材料學(xué)院學(xué)術(shù)部大一下概論材概

1材料學(xué)概論主講：徐家躍申慧第2部分無機非金屬材料2.3陶瓷2主要內(nèi)容

什么是陶瓷

陶瓷的結(jié)構(gòu)

陶瓷的性質(zhì)

陶瓷工藝學(xué)

陶瓷應(yīng)用實例3陶器

以天然粘土為原料，經(jīng)過較低溫度燒結(jié)，形成的一種含有較多氣孔、質(zhì)地疏松的制品。瓷器由陶器發(fā)展而來，經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)，加工釉的發(fā)明，制成的較致密、有光澤的制品。陶瓷陶器與瓷器的總稱，既有日用陶瓷、又有高科技領(lǐng)域用陶瓷1、什么是陶瓷？45

1、新石器時代早期陶器的出現(xiàn)；2、新石器時代晚期印紋硬陶和商、周時期原始瓷的燒制成功；3、漢晉時期南方青釉瓷的誕生；4、隋唐時期北方白釉瓷的突破；5、宋代到清代顏色釉瓷、彩繪瓷和雕塑陶瓷的輝煌成就。陶瓷的發(fā)展歷程6建筑陶瓷、日用陶瓷、藝術(shù)陶瓷7高科技用陶瓷8古老陶瓷，文明的象征和載體陶器在我國已有一萬多年的歷史，瓷器也有近兩千多年的歷史。陶瓷，尤其是瓷器，是我國對世界文明發(fā)展的卓越貢獻。藝術(shù)陶瓷，美德使者和源泉陶瓷被稱為“土與火的藝術(shù)”，造型精美，流光異彩。從古代的黑陶、彩陶、秦兵馬俑、唐三彩、青花、玲瓏……現(xiàn)代陶瓷，科技發(fā)展的動力和催化劑

現(xiàn)代陶瓷除了生活日用、衛(wèi)生潔具、切削刀具等廣泛應(yīng)用陶瓷之外，近幾十年在空間技術(shù)、能源技術(shù)、計算技術(shù)、激光技術(shù)、遙感技術(shù)等高科技領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。9

結(jié)構(gòu)：多晶2.陶瓷的結(jié)構(gòu)

顯微組織：

晶體相主相，決定性能的主要因素

玻璃相燒結(jié)膠粘劑，作用：降低燒結(jié)溫度、抑制晶粒長大、填充氣孔，副作用：對機械強度、介電性能不利，含量應(yīng)嚴(yán)格控制氣相：殘留下來而未排除的氣體10固相燒結(jié)高純氧化鋁瓷，其中-Al2O3剛玉晶體為主晶相，發(fā)育完好，不含玻璃相和氣孔（反光）氣孔

日用陶瓷瓷軸氣孔呈孤立狀，渾圓形，散布在玻璃相之中(單偏光)11陶瓷顯微結(jié)構(gòu)多孔SiC的顯微結(jié)構(gòu)古陶瓷微晶結(jié)構(gòu)Al2O3陶瓷Fe2O3/C復(fù)合材料123.1陶瓷的機械性能

3.2陶瓷的熱學(xué)性能

3.3陶瓷電性能與電子陶瓷

3.4陶瓷的化學(xué)穩(wěn)定性3、陶瓷的性質(zhì)13剛度（彈性模量）、硬度、強度、脆性與結(jié)合鍵的強度密切相關(guān)強度和彈性模量隨氣孔率的增大而減小不發(fā)生塑性變形，脆性是陶瓷材料最大的缺點機械性能14熱膨脹、導(dǎo)熱性、熱穩(wěn)定性（抗熱震性）鍵強度高的材料熱膨脹系數(shù)小，如SiC具有較強的鍵強，其熱膨脹系數(shù)較小陶瓷多為絕熱材料陶瓷的熱穩(wěn)定性比金屬低熱學(xué)性能15導(dǎo)電性陶瓷的導(dǎo)電性變化范圍很大多為絕緣體和半導(dǎo)體耐火性及化學(xué)穩(wěn)定性具有良好的耐火性能或不可燃性對酸、堿、鹽等均有較強的抗侵蝕能力具有不可燃燒性、高耐熱性、高化學(xué)穩(wěn)定性、高的硬度和良好的抗壓能力，但脆性很高，熱穩(wěn)定性差，抗拉強度較低。164、陶瓷的生產(chǎn)工藝17一、原料選擇（天然原料）可塑性原料：高嶺土（Al2[Si2O5](OH)4)、木節(jié)土、瓷土、膨潤土。。。非可塑性原料：石英、長石（K2O-6SiO2-Al2O3)、熟料、瓷粉。。。熔劑原料：長石、滑石（3MgO-4SiO2-H2O)，鈣、鎂碳酸鹽。。。18合成原料化學(xué)合成的方法制備所需的原料，是高技術(shù)陶瓷的主要原料較天然原料，具有純度高、雜質(zhì)少、粒徑小等特點氧化物類原料：如Al2O3、ZrO2、莫來石（3Al2O3·2SiO2）等非氧化物類原料：如SiC—硬度高、熱穩(wěn)定性好，Si3N4—高的熔點、硬度及電阻率合成方法舉例：溶膠凝膠法、燃燒法、共沉淀法。。。

19二、坯料制備原料經(jīng)揀選、破碎后，配料、混合、細(xì)磨等工序后得到的具有成形性能的多組分混合物。制備三步曲

原料處理

配料

混合制備20預(yù)燒幫助碎化原料減少坯料收縮改變結(jié)構(gòu)形態(tài)穩(wěn)定晶型精選經(jīng)分離、提純、除雜，更符合質(zhì)量要求(化學(xué)組成、礦物組成、顆料尺寸)原料處理21細(xì)粉碎（濕法球磨、氣流粉碎等）：粉體混合均勻，增加比表面，增大活性，利于坯料成形，降低燒結(jié)溫度、提高致密度

泥漿脫水：除去濕法粉碎后坯料中多余水分造粒：細(xì)碎后的陶瓷粉制成具有一定粒度的坯料(使其適合于干壓、半干壓成形）

陳腐(困料):泥坯置于陰暗潮濕室內(nèi)貯存一段時間（水分分布均勻、泥料松散均勻）練泥及真空處理：捏練泥料以改善質(zhì)量（使組分混合均勻）混合制備22三、成型使坯料具有一定幾何形狀、致密度和強度可塑法：利用坯泥的可塑性，施加外力使之成一定形狀(21～29％水分)（拉坯、擠壓、軋膜等）注漿法：30～35％水分（提高復(fù)雜形狀產(chǎn)品的成型效率和半成品質(zhì)量）壓制法：<15％水分（液壓技術(shù)、鋼模技術(shù)）23塑性成型工藝擠壓成型流延成型，又稱刮刀法，成型0.2mm—3mm厚度的片狀陶瓷基片材料24拉坯成型工藝

拉坯成型是陶瓷發(fā)展到一定階段出現(xiàn)的較為先進的成型工藝，是陶瓷歷史上一個重大的革命。

拉坯

——在快速轉(zhuǎn)動著的輪子上，將手探進柔軟的粘土里，開洞。借助螺旋運動的慣力，讓粘土向外擴展、向上推升，形成環(huán)形墻體。

用拉坯的方法可以制作圓形、弧型等渾圓的造型，比如盤子、碗、罐子等等，它的特點是作品挺拔、規(guī)整，器物的表面會留下一道道旋轉(zhuǎn)的紋路。

25將流動的泥漿注入石膏模(吸水性)內(nèi)泥漿分散的顆粒粘附于模壁，形成和模型相同形狀的坯土層隨時間延長而逐漸增厚，當(dāng)達到一定程度時，干燥收縮、脫離模壁，取出，粗坯注漿法成型（泥漿注入具有吸水性能的模具中而得到坯體的成型方法）2627干壓與半干壓成型

坯料成細(xì)粒狀，含水率低，不形成可塑狀態(tài)，要靠機械壓力作用成形。當(dāng)成形水分在7～15％時稱為半干壓成形，水分在4～6％時稱為干壓成形。28將粉狀坯料裝入富有彈性的模型內(nèi),置于密閉的高壓容器中，用泵壓入液體介質(zhì)。通過液體傳遞壓力，橡皮模內(nèi)的粉料就能各向受壓均勻地被壓成坯體。等靜壓成型29四、干燥涵義：加熱蒸發(fā)除去物料中部分水分作用：制取符合水分要求的粉料一定強度的生坯，便于運輸和加工提高坯體吸附釉層和能力提高成窯率縮短燒成周期

30五、燒成(最重要工序之一)

礦物原料組成的生坯預(yù)期性能的人工合成陶瓷

高溫中經(jīng)受熱化學(xué)反應(yīng)31燒成中的物理化學(xué)變化低溫(室溫-300℃):坯體中水分蒸發(fā)期中溫(300-950℃):氧化分解及晶型轉(zhuǎn)化期高溫(950℃-最高燒成溫度):?；纱善诶鋮s(燒成溫度-室溫):急冷、緩冷、最終冷32燒成：顆粒間很小的附著力—顆粒間獲得較高的致密度和強度(a)顆粒間松散接觸(b)顆粒之間形成頸部(c)晶界向小晶粒方向移動并逐漸消失，晶粒逐漸長大(d)顆粒形成多晶聚合體，達到一定的致密度和強度33熱壓成型

在高溫下加壓促使燒結(jié)，成型和燒成同時進行利于氣孔或空位從晶界擴散，利于顆粒流動和重新排列熱等靜壓成型將常溫等靜壓工藝與高溫?zé)Y(jié)工藝相結(jié)合，降低燒結(jié)溫度和燒結(jié)時間真空燒結(jié)避免氣氛中的某些成分對材料的不良影響，有利于材料的排氣，能獲得十分致密的制品燒成新方法34涵義：在陶瓷表面燒結(jié)一層連續(xù)玻璃態(tài)物質(zhì)要求：釉料的熱膨脹系數(shù)、彈性、抗張強度等應(yīng)與瓷體相適應(yīng)，以實現(xiàn)袖層與瓷體的牢固結(jié)合，不產(chǎn)生開裂和釉層剝落等缺陷。施釉前坯體的含水量為1-3％。

方法：浸、噴、滾、澆、涂刷。。。表面施釉35釉的作用改善陶瓷制品的表面性能，使制品表面光滑，對液體、氣體具有不透過性，不易沾污提高制品的機械強度、電學(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性覆蓋坯體表面并給人以美的感覺，尤其是顏色釉與藝術(shù)釉更增添了陶瓷制品的藝術(shù)價值宋青瓷溫酒器皿365.陶瓷應(yīng)用舉例（1）結(jié)構(gòu)陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷是指具有力學(xué)和機械性能及部分熱學(xué)和化學(xué)功能的先進陶瓷（現(xiàn)代陶瓷），需要在高溫、高濕、高應(yīng)力、高強度、強烈腐蝕環(huán)境、高真空、高輻射、強摩擦等環(huán)境極限下應(yīng)用的材料。特別適于高溫下應(yīng)用的則稱為高溫結(jié)構(gòu)陶瓷。37氧化鋁陶瓷38氮化硅陶瓷（Si3N4)超硬度，耐磨損永久性模具抗腐蝕，高溫時也抗氧化汽輪機葉片抗冷熱沖擊而不碎裂永久性模具耐高溫且不易傳熱軸承機械密封環(huán)潤滑性3940碳化硅陶瓷材料被認(rèn)為現(xiàn)代空間光學(xué)系統(tǒng)所需高性能反射鏡首選材料

SiC陶瓷----高比剛度、高熱導(dǎo)、抗輻照、輕量化……空間遙感大型天文望遠(yuǎn)鏡大型地面經(jīng)緯儀強激光41多孔陶瓷獨特的多孔結(jié)構(gòu)、熱導(dǎo)率低、體積密度小難熔金屬過濾汽車尾氣凈化催化劑載體消聲器（聲轉(zhuǎn)化為熱能）多孔陶瓷SiC、Al2O3、莫來石等42（2）電子陶瓷

電子陶瓷是區(qū)別于日用陶瓷、藝術(shù)陶瓷、建筑陶瓷、電工陶瓷以及單純考慮材料力學(xué)性質(zhì)的結(jié)構(gòu)陶瓷;指那些利用電、磁、聲、光、熱、力等直接效應(yīng)及其耦合效應(yīng)所提供的一種或多種性質(zhì)來實現(xiàn)某種使用功能的先進陶瓷（現(xiàn)代陶瓷）。43電子陶瓷——壓電陶瓷（機械能與電能相互轉(zhuǎn)變）煤氣爐中的電子打火地質(zhì)探測儀元件壓電陶瓷探頭44透明陶瓷

光在多晶體中的散射效應(yīng)

陶瓷不透明陶瓷是一種多晶無機材料;存在大量的氣孔、晶界、雜質(zhì)等缺陷，對光的散射和折射;特殊情況下，實現(xiàn)透明陶瓷：致密度達到99.9%以上（氣孔是主要的散射源）晶界干凈，不存在雜質(zhì)、玻璃相、氣孔等缺陷晶粒大小均勻無光學(xué)各向異性表面潔凈度高45YAG透明陶瓷照片YAG透明陶