陶瓷材料的應(yīng)用全解ppt課件

1、一)、材料分類,材料是多種多樣的，分類方法也并沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。 按主要的使用性能分類，可以把材料分為: 結(jié)構(gòu)材料以力學(xué)性能為基礎(chǔ)，用以制 造以受力為主的構(gòu)件。 功能材料以材料獨(dú)特的物理性能、化學(xué) 性能等為基礎(chǔ)而形成的一類材 料,金屬材料 無機(jī)非金屬材料 高分子材料 復(fù)合材料,從物理化學(xué)屬性來分，可分為,陶瓷材料是除金屬和高聚物以外的無機(jī)非金屬材料通稱。 工業(yè)上應(yīng)用的典型的傳統(tǒng)陶瓷產(chǎn)品如陶瓷器、玻璃、水泥等。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，出現(xiàn)了許多性能優(yōu)良的新型陶瓷,二、陶瓷材料的發(fā)展歷程,陶瓷是最古老的一種材料，是人類征服自然 中獲得的第一種經(jīng)化學(xué)變化而制成的產(chǎn)品。 它的發(fā)展經(jīng)歷了從簡單復(fù)雜，從粗糙

2、精 細(xì)，從無釉施釉，從低溫高溫的過程,三、傳統(tǒng)陶瓷與先進(jìn)陶瓷,傳統(tǒng)陶瓷 其原料主要是石英、長石和粘土等自然界中存在的礦物，歸屬于硅酸鹽類材料； 先進(jìn)陶瓷 其原料一般經(jīng)一系列人工合成或提煉處理過的化工原料，超出了傳統(tǒng)陶瓷的概念和范疇，是高新技術(shù)的產(chǎn)物,先進(jìn)陶瓷,普通陶瓷,普通陶瓷與先進(jìn)陶瓷的主要區(qū)別,四、陶瓷材料的特點(diǎn),陶瓷材料通常由三種不同的相組成: 晶相、玻璃相和氣相,1. 陶瓷材料的相組成,晶相是陶瓷材料中主要的組成相，決定陶瓷材料物理化學(xué)性質(zhì)的主要是晶相; 玻璃相的作用是充填晶粒間隙、粘結(jié)晶粒、提高材料致密度、降低燒結(jié)溫度和控制晶粒的生長； 氣相是在工藝過程中形成并保留下來的。先進(jìn)陶瓷材

3、料中的殘留氣孔難以避免,2、陶瓷材料的結(jié)合鍵特點(diǎn) 陶瓷材料的主要成分是氧化物(ZrO2等)、碳化物(SiC等)、氮化物(BN等)、硅化物(MoSi2)等，因而其結(jié)合鍵以離子鍵(如Al2O3)、共價鍵(如Si3N4)及兩者的混合鍵為主,高硬度優(yōu)異的耐磨性 高熔點(diǎn)杰出的耐熱性 高的化學(xué)穩(wěn)定性良好的耐蝕性 高的強(qiáng)度 良好的物理性能(電、磁、聲、光、熱等） 脆性大、塑韌性低,3. 陶瓷材料的性能特點(diǎn),4、陶瓷材料的工藝特點(diǎn) 陶瓷是脆性材料，大部分陶瓷是通過粉體成型和高溫?zé)Y(jié)來成形的，因此陶瓷是燒結(jié)體。 燒結(jié)體也是晶粒的聚集體，有晶粒和晶界，所存在的問題是其存在一定的氣孔率,晶體結(jié)構(gòu)： 顯微結(jié)構(gòu),5.陶

4、瓷材料與金屬材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)比較,五、陶瓷材料的分類,1. 按化學(xué)成分分類： 氧化物陶瓷: Al2O3, ZrO2, SiO2. 碳化物陶瓷: SiC, WC, TiC. 氮化物陶瓷: Si3N4, BN, AlN. 硼化物陶瓷: TiB2, ZrB2,2. 按使用的原材料分類,可將陶瓷材料分為普通陶瓷和特種陶瓷。 普通陶瓷以天然的巖石、礦石、黏土等材料作 原料。 特種陶瓷采用人工合成的材料作原料,3. 按性能和用途分類： 結(jié)構(gòu)陶瓷 功能陶瓷 結(jié)構(gòu)/功能一體化陶瓷材料 對力學(xué)和物理性能均有要求,a.主要用于制造結(jié)構(gòu)零部件； b.力學(xué)性能要求:強(qiáng)度、韌性、硬度、模量、耐磨性及高 溫性能等,陶瓷球閥

5、,透明陶瓷燈,功能陶瓷,電子陶瓷：如絕緣陶瓷、介電陶瓷、鐵電陶瓷、壓電陶瓷、磁性陶瓷、導(dǎo)電陶瓷、超導(dǎo)陶瓷等； 熱學(xué)陶瓷：如耐熱陶瓷、隔熱陶瓷、導(dǎo)熱陶瓷等； 光學(xué)陶瓷：如透明陶瓷、紅外輻射陶瓷、發(fā)光陶瓷等； 生物陶瓷：如生物活性陶瓷、醫(yī)用陶瓷等,按特性分類，功能陶瓷可分為,稀土發(fā)光陶瓷,六 陶瓷材料的制備工藝簡介,陶瓷燒結(jié)爐,粉體制備是指將各種原料通過物理機(jī)械或化學(xué)方法，制成所需的粉體,1、粉體制備,物理粉碎法,物料粉碎法分為：機(jī)械粉碎和氣流粉碎,機(jī)械粉碎,優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備成本低，過程簡單，易操作。 缺點(diǎn)：雜質(zhì)多，粉體粒度一般在1m以上,氣體粉碎,優(yōu)點(diǎn)：高純度、粒度可控，均勻性好，顆粒微細(xì)； 缺點(diǎn)：過

6、程復(fù)雜，不易操作,通過從固相到固相的化學(xué)反應(yīng)，來制備粉體。 熱分解反應(yīng)法：A(s)B(s)十C(g) 化合反應(yīng)法： A(s)+B(s)C(s)+D(g) 氧化還原法或還原碳化、還原氮化 如：3SiO2+6C+2N2 Si3N4+6CO,化學(xué)合成法一：固相法,化學(xué)合成法包括：固相法、液相法和氣相法,化學(xué)合成法,以均相的溶液為出發(fā)點(diǎn)，通過各種方法使溶質(zhì)與溶劑分離，溶質(zhì)形成一定大小和形狀的顆粒，得到所需粉末的前軀體，熱解后得到粉體。以ZrO2陶瓷粉體為例,ZrSiO4+NaOHZrO2+Na2SiO3,1）水熱法,化學(xué)合成法二：液相法,2）水解法,3）噴霧法,直接利用氣體或通過某種手段將物質(zhì)變?yōu)闅怏w

7、，使之在氣體狀態(tài)下發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，最后在冷卻過程中凝聚長大形成納米微粒,化學(xué)氣相沉積法,化學(xué)合成法三：氣相法,2、胚體成型,注漿成型 模壓成型 等靜壓成型 流延成型 擠壓成型 注射成型 其它,胚體成型方法,對注漿成型所用的漿料，必須具 備以下性能： 流動性好 穩(wěn)定性好（不易沉淀和分層） 脫模性好,缺點(diǎn)： 勞動強(qiáng)度大 不易自動化 收縮形變大,注漿成型（傳統(tǒng)成型,四柱式液壓成型機(jī),模壓受力分布,優(yōu)點(diǎn)：工藝簡單、易自動化生產(chǎn)。 缺點(diǎn)：胚體有明顯的各向異性，不適用形狀復(fù)雜的制品,模壓成型,等靜壓成型；又稱靜水壓成型，利用液體介質(zhì)不可壓縮性和均勻傳遞壓力性的一種成型方法,胚體密度高 制品密度接近理論密

8、度 不易變形,優(yōu)點(diǎn),設(shè)備投資成本高 不易自動化 生產(chǎn)效率不高,缺點(diǎn),等靜壓成型,專用于制作陶瓷薄膜,流延成型薄膜制備過程,成品（陶瓷電容器,優(yōu)點(diǎn)：工藝穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高，自動化程度高，可制備厚度為10-1000m的高質(zhì)量陶瓷薄膜。 缺點(diǎn)：胚體粘結(jié)劑含量高，胚體密度小，燒成收縮率高達(dá)20-21,流延成型,擠壓成型：適用于連續(xù)化批量生產(chǎn)管、棒狀制品，易自動化。 注射成型：間歇式的操作過程，可生產(chǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的制品,其它成型方法,宏觀變化：體積收縮、致密度提高、強(qiáng)度增加。 微觀變化：晶粒長大，氣孔減少,胚體燒結(jié)：是指把成型胚體轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅荏w的工藝過程,3、胚體燒結(jié),常壓燒結(jié)：燒結(jié)胚體在無外加壓力、只在常壓下

9、，即自然 大氣條件下，置于窯爐中，進(jìn)行燒結(jié),優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡單便宜，最傳統(tǒng)、最簡便、最廣泛的一種方法,常壓燒結(jié)（普通燒結(jié),熱壓燒結(jié)：在燒結(jié)過程中同時對坯料施加壓力，加速了致密化的過程,燒結(jié)溫度低 燒結(jié)時間短 制品密度高,優(yōu)點(diǎn),設(shè)備價格成本高 生產(chǎn)率低,缺點(diǎn),熱壓燒結(jié),對于空氣中很難燒結(jié)的制品，為防止其氧化等，研究了氣氛燒結(jié)方法。即在爐膛中通入一定的氣體（惰性氣體），在此氣氛下進(jìn)行燒結(jié)。 如Si3N4、SiC等非氧化物，在高溫下易被氧化，因而需要在惰性氣體中進(jìn)行燒結(jié),氣氛燒結(jié),先進(jìn)陶瓷的精細(xì)加工已經(jīng)成為一門專門技術(shù),4、陶瓷材料及構(gòu)件的精加工,力學(xué)的 化學(xué)的 光化學(xué)的 光刻 電化學(xué)的 電解拋光 電學(xué)

10、的 光學(xué)的 激光加工,陶瓷精加工種類,以力學(xué)加工為主,磨削加工設(shè)備： 外圓磨床：磨削各種圓柱體、外圓錐體的外圓。 平面磨床：加工工件的平面、斜面、成型面。 拋光機(jī)：使陶瓷件形成光滑的表面,磨削加工,工業(yè)上，最常用的是磨料切割，其多數(shù)采用金剛石砂輪進(jìn)行切割，可以得到精度相當(dāng)高的切割面,切割加工,對直徑在一定范圍的孔，廣泛采用金剛石鉆頭（空心鉆頭）進(jìn)行圓孔加工,打孔加工,激光切割機(jī) 激光打孔機(jī) 超聲波打孔機(jī),激光、超聲波加工,七、陶瓷材料的應(yīng)用,民用陶瓷,電子元器件IC基板,軸受特徴： 耐食耐薬品性、耐熱性、 高剛性、軽量、高速回転、 非磁性、無発塵 , http:/www.ntn.co.jp,陶

11、瓷軸承,耐磨器件,半導(dǎo)體相關(guān)部件,精密測量用部件,醫(yī)療、食品機(jī)械,日用陶瓷制品,尖晶石透明陶瓷,光學(xué)石英玻璃,光學(xué)陶瓷制品,航空航天應(yīng)用,氧化鋁陶瓷,絕緣材料,高壓鈉燈,常見先進(jìn)陶瓷的應(yīng)用,熱學(xué)：熔點(diǎn)很高，可作高級耐火材料，如坩堝、高溫爐管等。 力學(xué)：硬度大，可以制造實(shí)驗(yàn)室使用的剛玉磨球機(jī)。 光學(xué)：用高純度的原料，使用先進(jìn)工藝，還可以使氧化鋁陶瓷變得透明，可制作高壓鈉燈的燈管。 電學(xué)：目前國內(nèi)外常用的電子絕緣材料是都是Al2O3陶瓷,人造寶石 紅寶石和藍(lán)寶石的主要成分都是Al2O3。 紅寶石呈現(xiàn)紅色是由于其中混有少量含鉻化合物； 藍(lán)寶石呈藍(lán)色則是由于其中混有少量含鈦化合物,氧化鋯陶瓷,結(jié)構(gòu)陶瓷

12、方面：由于其高韌性、高抗彎強(qiáng)度、高耐磨性，優(yōu)異的隔熱性能、熱膨脹系數(shù)接近于鋼等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)陶瓷領(lǐng)域,軸承,瓷球,刀具,陶瓷球閥,高爾夫球的輕型擊球棒,功能陶瓷方面： 優(yōu)異的耐高溫性能：感應(yīng)加熱管、耐火材料、發(fā)熱元件等。 敏感的電性能參數(shù)：氧傳感器、固體氧化物燃料電池和高溫 發(fā)熱體等,超高溫氧化鋯窯具（耐火材料,汽車用氧傳感器氧化鋯陶瓷管,特性：密度小、本身具有潤滑性，耐磨損，抗腐蝕能力強(qiáng) （除氫氟酸外，不與其他無機(jī)酸反應(yīng)）；高溫時也能抗氧化，抵抗冷熱沖擊性能強(qiáng)，在空氣中加熱到1000以上，急劇冷卻再急劇加熱，也不會碎裂。 正是Si3N4陶瓷具有如此良好的特性，人們常常用它來制造軸

13、承、汽輪機(jī)葉片、機(jī)械密封環(huán)、永久性模具等機(jī)械構(gòu)件,氮化硅陶瓷,SiC陶瓷：除了具有優(yōu)良的常溫力學(xué)性能，還具有優(yōu)良的高溫力學(xué)性能。SiC陶瓷是已知陶瓷材料中高溫力學(xué)性能(強(qiáng)度、抗蠕變性等)最佳的,高溫軸承（1300,高溫防腐換熱器,缺點(diǎn)是脆性較大，為此近幾年以SiC陶瓷為基的復(fù)相陶瓷，如纖維補(bǔ)強(qiáng)、異相顆粒彌散強(qiáng)化材料相繼出現(xiàn)，改善了單體材料的韌性和強(qiáng)度,碳化硅陶瓷,鈦酸鋇陶瓷,BaTiO3陶瓷 是一種介電材料，其介電常數(shù)高，介電損耗低，用鈦酸鋇陶瓷制成的多層陶瓷電容器，最小尺寸可達(dá)0.2mm0.1mm2m，其電容值卻可達(dá)250F,電容示意圖,多層陶瓷電容器,電路板,七、陶瓷科學(xué)與工程的研究內(nèi)涵,材料科學(xué)的主要任務(wù)： 研究材