陶瓷工藝及功能

陶瓷的工藝及功能2021/10/10星期日1.目錄一、簡(jiǎn)介二、陶瓷的成分三、傳統(tǒng)陶瓷的基本分類四、新型陶瓷材料的特點(diǎn)及分類五、金屬／陶瓷功能梯度涂層工藝的應(yīng)用現(xiàn)狀六、總結(jié)2021/10/10星期日2.一、簡(jiǎn)介陶是瓷的源，瓷是陶的流，源遠(yuǎn)流長(zhǎng)的陶瓷，是古代華夏文明的起點(diǎn)。陶土經(jīng)500至600度的火焰燒成陶器，陶離土地近，陶罐一般為盛水器，實(shí)用又純樸。瓷土經(jīng)1200至1300度的窯火燒成瓷，瓷瓶大多供賞花用，漂亮飄逸。陶的屬性更多地帶有男性的陽(yáng)剛之氣，瓷的屬性更多地帶有女性的陰柔之美。陶與瓷的結(jié)合，精與神的交融，便有了千古佳話，精彩喜劇。2021/10/10星期日3.2021/10/10星期日4.一、簡(jiǎn)介狹義陶瓷(傳統(tǒng)陶瓷）：陶器、瓷器等以粘土為主要原料的制品的通稱。早在歐洲人掌握瓷器制造技術(shù)一千多年前，中國(guó)人就已經(jīng)制造出很精美的陶瓷器。中國(guó)是世界上最早應(yīng)用陶器的國(guó)家之一，而中國(guó)瓷器因其極高的實(shí)用性和藝術(shù)性而備受世人的推崇?？脊虐l(fā)現(xiàn)中國(guó)人早在新石器時(shí)代（約公元前8000－2000年）就發(fā)明了陶器。原始社會(huì)晚期出現(xiàn)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)使中國(guó)人的祖先過(guò)上了比較固定的生活，客觀上對(duì)陶器有了需求。人們?yōu)榱颂岣呱畹姆奖?，提高生活質(zhì)量，逐漸通過(guò)燒制粘土燒制出了陶器。2021/10/10星期日5.二、陶瓷的成分陶瓷，陶器和瓷器的總稱。陶瓷的傳統(tǒng)概念是指所有以粘土等無(wú)機(jī)非金屬礦物為原料的人工工業(yè)產(chǎn)品。它包括由粘土或含有粘土的混合物經(jīng)混煉，成形，煅燒而制成的各種制品。由最粗糙的土器到最精細(xì)的精陶和瓷器都屬于它的范圍。對(duì)于它的主要原料是取之于自然界的硅酸鹽礦物(如粘土、長(zhǎng)石、石英等)，因此與玻璃、水泥、搪瓷、耐火材料等工業(yè)，同屬于“硅酸鹽工業(yè)”的范疇。2021/10/10星期日6.三、傳統(tǒng)陶瓷的基本分類陶瓷制品的品種繁多，它們之間的化學(xué)成分、礦物組成，物理性質(zhì)，以及制造方法，常?；ハ嘟咏诲e(cuò)，無(wú)明顯的界限，而在應(yīng)用上卻有很大的區(qū)別。因此很難硬性地歸納為幾個(gè)系統(tǒng)，詳細(xì)的分類法各家說(shuō)法不一，到現(xiàn)在國(guó)際上還沒有一個(gè)統(tǒng)一的分類方法。常見的分類法是按用途應(yīng)該分為五大系列，分別是工業(yè)陶瓷、建筑陶瓷、衛(wèi)生陶瓷、日用陶瓷、還有藝術(shù)陶瓷。2021/10/10星期日7.三、傳統(tǒng)陶瓷的基本分類1、日用陶瓷：如餐具、茶具、缸，壇、盆、罐、盤、碟、碗等。2、藝術(shù)（工藝）陶瓷：如花瓶、雕塑品．園林陶瓷器皿陳設(shè)品等。3、工業(yè)陶瓷：指應(yīng)用于各種工業(yè)的陶瓷制品。比如說(shuō)像供電的瓷瓶，坦克、汽車、火箭里面都有用陶瓷。一般我們老百姓很少涉足。4、建筑陶瓷：如磚瓦，排水管、面磚，外墻磚等。5、衛(wèi)生陶瓷：潔具衛(wèi)生間用的陶瓷，有如陶瓷馬桶、陶瓷面盆等。2021/10/10星期日8.2021/10/10星期日9.四、新型陶瓷材料的特點(diǎn)及分類陶瓷材料中已崛起了精細(xì)陶瓷，它以抗高溫、超強(qiáng)度、多功能等優(yōu)良性能在新材料世界獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。精細(xì)陶瓷是指以精制的高純度人工合成的無(wú)機(jī)化合物為原料，采用精密控制工藝燒結(jié)的高性能陶瓷，因此又稱先進(jìn)陶瓷或新型陶瓷。精細(xì)陶瓷有許多種，它們大致可分成三類。2021/10/10星期日10.四、新型陶瓷材料的特點(diǎn)及分類(一)結(jié)構(gòu)陶瓷。

這種陶瓷主要用于制作結(jié)構(gòu)零件。機(jī)械工業(yè)中的一些密封件、軸承、刀具、球閥、缸套等都是頻繁經(jīng)受摩擦而易磨損的零件，用金屬和合金制造有時(shí)也是使用不了多久就會(huì)損壞，而先進(jìn)的結(jié)構(gòu)陶瓷零件就能經(jīng)受住這種“磨難”。2021/10/10星期日11.四、新型陶瓷材料的特點(diǎn)及分類(二)電子陶瓷

指用來(lái)生產(chǎn)電子元器件和電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)零部件的功能性陶瓷。這些陶瓷除了具有高硬度等力學(xué)性能外，對(duì)周圍環(huán)境的變化能“無(wú)動(dòng)于衷”，即具有極好的穩(wěn)定性，這對(duì)電子元件是很重要的性能，另外就是能耐高溫。2021/10/10星期日12.四、新型陶瓷材料的特點(diǎn)及分類(三)生物陶瓷

生物陶瓷是用于制造人體“骨骼一肌肉”系統(tǒng)，以修復(fù)或替換人體器官或組織的一種陶瓷材料。2021/10/10星期日13.四、新型陶瓷材料的特點(diǎn)及分類

精細(xì)陶瓷是新型材料巾特別值得注意的一種，它有廣闊的發(fā)展前途。這種具有優(yōu)良性能的精細(xì)陶瓷，有可能在很大的范圍內(nèi)代替鋼鐵以及其他金屬而得到廣泛應(yīng)用，達(dá)到節(jié)約能源、提高效率、降低成本的目的；精細(xì)陶瓷和高分子合成材料相結(jié)合．可以使交通運(yùn)輸工具輕量化、小型化和高效化。2021/10/10星期日14.四、新型陶瓷材料的特點(diǎn)及分類精陶材料將成為名副其實(shí)的耐高溫的高強(qiáng)度材料，從而可用作包括飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)在內(nèi)的各種熱機(jī)材料、燃料電池發(fā)電部件材料、核聚變反應(yīng)堆護(hù)壁材料、無(wú)公害的外燃式發(fā)動(dòng)機(jī)材料等。精細(xì)陶瓷與高性能分子材料、新金屬材料、復(fù)合材料并列為四大新材料。有些科學(xué)家預(yù)言．由于精細(xì)陶瓷的出現(xiàn)，人類將從鋼鐵時(shí)代重新進(jìn)入陶瓷時(shí)代。2021/10/10星期日15.五、金屬／陶瓷功能梯度涂層工藝的應(yīng)用現(xiàn)狀金屬具有高的熱導(dǎo)率、韌性及延展性等性能，陶瓷硬度高、耐磨、耐蝕、耐高溫，有些陶瓷還具有隔熱、絕緣或光能轉(zhuǎn)換等特殊性能。因此，如何把金屬與陶瓷的優(yōu)異性能結(jié)合起來(lái)，多年來(lái)一直是材料科學(xué)與工程研究的方向。2021/10/10星期日16.五、金屬／陶瓷功能梯度涂層工藝的應(yīng)用現(xiàn)狀金屬表面陶瓷涂層依其功能大致可分為耐熱涂層(熱障涂層)、耐磨涂層、耐蝕涂層、生物功能涂層及其它特殊功能涂層等。然而，陶瓷和金屬的熱膨脹系數(shù)(CTE)及彈性模量等性能不相匹配，且基體與涂層間存在明顯界面，因此，表面具有陶瓷涂層的金屬零部件在應(yīng)用過(guò)程中會(huì)發(fā)生涂層開裂或剝落損壞等現(xiàn)象。雙層涂層及多層涂層體系也不能消除基體與涂層間及涂層內(nèi)部層與層間性能不匹配問(wèn)題。2021/10/10星期日17.五、金屬／陶瓷功能梯度涂層工藝的應(yīng)用現(xiàn)狀為此，開發(fā)了功能梯度涂層(FGM涂層)。在FGM涂層中，沿涂層厚度方向，隨涂層厚度增加，陶瓷相成分含量逐漸增加，金屬相成分含量則相應(yīng)減小，即金屬相與陶瓷相涂層間無(wú)明顯界面，很好地解決了二者性能不相匹配的問(wèn)題，最大程度地削弱或消除了涂層中的應(yīng)力，提高涂層與基體間結(jié)合強(qiáng)度。2021/10/10星期日18.五、金屬／陶瓷功能梯度涂層工藝的應(yīng)用現(xiàn)狀目前，F(xiàn)GM涂層在航空、航天、能源和生物醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域均已獲得應(yīng)用［4，9～11］。而且，F(xiàn)GM深層制備工藝也迅速發(fā)展，日本、美國(guó)、英國(guó)、中國(guó)和德國(guó)等許多國(guó)家均在進(jìn)行FGM深層工藝的研究。2021/10/10星期日19.五、金屬／陶瓷功能梯度涂層工藝的應(yīng)用現(xiàn)狀1、FGM涂層工藝及應(yīng)用目前制備FGM涂層的工藝方法多種多樣，主要有氣相沉積法、自蔓延高溫合成法、等離子噴涂法及激光熔覆法等。2021/10/10星期日20.五、金屬／陶瓷功能梯度涂層工藝的應(yīng)用現(xiàn)狀2、氣相沉積法制備FGM涂層的氣相沉積法包括物理氣相沉積法(PVD)和化學(xué)氣相沉積法(CVD)。這兩種方法又可細(xì)分為許多具體的工藝方法。一般地說(shuō)，氣相沉積法可以制得很薄的梯度涂層。但是，PVD法難以在復(fù)雜形狀表面沉積涂層，而CVD法可以在形狀復(fù)雜的零件表面制備出梯度涂層，而且沉積層表面光滑致密，沉積率較高。2021/10/10星期日21.五、金屬／陶瓷功能梯度涂層工藝的應(yīng)用現(xiàn)狀近年來(lái)，CVD和PVD技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、化工、能源和生物工程等領(lǐng)域制備功能梯度涂層，同時(shí)不斷與其它表面涂層技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)出了一些改進(jìn)型表面涂層技術(shù)制備梯度涂層，如電子束物理氣相沉積法(EB-PVD)、離子束增強(qiáng)物理氣相沉積法(IBEB)、燃燒化學(xué)氣相沉積法(CCVD)、物理化學(xué)沉積法(PCVD)、反應(yīng)濺射及陰極磁控濺射等。而且，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，CVD和PVD梯度涂層技術(shù)在材料制備及改善零部件表面性能等方面的應(yīng)用不斷增加，有著美好的應(yīng)用前景。2021/10/10星期日22.五、金屬／陶瓷功能梯度涂層工藝的應(yīng)用現(xiàn)狀3、自蔓延高溫合成法自蔓延高溫合成法(簡(jiǎn)稱SHS)又稱燃燒合成法，是一種制備材料與制造零部件的新技術(shù)。SHS法是由前蘇聯(lián)科學(xué)家Merzhanov于1967年首次正式提出來(lái)的［34］，其基本特點(diǎn)是利用能夠發(fā)生高效熱反應(yīng)的原料反應(yīng)時(shí)放出的熱使反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，從而達(dá)到合成與制備材料的目的。SHS反應(yīng)溫度高，速度快，整個(gè)反應(yīng)過(guò)程在幾秒至幾十秒間即可迅速完成；反應(yīng)時(shí)只需局部或整體點(diǎn)火，反應(yīng)一旦進(jìn)行，即不需外加能源；采用SHS技術(shù)，材料合成與形成可以同時(shí)完成。到了80年代，SHS技術(shù)已應(yīng)用于制備涂層，在過(guò)去的15～20年中，原蘇聯(lián)及俄羅斯對(duì)SHS涂層技術(shù)及物理機(jī)制等進(jìn)行了廣泛研究［35］。現(xiàn)在，世界上許多國(guó)家，包括俄羅斯、美國(guó)、日本、中國(guó)、德國(guó)和法國(guó)等均在從事SHS法制備FGM和涂層的研究，并在某些方面已經(jīng)獲得了成功應(yīng)用。2021/10/10星期日23.五、金屬／陶瓷功能梯度涂層工藝的應(yīng)用現(xiàn)狀SHS梯度涂層技術(shù)的基本原理是在金屬基體上預(yù)先鋪敷或粘結(jié)成分呈梯度變化的涂層，在壓力下局部點(diǎn)火引燃化學(xué)反應(yīng)，利用反應(yīng)放出的熱使反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，同時(shí)使基體金屬表面短時(shí)間內(nèi)達(dá)高溫熔化，涂層與基體間形成冶金結(jié)合，從而制得高粘結(jié)強(qiáng)度的梯度涂層。另外，也可以預(yù)置成分均勻的陶瓷粉涂層，由于反應(yīng)過(guò)程中的陶瓷粉涂層中往往產(chǎn)生至少一種液相的移動(dòng)有助于成分的再分布，最終可以在純陶瓷層和純金屬基體間形成一個(gè)成分連續(xù)變化的梯度過(guò)渡層。2021/10/10星期日24.五、金屬／陶瓷功能梯度涂層工藝的應(yīng)用現(xiàn)狀現(xiàn)在，俄羅斯、美國(guó)、日本和中國(guó)等許多國(guó)家采用SHS涂層工藝，已成功地制備出了在圓形鋼管內(nèi)壁，具有成分梯度分布的陶瓷復(fù)合鋼管。SHS梯度陶瓷復(fù)合鋼管具有優(yōu)良的耐磨、耐蝕性能，且耐燒蝕。因此，在石油、化工、海洋和軍事等工業(yè)中有廣泛應(yīng)用前景。可見，由于SHS法制備功能梯度涂層具有節(jié)能省時(shí)、成本低廉、設(shè)備簡(jiǎn)單和操作方便等優(yōu)點(diǎn)，SHS法已成為制備功能梯度涂層中非常有吸引力的工藝方法。隨著研究的深入，其應(yīng)用范圍會(huì)不斷擴(kuò)大。2021/10/10星期日25.五、金屬／陶瓷功能梯度涂層工藝的應(yīng)用現(xiàn)狀4、等離子噴涂法等離子噴涂法是制備FGM涂層中非常有吸引力的工藝方法［14］。等離子噴涂方法具有如下特點(diǎn)［15～17］：①等離子焰熱量高度集中，可以獲得很高的溫度(噴槍出口處火焰平均溫度可以高達(dá)10000K以上)，足以熔化任何一種難熔材料；②等離子流速度較高，使得噴涂粒子以較大速度撞擊到基體上，形成的涂層與基體間結(jié)合強(qiáng)度較大；③對(duì)基體熱影響小，可以對(duì)已加工成形的工件進(jìn)行表面噴涂；④易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，且成本適中。2021/10/10星期日26.五、金屬／陶瓷功能梯度涂層工藝的應(yīng)用現(xiàn)狀等離子噴涂依據(jù)環(huán)境介質(zhì)和壓力的不同可以細(xì)分為大氣等離子噴涂(APS)、高能等離子噴涂(HPPS)、真空等離子噴涂(VPS)、低壓等離子噴涂(LPPS)、保護(hù)氣氛等離子噴涂(IPS)、水下等離子噴涂(UPS)和感應(yīng)電偶等離子噴涂等［15，16］。按噴涂時(shí)送粉方式或噴槍數(shù)目可以分為單槍等離子噴涂法和雙槍等離子噴涂法。2021/10/10星期日27.五、金屬／陶瓷功能梯度涂層工藝的應(yīng)用現(xiàn)狀5、激光熔覆法制備FGM涂層是90年代由D.R.Fwest和R.D.Rauliys等人發(fā)展起來(lái)的一種新方法［14，24］。這種工藝的基本原理和過(guò)程見圖2。把少量B陶瓷粉置于A金屬基體表面，采用激光照射，使B和A上表面薄層區(qū)同時(shí)熔化，通過(guò)冶金結(jié)合形成B-A合金金屬。重復(fù)以上過(guò)程，并合理控制B涂層厚度，激光束能量及激光束掃描速度或工件A移動(dòng)速度等參數(shù)，可以制得含有多層薄層的梯度涂層。在涂層中，A成分含量沿厚度方向上逐漸減少。2021/10/10星期日28.2021/10/10星期日29.五、金屬／陶瓷功能梯度涂層工藝的應(yīng)用現(xiàn)狀熔覆層材料B的初始狀態(tài)有粉末狀、絲狀及膏狀等。涂層材料B的添加方式主要有預(yù)置法和同步法兩種。預(yù)置法主要包括火焰噴涂、等離子噴涂、粘結(jié)劑法和粉末松散鋪展法等；同步法包括重力送粉法、氣動(dòng)動(dòng)態(tài)送粉法、送膏法和送線法等。涂層材料的不同添加方法最終會(huì)影響熔覆過(guò)程的冶金行為和涂層性能。2021/10/10星期日30.五、金屬／陶瓷功能梯度涂層工藝的應(yīng)用現(xiàn)狀該工藝具有如下特點(diǎn)：①涂層溫度冷卻快(高達(dá)106℃／s)，產(chǎn)生快速凝固組織；②熱輸入小，基體畸變小，涂層與基體呈冶金結(jié)合；③適用的材料體系廣泛；④可以進(jìn)行選區(qū)熔覆，材料消耗少等。但是，在制備陶瓷金屬梯度涂層過(guò)程中，由于激光溫度非常高，所以，涂層中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)裂紋和孔洞等缺陷。并且，陶瓷顆粒與金屬往往發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。采用激光熔覆梯度涂層工藝可以顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱及電氣特性和生物活性等性能。目前，該工藝已應(yīng)用于改善航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、汽車缸體、汽輪