材料講堂：先進陶瓷材料(純本人制作)

1、先 進 陶 瓷 材 料Advanced Ceramic Materials2022-7-6先進陶瓷材料第三章 常見先進陶瓷的應用第二章 先進陶瓷材料的制備工藝目錄目錄 CONTENTS 第一章 陶瓷材料簡介先進陶瓷材料u 材料：金屬材料、有機高分子材料、無機非金屬材料。第一章 陶瓷材料簡介先進陶瓷材料傳統(tǒng)上，陶瓷的概念是指以粘土及其天然礦物為原料，經過粉碎混合、成型、焙燒等工藝過程所制得的各種制品。亦稱為“普通陶瓷”。 一、 陶瓷的概念陶瓷材料簡介陶瓷材料簡介 廣義的陶瓷概念：是用陶瓷生產方法制造的無機非金屬固體材料和制品的統(tǒng)稱。 先進陶瓷材料 按陶瓷的概念和用途來分類，陶瓷制品分為兩大類，即

2、普通陶瓷（傳統(tǒng)陶瓷）和先進陶瓷（新型陶瓷）。二、 陶瓷的分類普通陶瓷先進陶瓷陶瓷材料簡介陶瓷材料簡介先進陶瓷材料普通陶瓷與先進陶瓷的主要區(qū)別區(qū)別區(qū)別普通陶瓷普通陶瓷先進陶瓷先進陶瓷原料原料天然礦物原料人工精制合成原料成型成型以注漿、可塑成型為主模壓、等靜壓、流延、注射成型為主燒成燒成燒成溫度一般在1350以下，燃料以煤-油-氣為主結構陶瓷燒成溫度在1600左右 功能陶瓷需要精確控制燒成溫度加工加工一般不需要加工需要切割、打孔、研磨和拋光性能性能以外觀效果為主以內在質量為主，表現(xiàn)出特定的物理化學性能用途用途炊具、餐具、陳設品和墻地磚、衛(wèi)生潔具主要應用于航空、能源、冶金機械、交通、家電等行業(yè)陶瓷材

3、料簡介陶瓷材料簡介先進陶瓷材料u結構陶瓷：結構陶瓷：是指能作為工程結構材料使用的陶瓷。它具有高強度、高硬度、高彈性模量、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、抗氧化、抗熱震等特性。強調力學性能。u功能陶瓷：功能陶瓷：功能陶瓷是具有電、磁、光、熱、化學、生物等特性，且具有相互轉化功能的一類陶瓷。強調物理、化學性能。透明陶瓷燈透明陶瓷燈陶瓷球閥陶瓷球閥 先進陶瓷先進陶瓷可分為可分為結構陶瓷結構陶瓷和和功能陶瓷功能陶瓷兩大類。兩大類。陶瓷材料簡介陶瓷材料簡介先進陶瓷材料 結構陶瓷結構陶瓷l 氧化物陶瓷：如氧化鋁陶瓷、氧化鋯陶瓷、莫來石陶瓷、氧化鎂陶瓷、氧化鈣陶瓷、氧化鈹陶瓷等。l 氮化物陶瓷：如氮化硅陶瓷、氮化硼

4、陶瓷等。l 碳化物陶瓷：如碳化硅陶瓷、碳化硼陶瓷等。l 硼化物陶瓷：如硼化鈦陶瓷、硼化鋯陶瓷等。按組分分類，結構陶瓷可分為：按組分分類，結構陶瓷可分為： V型陶瓷球閥 結構陶瓷吸聲板 氧化鋯納米陶瓷刀 陶瓷材料簡介陶瓷材料簡介先進陶瓷材料 功能陶瓷功能陶瓷l 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、導電陶瓷、超導陶瓷等；l 熱學陶瓷：如耐熱陶瓷、隔熱陶瓷、導熱陶瓷等；l 光學陶瓷：如透明陶瓷、紅外輻射陶瓷、發(fā)光陶瓷等；l 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：按特性分類，功能陶瓷可分為：稀土發(fā)光陶瓷陶瓷材料簡介陶瓷材料簡介先進陶瓷材料第二章 陶

5、瓷材料的制備工藝陶陶瓷瓷燒燒結結爐爐胚體成型胚體燒結精加工粉體制備先進陶瓷材料粉體制備粉體制備是指將各種原料通過物理機械或化學方法，制成所需的粉體。物理粉碎法化學合成法粉體制備方法陶瓷材料的制備工藝陶瓷材料的制備工藝一、粉體制備先進陶瓷材料 1. 物理粉碎法物理粉碎法物料粉碎法分為：機械粉碎和氣流粉碎。機械粉碎機械粉碎 優(yōu)點：設備成本低，過程簡單，易操作。 缺點：雜質多，粉體粒度一般在1m以上。 氣體粉碎氣體粉碎陶瓷材料的制備工藝陶瓷材料的制備工藝先進陶瓷材料 優(yōu)點：粉體純度、粒度可控，均勻性好，顆粒微細。 缺點：過程復雜，不易操作。固相法固相法 通過從固相到固相的變化，來制造粉體。l 熱分解

6、反應法：A(s)B(s)十C(g) l 化合反應法：A(s)+B(s)C(s)+D(g)l 氧化還原法或還原碳化、還原氮化 如：3SiO2+6C+2N2 Si3N4+6CO 化學合成法一：固相法化學合成法：固相法、液相法和氣相法。 2. 化學合成法化學合成法陶瓷材料的制備工藝陶瓷材料的制備工藝先進陶瓷材料液相法液相法 以均相的溶液為出發(fā)點，通過各種方法使溶質與溶劑分離，溶質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： 化學合成法二：液相法ZrSiO4+NaOHZrO2+Na2SiO3（1）水熱法：）水熱法：陶瓷材料的制備工藝陶瓷材料的制備工藝先進陶瓷

7、材料液相法液相法 以均相的溶液為出發(fā)點，通過各種方法使溶質與溶劑分離，溶質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： 化學合成法二：液相法（2）水解法）水解法：四氧化鋯四氧化鋯氯化釔氯化釔循環(huán)加水分解循環(huán)加水分解水合氧化鋯水合氧化鋯氧化鋯納米粉氧化鋯納米粉焙燒焙燒陶瓷材料的制備工藝陶瓷材料的制備工藝先進陶瓷材料液相法液相法 以均相的溶液為出發(fā)點，通過各種方法使溶質與溶劑分離，溶質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： 化學合成法二：液相法陶瓷材料的制備工藝陶瓷材料的制備工藝（3）噴霧法：）噴霧法：氧

8、化鋯粉+分散劑+粘結劑氧化鋯粉體先進陶瓷材料 氣相法氣相法 直接利用氣體或通過某種手段將物質變?yōu)闅怏w，使之在氣體狀態(tài)下發(fā)生物理化學反應，最后在冷卻過程中凝聚長大形成納米微粒。化學氣相沉積法 化學合成法三：氣相法陶瓷材料的制備工藝陶瓷材料的制備工藝先進陶瓷材料二、胚體成型陶瓷材料的制備工藝陶瓷材料的制備工藝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先進陶瓷材料 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 1. 注漿成型（傳統(tǒng)成型）注漿成型（傳統(tǒng)成型）缺點：勞動強度大勞動強度大不易自動化不易自動化收縮形變大收縮形變大陶瓷材料的制

9、備工藝陶瓷材料的制備工藝先進陶瓷材料四柱式液壓成型機模壓受力分布 優(yōu)點：工藝簡單、易自動化生產。 缺點：胚體有明顯的各向異性，不適用形狀復雜的制品。陶瓷材料的制備工藝陶瓷材料的制備工藝 2. 模壓成型模壓成型先進陶瓷材料等靜壓成型等靜壓成型 又稱靜水壓成型，利用液體介質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度不易變形優(yōu)點設備投資成本高不易自動化生產效率不高 3. 等靜壓成型等靜壓成型陶瓷材料的制備工藝陶瓷材料的制備工藝缺點先進陶瓷材料陶瓷材料的制備工藝陶瓷材料的制備工藝 4. 流延成型流延成型（專用于制作陶瓷薄膜）薄膜制備加工處理料漿制備步驟：料漿薄膜基帶刮刀流

10、延成型薄膜制備過程成品（陶瓷電容器） 優(yōu)點：工藝穩(wěn)定，生產效率高，自動化程度高，可制備厚度為10-1000m的高質量陶瓷薄膜。 缺點：胚體粘結劑含量高，胚體密度小，燒成收縮率高達20-21%。先進陶瓷材料 擠壓成型：擠壓成型：適用于連續(xù)化批量生產管、棒狀制品，易自動化。 注射成型：注射成型：間歇式的操作過程，可生產結構復雜的制品。擠壓成型注射成型陶瓷材料的制備工藝陶瓷材料的制備工藝 5. 其它的成型方法其它的成型方法先進陶瓷材料三、胚體燒結陶瓷材料的制備工藝陶瓷材料的制備工藝宏觀變化：體積收縮、致密度提高、強度增加。微觀變化：晶粒長大，氣孔減少。胚體燒結胚體燒結 是指把成型胚體轉變?yōu)橹旅荏w的工

11、藝過程。先進陶瓷材料 1. 常壓燒結（普通燒結）常壓燒結（普通燒結）陶瓷材料的制備工藝陶瓷材料的制備工藝 常壓燒結常壓燒結 燒結胚體在無外加壓力、只在常壓下，即自然 大氣條件下，置于窯爐中，進行燒結。設備簡單便宜，最傳統(tǒng)、最簡便、最廣泛的一種方法。先進陶瓷材料價格：價格：3131萬歐元（￥萬歐元（￥260260萬）萬） 2. 熱壓燒結熱壓燒結 熱壓燒結熱壓燒結 在燒結過程中同時對坯料施加壓力，加速了致密化的過程。燒結溫度低燒結時間短制品密度高優(yōu)點設備價格成本高生產率低缺點陶瓷材料的制備工藝陶瓷材料的制備工藝先進陶瓷材料 對于空氣中很難燒結的制品，為防止其氧化等，研究了氣氛燒結方法。即在爐膛中通

12、入一定的氣體（惰性氣體），在此氣氛下進行燒結。 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行燒結。陶瓷材料的制備工藝陶瓷材料的制備工藝 3. 氣氛燒結氣氛燒結先進陶瓷材料四、陶瓷精加工陶瓷材料屬于硬脆材料，陶瓷材料屬于硬脆材料，其特點是：硬度大，其特點是：硬度大，性脆，不變形。性脆，不變形。與金屬加工不同，與金屬加工不同，陶瓷加工一般是很難的。陶瓷加工一般是很難的。導致導致先進陶瓷的精細加工已經成為一門專門技術。陶瓷材料的制備工藝陶瓷材料的制備工藝先進陶瓷材料力學的 化學的 光化學的 光刻電化學的 電解拋光電學的 光學的 激光加工磨料加工：磨削、研磨、拋光等刀具加

13、工：切割蝕刻：磨削、研磨、拋光等化學拋光電火花加工電子束加工離子束加工等離子束加工陶陶瓷瓷精精加加工工種種類類以力學加工為主陶瓷材料的制備工藝陶瓷材料的制備工藝先進陶瓷材料 磨削原理：磨削原理：l 金屬：金屬：依靠磨粒切削刃引起的剪切作用，生成帶狀或近帶狀的切屑。l 陶瓷：陶瓷：在磨粒切削刃撞擊工件瞬間，材料內部產生裂紋，這些裂紋的連接就形成切屑。 1. 磨削加工磨削加工陶瓷材料的制備工藝陶瓷材料的制備工藝先進陶瓷材料陶瓷球閥磨削加工 磨削加工設備：磨削加工設備：l 外圓磨床外圓磨床：磨削各種圓柱體、外圓錐體的外圓。l 平面磨床平面磨床：加工工件的平面、斜面、成型面。l 拋光機拋光機：使陶瓷件

14、形成光滑的表面。 1. 磨削加工磨削加工陶瓷材料的制備工藝陶瓷材料的制備工藝先進陶瓷材料 工業(yè)上，最常用的是磨料切割，其多數(shù)采用金剛石砂輪進行切割，可以得到精度相當高的切割面。切割機金剛石砂輪 2. 切割加工切割加工陶瓷材料的制備工藝陶瓷材料的制備工藝先進陶瓷材料 對直徑在一定范圍的孔，廣泛采用金剛石鉆頭（空心鉆頭）進行圓孔加工。陶瓷打孔機陶瓷打孔機金剛石鉆頭 3. 打孔加工打孔加工陶瓷材料的制備工藝陶瓷材料的制備工藝先進陶瓷材料激光、超聲波加工激光、超聲波加工激光切割機 激光打孔機 超聲波打孔機陶瓷材料的制備工藝陶瓷材料的制備工藝先進陶瓷材料尖晶石透明陶瓷剛玉陶瓷光學石英玻璃第三章 常見先進

15、陶瓷的應用先進陶瓷材料氧化鋁陶瓷絕緣材料高壓鈉燈常見先進陶瓷的應用常見先進陶瓷的應用v 熱學熱學：熔點很高，可作高級耐火材料，如坩堝、高溫爐管等。v 力學力學：硬度大，可以制造實驗室使用的剛玉磨球機。v 光學光學：用高純度的原料，使用先進工藝，還可以使氧化鋁陶瓷變得透明，可制作高壓鈉燈的燈管。v 電學電學：目前國內外常用的電子絕緣材料是都是Al2O3陶瓷。先進陶瓷材料氧化鋁陶瓷人造寶石人造寶石v 紅寶石和藍寶石的主要成分都是Al2O3。v 紅寶石呈現(xiàn)紅色是由于其中混有少量含鉻化合物；v 藍寶石呈藍色則是由于其中混有少量含鈦化合物。常見先進陶瓷的應用常見先進陶瓷的應用先進陶瓷材料氧化鋯陶瓷結構陶

16、瓷方面：由于其高韌性、高抗彎強度和高耐磨性，優(yōu)異的隔熱性能，熱膨脹系數(shù)接近于鋼等優(yōu)點，因此被廣泛應用于結構陶瓷領域。軸承軸承瓷球瓷球刀具刀具陶瓷球閥陶瓷球閥高爾夫球的輕型擊球棒高爾夫球的輕型擊球棒常見先進陶瓷的應用常見先進陶瓷的應用先進陶瓷材料功能陶瓷方面：v 優(yōu)異的耐高溫性能：感應加熱管、耐火材料、發(fā)熱元件等。v 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常見先進陶瓷的應用常見先進陶瓷的應用氧化鋯陶瓷先進陶瓷材料v 特性：密度小、本身具有潤滑性，耐磨損，抗腐蝕能力強（除氫氟酸外，不與其他無機酸反應）；高溫時也能抗氧化，抵抗冷熱沖擊性能強，在空氣中加熱到1000以上，急劇冷卻再急劇加熱，也不會碎裂。v正是Si3N4陶瓷具有如此良好的特性，人們常常用它來制造軸承、汽輪機葉片、機械密封環(huán)、永久性模具等機械構件。常見先進陶瓷的應用常見先進陶瓷的應用氮化硅陶瓷先進陶瓷材料SiC陶瓷：除了具有優(yōu)良的常溫力學性能，還具有優(yōu)良的高溫力學性能。SiC陶瓷是已知陶瓷材料中高溫力學性能(強度、抗蠕變性等)最佳的。高溫軸承（1300）高溫防腐