先進陶瓷材料講義精編版課件

先進陶瓷材料

Advancedceramicmaterials飛霧流雪20180528先進陶瓷材料

Advancedceramicmateri1先進陶瓷的概念及分類先進陶瓷國內(nèi)外研究現(xiàn)狀先進陶瓷的制備工藝及分析表征以多孔碳化硅結構陶瓷為例目錄先進陶瓷的概念及分類先進陶瓷國內(nèi)外研究現(xiàn)狀先進陶瓷的制備工藝2陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷3陶瓷的概念傳統(tǒng)上，陶瓷的概念是指以粘土及其天然礦物為原料，經(jīng)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”或傳統(tǒng)陶瓷。先進陶瓷是“采用高度精選或合成的原料，具有精確控制的化學組成，按照便于控制的制造技術加工、便于進行結構設計，并且有優(yōu)異特性的陶瓷。”陶瓷的概念傳統(tǒng)上，陶瓷的概念是指以粘土及其天然礦物為原料，經(jīng)4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。功能陶瓷在先進陶瓷中約占70%的市場份額，其余為結構陶瓷。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。先進陶瓷按照性能和應用可分為結構陶瓷和功能陶瓷兩大類。功能陶瓷：功能陶瓷是具有電、磁、光、熱、化學、生物等特性，且5（1）高熔點氧化物，如Al2O3、ZrO2、MgO、BeO等，它們的熔點一般都在2000攝氏度以上；（2)碳化物，如SiC、WC、TiC、B4C、ZrC等；（3）氮化物，如Si3N4、BN、AlN、TiN等，氮化物常具有很高的硬度；（4）硼化物，如ZrB2等，硼化物具有很強的抗氧化能力；（5）硅化物，如MoSi2、ZrSi等，在高溫使用中具有很強的抗氧化能力。結構陶瓷（1）高熔點氧化物，如Al2O3、ZrO2、MgO、BeO等62003年2月1日美國“哥倫比亞”號航天飛機外部燃料箱表面泡沫材料安裝過程中存在的缺陷，是造成整起事故的禍首?！案鐐惐葋啞碧柡教祜w機事故調(diào)查委員會去年公布的調(diào)查報告稱，外部燃料箱表面脫落的一塊泡沫材料擊中航天飛機熱保護系統(tǒng)，是導致事故發(fā)生的主要原因。2003年2月1日78功能陶瓷電功能陶瓷：絕緣陶瓷、介電陶瓷、鐵電陶瓷、壓電陶瓷、半導體陶瓷、快離子導體陶瓷、高溫超導陶瓷磁功能陶瓷：軟磁鐵氧體、硬磁鐵氧體、記憶用鐵電體光功能陶瓷：透明陶瓷、透明鐵電陶瓷敏感陶瓷：熱敏陶瓷、氣敏陶瓷、濕敏陶瓷、壓敏陶瓷、光敏陶瓷生物及化學功能陶瓷：載體用陶瓷、催化用陶瓷、生物陶瓷功能陶瓷8功能陶瓷電功能陶瓷：磁功能陶瓷：光功能陶瓷：敏感陶瓷：生物種類性能應用結構陶瓷高溫陶瓷800℃以上長期使用，超高溫短期使用窯爐器件、柴油機等發(fā)動機、航空航天、空間技術等高強陶瓷高韌性、高強度、良好的抗沖擊性機床主軸軸承、密封環(huán)、模具等超硬陶瓷熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性、彈性模量優(yōu)良高速磨削道具、防彈裝備等耐腐蝕陶瓷優(yōu)良的化學穩(wěn)定性和耐沖刷性能化工設備、艦船潛艇密封、金屬液體防護、過濾陶瓷等功能陶瓷電子陶瓷壓電、光電、熱釋電、鐵電、絕緣性電子元器件、超高壓絕緣子等超導陶瓷超導特性、耐低溫超導光纜、空間、電子、生物等光學陶瓷透波性能、透明性、熒光性基板、天線罩、發(fā)光器、陶瓷傳感器、激光器件等生物陶瓷與血液、器官良好的生物相容性陶瓷關節(jié)、骨骼、牙齒等磁性陶瓷磁導率、矯頑力大、硬度高微波器件、量子無線電等儲能陶瓷能量轉換與存儲特性熱、電、光、氫儲能等力學性能物理、化學性能先進陶瓷應用性能分析種類性能應用結構陶瓷高溫陶瓷800℃以上長期使用9先進陶瓷材料國防冶金電子化工機械航空航天生物醫(yī)學先進國防冶金電子化工機械航空航天生物醫(yī)學10美國日本歐盟全球第二大先進陶瓷材料生產(chǎn)基地；國家航空和宇航局對結構陶瓷的大規(guī)模研究與開發(fā)；業(yè)內(nèi)知名企業(yè)：格魯曼、杜邦、賽瑞丹全球最大先進陶瓷材料生產(chǎn)基地；功能陶瓷領域壟斷國際市場；業(yè)內(nèi)知名企業(yè)：京瓷、東芝、旭硝子、住友、村田、東陶市場份額僅次于日本和美國；德國、法國在結構陶瓷領域重點研發(fā)；國內(nèi)外研究發(fā)展情況中國市場份額穩(wěn)步增長；美國日本歐盟全球第二大先進陶瓷材料生產(chǎn)基地；全球最大先進陶瓷11

1）

技術及新產(chǎn)品工程轉化極度匱乏雖然我國同樣能制備出性能良好的陶瓷材料，但絕大部分仍停留在實驗室樣品上，有的產(chǎn)品由于成本高及可靠性等問題，市場還不能接受，所以產(chǎn)品的銷售額與發(fā)達國家相比相差甚遠。2）高端粉體制備及分散技術遠遠落后我國對陶瓷粉料的制備仍未引起足夠的重視，多種陶瓷粉料尚無專業(yè)化生產(chǎn)企業(yè)，許多企業(yè)不得不“自產(chǎn)自銷”。受部分發(fā)達國家限制，國內(nèi)企業(yè)在粉料質量上仍存在較大的波動；同時，粉體的高效分散技術也存在較大差距。3）分析測試儀器及制造裝備加工技術落后雖然我國引進了國外先進的工藝裝備，像氣壓燒結爐、熱等靜壓、注射成型機、流延機等來提高我國的技術裝備水平，但因投資大，在經(jīng)濟上給企業(yè)造成了很大壓力，從而限制了先進陶瓷的發(fā)展。而國內(nèi)仿制設備因加工水平差距，可靠性和穩(wěn)定性暫時無法與國外產(chǎn)品相比。我國先進陶瓷產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀1）技術及新產(chǎn)品工程轉化極度匱乏我國先進陶瓷產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀12坯體成型坯體燒結精密加工粉體制備先進陶瓷制備工藝及分析表征分析測試坯體成型坯體燒結精密加工粉體制備先進陶瓷制備工藝及分析表征分13液相法氣相法固相法電阻加熱法化學火焰法等離子法激光法溶液法乳液法溶膠-凝膠法熔鹽合成法噴霧干燥法熱分解法燒結法還原-化合法機械化學法機械粉碎法粉體制備活性高

純度高粒徑小液相法氣相法固相法電阻加熱法化學火焰法等離14坯體成型成型技術干法壓制成型塑性成型干壓成型冷等靜壓成型擠壓成型注射成型熱蠟鑄成型扎膜成型漿料成型固體無模成型注漿成型流延成型凝膠注模成型原位凝固成型熔融沉積成型三維打印成型分層實體成型立體光刻成型激光選取燒結成型坯體成型成型技術干法壓制成型塑性成型干壓成型冷等靜壓成型擠壓15坯體燒結坯體燒結

是指把成型坯體轉變?yōu)橹旅荏w的工藝過程。燒結狀態(tài)燒結壓力特殊加熱原理固態(tài)燒結液相燒結常壓燒結無壓燒結真空燒結熱壓燒結熱等靜壓燒結氣氛燒結微波燒結放電等離子燒結自蔓延燒結坯體燒結技術坯體燒結坯體燒結是指把成型坯體轉變?yōu)橹旅荏w的工藝過程。燒結16精密加工陶瓷球閥磨削加工激光切割機激光打孔機超聲波打孔機精密加工陶瓷球閥磨削加工激光切割機17分析測試常用儀器激光粒度儀差示掃描熱分析（DSC）同步熱分析（TGA/DSC）比表面積分析儀（BET）X射線熒光光譜（XRF）X射線衍射儀

（XRD）3D激光顯微鏡掃描電鏡(SEM)原子力顯微鏡(AFM)透射電鏡（TEM）X射線光電子能譜（XPS）拉曼光譜紅外光譜儀分析測試常用儀器激光粒度儀差示掃描熱分析（DSC）同步熱分析18多孔碳化硅陶瓷制備流程簡圖舉例多孔碳化硅陶瓷制備流程簡圖舉例19碳化硅、層析氧化鋁、石墨原料的微觀結構碳化硅、層析氧化鋁、石墨原料的微觀結構20碳化硅和石墨的TGA-DSC曲線（10°C/min,空氣氣氛中）碳化硅和石墨的TGA-DSC曲線（10°C/min,空氣氣21不同燒結溫度（1300-1500°C）相同保溫時間（3h）制得的樣品XRD圖譜（A代表氧化鋁，C代表方石英，M代表莫來石，S代表碳化硅）不同燒結溫度（1300-1500°C）相同保溫時間（3h）制22在空氣氣氛中燒成溫度為1450°（3h）制得的二氧化硅結合碳化硅多孔陶瓷（a）和莫來石結合碳化硅多孔陶瓷的場發(fā)射電子顯微鏡圖；（a）、（b）的內(nèi)置圖分別為他們的頸部的能譜圖在空氣氣氛中燒成溫度為1450°（3h）制得的二氧化硅結合碳23石墨的含量對在空氣氣氛中燒成溫度為1450°（3h）制得的莫來石結合碳化硅多孔陶瓷氣孔率和抗彎強度的影響石墨的含量對在空氣氣氛中燒成溫度為1450°（3h）制得的莫24粒徑及氧化鋁對多孔碳化硅陶瓷的高溫氧化性能影響粒徑對在1450℃（3h）制得的莫來石結合碳化硅多孔陶瓷的孔徑分布影響粒徑及氧化鋁對多孔碳化硅陶瓷粒徑對在1450℃（3h）制得的25Materialsscience：ceramicsIncitesjournalcitationreports2016Materialsscience：ceramicsInci26思考題先進陶瓷是什么？生活中我們用到的先進陶瓷元件有哪些？思考題先進陶瓷是什么？27本章結束——謝謝！飛霧流雪bcybcb@163.com20180528本章結束飛霧流雪28先進陶瓷材料

Advancedceramicmaterials飛霧流雪20180528先進陶瓷材料

Advancedceramicmateri29先進陶瓷的概念及分類先進陶瓷國內(nèi)外研究現(xiàn)狀先進陶瓷的制備工藝及分析表征以多孔碳化硅結構陶瓷為例目錄先進陶瓷的概念及分類先進陶瓷國內(nèi)外研究現(xiàn)狀先進陶瓷的制備工藝30陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷31陶瓷的概念傳統(tǒng)上，陶瓷的概念是指以粘土及其天然礦物為原料，經(jīng)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”或傳統(tǒng)陶瓷。先進陶瓷是“采用高度精選或合成的原料，具有精確控制的化學組成，按照便于控制的制造技術加工、便于進行結構設計，并且有優(yōu)異特性的陶瓷?！碧沾傻母拍顐鹘y(tǒng)上，陶瓷的概念是指以粘土及其天然礦物為原料，經(jīng)32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。功能陶瓷在先進陶瓷中約占70%的市場份額，其余為結構陶瓷。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。先進陶瓷按照性能和應用可分為結構陶瓷和功能陶瓷兩大類。功能陶瓷：功能陶瓷是具有電、磁、光、熱、化學、生物等特性，且33（1）高熔點氧化物，如Al2O3、ZrO2、MgO、BeO等，它們的熔點一般都在2000攝氏度以上；（2)碳化物，如SiC、WC、TiC、B4C、ZrC等；（3）氮化物，如Si3N4、BN、AlN、TiN等，氮化物常具有很高的硬度；（4）硼化物，如ZrB2等，硼化物具有很強的抗氧化能力；（5）硅化物，如MoSi2、ZrSi等，在高溫使用中具有很強的抗氧化能力。結構陶瓷（1）高熔點氧化物，如Al2O3、ZrO2、MgO、BeO等342003年2月1日美國“哥倫比亞”號航天飛機外部燃料箱表面泡沫材料安裝過程中存在的缺陷，是造成整起事故的禍首?！案鐐惐葋啞碧柡教祜w機事故調(diào)查委員會去年公布的調(diào)查報告稱，外部燃料箱表面脫落的一塊泡沫材料擊中航天飛機熱保護系統(tǒng)，是導致事故發(fā)生的主要原因。2003年2月1日3536功能陶瓷電功能陶瓷：絕緣陶瓷、介電陶瓷、鐵電陶瓷、壓電陶瓷、半導體陶瓷、快離子導體陶瓷、高溫超導陶瓷磁功能陶瓷：軟磁鐵氧體、硬磁鐵氧體、記憶用鐵電體光功能陶瓷：透明陶瓷、透明鐵電陶瓷敏感陶瓷：熱敏陶瓷、氣敏陶瓷、濕敏陶瓷、壓敏陶瓷、光敏陶瓷生物及化學功能陶瓷：載體用陶瓷、催化用陶瓷、生物陶瓷功能陶瓷8功能陶瓷電功能陶瓷：磁功能陶瓷：光功能陶瓷：敏感陶瓷：生物種類性能應用結構陶瓷高溫陶瓷800℃以上長期使用，超高溫短期使用窯爐器件、柴油機等發(fā)動機、航空航天、空間技術等高強陶瓷高韌性、高強度、良好的抗沖擊性機床主軸軸承、密封環(huán)、模具等超硬陶瓷熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性、彈性模量優(yōu)良高速磨削道具、防彈裝備等耐腐蝕陶瓷優(yōu)良的化學穩(wěn)定性和耐沖刷性能化工設備、艦船潛艇密封、金屬液體防護、過濾陶瓷等功能陶瓷電子陶瓷壓電、光電、熱釋電、鐵電、絕緣性電子元器件、超高壓絕緣子等超導陶瓷超導特性、耐低溫超導光纜、空間、電子、生物等光學陶瓷透波性能、透明性、熒光性基板、天線罩、發(fā)光器、陶瓷傳感器、激光器件等生物陶瓷與血液、器官良好的生物相容性陶瓷關節(jié)、骨骼、牙齒等磁性陶瓷磁導率、矯頑力大、硬度高微波器件、量子無線電等儲能陶瓷能量轉換與存儲特性熱、電、光、氫儲能等力學性能物理、化學性能先進陶瓷應用性能分析種類性能應用結構陶瓷高溫陶瓷800℃以上長期使用37先進陶瓷材料國防冶金電子化工機械航空航天生物醫(yī)學先進國防冶金電子化工機械航空航天生物醫(yī)學38美國日本歐盟全球第二大先進陶瓷材料生產(chǎn)基地；國家航空和宇航局對結構陶瓷的大規(guī)模研究與開發(fā)；業(yè)內(nèi)知名企業(yè)：格魯曼、杜邦、賽瑞丹全球最大先進陶瓷材料生產(chǎn)基地；功能陶瓷領域壟斷國際市場；業(yè)內(nèi)知名企業(yè)：京瓷、東芝、旭硝子、住友、村田、東陶市場份額僅次于日本和美國；德國、法國在結構陶瓷領域重點研發(fā)；國內(nèi)外研究發(fā)展情況中國市場份額穩(wěn)步增長；美國日本歐盟全球第二大先進陶瓷材料生產(chǎn)基地；全球最大先進陶瓷39

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技術及新產(chǎn)品工程轉化極度匱乏雖然我國同樣能制備出性能良好的陶瓷材料，但絕大部分仍停留在實驗室樣品上，有的產(chǎn)品由于成本高及可靠性等問題，市場還不能接受，所以產(chǎn)品的銷售額與發(fā)達國家相比相差甚遠。2）高端粉體制備及分散技術遠遠落后我國對陶瓷粉料的制備仍未引起足夠的重視，多種陶瓷粉料尚無專業(yè)化生產(chǎn)企業(yè)，許多企業(yè)不得不“自產(chǎn)自銷”。受部分發(fā)達國家限制，國內(nèi)企業(yè)在粉料質量上仍存在較大的波動；同時，粉體的高效分散技術也存在較大差距。3）分析測試儀器及制造裝備加工技術落后雖然我國引進了國外先進的工藝裝備，像氣壓燒結爐、熱等靜壓、注射成型機、流延機等來提高我國的技術裝備水平，但因投資大，在經(jīng)濟上給企業(yè)造成了很大壓力，從而限制了先進陶瓷的發(fā)展。而國內(nèi)仿制設備因加工水平差距，可靠性和穩(wěn)定性暫時無法與國外產(chǎn)品相比。我國先進陶瓷產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀1）技術及新產(chǎn)品工程轉化極度匱乏我國先進陶瓷產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀40坯體成型坯體燒結精密加工粉體制備先進陶瓷制備工藝及分析表征分析測試坯體成型坯體燒結精密加工粉體制備先進陶瓷制備工藝及分析表征分41液相法氣相法固相法電阻加熱法化學火焰法等離子法激光法溶液法乳液法溶膠-凝膠法熔鹽合成法噴霧干燥法熱分解法燒結法還原-化合法機械化學法機械粉碎法粉體制備活性高

純度高粒徑小液相法氣相法固相法電阻加熱法化學火焰法等離42坯體成型成型技術干法壓制成型塑性成型干壓成型冷等靜壓成型擠壓成型注射成型熱蠟鑄成型扎膜成型漿料成型固體無模成型注漿成型流延成型凝膠注模成型原位凝固成型熔融沉積成型三維打印成型分層實體成型立體光刻成型激光選取燒結成型坯體成型成型技術干法壓制成型塑性成型干壓成型冷等靜壓成型擠壓43坯體燒結坯體燒結

是指把成型坯體轉變?yōu)橹旅荏w的工藝過程。燒結狀態(tài)燒結壓力特殊加熱原理固態(tài)燒結液相燒結常壓燒結無壓燒結真空燒結熱壓燒結熱等靜壓燒結氣氛燒結微波燒結放電等離子燒結自蔓延燒結坯體燒結技術坯體燒結坯體燒結是指把成型坯體轉變?yōu)橹旅荏w的工藝過程。燒結44精密加工陶瓷球閥磨削加工激光切割機激光打孔機超聲波打孔機精密加工陶瓷球閥磨削加工激光切割機45分析測試常用儀器激光粒度儀差示掃描熱分析（DSC）同步熱分析（TGA/DSC）比表面積分析儀（BET）X射線熒光光譜（XRF）X射線衍射儀

（XRD）3D激光顯微鏡掃描電鏡(SEM)原子力顯微鏡(AFM)透射電鏡（TEM）X射線光電子能譜（XPS）拉曼光譜紅外光譜儀分析測試常用儀器激光粒度儀差示掃描熱分析（DSC）同步熱分析4