無機非金屬專業(yè)導(dǎo)論-先進陶瓷材料

1、11無機非金屬材料工程無機非金屬材料工程 先進陶瓷材料先進陶瓷材料2陶瓷制品是人類在征服自然過程中所獲得的第一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。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、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、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)強度高等優(yōu)良性能，可在高溫、腐蝕、輻照等環(huán)境工作。境工作。 先進陶瓷先進陶瓷3陶瓷的定義陶瓷的定義 什么是陶瓷什么是陶瓷(Ceramics)？傳統(tǒng)陶瓷是傳統(tǒng)陶瓷是“由粘土或主要含

2、粘土（有長石、石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)而成的制英等）的混合物，經(jīng)成形、干燥、燒結(jié)而成的制品品”。美國陶瓷學(xué)會給陶瓷下的定義：美國陶瓷學(xué)會給陶瓷下的定義：“在高溫下形成在高溫下形成及使用的無機非金屬材料及使用的無機非金屬材料”先進陶瓷先進陶瓷4 Ceramicsthe making of pots, tiles, etc., by shaping pieces of clay and baking them until they are hard; articles produced in this way.5Ceramics來自希臘字來自希臘字Kera

3、mic ，意為，意為“an art of potter”;而而Keramic來自希臘字來自希臘字Keramos，意為，意為“Burnt stuff” 用火燒成的制品，多指粘土燒成的陶器。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成的制品都屬于Ceramics，如陶瓷、磚瓦、耐，如陶瓷、磚瓦、耐火材料等?；鸩牧系取?先進陶瓷先進陶瓷6陶瓷的定義：陶瓷的定義：無機非金屬粉末無機非金屬粉末經(jīng)經(jīng)成型成型后在低于熔點的后在低于熔點的高高溫下燒結(jié)溫下燒結(jié)而制成的固體材料。（狹義的，由工藝而來）而制成的固體材料。（狹義的

4、，由工藝而來）“傳統(tǒng)陶瓷傳統(tǒng)陶瓷” 主要以天然的硅酸鹽為原料，因此又被稱主要以天然的硅酸鹽為原料，因此又被稱為為“硅酸鹽材料硅酸鹽材料”。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，故又稱陶瓷為機非金屬化合物，故又稱陶瓷為“無機非金屬材料無機非金屬材料”、“無機絕緣材料無機絕緣材料”、“無機介電材料無機介電材料”。先進陶瓷先進陶瓷7隨著新型材料的發(fā)展，陶瓷概念擴展到整個無機非隨著新型材料的發(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

5、、玻璃、薄膜、纖維、粉晶燒結(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，因此體等，其制備方法也不再局限于常規(guī)燒結(jié)法，因此是是“廣義陶瓷廣義陶瓷”。先進陶瓷先進陶瓷8國際上對陶瓷的廣義的定義與上述定義類似。國際上對陶瓷的廣義的定義與上述定義類似。W . D . K i n g e r y 現(xiàn) 代 陶 瓷 工 程 之 父 ， 在現(xiàn) 代 陶 瓷 工 程 之 父 ， 在 “Introduction to Ceramics”中把中把陶瓷陶瓷定義為定義為:“the art and science of making and using solid articles whi

6、ch have as their essentially component, and are composed in large part of, inorganic nonmetallic materials”“制造和應(yīng)用固體制品的技藝和科學(xué)，這種固體制制造和應(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品主要是由無機非金屬材料作為基本組分組成的的”。先進陶瓷先進陶瓷9 這一定義不僅包括這一定義不僅包括陶器、瓷器、耐火材料、建筑陶器、瓷器、耐火材料、建筑粘土制品、磨料、搪瓷、水泥和玻璃等粘土制品、磨料、搪瓷、水泥和玻璃等材料，而材料，而且還包括且還包括非金屬磁

7、性材料、鐵電體、人造單晶、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特種陶瓷、以及各種各樣的其他制品。This definition essentially says that a ceramic is anything that is not an organic material or a metal.先進陶瓷先進陶瓷10隨著時代的進步，原料或產(chǎn)品中雖然不含硅酸鹽隨著時代的進步，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（組分，然而用陶瓷工藝方法（Ceramic Process）生產(chǎn)的制品也稱生產(chǎn)的制品也稱Ceramics。目前這類材料還在不斷發(fā)展，新型材料

8、不斷出現(xiàn)。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(dāng)代三大它和金屬材料、有機高分子材料并列為當(dāng)代三大固體材料。固體材料。It suggests three categories of materials: ceramics, organics and metals先進陶瓷先進陶瓷11我國的陶瓷一詞和英文中的我國的陶瓷一詞和英文中的Ceramics一樣一樣具有狹義（陶瓷、瓷器）和廣義兩重含具有狹義（陶瓷、瓷器）和廣義兩重含意：意：廣義廣義的陶瓷工業(yè)是陶瓷、玻璃、耐火材的陶瓷工業(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料、搪瓷、磨料、水泥等無

9、機非金屬材料工業(yè)的泛稱。業(yè)的泛稱。先進陶瓷先進陶瓷12隨著工業(yè)的發(fā)展，陶瓷制品廣泛地應(yīng)用于隨著工業(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)雜的工社會各行各業(yè)，采用了更多、更復(fù)雜的工業(yè)原料。業(yè)原料。先進陶瓷的廣義的定義為：先進陶瓷的廣義的定義為：“用粘土以外的用粘土以外的其他原料，依陶瓷制造的工藝方法制成的其他原料，依陶瓷制造的工藝方法制成的制品制品”先進陶瓷先進陶瓷13 如壓電陶瓷、電容器陶瓷、微波陶瓷、如壓電陶瓷、電容器陶瓷、微波陶瓷、磁性陶瓷、高溫陶瓷等磁性陶瓷、高溫陶瓷等 可廣泛應(yīng)用于電子、原子能、宇航、半可廣泛應(yīng)用于電子、原子能、宇航、半導(dǎo)體等工業(yè)。導(dǎo)體等工業(yè)。14陶

10、瓷的分類陶瓷的分類 現(xiàn)代陶瓷傳統(tǒng)陶瓷陶瓷制品先進陶瓷先進陶瓷15工藝陶瓷化工陶瓷電器絕緣陶瓷衛(wèi)生陶瓷建筑陶瓷日用陶瓷傳統(tǒng)陶瓷16防輻射陶瓷高溫陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷敏感陶瓷磁性陶瓷鐵電陶瓷微波陶瓷壓電陶瓷電容器陶瓷功能陶瓷先進陶瓷17氧化鋁陶瓷氮化鋁陶瓷18生 物 陶 瓷19多孔陶瓷保 健 陶 瓷 20建 筑 衛(wèi) 生 陶 瓷21耐 高 溫 陶 瓷 刀 具22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 23陶 瓷 裝 甲 車24航航 天天 飛飛 機機 騰騰 空空 而而 起起25“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機腹部的絕熱瓦“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機26航天飛機的防熱盔甲以純度99.7%、直徑為11.5m的石英纖

11、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(yán)嚴(yán)實實地封蓋起來，就象給航天飛機穿上了一身防熱盔甲。27 航天飛機 28 航天飛機的機頭 29 航天飛機的防熱瓦30 航天飛機熱分布示意圖 31“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。32 與傳統(tǒng)陶瓷比較，先進陶瓷的化學(xué)組成、顯微結(jié)構(gòu)都與傳統(tǒng)陶瓷比較，先進

12、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。要。先進陶瓷先進陶瓷幾個有用的名詞：幾個有用的名詞：特種陶瓷特種陶瓷 special ceramics先進陶瓷先進陶瓷 advanced ceramics精細陶瓷精細陶瓷 fine ceramics高性能陶瓷高性能陶瓷 high performance ceramics新型陶瓷新型陶瓷 new ceramics近代陶瓷近代陶瓷 modern ceramics33幾個有用的名詞：幾個有用的名詞：特種陶瓷特種陶瓷 special ceramics先進陶瓷先進陶瓷 adv

13、anced ceramics精細陶瓷精細陶瓷 fine ceramics高性能陶瓷高性能陶瓷 high performance ceramics新型陶瓷新型陶瓷 new ceramics近代陶瓷近代陶瓷 modern ceramics先進陶瓷先進陶瓷34陶瓷發(fā)展的重要階段陶瓷發(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)展璃、水泥、晶體等的發(fā)展David W. Richerson 在其著作中在其著作中Modern Ceramic Engineering(Taylor & Francis Group, New York,

14、 2006 )給出了廣義的陶瓷的給出了廣義的陶瓷的簡要發(fā)展的簡要發(fā)展的里程碑里程碑先進陶瓷先進陶瓷35Key Milestones in the Evolution of Ceramics Time Description of Milestone 24000 B.C. Clay mixed with water, molded into a shape, dried, and fired to produce the first man-made ceramic” earthenware”10000 B.C.Early use of earthenware for useful articl

15、e such as containers.7000-6000 B.C. Lime mortar(石灰砂漿石灰砂漿) used for filling spaces between stones in construction and also for making thick-walled containers.36Key Milestones in the Evolution of CeramicsTime Description of Milestone7000-5000 B.C. Widespread use of earthenware for food storage and coo

16、ling 70005000 B.C.Widespread use of plaster-like cementitious ceramics for in floor construction and as decorated interior wall coatings. 4500 B.C. Ceramics used to line crude kilns（窯爐）（窯爐） to smelt copper from its ores and make possible the Chalcolithic（紅銅）（紅銅）, Bronze and Iron Ages.37Key Milestone

17、s in the Evolution of Ceramics Time Description of Milestone 45003500 B.C. Fired brick shown to be more durable than dried mud bricks 45003500 B.C.Development of early faience（彩陶）（彩陶） to produced white ceramics with bright blue glassy coatings: precursor to development of glass and glazes（釉）（釉）. 350

18、02800 B.C.Evolution of first writing consisting of pictographs（象形文字）（象形文字） and “cuneiform（楔（楔形文字）形文字）” symbols inscribed in clay tablets. 38Key Milestones in the Evolution of Ceramics Time Description of Milestone3300 B.C. Potters wheel invented, making earthenware pottery available and affordable f

19、or just about everyone 25001600 B.C.From early isolated examples of glass to well-established craft. 17501150 B.C. Variety of glaze developed in- cluded lead glazes and colored glazes.39Key Milestones in the Evolution of Ceramics Time Description of Milestone1025750 B.C. Early developments in China

20、of stoneware, which was lighter in color, stronger, and less porous than earthenware 500100 B.C.High-strength concrete（混凝土）（混凝土） developed by Greeks and Romans and used widely in construction especially by the Romans. 10050 B.C. Glass blowing invented, making glass items available to others than roy

21、alty and aristocrats.40Key Milestones in the Evolution of CeramicsTime Description of Milestone600-800 A.D. Evolution of high-quality porcelain（瓷）（瓷） in China 800900 A.D.Islamic refinements of the use of white tin-based glazes and lustrous overglazes. 1740s “Transfer printing” invented to greatly in

22、creased the rate of production of tiles（瓷（瓷磚）磚）. 41Key Milestones in the Evolution of CeramicsTime Description of Milestone 1840s “Dust pressing” invented to further dramatically increase rate of production of tiles and eventually become the uniaxial pressing process and workhorse of modern high-vol

23、ume production of polycrystalline ceramicsLate 1800sDemonstration of successful laboratory synthesis of single crystals of ruby and sapphire.42Key Milestones in the Evolution of CeramicsTime Description of Milestone Early 1900s Increase in temperature capability of production kilns to greater than 1

24、400C and late to 1600C. Mid-1900sEstablishment of alumina-based ceramics and introduction of a wide range of new engineered ceramics.Late 1900sDevelopment of ultra-high-temperature, high-strength, and high-toughness ceramics and ceramic matrix composites43 陶瓷的發(fā)展大致經(jīng)歷了陶器、瓷器、現(xiàn)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

25、階段。代先進陶瓷三個發(fā)展階段。 從二十世紀(jì)九十年代開始，陶瓷進入了從二十世紀(jì)九十年代開始，陶瓷進入了納米陶瓷發(fā)展階段。納米陶瓷發(fā)展階段。先進陶瓷先進陶瓷44陶器陶器(從公元前從公元前24000年開始年開始)瓷器瓷器 (從公元從公元250年開始年開始)現(xiàn)代先進陶瓷現(xiàn)代先進陶瓷 (從從20世紀(jì)世紀(jì)40年代開始年代開始)納米陶瓷納米陶瓷 (從從20世紀(jì)世紀(jì)90年代開始年代開始)451、陶器階段、陶器階段 用黏土制成毛坯，經(jīng)過高溫用黏土制成毛坯，經(jīng)過高溫(1000 C) 燒結(jié)燒結(jié)而成，是原始人類制成的最重要的物品之一而成，是原始人類制成的最重要的物品之一 2、瓷器階段、瓷器階段發(fā)明了釉、發(fā)現(xiàn)并使用高鋁

26、質(zhì)瓷土、高溫技術(shù)的發(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（發(fā)展（1200 C ）先進陶瓷先進陶瓷463、現(xiàn)代先進陶瓷階段、現(xiàn)代先進陶瓷階段原料純化原料純化從天然礦物原料為主發(fā)展到高從天然礦物原料為主發(fā)展到高純?nèi)斯ず铣稍蠟橹骷內(nèi)斯ず铣稍蠟橹餍鹿に囆鹿に噷映霾桓F層出不窮 成型新工藝成型新工藝：等靜壓成型、熱壓成型、離心注漿成型、壓等靜壓成型、熱壓成型、離心注漿成型、壓力注漿成型、流延成型等力注漿成型、流延成型等先進陶瓷先進陶瓷47 燒結(jié)新工藝燒結(jié)新工藝：熱壓燒結(jié)、熱壓等靜壓燒結(jié)、：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)、等離子反應(yīng)燒結(jié)、快速燒結(jié)、微波燒結(jié)、等離子體燒結(jié)、

27、自蔓燃燒結(jié)等體燒結(jié)、自蔓燃燒結(jié)等 理論理論日趨成熟日趨成熟從經(jīng)驗操作發(fā)展到科學(xué)控從經(jīng)驗操作發(fā)展到科學(xué)控制、特定材料設(shè)計、工藝制、特定材料設(shè)計、工藝結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)性質(zhì)性質(zhì)使用性能使用性能 分析技術(shù)分析技術(shù)進步進步顯微結(jié)構(gòu)分析技術(shù)如顯微結(jié)構(gòu)分析技術(shù)如X射射線衍射儀、電子顯微鏡、原子力顯微鏡、線衍射儀、電子顯微鏡、原子力顯微鏡、特殊性能測試儀器等特殊性能測試儀器等先進陶瓷先進陶瓷48相鄰相鄰學(xué)科發(fā)展學(xué)科發(fā)展量子力學(xué)、固體物理、固體化學(xué)、配位化學(xué)、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、納米陶瓷階段原料納米化、陶瓷內(nèi)部

28、晶粒納米化、性能高原料納米化、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)期將引起重要度優(yōu)化、正在深入研究，預(yù)期將引起重要變化。變化。先進陶瓷先進陶瓷4949 功能陶瓷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。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。p 如制造電子線路中的電容器用的電介質(zhì)瓷，制造集成電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。路基片和管殼用的高頻絕緣瓷等。p 功能陶瓷以其獨特的聲、光、熱、電、磁等物理特性和功能陶瓷以其獨

29、特的聲、光、熱、電、磁等物理特性和生物、化學(xué)以及適當(dāng)?shù)牧W(xué)等特性，在相應(yīng)的工程和技生物、化學(xué)以及適當(dāng)?shù)牧W(xué)等特性，在相應(yīng)的工程和技術(shù)中起關(guān)鍵作用術(shù)中起關(guān)鍵作用。o 大部分為大部分為電子陶瓷電子陶瓷 （electroceramicselectroceramics）先進陶瓷先進陶瓷50 從使用功能分類：從使用功能分類：（a）結(jié)構(gòu)陶瓷：）結(jié)構(gòu)陶瓷：Al2O3、AlN、BeO(集成電路襯底集成電路襯底、微波大功率器件散熱支撐件、微波大功率器件散熱支撐件、MCM用基片）；用基片）；（b）功能陶瓷：電容器陶瓷、微波陶瓷、壓電陶）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；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（按照工作頻率分：低頻瓷（1kHz）、高頻瓷（）、高頻瓷（1MHz）、微波瓷（）、微波瓷（300MHz300GHz）。）。 先進陶瓷先進陶瓷51功能陶瓷的分類：功能陶瓷的分類：o高頻絕緣零