmetallicmaterials”“制造和應(yīng)用固體制品的技藝和科學(xué)，這種固體制品主要是由無機非金屬材料作為基本組分組成的”。先進陶瓷當前第8頁\共有73頁\編于星期二\8點

這一定義不僅包括陶器、瓷器、耐火材料、建筑粘土制品、磨料、搪瓷、水泥和玻璃等材料，而且還包括非金屬磁性材料、鐵電體、人造單晶、特種陶瓷、以及各種各樣的其他制品。Thisdefinitionessentiallysaysthataceramicisanythingthatisnotanorganicmaterialorametal.先進陶瓷當前第9頁\共有73頁\編于星期二\8點隨著時代的進步，原料或產(chǎn)品中雖然不含硅酸鹽組分，然而用陶瓷工藝方法（CeramicProcess）生產(chǎn)的制品也稱Ceramics。目前這類材料還在不斷發(fā)展，新型材料不斷出現(xiàn)。它和金屬材料、有機高分子材料并列為當代三大固體材料。Itsuggeststhreecategoriesofmaterials:ceramics,organicsandmetals先進陶瓷當前第10頁\共有73頁\編于星期二\8點我國的陶瓷一詞和英文中的Ceramics一樣具有狹義（陶瓷、瓷器）和廣義兩重含意：廣義的陶瓷工業(yè)是陶瓷、玻璃、耐火材料、搪瓷、磨料、水泥等無機非金屬材料工業(yè)的泛稱。先進陶瓷當前第11頁\共有73頁\編于星期二\8點隨著工業(yè)的發(fā)展，陶瓷制品廣泛地應(yīng)用于社會各行各業(yè)，采用了更多、更復(fù)雜的工業(yè)原料。先進陶瓷的廣義的定義為：“用粘土以外的其他原料，依陶瓷制造的工藝方法制成的制品”先進陶瓷當前第12頁\共有73頁\編于星期二\8點

如壓電陶瓷、電容器陶瓷、微波陶瓷、磁性陶瓷、高溫陶瓷等可廣泛應(yīng)用于電子、原子能、宇航、半導(dǎo)體等工業(yè)。當前第13頁\共有73頁\編于星期二\8點陶瓷的分類

先進陶瓷當前第14頁\共有73頁\編于星期二\8點當前第15頁\共有73頁\編于星期二\8點當前第16頁\共有73頁\編于星期二\8點氧化鋁陶瓷氮化鋁陶瓷當前第17頁\共有73頁\編于星期二\8點生物陶瓷當前第18頁\共有73頁\編于星期二\8點多孔陶瓷保健陶瓷當前第19頁\共有73頁\編于星期二\8點建筑衛(wèi)生陶瓷當前第20頁\共有73頁\編于星期二\8點耐高溫陶瓷刀具當前第21頁\共有73頁\編于星期二\8點高溫結(jié)構(gòu)陶瓷零部件耐酸陶瓷風(fēng)機適用于輸送或抽吸各種腐蝕性氣體當前第22頁\共有73頁\編于星期二\8點陶瓷裝甲車當前第23頁\共有73頁\編于星期二\8點航天飛機騰空而起當前第24頁\共有73頁\編于星期二\8點“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機腹部的絕熱瓦“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機當前第25頁\共有73頁\編于星期二\8點

航天飛機的防熱盔甲以純度99.7%、直徑為1~1.5m的石英纖維加水混合成漿狀，倒入模具中脫水加壓成型，然后浸膠體石英，干燥后在1290℃的電爐中燒成。再按要求切成外形不同、大小不等的“磚塊”，最后粘貼到航天飛機的鋁合金蒙皮上，把外表嚴嚴實實地封蓋起來，就象給航天飛機穿上了一身防熱盔甲。當前第26頁\共有73頁\編于星期二\8點航天飛機當前第27頁\共有73頁\編于星期二\8點航天飛機的機頭當前第28頁\共有73頁\編于星期二\8點航天飛機的防熱瓦當前第29頁\共有73頁\編于星期二\8點

航天飛機熱分布示意圖當前第30頁\共有73頁\編于星期二\8點

“哥倫比亞”號航天飛機爆炸，原因是這架航天飛機左翼在起飛時遭到從燃料箱上脫落的泡沫絕緣材料撞擊，結(jié)果造成機體表面隔熱保護層出現(xiàn)了大面積松動和破損，形成了可讓“熱氣進入的洞”，在返航途中因超高溫空氣入侵而徹底解體。當前第31頁\共有73頁\編于星期二\8點

與傳統(tǒng)陶瓷比較，先進陶瓷的化學(xué)組成、顯微結(jié)構(gòu)都有極大的不同，其性能可滿足工業(yè)和國防中各種特殊的需要。先進陶瓷幾個有用的名詞：特種陶瓷specialceramics先進陶瓷advancedceramics精細陶瓷fineceramics高性能陶瓷highperformanceceramics新型陶瓷newceramics近代陶瓷modernceramics當前第32頁\共有73頁\編于星期二\8點幾個有用的名詞：特種陶瓷specialceramics先進陶瓷advancedceramics精細陶瓷fineceramics高性能陶瓷highperformanceceramics新型陶瓷newceramics近代陶瓷modernceramics先進陶瓷當前第33頁\共有73頁\編于星期二\8點陶瓷發(fā)展的重要階段廣義的陶瓷包括了陶器、彩色釉器、瓷器、玻璃、水泥、晶體等的發(fā)展DavidW.Richerson在其著作中《ModernCeramicEngineering》(Taylor&FrancisGroup,NewYork,2006)給出了廣義的陶瓷的簡要發(fā)展的里程碑先進陶瓷當前第34頁\共有73頁\編于星期二\8點KeyMilestonesintheEvolutionofCeramicsTimeDescriptionofMilestone

24000B.C.

Claymixedwithwater,moldedintoashape,dried,andfiredtoproducethefirstman-madeceramic”earthenware”10000B.C.Earlyuseofearthenwareforusefularticlesuchascontainers.7000-6000B.C.

Limemortar(石灰砂漿)usedforfillingspacesbetweenstonesinconstructionandalsoformakingthick-walledcontainers.當前第35頁\共有73頁\編于星期二\8點KeyMilestonesintheEvolutionofCeramicsTimeDescriptionofMilestone7000-5000B.C.

Widespreaduseofearthenwareforfoodstorageandcooling

7000~5000B.C.Widespreaduseofplaster-likecementitiousceramicsforinfloorconstructionandasdecoratedinteriorwallcoatings.

4500B.C.Ceramicsusedtolinecrudekilns（窯爐）

tosmeltcopperfromitsoresandmakepossibletheChalcolithic（紅銅）,BronzeandIronAges.當前第36頁\共有73頁\編于星期二\8點KeyMilestonesintheEvolutionofCeramicsTimeDescriptionofMilestone

4500~3500B.C.

Firedbrickshowntobemoredurablethandriedmudbricks

4500~3500B.C.Developmentofearlyfaience（彩陶）

toproducedwhiteceramicswithbrightblueglassycoatings:precursortodevelopmentofglassandglazes（釉）.

3500~2800B.C.Evolutionoffirstwritingconsistingofpictographs（象形文字）

and“cuneiform（楔形文字）”symbolsinscribedinclaytablets.當前第37頁\共有73頁\編于星期二\8點KeyMilestonesintheEvolutionofCeramicsTimeDescriptionofMilestone3300B.C.

Potter’swheelinvented,makingearthenwarepotteryavailableandaffordableforjustabouteveryone

2500~1600B.C.Fromearlyisolatedexamplesofglasstowell-establishedcraft.

1750~1150B.C.Varietyofglazedevelopedin-cludedleadglazesandcoloredglazes.當前第38頁\共有73頁\編于星期二\8點KeyMilestonesintheEvolutionofCeramicsTimeDescriptionofMilestone1025~750B.C.

EarlydevelopmentsinChinaofstoneware,whichwaslighterincolor,stronger,andlessporousthanearthenware

500~100B.C.High-strengthconcrete（混凝土）

developedbyGreeksandRomansandusedwidelyinconstructionespeciallybytheRomans.

100~50B.C.

Glassblowinginvented,makingglassitemsavailabletoothersthanroyaltyandaristocrats.當前第39頁\共有73頁\編于星期二\8點KeyMilestonesintheEvolutionofCeramicsTimeDescriptionofMilestone600-800A.D.

Evolutionofhigh-qualityporcelain（瓷）

inChina

800~900A.D.Islamicrefinementsoftheuseofwhitetin-basedglazesandlustrousoverglazes.

1740s“Transferprinting”inventedtogreatlyincreasedtherateofproductionoftiles（瓷磚）.當前第40頁\共有73頁\編于星期二\8點KeyMilestonesintheEvolutionofCeramicsTimeDescriptionofMilestone

1840s

“Dustpressing”inventedtofurtherdramaticallyincreaserateofproductionoftilesandeventuallybecometheuniaxialpressingprocessandworkhorseofmodernhigh-volumeproductionofpolycrystallineceramicsLate1800sDemonstrationofsuccessfullaboratorysynthesisofsinglecrystalsofrubyandsapphire.當前第41頁\共有73頁\編于星期二\8點KeyMilestonesintheEvolutionofCeramicsTimeDescriptionofMilestone

Early1900sIncreaseintemperaturecapabilityofproductionkilnstogreaterthan1400oCandlateto1600oC.Mid-1900sEstablishmentofalumina-basedceramicsandintroductionofawiderangeofnewengineeredceramics.Late1900sDevelopmentofultra-high-temperature,high-strength,andhigh-toughnessceramicsandceramicmatrixcomposites當前第42頁\共有73頁\編于星期二\8點

陶瓷的發(fā)展大致經(jīng)歷了陶器、瓷器、現(xiàn)代先進陶瓷三個發(fā)展階段。從二十世紀九十年代開始，陶瓷進入了納米陶瓷發(fā)展階段。先進陶瓷當前第43頁\共有73頁\編于星期二\8點陶器(從公元前24000年開始)瓷器(從公元250年開始)現(xiàn)代先進陶瓷(從20世紀40年代開始)納米陶瓷(從20世紀90年代開始)當前第44頁\共有73頁\編于星期二\8點1、陶器階段用黏土制成毛坯，經(jīng)過高溫(~1000°C)燒結(jié)而成，是原始人類制成的最重要的物品之一

2、瓷器階段發(fā)明了釉、發(fā)現(xiàn)并使用高鋁質(zhì)瓷土、高溫技術(shù)的發(fā)展（>1200°C）先進陶瓷當前第45頁\共有73頁\編于星期二\8點3、現(xiàn)代先進陶瓷階段原料純化——從天然礦物原料為主發(fā)展到高純?nèi)斯ず铣稍蠟橹餍鹿に噷映霾桓F——

成型新工藝：等靜壓成型、熱壓成型、離心注漿成型、壓力注漿成型、流延成型等先進陶瓷當前第46頁\共有73頁\編于星期二\8點

燒結(jié)新工藝：熱壓燒結(jié)、熱壓等靜壓燒結(jié)、反應(yīng)燒結(jié)、快速燒結(jié)、微波燒結(jié)、等離子體燒結(jié)、自蔓燃燒結(jié)等

理論日趨成熟——從經(jīng)驗操作發(fā)展到科學(xué)控制、特定材料設(shè)計、工藝—結(jié)構(gòu)—性質(zhì)—使用性能

分析技術(shù)進步——顯微結(jié)構(gòu)分析技術(shù)如X射線衍射儀、電子顯微鏡、原子力顯微鏡、特殊性能測試儀器等先進陶瓷當前第47頁\共有73頁\編于星期二\8點相鄰學(xué)科發(fā)展——量子力學(xué)、固體物理、固體化學(xué)、配位化學(xué)、結(jié)晶化學(xué)、量子化學(xué)、半導(dǎo)體、微電子等4、納米陶瓷階段原料納米化、陶瓷內(nèi)部晶粒納米化、性能高度優(yōu)化、正在深入研究，預(yù)期將引起重要變化。先進陶瓷當前第48頁\共有73頁\編于星期二\8點49

功能陶瓷是指在微電子、光電子信息和自動化技術(shù)以及生物醫(yī)學(xué)、能源和環(huán)保工程等基礎(chǔ)產(chǎn)品領(lǐng)域中所用的陶瓷材料。如制造電子線路中的電容器用的電介質(zhì)瓷，制造集成電路基片和管殼用的高頻絕緣瓷等。功能陶瓷以其獨特的聲、光、熱、電、磁等物理特性和生物、化學(xué)以及適當?shù)牧W(xué)等特性，在相應(yīng)的工程和技術(shù)中起關(guān)鍵作用。大部分為電子陶瓷（electroceramics）先進陶瓷當前第49頁\共有73頁\編于星期二\8點二、電子陶瓷的分類

從使用功能分類：（a）結(jié)構(gòu)陶瓷：Al2O3、AlN、BeO(集成電路襯底、微波大功率器件散熱支撐件、MCM用基片）；（b）功能陶瓷：電容器陶瓷、微波陶瓷、壓電陶瓷、熱釋電陶瓷、透明電光陶瓷，半導(dǎo)體陶瓷；按照工作頻率分：低頻瓷（1kHz）、高頻瓷（1MHz）、微波瓷（300MHz～300GHz）。先進陶瓷當前第50頁\共有73頁\編于星期二\8點功能陶瓷的分類：高頻絕緣零件瓷電阻基體和電感基體瓷電真空瓷電容器瓷鐵電陶瓷壓電陶瓷半導(dǎo)體陶瓷導(dǎo)電陶瓷超導(dǎo)陶瓷磁性瓷光電子材料生物陶瓷環(huán)境保護用陶瓷環(huán)境協(xié)調(diào)型陶瓷材