新型無機材料課件

第1章緒論1.1新型無機材料的定義及發(fā)展概況1.2

材料及新型無機材料的分類1.3新型無機材料的特點1.4

新型無機材料的結構與性能關系1.5新型無機材料的學習內容和學習目的及要求第1章緒論1.1新型無機材料的定義及發(fā)展概況1.新型無機材料新發(fā)展起來的具有優(yōu)異性能和特殊功能，對科學技術尤其是高新技術發(fā)展及新產(chǎn)業(yè)的形成具有決定意義的無機新材料。2.新型無機材料的發(fā)展概況

20世紀60年代微電子工業(yè)→半導體

20世紀70年代信息、材料和能源現(xiàn)代文明三大支柱→信息材料

20世紀80年代新技術革命的興起，新材料、信息和生物技術成為新技術革命的重要標志→生物材料1.2材料及新型無機材料的分類材料無機非金屬材料金屬材料高分子材料：塑料、合成橡膠、合成纖維傳統(tǒng)無機非金屬材料新型無機非金屬材料水泥、玻璃、陶瓷

高溫結構陶瓷、光導纖維Fe、Cu、Al、合金等1.材料的分類第1章緒論第1章緒論2新型無機材料的分類

混合分類：新型陶瓷、人工晶體、非晶態(tài)材料、無機纖維、薄膜材料、高溫無機涂層、生物材料、環(huán)境材料等。按材料的用途分類：信息材料、能源材料、生物材料、電子材料、電工材料、計算機材料、敏感材料、航空航天材料等。第1章緒論1.3新型無機材料的特點1.組成含氧酸鹽（硅酸鹽）、氧（氮、硼、碳）化物、氟化物、硫系化合物、碳、硅、鍺等。2.結構離子鍵、共價鍵或離子-共價混合鍵3.性能具有高熔點、高強度、耐磨損、高硬度、耐腐蝕和抗氧化的基本屬性,寬廣的導電性、導熱性、透光性以及良好的鐵電性、鐵磁性和壓電性。

第1章緒論1.3新型無機材料的特點4.形態(tài)復合材料、薄膜、纖維、單晶和非晶材料5.制備采用高純度、高細度的原料并在化學組成、添加物的數(shù)量和分布、晶體結構和材料微觀上能夠加以精確控制。第1章緒論1.4新型無機材料的結構與性能關系

材料科學與工程主要研究材料的組成和結構、合成與制備、性能與使用效能之間的關系。第1章緒論

1.性能指材料固有的物理、化學特性，也是材料用途的依據(jù)。廣義的說，性能是指材料在一定的條件下對外部作用的反應。2.使用效能通常指材料以特定產(chǎn)品形式在最終使用條件下所表現(xiàn)的行為（效能），是材料固有性質與產(chǎn)品設計、工程特性、使用環(huán)境、效益和人類需要相融合在一起的綜合表現(xiàn)。第1章緒論

3.組成與結構組成指構成材料物質的原子、分子及其分布；除主要組成以外，雜質及對材料結構與性能有重要影響,微量添加物亦不能忽略。結構則指組成原子、分子在不同層次上彼此結合的形式、狀態(tài)和空間分布，包括原子與電子結構、分子結構、晶體結構、相結構、晶粒結構、表面與晶界結構、缺陷結構等；在尺度上則包括納米以下、納米、微米、毫米及更宏觀的結構層次。材料的組成與結構是材料的基本表征。它們一方面是特定的合成與制備條件的產(chǎn)物，另一方面又是決定材料性能與使用效能的內在因素，因而在材料科學與工程的四面體中占有獨特的承前啟后的地位，并起著指導性的作用。第1章緒論

4.合成與制備合成主要指促使原子、分子結合而構成材料的化學與物理過程。制備也研究如何控制原子與分子使之構成有用的材料，這一點是與合成相同的，但制備還包括在更為宏觀的尺度上或以更大的規(guī)?？刂撇牧系慕Y構，使之具備所需的性能和使用效能，即包括材料的加工、處理、裝配和制造。簡而言之，合成與制備就是將原子、分子聚合起來并最終轉變?yōu)橛杏卯a(chǎn)品的一系列連續(xù)過程。

第1章緒論1.5新型無機材料的學習內容和學習目的及要求1.5.1新型無機材料的學習內容1新型陶瓷分類和特點、粉料制備、成型和燒結技術等2人工晶體相變原理、結晶動力學，成核原理，合成技術3特種玻璃玻璃的通性，工藝原理、典型的特種玻璃4納米材料

5多孔材料分類，合成、制備及改性6無機纖維分類、用途、制備、典型的無機纖維7薄膜材料制備技術和應用8生物材料分類、生物材料的組織反應、生物相容性9半導體材料結構、特性、能帶結構等10新能源材料11環(huán)境材料第1章緒論1.5.2新型無機材料的學習目的及要求通過本課程的學習，使學生能比較全面地了解新型無機材料的基礎知識，掌握新型陶瓷，人工晶體，特種玻璃，無機纖維，生物材料，半導體材料等新型無機材料的特點、組成和制備，理解新型無機材料的組成、結構與性能的內在聯(lián)系和規(guī)律，了解新型無機材料的用途和發(fā)展趨勢，開發(fā)學生的創(chuàng)造性潛能，培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維和創(chuàng)新意識及創(chuàng)造能力，提高學生的素質，為學生學習其他課程和畢業(yè)論文以及使學生成為創(chuàng)造性人才奠定良好的基礎。第1章緒論作業(yè)談一談你對新型無機材料的初步認識第2章新型陶瓷作業(yè)1.新型陶瓷與傳統(tǒng)陶瓷有何區(qū)別?2.簡述注塑成型和直接凝固注模成型3.說明陶瓷的顯微結構,各組成相的作用。4.新型陶瓷的燒結方法有哪些？

第2章

新型陶瓷第2章新型陶瓷2.1新型陶瓷的分類2.2新型陶瓷的的特點3.3新型陶瓷的粉體制備2.4新型陶瓷的成型2.5新型陶瓷的燒結2.6新型陶瓷的表面金屬化傳統(tǒng)陶瓷傳統(tǒng)陶瓷傳統(tǒng)陶瓷傳統(tǒng)陶瓷傳統(tǒng)陶瓷傳統(tǒng)陶瓷傳統(tǒng)陶瓷傳統(tǒng)陶瓷傳統(tǒng)陶瓷傳統(tǒng)陶瓷傳統(tǒng)陶瓷傳統(tǒng)陶瓷傳統(tǒng)陶瓷傳統(tǒng)陶瓷傳統(tǒng)陶瓷傳統(tǒng)陶瓷傳統(tǒng)陶瓷傳統(tǒng)陶瓷傳統(tǒng)陶瓷圖1陶瓷隔音材料圖2生物陶瓷新型陶瓷透明陶瓷新型陶瓷特種陶瓷氧化鋁陶瓷透明陶瓷氮化硅陶瓷生物陶瓷新型陶瓷特種陶瓷發(fā)光陶瓷紅外輻射陶瓷抗菌陶瓷多孔陶瓷特種陶瓷壓電陶瓷陶瓷高溫超導體磁性陶瓷導電陶瓷透明陶瓷新型陶瓷第2章新型陶瓷2新型陶瓷新型陶瓷的定義新型陶瓷[高性能陶瓷（highperformanceceramics）、先進陶瓷（advancedceramics）、高技術陶瓷（hightechceramics）、精細陶瓷（fineceramics）、工程陶瓷（engineeringceramics）、特種陶瓷、工業(yè)陶瓷等]

它是采用精制的高純度無機粉末原料，在嚴格控制的條件下經(jīng)成型、燒結和其他處理而制成具有微細結晶組織和優(yōu)異的物理、化學和生物性能的無機新材料。第2章新型陶瓷2.1新型陶瓷的分類1.按照其化學成分來劃分：

a氧化物陶瓷：氧化鋁、氧化鋯、氧化鎂、氧化鈹?shù)取?/p>

b非氧化物陶瓷：碳化硅、氮化硅、碳化鋯、硼化物等。

2.按照材料的功能來劃分：

a結構陶瓷（工程陶瓷）：以強度、剛度、韌性、耐磨性、硬度、疲勞強度等力學性能為特征的材料。如：高溫高強度陶瓷、超硬工模具陶瓷、化工陶瓷等。

第2章新型陶瓷b功能陶瓷

以聲、光、電、磁、熱等物理性能為特征的材料。如：集成電路封裝材料（Al2O3）、敏感陶瓷（熱敏、氣敏、濕敏、壓敏、色敏等），生物陶瓷、電容器陶瓷。第2章新型陶瓷3.按照材料的性能與特征劃分：高溫陶瓷、超硬質陶瓷、高韌陶瓷、半導體陶瓷、電解質陶瓷、磁性陶瓷、導電性陶瓷等。

1第2章新型陶瓷2.2新型陶瓷的特點2.2.1新型陶瓷與傳統(tǒng)陶瓷的區(qū)別（精、穩(wěn)、多、特、廣）

a原料：突破傳統(tǒng)黏土為主要原料的界限，新型陶瓷一般采用精選的氧化物、硅化物、氮化物、硼化物等為主要原料。

b成分：傳統(tǒng)陶瓷的組成由黏土的成分決定了不同產(chǎn)地的原料對產(chǎn)品的組成與結構影響很大；新型陶瓷的原料是純化合物，其性質的優(yōu)劣由原料的純度和工藝決定，因此產(chǎn)品的組成與結構同產(chǎn)地無關。第2章新型陶瓷c制備工藝：傳統(tǒng)陶瓷以窯爐為主要制備手段，而新型陶瓷采用真空燒結、氣氛燒結、熱壓、熱靜壓等制備手段。

d性能與用途：新型陶瓷具有多種傳統(tǒng)陶瓷所沒有的特殊性質與功能，如高強度、高硬度、耐磨、耐蝕以及在磁、電、熱、聲、光、生物工程等各方面的特殊功能，因而使其在高溫、機械、電子、計算機、航天、醫(yī)學工程等方面得到廣泛的應用。第2章新型陶瓷2.2.2新型陶瓷的結構和性能特點

a結構特點：

1）陶瓷的結合鍵一般為離子鍵和共價鍵。

2）顯微組織的不均勻性和復雜性。

新型陶瓷材料一般經(jīng)過原料粉碎配制、成型和燒結等過程，其顯微組織是由晶體相、玻璃相和氣相組成，而各種相的相對量變化很大，分布不均勻，但陶瓷材料一旦燒結成型，不能用冷熱加工工藝改變其顯微組織和結構。

63陶瓷材料的結合鍵特點陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等，因而其結合鍵以離子鍵(如Al2O3)、共價鍵(如Si3N4)及兩者的混合鍵為主。共價鍵離子鍵

料致密度、降低燒結溫度和抑制晶粒長大。氣相是在工藝過程中形成并保留下來的。晶相是陶瓷材料中主要的組成相，決定陶瓷材料物理化學性質的主要是晶相。玻璃相的作用是充填晶粒間隙、粘結晶粒、提高材陶瓷的顯微結構第2章新型陶瓷b性能特點：1、熔點高、密度小。2、化學穩(wěn)定性好，抗腐蝕、抗氧化。3、高強度、高剛度、高硬度、耐磨性。4、具有一定熱強性（抗蠕變性等）。5、絕緣性、壓電性、半導體性、磁性等電特性。6、生物體適應性、催化劑等生物化學的功能。7、光學功能及其他一些特殊功能。8、韌性、塑性很小，塑性變形能力差，易發(fā)生脆性破裂。9、加工成型性能較差。第2章新型陶瓷2.3新型陶瓷的粉體制備

新型陶瓷粉體的一般要求：高純、超微細陶瓷粉體制備方法分為機械法和化學合成法

機械法和化學合成法的特點2.3.1機械法制備粉體

常用的機械制粉法分為滾動球磨、振動球磨、攪動球磨、氣流粉碎等。第2章新型陶瓷一、粉碎的定義和分類

粉碎是一種大塊物變成小塊物料并產(chǎn)生新表面的過程。這是用外力(人力、機械力、電力、化學能、原子能或其他方法等)施加于被粉碎的物料上，克服物料分子間的內聚力，使大塊物料分裂的過程。由于粉碎物料時采用的方法和粉碎設備類型的不同，因而按粉碎前后物料粒度的大小把粉碎分為破碎和粉磨兩類。破碎分為粗碎、中碎和細碎三種。粉磨分為粗磨、細磨和超細磨三種。

2.3.1機械法制備粉體第2章新型陶瓷一、粉碎的定義和分類按粉碎前后物料粒度大小，對上述分類可大致劃分如下：粗碎—粉碎前物料粒度為1500～300mm,粉碎后物料粒度為350～100mm,中碎—粉碎前物料粒度為350～100mm,粉碎后物料粒度為100～20mm;細碎—粉碎前物料粒度為100～50mm;粉碎后物料粒度為15～5mm；粗磨—將物料粉磨到0.1mm左右；細磨—將物料粉磨到60μm左右；超細磨—將物料粉磨到5μm或更小2.3.1機械法制備粉體第2章新型陶瓷二、粉碎意義

水泥、玻璃、陶瓷等的生產(chǎn)需要粉料粒度一般在數(shù)十微米乃至1微米以下。

1）增加反應速度在硅酸鹽生產(chǎn)過程中都必須經(jīng)過高溫燒成過程，以制得成品或半成品。這一過程是固體物料的多相反應過程，其反應速度與固體物料粒子面的接觸表面積有很大的關系，接觸表面積越大，反應速度也就越快。2）有利于原料混合均勻硅酸鹽產(chǎn)品的質量，在很大程度上與原料混合均化的程度有關。原料在粉碎過程中是在不斷地混合均化，同時粉粒料在輸送、貯存和混合等過程中，由于粒度越小，物料的流動性就越好，也有利于原料的混合均化。3)可以改善原料的工藝性能在陶瓷生產(chǎn)中可以改善原料的可塑性、結合性、料漿的懸浮性等。4）便于不同組分的分離如在玻璃、陶瓷生產(chǎn)中為了剔除某些有害的氧化鐵組成，必須在粉碎后才能進行分離操作。5)便于輸送和貯存小塊料和粉粒料可以采用不同類型的輸送機械輸送，粉粒料還可進行氣力輸送。粉粒料的貯存操作是簡單方便的。各種物料的莫氏硬度粉碎方法粉碎機械的分類鄂式破碎機錘式破碎機雙輥破碎機反擊式破碎機圓錐式破碎機籠式粉碎機輪碾機球磨機球磨機內研磨體的運動狀態(tài)第2章新型陶瓷1.固相法

(1)化合法或還原-化合法[(碳、氮、硅、氧)化物](2)

碳化硼法（它是制取金屬硼化物的主要工業(yè)方法）(3)自蔓延高溫合成法（又稱SHS技術）(4)

固相熱分解法（如硫酸鋁銨在空氣中熱分解可獲得性能良好的Al2O3粉末）。2.3.2合成法制備粉體

化學合成法分為固相法、液相法和氣相法。第2章新型陶瓷2.液相法

(1)反應沉淀法(共沉淀法,均勻沉淀法)(2)溶膠-凝膠（Sol-gel）法3.氣相法

(1)氣相反應合成（氣相沉淀法，CVD法）可制薄膜、晶須、晶粒、顆粒和超細顆粒。(2)氣相熱分解法(Ni、Fe粉，化合物粉末)(3)蒸發(fā)-凝聚法（50-100nm，氧化物（單、復合）、碳化物）

2.3.2合成法制備粉體

氮化物粉末的制備傳統(tǒng)陶瓷

傳統(tǒng)陶瓷是用粘土(Al2O3·2SiO2·2H2O)、長石(K2O·Al2O3·6SiO2，Na2O·Al2O3·6SiO2)和石英(SiO2)為原料，經(jīng)成型、燒結而成的陶瓷。其組織中主晶相為莫來石(3Al2O3·2SiO2)，占25~30%，玻璃相占35~60%，氣相占1~3%。傳統(tǒng)陶瓷加工成型性好，成本低，產(chǎn)量大。除日用陶瓷外，大量用于電器、化工、建筑、紡織等工業(yè)部門。景德鎮(zhèn)瓷器絕緣子第2章新型陶瓷2.4新型陶瓷的成型一、陶瓷成型的重要性二、原料預處理（１）原料的煅燒主要是去除原料中揮發(fā)的雜質，去除化學結合和物理吸附水、氣分、有機物等，從而提高原料純度，使原料顆粒致密化及結晶長大，以減少在燒結中的收縮，提高產(chǎn)品合格率，同時完成同質異晶晶型轉變，形成穩(wěn)定結晶相，如β-Al2O3煅燒成α-Al2O3。（2）原料的混合：干混和濕混。（在混料機中混合）（3）制粒：普通制粒、壓塊制粒法和噴霧制粒法。

第2章新型陶瓷2.4新型陶瓷的成型（4）塑化塑化是指在物料中加入塑化劑使物料具有可塑性的過程。新型陶瓷粉末往往不具有塑性，因此在成型前需加入一定的塑化劑。塑化劑是指能使坯料具有可塑能力的物質，可將其分類為無機塑化劑和有機塑化劑。塑化劑由三種物質組成：膠粘劑、增塑劑、溶劑膠粘劑主要聚乙烯醇（PVA）、聚乙烯醇縮丁醛（PVB）、聚乙二醇（PVG）、甲基纖維素、羧甲基纖維素（CMC）、乙基纖維素（EC）、羥丙基纖維素（HPC）、石蠟等。增塑劑主要為有機增塑劑，有甘油、鄰苯二甲酸二丁酯、草酸、乙酸三甘醇等，無機增塑劑有水玻璃、黏土、磷酸鋁等；溶劑是能溶解膠粘劑、增塑劑并能和物料構成可塑物質的液體，常用的有水、無水酒精、丙酮、苯、乙酸乙酯等。塑化劑的選擇要根據(jù)成型方法、物質性質、制品性能要求、價格以及燒結時塑化劑是否能排除及排除的溫度范圍來決定。第2章新型陶瓷三、傳統(tǒng)陶瓷的成型方法

1.塑性成型：拉（車、旋）坯，滾（塑）壓，注塑2.壓制成型3.注漿成型：手工（壓力、離心）注漿第2章新型陶瓷四、注塑成型

1.注塑成型（又稱凝膠鑄成型，Al2O3、Si3N4）將陶瓷粉料分散于含有有機單體的溶液中，制備成高固相體積分散的懸浮體（體積分數(shù)>50%）。然后注入一定形狀的模具中，通過大分子的原位網(wǎng)狀聚合，粉體顆粒聚集在一起，以使單體溶液成為負載陶瓷粉體的低黏度載體，通過交聯(lián)作用使?jié){料形成聚合物的凝膠。

2.特點：適用范圍廣、易于操作、成本低。注凝成型的工藝流程第2章新型陶瓷

影響注塑成型的主要因素催化劑、引發(fā)劑用量以及泥漿制備時的分散劑和pH值注塑成形工藝的關鍵制備低粘度,流動性好的高固相體積分數(shù)的漿料。注塑成型的缺點脫模工藝復雜,一般不適用于大尺寸的部件的成型。第2章新型陶瓷五、直接凝固注模成型1.直接凝固注模成型（DCC）：采用生物酶催化陶瓷漿料的化學反應，使?jié)沧⒌侥＞咧械母吖滔嗪俊⒌宛ざ鹊臐{料靠范德華引力產(chǎn)生原位凝固，凝固的陶瓷坯體有足夠的強度可以脫模。它適用于陶瓷異形部件的成型。第2章新型陶瓷五、直接凝固注模成型2.DCC的基本原理以受控的酶催化反應來調節(jié)陶瓷漿料的pH值以及增加電解質的濃度使雙電層的電位為零，從而使高固相含量的漿料注模前反應緩慢進行，漿料保持低黏度，注模后反應加快進行，漿料凝固，使流態(tài)的漿料轉變成固態(tài)的坯體。第2章新型陶瓷五、直接凝固注模成型3.DCC的工藝流程制備高固相含量、低黏度的漿料后加入酶，然后注模成型。關鍵之處：高固相含量漿料的制備和酶催化凝固反應的選擇和控制。第2章新型陶瓷

燒結是粉末冶金、陶瓷、耐火材料、超高溫材料等部門的一個重要工序。燒結的目的是把粉末狀物料轉變成致密體。2.5新型陶瓷的燒結第2章新型陶瓷陶瓷的燒結方法一般分成兩類：普通燒結、特種燒結特種燒結包括：熱壓燒結、熱等靜壓燒結、微波燒結、超高壓燒結、真空（加壓）燒結、氣氛燒結按傳質分類：固相燒結（只有固相傳質）液相燒結（出現(xiàn)液相）氣相燒結（蒸汽壓較高）

按壓力分類常壓燒結、壓力燒結

按氣氛分類普通燒結、氫氣燒結、真空燒結

2.5新型陶瓷的燒結第2章新型陶瓷一、熱致密化方法熱致密化方法包括：熱壓、熱等靜壓、熱擠壓和熱鑄造等，但在普通陶瓷生產(chǎn)中較少應用。該法價格昂貴，生產(chǎn)率又低；但對于性能要求高，十分難燒結的特種陶瓷卻是常用的方法。因為這種方法在高溫下施壓，有利于液相黏性和塑性流動，從而有利于致密化，可以獲得幾乎無孔隙的制品。1、熱壓熱壓（hotpressing,HP）燒結是在高溫下加壓促使坯體燒結的方法，既是一種使坯體燒結的方法，也是一種使坯體的成型和燒成同時完成的新工藝。熱壓燒結有兩種明顯的傳質過程，即晶界滑移和擠壓蠕變傳質。這兩種傳質過程在普通燒結過程中是基本不存在的。2.5新型陶瓷的燒結第2章新型陶瓷熱壓燒結的致密化過程可分成如圖所示的三個階段。（1）熱壓初期高溫下加壓后的最初十幾分鐘到幾十分鐘的時間。

特點密度迅速增大(50％～60％猛增到90％左右)，大部分氣孔消失。(坯體內出現(xiàn)壓力作用下的粉體重排，晶體滑移引起的局部碎裂或塑性流動傳質，將大型堆積間隙填充）這階段若溫度越高，壓力越大則密度增加越快。但隨著密度增加，粉粒接觸面加大，單位表面受到的作用力大為降低，晶界不易滑移而受到擠壓作用，轉而大量出現(xiàn)擠壓晶界，致密化的速度便減速慢下來。第2章新型陶瓷（2）熱壓中期特點密度的增加顯著減緩。主要的傳質推動力是壓力作用下的空格點擴散以及與此相伴隨的晶界中氣孔的消失。在擠壓初期，晶界之間的壓力差較大，因而空格點濃度差及擴散速度也較大，密度增加很快。但到擠壓后期，各處晶界壓力已趨平衡，這種蠕變式傳質已不明顯，致密化的速度大為降低。（溶解－沉淀）第2章新型陶瓷（3）熱壓后期特點外加壓力的作用已很不明顯，主要傳質推動力與普通燒結相似。由于這時作為推動力的表面曲率差與外加壓力無關，故晶界移動速度基本上與外加壓力無關。這時的外加壓力使晶粒貼得更緊，晶界更密實，更有利于質點越過晶界而進行再結晶。（擴散傳質）第2章新型陶瓷

陶瓷材料的熱壓，一般都是在專用的熱壓機中進行的。常用的熱壓機主要由加熱爐、加壓裝置、模具和測溫測壓設備四部分組成。如右圖所示。

第2章新型陶瓷

加熱爐一般以電作熱源，如果熱壓溫度要求較高（1500℃）時用鉬絲等作發(fā)熱元件，也可用導電的模具（石墨）直接加熱或采用高頻感應加熱。熱壓的加壓裝置要求加壓速度平緩，保壓恒定，壓力調節(jié)靈活。熱壓制度中溫度和壓力之間關系

相互制約的關系沒有一定的溫度，坯料就沒有熱塑性，而又不利于加壓；有了一定的溫度，如加壓不當也達不到應有的效果。在溫度、壓力與燒結時間三者之間，前兩者的作用較明顯。熱壓時，如果熱壓溫度較低，可以提高壓力。相反，如果溫度較高，則壓力可以降低。而具體熱壓制度的選擇取決于坯料的性能要求和熱壓設備等條件。第2章新型陶瓷

熱壓的優(yōu)點：（1）可降低坯體的成型壓力（2）熱壓可以顯著提高坯體的致密度（3）熱壓可以顯著降低燒成溫度和縮短燒成時間（4）熱壓可以有效地控制坯體的顯微結構（5）熱壓可以生產(chǎn)形狀比較復雜，尺寸比較精確的產(chǎn)品。（6）由于熱壓無需添加燒結助劑與成型添加劑，所以熱壓燒結能得到高純度的陶瓷制品。

熱壓燒結具有的特點第2章新型陶瓷熱壓的缺點過程及設備較為復雜，生產(chǎn)控制要求較嚴，模具材料要求高，電消耗大，在沒有實現(xiàn)自動化和連續(xù)熱壓以前，生產(chǎn)效率低，勞動力消耗大。熱壓燒結具有的特點第2章新型陶瓷

熱等靜壓（high-temperatureisostaticpressing,HIP）它利用常溫等靜壓工藝與常溫燒結相結合的新技術，解決了普通熱壓中缺乏橫向壓力和產(chǎn)品密度不夠均勻的問題，并可使陶瓷制品的致密度進一步提高。

HIP用原料粉末原料，預壓后的坯體

HIP用封套材料大部分采用在高溫下具有良好塑性而又能很好地傳遞壓力的材料。溫度較低時可用金屬箔，溫度較高則用玻璃、陶瓷纖維或高熔點金屬（如Mo、W、Ta）等。2熱等靜壓第2章新型陶瓷HIP工藝預壓的坯體→封套（坯體與封套之間常填入一層ZrO2或MgO等防黏墊粉）→抽氣（加熱一定溫度）（除去空氣、水分、成型用的添加劑和其他吸附物）→密封（玻璃封套）→升溫（玻璃的軟化溫度）→抽真空（使玻璃熔封）→升壓（軟化的玻璃封套就會填滿坯體周圍的所有空隙）→升溫→保壓→

降溫、降壓（冷卻過程玻璃封套由于不同的熱膨脹系數(shù)大部分會自行剝落，其余殘留部分可以由噴砂除去）

HIP具體的溫度、壓力和時間參數(shù)，應根據(jù)不同的材料、制品的大小及其性能要求而定。2熱等靜壓第2章新型陶瓷

圖7-33是HIP工藝原理示意圖，HIP設備主要包括：高壓容器、高壓供氣系統(tǒng)，加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及氣體回收系統(tǒng)。2熱等靜壓第2章新型陶瓷熱等靜壓燒結的特點：

1）燒成溫度較低（僅為熔點的50％～60％），時間較短，制品的性能均有顯著的提高（各向完全同性、幾乎完全致密的細晶粒陶瓷制品）（最大特點）。

2）可以直接以粉料制得各種形狀復雜和大尺寸的制品（目前可以生產(chǎn)最大直徑1.0m，高1.5m的大型產(chǎn)品）。

3）能精確控制制品的最終尺寸，制品只需很少的精加工甚至無需加工就能使用（這對硬度較高的及貴重、稀有材料有特別重要意義）。

4）在等靜壓過程中可將各種不同材料的部件黏合成為一個復雜的構件。

2熱等靜壓第2章新型陶瓷熱等靜壓的缺點設備和工藝控制較復雜，模具材料的選擇及封裝操作技術要求較高，投資較大，生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品成本高等。因此難以形成規(guī)模和自動化的生產(chǎn)。它主要用來研究和生產(chǎn)那些用傳統(tǒng)工藝所無法解決的新材料和產(chǎn)品。2熱等靜壓第2章新型陶瓷

根據(jù)原材料及制品性質的要求，熱壓燒結可以在空氣中進行，也可以在保護氣氛（如還原氣氛或惰性氣氛）或真空中進行。但這種方法的生產(chǎn)效率低，且模具的結構較復雜。

(1)真空燒結法不加機械壓力的真空燒結簡稱真空燒結法。主要用于燒結高溫陶瓷以及TiC的硬質合金、含鈷的金屬陶瓷等。這種燒結法是在專門的感應真空爐進行的。

3真空和真空熱壓燒結第2章新型陶瓷真空燒結法點：

1）避免O2、N2及填料成分對材料的污染，提高材料的性能。

2）真空燒結有利于坯體的排氣，可獲得高致密度的制品。

3）能更好地排除Si、Al、Mg、Ca等微量氧化物雜質，因為這些雜質在真空條件下易被還原或揮發(fā)掉。

4）經(jīng)真空燒結的陶瓷切削刀具易于焊接，它不必經(jīng)過特殊的表面處理就能用普通的焊接方法焊接。第2章新型陶瓷

(2)真空熱壓燒結法在真空中施加機械壓力的燒結方法稱為真空熱壓燒結法。特點這種燒結法不存在氣氛中的某些成分對材料的不良作用，有利于材料的排氣，因此能獲得致密度更高的制品。3真空和真空熱壓燒結第2章新型陶瓷

通過多孔坯體同氣相或液相發(fā)生化學反應，使坯體質量增加，孔隙減少，并燒結成具有一定強度和尺寸精度的成品的工藝。通過氣相的反應燒結陶瓷有反應燒結氮化硅和氮氧化硅Si2ON2。通過液相的反應燒結陶瓷有反應燒結碳化硅。1、反應燒結氮化硅和氮氧化硅反應燒結是將多孔硅壓坯在1400℃左右和燒結氣氛N2發(fā)生作用形成。由于是放熱反應，所以正確控制反應速度是十分重要的。如果反應速度過高，將會使坯體局部溫度超過硅的熔點。這樣，一方面將阻礙反應的進一步進行，另一方面是已反應的物料將形成粗大的晶粒。隨著反應的進行，氮氣擴散越來越困難，所以反應很難進行徹底，產(chǎn)品相對密度較低，一般只有90％。二反應燒結第2章新型陶瓷

影響反應燒結的因素原始密度，硅粉粒度和坯體厚度等。對于粗顆粒粉，氮氣的擴散通道少，擴散入硅顆粒中央內部需要時間長，因此，反應增重少，反應的厚度薄。坯體原始密度大也不利于反應。反應燒結Si2ON2

將Si、SiO2和CaF2

混合，壓成坯體，在高溫下Si與燒結氣氛N2發(fā)生反應，CaF2

、CaO、MgO等與SiO2形成玻璃相。氮溶解入熔融的玻璃中，Si2ON2晶體從被氮飽和的玻璃相中析出。反應燒結氮氧化硅的密度可大于90％。氮氧化硅對氯化物和氯氣的抗腐蝕性好，已用作電解池內襯，用于電解AlCl3制鋁，電解ZnCl2制鋅。二反應燒結第2章新型陶瓷2、反應燒結碳化硅

SiC-C多孔坯由液相硅浸漬而制成的。這是利用無定形碳-石墨在液相的或蒸汽態(tài)的硅在高溫下作用生成β-SiC，合成的β-SiC是極細微的粉粒結晶體。這種極細致的結晶，具有很大的驅動力，在高溫下，很快進行合體、燒結，特別是原來多孔坯中的SiC燒結連接。碳化硅的反應燒結爐如圖所示。二反應燒結第2章新型陶瓷反應燒結的特點：1）反應燒結時，質量增加。2）可以制造尺寸精確的制品（燒結坯體不收縮，尺寸不變）。3）反應燒結的物質遷移過程發(fā)生在長距離范圍內，反應速度取決于傳質和傳熱過程（普通燒結過程，物質遷移發(fā)生在顆粒之間，在顆粒尺度范圍內）。4）液相反應燒結工藝，在形式上，同粉末冶金中的熔浸法相類似，但是，熔浸法中的液相和固相不發(fā)生化學反應，也不發(fā)生相互溶解，或只允許有輕微的溶解度。二反應燒結第2章新型陶瓷

微波燒結是在微波爐中將預形件加熱，進行成型，進而燒結成制品。是近年來發(fā)展起來的新型燒結技術。盡管目前工藝尚未完善，但具有時間短、效率高、密度均勻、表面溫度低、可控內部溫度和含有揮發(fā)組分的陶瓷燒結時防止組份揮發(fā)等優(yōu)點。用于加熱的微波頻率在400MHz～40GHz。但用于工業(yè)、科技和醫(yī)療的微波頻率在各國均有限制在特定的波段。2.45GHz是目前商業(yè)微波爐的頻率。微波燒結最初用于高介電損失的材料，近年來采用微波接收板、高頻率使低吸收介質也可用微波燒結。三微波燒結第2章新型陶瓷

傳統(tǒng)的先進陶瓷材料如碳化硅（SiC）、氮化硅（Si3N4）等硅基陶瓷材料，采用無壓（PS）、熱壓（HP）或熱等靜壓（HIP）等方法燒結。由于Si-C和Si-N的共價特性和及低的擴散系數(shù)，從而導致高的燒結溫度和必須添加燒結助劑才能致密化。在致密化過程中，燒結助劑生成的第二相往往殘留在晶界處，從而使材料的力學性能和物理性能，尤其是高溫下的性能大為降低。1992年R.Riedel等人首先提出金屬有機前驅體低溫直接制備致密的硅基非氧化陶瓷工藝，它不需要添加任何燒結助劑而且在1000℃低溫下制成陶瓷部件或基體復合材料。四聚合物熱解直接制備技術第2章新型陶瓷聚硅氮烷難熔聚硅氮烷聚硅氮烷素坯無裂紋單體硅烷氮化合物

圖所示的為無裂紋單一的材料由聚亞甲基直接制備的工藝流程，其室溫機械強度為375MPa，而維氏硬度高于反應燒結，達9.5MPa，且在氬氣中可穩(wěn)定到1400℃，而在氮氣氛中可穩(wěn)定到1600℃。第2章新型陶瓷原位合成技術包括：

原位熱壓技術、XD技術、CVD技術、DIMOX技術、熔體浸漬技術、反應結合技術及自蔓延高溫合成（SHS）等。五原位合成技術第2章新型陶瓷2.6新型陶瓷的表面金屬化金屬化方法：

燒滲法（被銀法）

化學鍍法真空蒸發(fā)法1.陶瓷的表面處理2.銀電極漿料的制備3.涂覆工藝4.燒滲工藝結構陶瓷（工程陶瓷）空間技術、軍事技術、原子能、工業(yè)及化工設備等領域中的重要材料。工程陶瓷有許多種類，但目前世界上研究最多，認為最有發(fā)展前途的是氮化硅、碳化硅和增韌氧化物三類材料。透明陶瓷的主要成分有氧化鎂、氧化鈣、氟化鈣等。透明陶瓷不但能透過光線，還具有很高的機械強度和硬度。透明陶瓷是一種很好的透明防彈材料，還可以用來制造車床上的高速切削刀、噴氣發(fā)動機的零件等，甚至可以代替不銹鋼。

第2章新型陶瓷典型新型陶瓷

氮化硅高強度陶瓷以強度高著稱，可用于制造燃氣輪機的燃燒器、葉片、渦輪等。精密陶瓷氮化硅代替金屬制造發(fā)動機的耐熱部件，能大幅度提高工件溫度，從而提高熱效率，降低燃料消耗，節(jié)約能源，減少發(fā)動機的體積和重量，而且又代替了如鎳、鉻、鈉等重要金屬材料，所以，被人們認為是對發(fā)動機的一場革命。氮化硅可用多種方法制備，工業(yè)上普遍采用高純硅與純氮在1600K反應后獲得：

3Si＋2N2

＝Si3N4（1600K）也可用化學氣相沉積法，使SiCl4和N2在H2氣氛保護下反應，產(chǎn)物Si3N4積在石墨基體上，形成一層致密的Si3N4層。此法得到的氮化硅純度較高，其反應如下：

SiCl4＋2N2＋6H2→Si3N4＋12HCl氮化硅、碳化硅等新型陶瓷還可用來制造發(fā)動機的葉片、切削刀具、機械密封件、軸承、火箭噴嘴、爐子管道等，具有非常廣泛的用途。第2章新型陶瓷典型新型陶瓷高壓鈉燈氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷（人造剛玉）主要特性①高熔點；②高硬度；③可制成透明陶瓷；④無毒、不溶于水，強度高；⑤對人體有較好的適應性

主要用途高級耐火材料，剛玉球磨機；高壓鈉燈的燈管、人造骨、人造牙、人造心瓣膜、人造關節(jié)等Al2O3化工、耐磨陶瓷配件Al2O3密封、氣動陶瓷配件根據(jù)Al2O3含量不同分為75瓷(含75%Al2O3，又稱剛玉-莫來石瓷)、95瓷和99瓷，后兩者又稱剛玉瓷。氧化鋁陶瓷耐高溫性能好，可使用到1950℃,。具有良好的電絕緣性能及耐磨性。微晶剛玉的硬度極高(僅次于金剛石).

95瓷紡織件99瓷紡織件氧化鋁耐高溫噴嘴氧化鋁陶瓷轉心球閥氧化鋁陶瓷密封環(huán)氧化鋁陶瓷坩堝氧化鋁陶瓷被廣泛用作耐火材料，如耐火磚、坩堝、熱偶套管，淬火鋼的切削刀具、金屬拔絲模，內燃機的火花塞，火箭、導彈的導流罩及軸承等。

氧化鋯陶瓷ZrO2氧化鋯單相陶瓷ZrO2陶瓷耐火件部分穩(wěn)定氧化鋯的導熱率低，絕熱性好；熱膨脹系數(shù)大，接近于發(fā)動機中使用的金屬，抗彎強度與斷裂韌性高，除在常溫下使用外，已成為絕熱柴油機的主要侯選材料，如發(fā)動機汽缸內襯、推桿、活塞帽、閥座、凸輪、軸承等。部分穩(wěn)定氧化鋯制品氧化鋯制品氧化鋯油泵氧化柱塞氧化鋯拉線輪氧化鋯球閥部分穩(wěn)定氧化鋯噴涂層增韌氧化鋯導輪芯軸氮化硅（Si3N4）陶瓷Si3N4軸承氮化硅陶瓷主要特性①超硬度，耐磨損；②抗腐蝕，高溫時也抗氧化；③抗冷熱沖擊而不碎裂；④耐高溫且不易傳熱；⑤本身具有潤滑性

主要用途制造軸承、汽輪機葉片、機械密封環(huán)、永久性模具等機械構件。用于制造柴油機中發(fā)動機部件的受熱面等汽輪機轉子葉片氣閥等零件陶瓷軸承陶瓷機械零件碳化硅（SiC）陶瓷常壓燒結碳化硅SiC密封件碳化硅陶瓷用于制造火箭噴嘴、澆注金屬的喉管、熱電偶套管、爐管、燃氣輪機葉片及軸承，泵的密封圈、拉絲成型模具等。

SiC陶瓷件SiC陶瓷件SiC軸承第2章新型陶瓷功能陶瓷根據(jù)陶瓷電學性質的差異可制成導電陶瓷、半導體陶瓷、介電陶瓷、絕緣陶瓷等電子材料，用于制作電容器、電阻器、電子工業(yè)中的高溫高頻器件，變壓器等形形色色的電子零件。利用陶瓷的光學性能可制造固體激光材料、光導纖功能維、光儲存材料及各種陶瓷傳感器。功能陶瓷還用作壓電材料(敏感陶瓷)、磁性材料、基底材料等。總之，新型陶瓷材料幾乎遍及現(xiàn)代科技的每一個領域，應用前景十分廣闊。

第3章人工晶體3.1人工晶體的發(fā)展史天然晶體如鉆石、紅寶石、藍寶石、綠寶石等等。人工晶體如單晶硅、偏硼酸鋇、三硼酸鋰等等。3.1.1人工晶體的應用3.1.2新型人工晶體薄膜晶體光子晶體微米晶和納米晶智能晶體一、晶體與非晶質體世界上的固態(tài)物質包括兩類：晶體與非晶質體（一）晶體晶體——具有內部格子構造的固體。格子構造——內部質點（原子、離子或分子）作規(guī)律排列，并構成一定的幾何圖形紅寶石（一）、晶體分類1）天然晶體（naturalcrystal）

——礦物礦物：天然產(chǎn)出的，具有一定化學組成和晶體結構的單質或化合物。金剛石長石金剛石黃鐵礦水晶電氣石礦物常具一定的外部晶體形態(tài)人造晶體——無天然對應物的人工晶體人造鈦酸鍶，銥鋁榴石（YAG），釓鎵榴石（GGG）YAGYAG但并非所有晶體都具有外部晶形受生長環(huán)境所限制，可形成不規(guī)則他形赤鐵礦芙蓉石2）人工晶體（syntheticcrystal）

——人工合成或人造的晶體合成鉆石合成藍寶石和尖晶石合成晶體——有天然對應物的人工晶體。合成紅寶石、合成藍寶石、合成水晶

2、中級晶族四方晶系、三方晶系、六方晶系

a0=b0≠c0鋯石（四方）碧璽（三方）綠柱石（六方）1、高級晶族等軸晶系a0=b0=c03、低級晶族斜方晶系、單斜晶系、三斜晶系a0≠b0≠c0黃玉（斜方）透輝石（單斜）長石（三斜）第3章人工晶體3.2人工晶體的分類按化學分無機晶體和有機晶體。按生長方法分水溶性晶體和高溫晶體。形態(tài)（維度）分類分體塊晶體3.1.1人工晶體的應用3.1.2新型人工晶體薄膜晶體光子晶體微米晶和納米晶智能晶體高壓鈉燈氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷（人造剛玉）主要特性①高熔點；②高硬度；③可制成透明陶瓷；④無毒、不溶于水，強度高；⑤對人體有較好的適應性

主要用途高級耐火材料，剛玉球磨機；高壓鈉燈的燈管、人造骨、人造牙、人造心瓣膜、人造關節(jié)等第2章新型陶瓷氧化鋁陶瓷的結構與性能

氧化鋁陶瓷是指主相為剛玉(α–Al2O3)陶瓷材料。剛玉具有最穩(wěn)定的六方晶系結構。從顯微結構來看，氧化鋁陶瓷主要是由取向各異的氧化鋁晶粒集合而成的多晶集合體。由氧化鋁陶瓷主晶相α–Al2O3的結構決定，其表面有優(yōu)良的親水性。氧化鋁結晶中的氧離子排列在晶體的晶格中，結晶表面電場使極化作用局限在晶格的表面，水分子的偶極子被牢固地吸引在結晶表面的電場中，在氧化鋁的表面形成一層穩(wěn)定的水分子膜，從而使氧化鋁有親水性，與生物體有優(yōu)良的親和性。制成的人工關節(jié)摩擦系數(shù)較低。第2章新型陶瓷

氧化鋁陶瓷的硬度高于金屬，為金屬的5～10倍。在所有的材料中，它的硬度僅次于金剛石、碳化硼、立方氮化硅、碳化硅居于第五。楊氏模量為金屬的2倍以上，故氧化鋁陶瓷受外力不易變形，抗壓強度高，與金屬相比，易于加工成球形。多晶氧化鋁陶瓷的制備制備高純氧化鋁陶瓷的原料主要是鋁礬土和天然剛玉。先制得γ－Al2O3

粉末，在1300℃下煅燒成α–Al2O3粉，經(jīng)成型，1600～1700℃下燒結生成細粒多晶α–Al2O3陶瓷。燒結時加入少量MgO（<0.5%）以抑制晶粒生長。二、新型結構陶瓷⑴

氧化鋁陶瓷

氧化鋁陶瓷以Al2O3為主要成分,含有少量SiO2的陶瓷，又稱高鋁陶瓷。Al2O3化工、耐磨陶瓷配件Al2O3密封、氣動陶瓷配件單相Al2O3陶瓷組織根據(jù)Al2O3含量不同分為75瓷(含75%Al2O3，又稱剛玉-莫來石瓷)、95瓷和99瓷，后兩者又稱剛玉瓷。氧化鋁陶瓷耐高溫性能好，可使用到1950℃,。具有良好的電絕緣性能及耐磨性。微晶剛玉的硬度極高(僅次于金剛石).

95瓷紡織件99瓷紡織件氧化鋁耐高溫噴嘴氧化鋁陶瓷轉心球閥氧化鋁陶瓷密封環(huán)氧化鋁陶瓷坩堝氧化鋁陶瓷被廣泛用作耐火材料，如耐火磚、坩堝、熱偶套管，淬火鋼的切削刀具、金屬拔絲模，內燃機的火花塞，火箭、導彈的導流罩及軸承等。

⑷氧化鋯陶瓷氧化鋯的晶型轉變：立方相?四方相?單斜相。四方相轉變?yōu)閱涡毕喾浅Ｑ杆伲鸷艽蟮捏w積變化，易使制品開裂。ZrO2氧化鋯單相陶瓷在氧化鋯中加入某些氧化物(如CaO、MgO、Y2O3等)能形成穩(wěn)定立方固溶體，不再發(fā)生相變，具有這種結構的氧化鋯稱為完全穩(wěn)定氧化鋯(FSZ)，其力學性能低，抗熱沖擊性差。ZrO2陶瓷耐火件減少加入的氧化物數(shù)量，使部分氧化物以四方相的形式存在。由于這種材料只使一部分氧化鋯穩(wěn)定，所以稱部分穩(wěn)定氧化鋯(PSZ)。

氧化鋯中四方相向單斜相的轉變可通過應力誘發(fā)產(chǎn)生。當受到外力作用時，這種相變將吸收能量而使裂紋尖端的應力場松弛，增加裂紋擴展阻力，從而大幅度提高陶瓷材料的韌性。部分穩(wěn)定氧化鋯組織部分穩(wěn)定氧化鋯的導熱率低，絕熱性好；熱膨脹系數(shù)大，接近于發(fā)動機中使用的金屬，抗彎強度與斷裂韌性高，除在常溫下使用外，已成為絕熱柴油機的主要侯選材料，如發(fā)動機汽缸內襯、推桿、活塞帽、閥座、凸輪、軸承等。部分穩(wěn)定氧化鋯制品氧化鋯制品氧化鋯油泵氧化柱塞氧化鋯拉線輪氧化鋯球閥部分穩(wěn)定氧化鋯噴涂層增韌氧化鋯導輪芯軸⑵氮化硅（Si3N4）陶瓷氮化硅是由Si3N4四面體組成的共價鍵固體。①氮化硅的制備與燒結工藝工業(yè)硅直接氮化：3Si+2N2→Si3N4二氧化硅還原氮化：3SiO2+6C+2N2→Si3N4+6CO燒結工藝優(yōu)點缺點反應燒結燒結時幾乎沒有收縮，能得到復雜的形狀密度低，強度低，耐蝕性差熱壓燒結用較少的助劑就能致密化，強度、耐蝕性最好只能制造簡單形狀，燒結助劑使高溫強度降低③性能特點及應用氮化硅的強度、比強度、比模量高；硬度僅次于金剛石、碳化硼等；摩擦系數(shù)僅為0.1~0.2；熱膨脹系數(shù)?。豢篃嵴鹦源蟠蟾哂谄渌沾刹牧?；化學穩(wěn)定性高。熱壓燒結氮化硅用于形狀簡單、精度要求不高的零件，如切削刀具、高溫軸承等。Si3N4軸承反應燒結氮化硅用于形狀復雜、尺寸精度要求高的零件，如機械密封環(huán)等。汽輪機轉子葉片氣閥等零件氮化硅陶瓷主要特性①超硬度，耐磨損；②抗腐蝕，高溫時也抗氧化；③抗冷熱沖擊而不碎裂；④耐高溫且不易傳熱；⑤本身具有潤滑性

主要用途制造軸承、汽輪機葉片、機械密封環(huán)、永久性模具等機械構件。用于制造柴油機中發(fā)動機部件的受熱面等陶瓷軸承陶瓷機械零件⑶碳化硅（SiC）陶瓷碳化硅是通過鍵能很高的共價鍵結合的晶體。碳化硅是用石英沙(SiO2)加焦碳直接加熱至高溫還原而成：SiO2+3C→SiC+2CO。碳化硅的燒結工藝也有熱壓和反應燒結兩種。由于碳化硅表面有一層薄氧化膜，因此很難燒結，需添加燒結助劑促進燒結，常加的助劑有硼、碳、鋁等。常壓燒結碳化硅碳化硅的最大特點是高溫強度高，有很好的耐磨損、耐腐蝕、抗蠕變性能，其熱傳導能力很強，僅次于氧化鈹陶瓷。SiC密封件碳化硅陶瓷用于制造火箭噴嘴、澆注金屬的喉管、熱電偶套管、爐管、燃氣輪機葉片及軸承，泵的密封圈、拉絲成型模具等。

SiC陶瓷件SiC陶瓷件SiC軸承

一般陶瓷是不透明的，但是光學陶瓷像玻璃一樣透明，故稱透明陶瓷。一般陶瓷不透明的原因是其內部存在有雜質和氣孔，前者能吸收光，后者令光產(chǎn)生散射，所以就不透明了。因此如果選用高純原料，并通過工藝手段排除氣孔就可能獲得透明陶瓷。早期就是采用這樣的辦法得到透明的氧化鋁陶瓷，后來陸續(xù)研究出如燒結白剛玉、氧化鎂、氧化鈹、氧化釔、氧化釔-二氧化鋯等多種氧化物系列透明陶瓷。近期又研制出非氧化物透明陶瓷，如砷化鎵、硫化鋅、硒化鋅、氟化鎂、氟化鈣等。

透明陶瓷

這些透明陶瓷不僅有優(yōu)異的光學性能，而且耐高溫，一般它們的熔點都在2000℃以上。如氧化釷-氧化釔透明陶瓷的熔點高達3100℃，比普通硼酸鹽玻璃高1500℃。透明陶瓷的重要用途是制造高壓鈉燈，它的發(fā)光效率比高壓汞燈提高一倍，使用壽命達2萬小時，是使用壽命最長的高效電光源。高壓鈉燈的工作穩(wěn)定高達1200℃，壓力大、腐蝕性強，選用氧化鋁透明陶瓷為材料成功地制造出高壓鈉燈。透明陶瓷的透明度、強度、硬度都高于普通玻璃，它們耐磨損、耐劃傷，用透明陶瓷可以制造防彈汽車的窗、坦克的觀察窗、轟炸機的轟炸瞄準器和高級防護眼鏡等。

透明陶瓷

透明陶瓷的制造是有意識地在玻璃原料中加入一些微量的金屬或者化合物（如金、銀、銅、鉑、二氧化鈦等）作為結晶的核心，在玻璃熔煉、成型之后，再用短波射線（如紫外線、X射線等）進行照射，或者進行熱處理，使玻璃中的結晶核心活躍起來，彼此聚結在一起，發(fā)育成長，形成許多微小的結晶，這樣，就制造出了玻璃陶瓷。用短波射線照射產(chǎn)生結晶的玻璃陶瓷，稱為光敏型玻璃陶瓷，用熱處理辦法產(chǎn)生結晶的玻璃陶瓷，稱為熱敏型玻璃陶瓷。

透明陶瓷

透明陶瓷的機械強度和硬度都很高，能耐受很高的溫度，即使在一千度的高溫下也不會軟化、變形、析晶。電絕緣性能、化學穩(wěn)定性都很高。光敏型玻璃陶瓷還有一個很有趣的性能，就是它能象照相底片一樣感光，由于這種透明陶瓷有這樣的感光性能，故又稱它為感光玻璃。并且它的抗化學腐蝕的性能也很好，可經(jīng)受放射性物質的強烈輻射。它不但可以象玻璃那樣透過光線，而且還可以透過波長10微米以上的紅外線，因此，可用來制造立體工業(yè)電視的觀察鏡，防核爆炸閃光危害的眼鏡，新型光源高壓鈉燈的放電管。

透明陶瓷

透明陶瓷的用途十分廣泛，在機械工業(yè)上可以用來制造車床上的高速切削刀，汽輪機葉片，水泵，噴氣發(fā)動機的零件等，在化學工業(yè)上可以用作高溫耐腐蝕材料以代替不銹鋼等，在國防軍事上，透明陶瓷又是一種很好的透明防彈材料，還可以做成導彈等飛行器頭部的雷達天線罩和紅外線整流罩等；在儀表工業(yè)上可用作高硬度材料以代替寶石，在電子工業(yè)上可以用來制造印刷線路的基板和鏤板，在日用生活中可以用來制作各種器皿，瓶罐，餐具等等?？傊?，透明陶瓷幾乎在許多現(xiàn)代科學技術領域和日常生活中都有用武之地，其品種之多，本領之高，用途之廣泛，真不愧為陶瓷工業(yè)中的一顆透明瑩亮的明珠。

透明陶瓷Al2O3粉末的燒結組織ZrO2陶瓷中的氣孔請同學們猜一猜玻璃平板玻璃自清潔玻璃中空玻璃藝術玻璃玻璃防火玻璃鍍膜玻璃透紅外玻璃光學玻璃

d.金屬陶瓷金屬陶瓷是由金屬和陶瓷性非金屬組成的燒結材料。廣義的金屬陶瓷包括難熔化合物合金、硬質合金、彌散型核燃料元件和控制棒材料、金屬粘結的金剛石工具材料等。狹義的金屬陶瓷是指難熔化合物鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鉻、鎢、鉬等和碳、硼、氮、硅等形成的化合物與金屬的燒結材料。

第2章新型陶瓷

金屬陶瓷既有陶瓷材料特有的耐高溫、耐腐蝕等特性，又具有金屬所有的韌性、耐沖擊性和易加工性能，所以廣泛被用來制作工件的耐磨、耐蝕、耐高溫表層，還可用作一些特殊用途。例如，用高溫燒結的多層多孔的碳化鈦，由于在高溫燒結過程其表面形成了氧化鈦膜，使其耐高溫的熔點溫度高達3000攝氏度，因此可作為耐高溫材料以及用來制作過濾器和光催化材料；高分子聚合金屬陶瓷的應用涉及船舶、海洋工程、石油、化工、冶金、機械、電力、水利、礦山、航空以及軍事裝備等領域；TiN、TiC金屬陶瓷刀具具有優(yōu)良的力學性能，是一種高技術含量和高附加值的刀具。第2章新型陶瓷第2章新型陶瓷b功能陶瓷：以聲、光、電、磁、熱等物理性能為特征的材料。如：集成電路封裝材料（Al2O3）、敏感陶瓷（熱敏、氣敏、濕敏、壓敏、色敏等），生物陶瓷。電容器陶瓷作為云母電容器代用品的陶瓷電容器已經(jīng)成為使用最多的電容器。世界每年生產(chǎn)的陶瓷電容器在500億只以上，超過電容器總產(chǎn)量的一半，并且還在以每年15％的速度增長。約占先進陶瓷市場容量的70％～80％.c納米陶瓷：陶瓷發(fā)展的一大飛躍，預期在本世紀初，陶瓷科學將在這一方面取得重大突破第3章人工晶體3.1人工晶體的發(fā)展簡史晶體的分類天然晶體鉆石、紅寶石、藍寶石、綠寶石等人工晶體人工水晶、人工紅寶石、單晶硅、偏硼酸鋇(BBO)、三硼酸鋰(LBO)

、鍺酸鉍(BGO)磷酸氧鈦鉀(KTP)等Hello！天然晶體與人工晶體3.1.1從天然晶體到人工晶體天然晶體人工晶體第一塊人工晶體人工水晶水熱法19世紀中葉到20世紀初第3章3.1人工晶體的發(fā)展簡史第3章3.1人工晶體的發(fā)展簡史20世紀初，維爾納葉發(fā)明焰熔法生長紅寶石，并很快投入工業(yè)生產(chǎn)。到20世紀30年代對晶體的各種生長方式進行了許多研究。許多重要的生長方法如熔體生長方法研究成功。如查克拉斯基的熔體提拉法(1918)，布列奇曼的坩堝下降法(1923)，斯托勃的溫梯法(1925)，基洛普羅斯的泡生法(1926)等。第3章3.1人工晶體的發(fā)展簡史20世紀50年代最突出的進展：將熔體提拉法和區(qū)熔法用來制備并提純出鍺和硅單晶。

1955年高壓合成金剛石獲得成功

1960年在紅寶石晶體上首次實現(xiàn)了光的受激發(fā)射，激光的出現(xiàn)和應用推動了人工晶體的發(fā)展。此后，許多自然界沒有的激光晶體、非線性光學晶體以及裝飾寶石晶體先后被合成，其中有些已得到廣泛應用。第3章3.1人工晶體的發(fā)展簡史

3.1.2從電子材料到光電子材料

20世紀，人工晶體主要作為電子材料,并逐步向光電子材料和光子材料發(fā)展。最重要的硅單晶（集成電路襯底材料）。

RF半導體：GaAs、AlP及多元固溶體AIGaAs。

RF半導體主要指用于制作高頻電子器件(模擬數(shù)字轉換器、振蕩器，低噪聲放大器、發(fā)射器、接受器等的化合物半導體。

第3章3.1人工晶體的發(fā)展簡史

3.1.2從電子材料到光電子材料光通信技術需要大量光網(wǎng)絡元器件，而這些光學元件的制作都離不開光電子材料和光子材料，其中大部分是人工晶體。在光纖通信系統(tǒng)中用得最多、作為光調制器和光波導的非線性光學材料是鈮酸鋰(LiNbO3)晶體。高質量鈮酸鋰晶片作為光子器件襯底(光芯片)是未來的集成光路大量需要的，預計人工晶體在未來的光子材料中仍將起著重要作用。第3章3.1人工晶體的發(fā)展簡史3.1.3面向21世紀的人工晶體

體塊單晶的生長仍是晶體生長的基礎，但對尺寸和質量要求越來越高。硅單晶即是一個突出例子。

1.薄膜晶體的制備向材料和器件一體化方向發(fā)展

薄膜晶體是人工晶體的重要發(fā)展方向。在同質或異質襯底單晶上外延則是生長薄膜晶體的主要手段。各種功能薄膜，如磁性薄膜、超導薄膜、鐵電薄膜、液晶，薄膜晶體管和金剛石薄膜等不斷涌現(xiàn)。

2.人工周期微結構與光子晶體第3章3.1人工晶體的發(fā)展簡史3.1.3面向21世紀的人工晶體

2.人工周期微結構與光子晶體半導體超晶格(納米超晶格)，介電晶體的微米超晶格光子晶體

3.微米晶和納米晶

4.智能晶體智能材料一般是指對環(huán)境可感知并作出響應的材料，這種材料具有傳感和執(zhí)行功能，要求材料具有生物所賦予的高級功能，如預知與預告能力、自修復能力、認識與鑒別能力、刺激響應與環(huán)境應變能力等，所以智能材料是最高級的功能材料。

第3章3.2人工晶體的分類3.2人工晶體的分類

1.按化學分類:

無機晶體和有機晶體(包括有機-無機復合晶體)；

2.按生長方法分類：

水溶性晶體和高溫晶體；

3.按形態(tài)(或維度)分類：

體塊晶體、薄膜晶體、超薄層晶體和纖維晶體等；

4.按物理性質(功能)分類:

半導體晶體、激光晶體、非線性光學晶體、光折變晶體、電光晶體、磁光晶體，聲光晶體、閃爍晶體等。第3章3.2人工晶體的分類3.2人工晶體的分類

第3章3.3人工晶體的形成原理

3.3人工晶體的形成原理晶體的形成分為成核和晶體生長兩個階段。晶體生長又包含兩個基本過程，即界面過程和輸運過程。

3.3

.

1相變過程和結晶動力學從化學平衡的觀點出發(fā)，晶體形成可看成下列類型的復相化學反應:

第3章3.3人工晶體的形成原理

即晶體的形成過程是物質由其他聚集態(tài)即氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)(包括非晶態(tài)和其他晶相)向特定晶態(tài)轉變的過程，形成晶體的過程實質上是控制相變的過程。

單組分結晶過程如果晶體的形成過程發(fā)生在單組分體系中則稱為單組分結晶過程。多組分結晶

如果在體系中除了要形成的晶體的組分外，還有一個或幾個其他組分，則把該相變的過程稱為多組分結晶。注意：形成晶體的動態(tài)過程實際上不可能在平衡狀態(tài)下進行，但是有關平衡狀態(tài)下的熱力學知識對于了解晶體的形成情況是十分有用的。

第3章3.3人工晶體的形成原理

1.氣相生長

第3章3.3人工晶體的形成原理

1.氣相生長

結論:

氣相生長的驅動力為過飽和度，（體系蒸氣壓）過飽和度越大結晶的驅動力越大。第3章3.3人工晶體的形成原理

2.

熔體生長

△G=△H-△S

在固液平衡時

△G=△H-Te△S=0△H=Te△S

當溫度為非平衡溫度時

△G=△H（Te–T）/Te

對于結晶過程，△H＜0，故只有Te–T＞0，△G＜0

結論:

熔體生長的驅動力為過冷度，體系過冷度越大結晶的驅動力越大。第3章3.3人工晶體的形成原理

2.

溶液生長

△G=-RTLnα=-RTLn（1+σ）≈-RTσα=[C]/[Ce]（過飽和比）

σ=[C]-[Ce]/[Ce]（過飽和度）對于結晶過程，只要σ＞0，即[C]＞[Ce]，則△G＜0

結論:

溶液生長的驅動力為過飽和度，體系過飽和度越大結晶的驅動力越大。第3章3.3人工晶體的形成原理

總結:

若使結晶過程能自發(fā)進行，必須使體系處于過飽和（或過冷），這樣才能獲得相變驅動力。第3章3.3人工晶體的形成原理

3.3.2成核機理要使結晶過程發(fā)生除了要求體系處于過飽和或過冷狀態(tài)，以獲得結晶驅動力外，還要求體系中某些局部區(qū)域內，首先形成新相(晶相)的核，這樣體系中將出現(xiàn)兩相界面。然后依靠相界面逐步向舊相區(qū)域內推移而使新相不斷長大。

成核過程的定義新相區(qū)域的形成和長大過程稱為成核過程，

成核過程分為：均勻成核和非均勻成核。

第3章3.3人工晶體的形成原理

1.均勻成核

（１）均勻成核在沒有外來物參與下，與相界、結構缺陷等無關的成核過程。（２）特點在一個體系中各個地方成核的概率均相等。（3）體系自由能的變化

△G=4/3πＲ３△Gv＋４πＲ２σ

當△

G為極大值時，Ｒ=Ｒc（臨界核半徑）

結論：

Ｒ＜Ｒc晶胚趨于消失Ｒ＞Ｒc晶核長大過飽和（或過冷）度愈大，Ｒc愈?。?）成核速率

J=Aexp[-16πσ3Ω2/3k3T3（Lnα）2]

第3章3.3人工晶體的形成原理

2.非均勻成核（１）非均勻成核依靠相界、晶界、基質的結構缺陷等而成核的過程。

相界：容器壁、氣泡、雜質等與基質之間的界面，表面（２）特點在一個體系中各個地方成核的概率不等。（3）體系自由能的變化

△Gsc=△Gcf（θ）

f（θ）=（2-3cosθ+cos3θ）/4

結論

非均勻成核勢壘小于均勻成核勢壘。

第3章3.3人工晶體的形成原理

3.3.3晶體生長的界面過程晶體生長都是在晶體和環(huán)境相的界面上進行的。界面過程是晶體生長最重要的基本過程，也是晶體生長理論的核心。晶體生長的界面過程是指生長基元在生長界面上通過一定機制進入晶體的過程。通常把生長速度和驅動力間的函數(shù)關系稱為生長動力學規(guī)律，而生長動力學規(guī)律取決于生長機制(生長模型)，而后者又是與界面結構密切相關的。第3章3.3人工晶體的形成原理

濃厚環(huán)境相中晶體生長法向生長，界面則是(原子級)粗糙的高能面。

稀薄環(huán)境相中晶體生長