陶瓷科學(xué)與工藝1102緒論課件

陶瓷科學(xué)與工藝2012.02第一章：緒論◎材料(新材料）概念與分類

*當(dāng)前新材料研究熱點領(lǐng)域

*材料制備技術(shù)的概念與意義◎陶瓷定義、發(fā)展史及性能◎《陶瓷科學(xué)與工藝學(xué)》課程一、材料（新材料）的概念材料是物質(zhì)，但并非所有的物質(zhì)都可稱為材料，后者一定要具有可以應(yīng)用的形態(tài)和功用?何謂新材料？▲新發(fā)現(xiàn)或新研制的從前未知的全新材料（組成上，結(jié)構(gòu)上，形態(tài)上，功能上）自然界未發(fā)現(xiàn)、靠人工合成的材料皆屬此類，如高溫超導(dǎo)氧化物材料，化合物半導(dǎo)體材料，光纖材料…▲對已有材料的研究改性，提高了性能，改善了質(zhì)量▲發(fā)現(xiàn)了已有材料的新性能或新用途先進(jìn)材料共同特點

知識密集、技術(shù)密集是多學(xué)科和技術(shù)的結(jié)晶性能優(yōu)異，為高技術(shù)起核心關(guān)鍵作用經(jīng)濟(jì)附加值高、是新經(jīng)濟(jì)的生長點更新?lián)Q代快，必須不斷研究改進(jìn)和追求持續(xù)發(fā)展從化學(xué)組成上分類：（關(guān)聯(lián)材料的基礎(chǔ)研究）材料的四大家族金屬與合金材料有機(jī)高分子（聚合物）材料復(fù)合材料無機(jī)非金屬材料鋼鐵材料，有色金屬，鈦合金，儲氫合金Ni5La，記憶合金Ti－Ni，強(qiáng)磁合金SmCo5，超導(dǎo)合金Nb3Sn，海綿金屬（Al、Mg、Ni…）氧化鋁，氧化鋯單晶硅，砷化鎵硫化鋅，碳化硅氮化硅，氮化硼碳纖維，金剛石納米碳管鈣鈦礦ABO3型尖晶石AB2O4型塑料，人造橡膠合成纖維，聚乙烯，聚氯乙稀，ABS，環(huán)氧樹脂，感光樹脂，聚酰亞砜，尼龍，聚四氟乙烯，合成橡膠（氯丁橡膠，氟橡膠）滌綸，錦綸，及中空纖維…上述三種材料之間或同類材料之間的相互復(fù)合，如包層材料，細(xì)粒混合材料，粒子分散增強(qiáng)材料，纖維增強(qiáng)材料等，纖維增強(qiáng)金屬（玻璃鋼，硼纖維/鋁），纖維增強(qiáng)橡膠,纖維增強(qiáng)塑料,氧化鋯增韌氧化鋁,超硬合金WC-Co,超導(dǎo)電纜(超導(dǎo)/導(dǎo)電),保護(hù)涂層信息材料,生物材料,能源材料,建筑材料，家裝材料，從材料形態(tài)上分：（關(guān)聯(lián)材料制備技術(shù)開發(fā)研究）單晶材料，多晶材料，非晶（玻璃）材料，粉體，薄膜,纖維從材料物性上分:（關(guān)聯(lián)材料的物理化學(xué)學(xué)科研究）高強(qiáng)材料,超硬材料,高溫材料,導(dǎo)電材料，絕緣材料,激光材料,磁性材料,鐵電材料，電光材料，聲光材料,壓電材料,熱電材料結(jié)構(gòu)材料,耐火材料,耐酸材料,研磨材料,光學(xué)材料,感光材料,電工材料,從應(yīng)用性能上分：（關(guān)聯(lián)材料的應(yīng)用研究）從應(yīng)用領(lǐng)域上分:（關(guān)聯(lián)材料的技術(shù)集成和應(yīng)用）不同的分類形式●新材料的歷史性發(fā)展與“材料科學(xué)與工程”學(xué)科年代事件1940Shottky等發(fā)明了Ge半導(dǎo)體三極管，人類進(jìn)入了半導(dǎo)體時代1954發(fā)現(xiàn)了Si材料，取之不盡、用之不竭的IC基礎(chǔ)材料1960紅寶石的問世，出現(xiàn)了激光技術(shù)1957-1960美國第一批（5所）高校組建了“材料科學(xué)與工程”系★多學(xué)科人才聯(lián)合攻關(guān)的“國家實驗室”：ArgonneLab（芝加哥），LorenzLab（加州），BellTelephoneLab.Oak-RidgeLab，★對綜合性學(xué)科知識人才的需求-新學(xué)科的誕生:“材料科學(xué)與工程”學(xué)科:綜合性、交叉性、邊緣性、應(yīng)用性定義：關(guān)于材料的合成、制備、組成、結(jié)構(gòu)（包括缺陷）、性能和應(yīng)用及其相互關(guān)系的學(xué)科，其基本宗旨是研發(fā)、利用新材料（陶瓷料學(xué)與。。。。）

★1957－1960年美國第一批（5所）高校組建了“材料科學(xué)與工程”系世界先進(jìn)國家的高技術(shù)計劃無不涉及新材料的研究開發(fā)與應(yīng)用國家/地區(qū)高科技發(fā)展計劃美國1983年3月美國提出戰(zhàn)略防御計劃SDI（StrategicDefenseInitiative）又稱“星球大戰(zhàn)”計劃，帶動了“航空、航天”“火箭、衛(wèi)星”新材料的發(fā)展歐共體1985年4月歐共體創(chuàng)建了“歐洲研究合作機(jī)構(gòu)”，即尤里卡（EURECA）計劃，大力發(fā)展信息處理、計算機(jī)、通信、機(jī)器人、新材料及生物技術(shù)。日本1984年4月，日本提出了“振興科學(xué)技術(shù)的基本政策”報告，規(guī)劃了物質(zhì)和材料科學(xué)技術(shù)，信息和電子學(xué)，生命科學(xué)技術(shù)，資源科學(xué)技術(shù)，空間、海洋技術(shù)五大方面，15個主題。中國1986年3月我國提出了“高技術(shù)研究發(fā)展計劃”，又叫“863計劃”在民口涉及5個領(lǐng)域11個主題，新材料方面包括光電子信息材料，先進(jìn)復(fù)合材料，特種功能材料，以及材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)研究?！?73》三、當(dāng)前新材料研究熱點領(lǐng)域：●信息技術(shù)領(lǐng)域與信息材料世所公認(rèn)，我們當(dāng)前是處于信息時代，即以信息技術(shù)為時代特征。信息技術(shù)主要是指信息的獲取、傳遞、處理、存儲、顯示等技術(shù)，包括微電子技術(shù)，光電子技術(shù)，計算機(jī)技術(shù)，軟件技術(shù)，通訊技術(shù)，輻射成像技術(shù)，高清晰度電視技術(shù)等，以這些技術(shù)為基礎(chǔ)，互相交叉，形成現(xiàn)代信息高技術(shù)和產(chǎn)業(yè)。這些技術(shù)的發(fā)展的基于種種新型材料，這些材料主要包括：★

半導(dǎo)體材料和集成電路、微電子工業(yè)★激光材料與非線性光學(xué)材料★信息傳感與傳感器技術(shù)材料★

半導(dǎo)體發(fā)光材料、液晶顯示材料與感光材料★

信息傳輸材料：石英光纖，非氧化物玻璃纖維，有機(jī)聚合物光纖★

信息存儲材料：磁記錄材料、磁光記錄材料、光存儲材料●新型半導(dǎo)體材料與大規(guī)模三維集成電路★元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體：Si，Ge，金剛石,III－V、II－VI族化合物單晶硅Si材料，直徑，1970年50mm；1985年150mm；2000年225mm集成電路集成度：1987年>100萬晶體管/平方厘米,2000年>1000萬(1024K)2007年,設(shè)計線寬達(dá)到0.01微米,芯片上可集成10億晶體管★

GaAs為第二代半導(dǎo)體,可在300-500℃使用,運算頻率可達(dá)2000Mhz而Si僅可工作在250℃以下,頻率僅為300MHz★

GaN為第三代化合物半導(dǎo)體,工作放熱有可能使電路失效,

發(fā)展高熱導(dǎo)的II型金剛石是個方向★

CVD法金剛石薄膜和AlN薄膜,將有效的提高了集成度★三維電路要求高性能襯底材料和高熱導(dǎo)封裝材料的研發(fā)★鐵電-Si微集成系統(tǒng),具有良好系統(tǒng)功能,成為當(dāng)前的研制熱點

●新型能源材料

目前地球上的主要能源－化石燃料（煤、石油、天然氣等）存在的主要問題是：?利用效率低?應(yīng)用技術(shù)落后，對環(huán)境造成污染（煙塵、有害氣體等）?未開采的儲量已經(jīng)不多，終將消耗因而，開發(fā)新能源和節(jié)能技術(shù)是當(dāng)前始終如一的研究課題，涉及種類繁多的新材料：★核能技術(shù)材料（陶瓷核燃料，核反應(yīng)堆容器材料……）★儲氫材料（SmCo5，NbTi合金……）★燃料電池材料（電解質(zhì)、陰極、陽極、連接材料、密封材料……)★風(fēng)力發(fā)電設(shè)備材料（高強(qiáng)度輕質(zhì)復(fù)合材料……）★太陽電池材料（Si，a－Si，CdSe，GaAs……★超導(dǎo)輸電線材料★鎳氫電池、鋰離子電池相關(guān)材料★……

固體氧化物燃料電池是一種新型綠色能源裝置，比質(zhì)子交換膜燃料電池有更高的轉(zhuǎn)換效率和節(jié)能效果，可減少二氧化碳排放50%，不產(chǎn)生NOx，已成為發(fā)達(dá)國家重點研究開發(fā)的新能源技術(shù)。但目前研究的固體氧化物燃料電池的工作溫度達(dá)800～900℃，其關(guān)鍵部件的材料制備總是成為制約固體氧化物燃料電池發(fā)展的瓶頸。應(yīng)突破的關(guān)鍵技術(shù)主要有：a）高性能電極材料及其制備技術(shù)；b）新型電解質(zhì)材料及電極支撐電解質(zhì)隔膜的制備技術(shù)；c）電池結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及其制備技術(shù)；d）電池的結(jié)構(gòu)、性能與表征的研究。固體氧化物燃料電池的研究十分活躍，關(guān)鍵是電池材料，如固體電解質(zhì)薄膜和電池陰極材料，還有質(zhì)子交換膜型燃料電池用的有機(jī)質(zhì)子交換膜等，都是目前研究的熱點?！窆腆w氧化物燃料電池材料

傳統(tǒng)發(fā)電與燃料電池發(fā)電污染率比較（kg/MWh電能）80062036018122773101022212701.50.20.1煤石油天然氣燃料電池CO2SO2CXHYNOX粉塵SOFC——21世紀(jì)的清潔能源FuelCellsComparison

PEMFCAFCPAFCMCFCITSOFCSOFC

ElectrolyteIonExchangeMembranes(DMFC)MobilizedorImmobilizedPotassiumHydroxideImmobilizedLiquidPhosphoricAcidImmobilizedLiquidMoltenCarbonateCeramicCeramicOperatingTemp.80°C65-220°C205°C650°500-800°C800-1000°CChargeCarrierH+OH-H+CO3=O=O=ExternalReformerYesYesYesNoNoNoPrimeCellComponentsCarbon-basedCarbon-basedGraphite-basedStainless-basedCeramicCeramicCatalystPlatinumPlatinumPlatinumNickelPerovskitePerovskiteWaterManageEvaporativeEvaporativeEvaporativeGaseousProductGaseousProductGaseousProductHeatManageProcessGas+IndependentCoolingMediumProcessGas+ElectrolyteCalculationProcessGas+IndependentCoolingMediumInternalReforming+ProcessGasInternalReforming+ProcessGasInternalReforming+ProcessGas潔凈天然氣電廠系統(tǒng)造價($/kW)05001000150020002500300035001kW1MW1GWPEFC

MCFC

傳統(tǒng)發(fā)電站SOFC

SOFC——21世紀(jì)的清潔能源SOFC應(yīng)用市場從傳統(tǒng)高溫SOFC到中溫CMFC固體氧化物燃料電池的結(jié)構(gòu)（1）管狀SOFC電池結(jié)構(gòu)示意圖

多孔支撐管空氣燃料氣Ni接觸桿陰極LSMNi-YSZ陽極YSZ電解質(zhì)膜固體氧化物燃料電池的結(jié)構(gòu)（2）自支撐型平板式SOFC?單晶硅，多晶硅，非晶硅太陽電池材料；II－VI族化合物半導(dǎo)體太陽電池材料：ZnSe，CdTe。。。要求：研制出光電轉(zhuǎn)換效率大于18%的低成本、大面積、可商業(yè)化的硅基太陽能電池及其組件。）（類單晶硅。。。，合肥大基地）IBM公司研制的多層復(fù)合太陽能電池，轉(zhuǎn)換率高達(dá)40%。?太陽能的綜合利用(光電、熱電、熱交換)及其與風(fēng)力發(fā)電的耦合技術(shù)；建立總體利用效率達(dá)15%的追尾聚集光式太陽能光電、熱電、熱交換系統(tǒng)并實用化，建立太陽能綜合利用與風(fēng)力發(fā)電耦合的實用型分布式地面電站，并可并網(wǎng)供電。●太陽能利用技術(shù)

作為高技術(shù)重要組成部分的生物醫(yī)用材料已進(jìn)入一個快速發(fā)展的新階段，其市場銷售額正以每年16%的速度遞增，預(yù)計20年內(nèi)，生物醫(yī)用材料所占的份額將趕上藥物市場，成為一個支柱產(chǎn)業(yè)。研究發(fā)展十分活躍：

生物活性陶瓷已成為醫(yī)用生物陶瓷的主要方向；

生物降解高分子材料是醫(yī)用高分子材料的重要方向；

醫(yī)用復(fù)合生物材料的研究重點是強(qiáng)韌化生物復(fù)合材料

功能性生物復(fù)合材料，

帶有治療功能的生物復(fù)合材料?！裆镝t(yī)用材料

定義：指對能源和資源消耗最少，對生態(tài)環(huán)境影響最小，再生循環(huán)利用率最高，使用性能優(yōu)異的新型材料。特點：性能先進(jìn)性；環(huán)境協(xié)調(diào)性；應(yīng)用舒適性。

生態(tài)環(huán)境材料是20世紀(jì)90年代在國際高技術(shù)新材料研究中形成的一個新領(lǐng)域，主要研究方向是：直接面臨的與環(huán)境問題相關(guān)的材料技術(shù)，例如，生物可降解材料技術(shù)，CO2

氣體的固化技術(shù)，SOx、NOx催化轉(zhuǎn)化技術(shù)、廢物的再資源化技術(shù)，環(huán)境污染修復(fù)技術(shù)，材料制備加工中的潔凈技術(shù)以及節(jié)省資源、節(jié)省能源的技術(shù)；開發(fā)能使經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境協(xié)調(diào)性材料，如仿生材料、環(huán)境保護(hù)材料、氟里昂、石棉等有害物質(zhì)的替代材料、綠色新材料等；材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性評價?！?/p>

生態(tài)環(huán)境材料

智能材料是現(xiàn)代高技術(shù)新材料發(fā)展的重要方向之一，將支撐未來高技術(shù)的發(fā)展，使傳統(tǒng)意義下的功能材料和結(jié)構(gòu)材料之間的界線逐漸消失，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能化、功能多樣化。

智能材料的研制和大規(guī)模應(yīng)用將導(dǎo)致材料科學(xué)發(fā)展的重大革命。如英國宇航公司在導(dǎo)線傳感器，用于測試飛機(jī)蒙皮上的應(yīng)變與溫度情況；英國開發(fā)出一種快速反應(yīng)形狀記憶合金，壽命期具有百萬次循環(huán)，且輸出功率高，以它作制動器時、反應(yīng)時間僅為10分鐘；壓電材料、磁致伸縮材料、導(dǎo)電高分子材料、電流變液和磁流變液等智能材料驅(qū)動組件材料在航空上的應(yīng)用取得大量創(chuàng)新成果?！裰悄懿牧喜牧现苽浼夹g(shù)材料制備技術(shù)學(xué)科基礎(chǔ)：●原材料的化學(xué)組成與性質(zhì)、物理形態(tài)●材料合成方法的物理化學(xué)原理●材料性能的評價方法（原理與技術(shù)）●材料制備工藝工程的重現(xiàn)性及其影響因素

薄膜制備?溶液法?氣相法?固相法?復(fù)合法晶體制備晶須與纖維多孔陶瓷制備材料與器件制備技術(shù)粉體合成軟化學(xué)制備路線是現(xiàn)代材料科學(xué)與工程發(fā)展的新趨勢、最活躍和具生命力的領(lǐng)域。

BetterCeramicsThroughChemistry AdvancedMaterialsBy

Chemistry

濕化學(xué)（共沉淀，sol-gel,溶液電化學(xué)…）

氣相化學(xué)（CVD,氣溶膠,…）

有機(jī)/高分子化學(xué)輔助的陶瓷工藝條件溫和，成本低廉，手段繁多，適應(yīng)性強(qiáng)可對材料在其形成初期進(jìn)行控制，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)與性能的剪裁與組裝可獲得傳統(tǒng)方法難以獲得的新型材料類別特點軟化學(xué)合成路線-概念與特點●在溫和的、低能量密度介質(zhì)條件下，●通過適宜的化學(xué)物種先驅(qū)物，●采用有效的高度混合方式，●實施能量的高效饋入和反應(yīng)物激活途徑特點是：高效率、低能耗、操作簡便，可以制備新型介穩(wěn)材料，新穎的結(jié)構(gòu)特異的材料－軟化學(xué)是一個具有創(chuàng)新含義的概念！有力的克服質(zhì)量輸運位阻和反應(yīng)活化位壘，合成在極端條件才能獲得的、乃至得不到的材料軟化學(xué)合成路線——不搞硬碰硬（體擴(kuò)散、表面擴(kuò)散）目標(biāo)產(chǎn)物催化劑應(yīng)用原子、分子混合接觸（易于輸運）新先驅(qū)物氣態(tài)、液態(tài)出發(fā)物來軟的——溫和條件：溶液、氣態(tài)、軟態(tài)、非晶態(tài)靈活機(jī)動——改變路徑：催化劑使用迂回戰(zhàn)術(shù)——改變原始出發(fā)物（precursor）借助外援——有機(jī)/高分子的靈活，可加工化整為零——新穎的能量提供方式（如plasma,CVD,微波化學(xué)）質(zhì)量輸運過程目標(biāo)產(chǎn)物目標(biāo)產(chǎn)物由高能態(tài)向低能態(tài)轉(zhuǎn)化高溫、高壓、高能量粒子束等極端合成條件軟化學(xué)路線：水熱合成微粉（120－200℃）化學(xué)共沉淀合成（室溫－800℃）Sol-gel（400－700℃）Plasma－CVD（RT－1000℃）

Zr(acac)4+Y(dpm)3YSZ薄膜（β-二酮類）

主要解決：－長距離擴(kuò)散、－反應(yīng)高能態(tài)的形成、－降低活化能典型實例1：

ZrO2:Y(YSZ)高溫?zé)膳c軟化學(xué)合成

高溫?zé)桑?/p>

ZrO2+Y2O3YSZ陶瓷>1800oC300－500oC典型實例3：高溫高壓金剛石與CVD金剛石薄膜高溫高壓：HTHP金剛石

C

金剛石

低壓CVD合成金剛石薄膜：

CH4C(金剛石）+H2

～2000oC60-100KatmNi-Fe催化劑燃燒法PCVD由高能態(tài)體系先形成中間介穩(wěn)相C2H2,C2H5OH,……金剛石C硬碰硬攀登位壘毫米級厚金剛石片帶Si襯底的金剛石厚膜半透純金剛石熱沉片1010mm210w/(k·cm)金剛石薄膜SEM表征金剛石厚膜表面SEM照片典型實例5：有機(jī)、高分子化學(xué)路線的應(yīng)用

Polymericprecursor法：（例如通過高聚物化學(xué)合成非氧化物陶瓷法）Si+CSiC

（高溫）

Poly(dimethysilene)SiC

AlR3+NR3R3Al-NR3AlN+R例：高聚物輔助的新型陶瓷工藝擠壓成型法管狀多孔、致密陶瓷懸浮粒子法厚膜陶瓷Gel-casting復(fù)雜形狀陶瓷熱解(B2N2phNH2)XBN600oC250oC圖2不同腐蝕時間鉍納米線陣列的的表面FE-SEM圖片(a)

5分鐘的表面照片，(b)10分鐘的表面照片，(c)15分鐘的表面照片圖3鐵納米陣列的SEM圖

材料制備與工程－主要是介紹關(guān)于材料（無機(jī)陶瓷）的制備、組成與結(jié)構(gòu)、性能及制備條件對它們的影響，以及它們之間的相互關(guān)系等。1.材料工程與制備技術(shù)

材料工程(工藝)這一主題,常常構(gòu)成材料科學(xué)與工程中一個頗為突出的矛盾體。

★一方面材料工藝被認(rèn)為是材料科學(xué)賴以發(fā)展的基礎(chǔ)；因為材料的性能對工藝過程有明顯的依賴性，工藝是確定材料能否推向預(yù)期市場的決定因素，陶瓷材料尤其如此。

★另一方面，與工藝的重要性這一普遍認(rèn)識相反，要找材料制備與工程

找到有關(guān)這一主題的系統(tǒng)文獻(xiàn)，或者說非常準(zhǔn)確的工程參數(shù)，并不容易，盡管近些年來有所發(fā)展和改進(jìn)。

這主要是因為：①人們往往根據(jù)實用準(zhǔn)則來評判（陶瓷）材料工藝，一個產(chǎn)品的成功往往由最后質(zhì)量衡量，而很少通過形成過程構(gòu)思的“精巧”或論證的“嚴(yán)謹(jǐn)”來體現(xiàn)。如果性能不好，往往原來構(gòu)思就被否定，過程中的“變化”常常被忽略。實際上在制備過程中，涉及許多制備技術(shù)、工藝手段和“KnowHow”。如此，阻礙了工藝的發(fā)展。②專利制度：追求目標(biāo)不太成功，就可能像①所述那樣否定原來構(gòu)思，或大談自己的經(jīng)驗，而缺乏把各種變量結(jié)合而縱觀分析提升；一旦達(dá)到