先进陶瓷材料课件

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1、l陶瓷材料是除金属和高聚物以外的陶瓷材料是除金属和高聚物以外的无机非金属材料的通称。无机非金属材料的通称。l工业上应用的典型传统陶瓷产品有工业上应用的典型传统陶瓷产品有陶瓷器、玻璃、水泥和耐火材料等陶瓷器、玻璃、水泥和耐火材料等.l随着现代科技的发展，涌现出许多随着现代科技的发展，涌现出许多性能优良的性能优良的新型陶瓷新型陶瓷。新型陶瓷又新型陶瓷又称精细陶瓷称精细陶瓷，是，是40年代以来逐渐发年代以来逐渐发展起来的新型无机材料。近年来由展起来的新型无机材料。近年来由于科学技术的进步和新技术的出现于科学技术的进步和新技术的出现,新型陶瓷材料有了飞速的发展。新型陶瓷材料有了飞速的发展。陶瓷件陶瓷件

2、陶器陶器l国外发展现状状国外发展现状状l国际上从国际上从20世纪世纪60年代开始重视研究先进陶瓷材料年代开始重视研究先进陶瓷材料，结构陶瓷略早于功能陶瓷。结构陶瓷略早于功能陶瓷。l6070年代伴随着陶瓷学研究的新进展，一大批具年代伴随着陶瓷学研究的新进展，一大批具有优良性能的结构和功能陶瓷材料被发现和合成。有优良性能的结构和功能陶瓷材料被发现和合成。l80年代以陶瓷发动机为背景，各国竞相加大了对陶年代以陶瓷发动机为背景，各国竞相加大了对陶瓷材料研究与开发的投入瓷材料研究与开发的投入，陶瓷材料已经能够基本，陶瓷材料已经能够基本满足各种苛刻条件下（包括陶瓷发动机部件在内）满足各种苛刻条件下（包括陶

3、瓷发动机部件在内）使用的耍求。使用的耍求。但材料的稳定性、可靠性和高成本等但材料的稳定性、可靠性和高成本等问题仍阻碍了先进陶瓷材料的应用。问题仍阻碍了先进陶瓷材料的应用。l90年代中后期，对陶瓷材料的研究转向材料性能稳年代中后期，对陶瓷材料的研究转向材料性能稳定性、结构与功能性能一体化、低成本制备工艺等定性、结构与功能性能一体化、低成本制备工艺等方面，各国仍在继续增加对陶瓷材料的研究与投入。方面，各国仍在继续增加对陶瓷材料的研究与投入。l在国际学术界在国际学术界，无机非金属材料的重耍性日益突出。，无机非金属材料的重耍性日益突出。很多国际上著名的原金属类杂志易名为材料类杂志，很多国际上著名的原金

4、属类杂志易名为材料类杂志，大量刊登先进陶瓷方面的研究论文。大量刊登先进陶瓷方面的研究论文。l从材料产业上从材料产业上讲，目前全球讲，目前全球各类先进陶瓷材料及其各类先进陶瓷材料及其产品的市汤销售总额每年达数百亿美元产品的市汤销售总额每年达数百亿美元，年增长率，年增长率达，结构陶瓷占销售额的达，结构陶瓷占销售额的30左右。左右。l一一.陶瓷材料的工艺特点陶瓷材料的工艺特点l陶瓷是脆性材料，所以大部分陶瓷是陶瓷是脆性材料，所以大部分陶瓷是通过粉体成通过粉体成型、烧结而得到所需要的形状，即烧结体型、烧结而得到所需要的形状，即烧结体。烧结。烧结体也是晶粒的聚集体，有晶粒和晶界，存在的问体也是晶粒的聚集

5、体，有晶粒和晶界，存在的问题是有一定的气孔率。题是有一定的气孔率。粉末烧结法制备陶瓷材料粉末烧结法制备陶瓷材料l其制备原理为：粉末原料经过成型后，在高其制备原理为：粉末原料经过成型后，在高温非液相（主晶相为固态）温度下长时间保温非液相（主晶相为固态）温度下长时间保温，通过原子扩散而粘结，从而形成具有一温，通过原子扩散而粘结，从而形成具有一定密度和强度的制品。定密度和强度的制品。成型方法：模压成型成型方法：模压成型l粉料装入模具内，采用粉料装入模具内，采用单向或双向加压来压实单向或双向加压来压实成粉胚成粉胚.单向加压单向加压底部的密度最小。底部的密度最小。双向加压双向加压可以使密度更均匀些，但工

6、件的中部密度仍然可以使密度更均匀些，但工件的中部密度仍然较低。较低。成型方法：成型方法：等静压等静压成型成型l装入密闭容器装入密闭容器(包套包套)内的粉料在内的粉料在压力缸中承受流态介质的高压，压力缸中承受流态介质的高压，整个整个包套基本上受到均等的压包套基本上受到均等的压力力。加压过程中不加热，称为。加压过程中不加热，称为冷等静压冷等静压；加压过程中同时加；加压过程中同时加热使工件烧结则称之为热使工件烧结则称之为热等静热等静压，压，通常用高纯氩气作为加压通常用高纯氩气作为加压介质。经热等静压的工件密度介质。经热等静压的工件密度可达到可达到98%以上。以上。烧结烧结l烧结烧结，是指将陶瓷坯，是

7、指将陶瓷坯体体加热到高温加热到高温，使其，使其发生一系列物理化学发生一系列物理化学反应，然后冷却至室反应，然后冷却至室温，使坯体具有足够温，使坯体具有足够的密度、强度和物理的密度、强度和物理化学性能的过程。化学性能的过程。l决定粉体能否致密化、制品能否烧成的关键是决定粉体能否致密化、制品能否烧成的关键是温度和温度和保温时间保温时间的选择。温度过高、保温时间过长，导致坯的选择。温度过高、保温时间过长，导致坯体变形或晶粒粗大；温度过低、保温时间太短，制品体变形或晶粒粗大；温度过低、保温时间太短，制品密度和强度不足。密度和强度不足。l二、二、陶瓷材料的分类陶瓷材料的分类 l1、按使用的原材料分、按使

8、用的原材料分l分为传统陶瓷材料和新分为传统陶瓷材料和新型陶瓷材料。型陶瓷材料。l传统陶瓷材料传统陶瓷材料主要用天主要用天 然的岩石、矿石、黏土等含有较多然的岩石、矿石、黏土等含有较多杂质杂质(或杂质不定或杂质不定)的材料作原料。的材料作原料。l新型陶瓷材料新型陶瓷材料采用化学方法人工合采用化学方法人工合成高纯度或纯度可控的材料作原料成高纯度或纯度可控的材料作原料.碳碳化化硅硅陶陶瓷瓷密密封封件件l2、按性能和应用分、按性能和应用分l分为工程结构陶瓷和功能陶瓷两类。分为工程结构陶瓷和功能陶瓷两类。l在工程结构上使用的陶瓷称在工程结构上使用的陶瓷称工程陶瓷工程陶瓷，因其主要在高温下使用，又称高温结

9、构因其主要在高温下使用，又称高温结构陶瓷。工程结构陶瓷有许多种，但目前陶瓷。工程结构陶瓷有许多种，但目前研究最多、并认为最有发展前途的是研究最多、并认为最有发展前途的是氮氮化硅、碳化硅化硅、碳化硅和和增韧氧化物增韧氧化物三类材料。三类材料。l利用陶瓷特有的物理性能制造的陶瓷材利用陶瓷特有的物理性能制造的陶瓷材料称料称功能陶瓷功能陶瓷。由于它们具有的物理性。由于它们具有的物理性能差异往往很大，所以用途很广泛。能差异往往很大，所以用途很广泛。陶瓷止回阀陶瓷止回阀陶瓷电容器陶瓷电容器l与传统陶瓷材料相比，新型陶瓷材料除原料来源不与传统陶瓷材料相比，新型陶瓷材料除原料来源不同外，还具有以下特点：同外，

10、还具有以下特点：l1、材料的组成、材料的组成l新型陶瓷材料的组成已超出传统陶瓷材料的以硅酸新型陶瓷材料的组成已超出传统陶瓷材料的以硅酸盐为主的范围，盐为主的范围，除氧化物、复合氧化物和含氧酸盐除氧化物、复合氧化物和含氧酸盐外，还有碳化物、氮化物、硼化物、硫化物及其他外，还有碳化物、氮化物、硼化物、硫化物及其他盐类和单质。盐类和单质。新型陶瓷材料的特点新型陶瓷材料的特点 l2、用途上、用途上l由原来主要利用材料所固有的由原来主要利用材料所固有的静态物理性状发展到利用各种静态物理性状发展到利用各种物理效应和微观现象的功能性物理效应和微观现象的功能性,并能在各种极端条件下使用。并能在各种极端条件下使

11、用。l 3、制备工艺和制品形态、制备工艺和制品形态l在在制制备备工工艺艺和和方方法法上上有有了了重重大大革革新新与与改改革革，制制品品形形态态也也有有很很大变化，大变化，由过去以块状和粉状由过去以块状和粉状金刚石膜刀具金刚石膜刀具金刚石膜金刚石膜SEM形貌形貌 为主向着单晶化、薄膜化、纤维化和复合化方向发展为主向着单晶化、薄膜化、纤维化和复合化方向发展.三、新型结构陶瓷材料三、新型结构陶瓷材料l 氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷 l氧氧化化铝铝陶陶瓷瓷以以Al2O3为为主主要要成成分分,含含有有少少量量SiO2的的陶陶瓷瓷，又又称称高高铝铝陶瓷陶瓷.Al2O3密封、气动陶瓷配件密封、气动陶瓷配件单相单相A

12、l2O3陶瓷组织陶瓷组织单相单相Al2O3 SEM形貌形貌l根根据据Al2O3含含量量不不同同分分为为75瓷瓷(含含75%Al2O3，又又称称刚刚玉玉-莫莫来来石石瓷瓷)、95瓷瓷和和99瓷，后两者又称刚玉瓷。瓷，后两者又称刚玉瓷。l氧氧化化铝铝陶陶瓷瓷耐耐高高温温性性能能好好，可可使使用用到到1950,。具具有有良好的电绝缘性能及耐磨良好的电绝缘性能及耐磨性。微晶刚玉性。微晶刚玉的硬度极高的硬度极高(仅仅次于金刚石次于金刚石).95瓷纺织件瓷纺织件99瓷纺织件瓷纺织件氧化铝耐高温喷嘴氧化铝耐高温喷嘴Al2O3化工、耐磨陶化工、耐磨陶瓷配件瓷配件氧化铝密封环氧化铝密封环l氮化硅（氮化硅（Si3

13、N4）陶瓷）陶瓷 l1、氮化硅的结构、氮化硅的结构l氮氮化化硅硅是是由由SiN4四四面面体体组组成成的的共共价价键键固固体体。它它有有 和和 两两种种结结构构，都都是是六六方方晶晶格格。两两者者不不同同之之处处是是原原子子层层的的垛垛堆堆顺顺序序不不同同。但但它它们们不不是是同同素素异异构构体体，两两者者可可在在一一个个很很宽宽的的温温度度区区间间内同时合成。内同时合成。SiNNNNl增韧氧化物陶瓷增韧氧化物陶瓷 l为为了了提提高高陶陶瓷瓷材材料料的的韧韧性性,进进行行了了大大量量研研究究,近近十十几几年年在在增增韧韧氧氧化化物物陶陶瓷方面有了突破性进展瓷方面有了突破性进展.l增增韧韧氧氧化化

14、物物是是一一类类高高温温结结构构陶陶瓷瓷,这这类类陶陶瓷瓷中中含含有有一一定定数数量量弥弥散散分分布布的的亚亚稳稳状状态态物物质质。当当受受到到外外力力作作用用时时,这这些些物物质质发发生生相相变变而而吸吸收收能能量量，使使裂裂纹纹尖尖端端的的应应力力场场松弛，增加裂纹扩展阻力，从而大幅度提高韧性。松弛，增加裂纹扩展阻力，从而大幅度提高韧性。l目前常用的相变物质是四方相的氧化锆。目前常用的相变物质是四方相的氧化锆。ZrO2l原原则则上上讲讲，许许多多氧氧化化物物甚甚至至非非氧氧化化物物陶陶瓷瓷都都可可用用氧氧化化锆锆来来增增韧韧。但但实实验验结结果果表表明明，只只有有两两个个系系统统效效果果最

15、最好好，即即氧氧化化锆锆增增韧韧氧氧化化铝铝和和氧氧化化锆锆增增韧韧氧氧化化锆锆,后者又称部分稳定氧化锆后者又称部分稳定氧化锆(PSZ).l部分稳定氧化锆部分稳定氧化锆的导热率低的导热率低(比比Si3N4低低4/5),绝热性好绝热性好;热膨胀系数大，接近于发动机中使用的金属，因而与热膨胀系数大，接近于发动机中使用的金属，因而与金属部件连接比较容易；金属部件连接比较容易；抗弯强度与断裂韧性高，除抗弯强度与断裂韧性高，除在常温下使用外，已成为绝热柴油机的主要侯选材料。在常温下使用外，已成为绝热柴油机的主要侯选材料。ZrO2韧化韧化Al2O3的的组织组织(白色为白色为ZrO2)四、新型功能陶瓷材料四

16、、新型功能陶瓷材料 l新新型型功功能能陶陶瓷瓷材材料料具具有有特特殊殊的的物物理理化化学学性性能能，种种类类繁繁多多，这里只能介绍几种。这里只能介绍几种。l1、电子陶瓷材料、电子陶瓷材料l作为电子材料应用的陶瓷称电作为电子材料应用的陶瓷称电子陶瓷子陶瓷，主要分装置瓷、介电主要分装置瓷、介电陶瓷、敏感性陶瓷几大类陶瓷、敏感性陶瓷几大类。装。装置瓷主要用作绝缘子、电子器置瓷主要用作绝缘子、电子器件支架等，这里不作介绍。件支架等，这里不作介绍。l 导电陶瓷导电陶瓷l一一般般氧氧化化物物陶陶瓷瓷是是不不导导电电的的，但但如如果果把把某某些些氧氧化化物物加加热热，或或者者用用其其它它的的方方法法激激发发

17、，使使外外层层电电子子获获得得足足够够的的能能量量，足足以以克克服服原原子子核核对对它它的的吸吸引引力力而而成成为为自自由电子，这种氧化物陶瓷就成为电子导体或半导体由电子，这种氧化物陶瓷就成为电子导体或半导体.导电陶瓷导电陶瓷陶瓷加热器陶瓷加热器l 介电陶瓷介电陶瓷l介电陶瓷主要用于制造电容器，要求具有电阻率高、介电陶瓷主要用于制造电容器，要求具有电阻率高、介电常数大、介质损耗小等特点。介电常数大、介质损耗小等特点。金红石金红石(TiO2)、钛、钛酸钙瓷酸钙瓷(CaTiO3)、钛酸镁瓷、钛酸镁瓷(2MgO-TiO2)、钛锶铋瓷、钛锶铋瓷(Bi2O3 nTiO2溶于溶于SrTiO3的固溶体的固溶

18、体)用于高频电容器。用于高频电容器。钛酸钡钛酸钡(BaTiO3)用于铁电电容器、半导体电容器等。用于铁电电容器、半导体电容器等。BaTiO3结构结构多层多层BaTiO3陶瓷电容器陶瓷电容器l 压电陶瓷压电陶瓷l当当晶晶体体受受到到外外力力作作用用产产生生变变形形时时，其其两两端端面面出出现现正正负负电电荷荷，显显示示极极化化现现象象，反反之之，在在晶晶体体上上施施加加电电场场引引起起极化时，晶体产生变形，这种现象称作极化时，晶体产生变形，这种现象称作压电效应压电效应。l具具有有压压电电效效应应的的陶陶瓷瓷即即压压电电陶陶瓷瓷。利利用用压压电电效效应应可可把把机械能转变为电能，或把电能转变为机械

19、能。机械能转变为电能，或把电能转变为机械能。压压电电效效应应l 热敏陶瓷热敏陶瓷l热热敏敏陶陶瓷瓷是是制制造造热热敏敏电电阻阻的的材材料料，热热敏敏电电阻阻是是一一种种电电阻阻随随温温度度变变化化的的元元件件。阻阻值值随随温温度度升升高高而而增增加加的的称称正正温温度度系系数数热热敏敏电电阻阻(PTC)，反反之之，则则称称为为负负温温度系数热敏电阻度系数热敏电阻(NTC)。正电阻温度系数正电阻温度系数负电阻温度系数负电阻温度系数l 光电陶瓷光电陶瓷l半半导导体体陶陶瓷瓷受受光光照照射射后后使使导导电电率率增增加加的的现现象象称称光光电电导导效效应应。利利用用光光电电导导效效应应检检测测光光强强

20、度度的的元元件件叫叫光光电电导导探探测测器器或或光光敏敏电电阻阻。常常用用光光电电陶陶瓷瓷有有 CdS、SnO2、In2O3、PbO+Al2O3+SiO2等等。可可制制作光电二极管、太阳能电池作光电二极管、太阳能电池光电效应光电效应光電元件光電元件l3、光学陶瓷材料、光学陶瓷材料l光光学学陶陶瓷瓷材材料料种种类类很很多多(如如激激光光,光光导导纤纤维维,光色光色,荧光荧光,透光等透光等)。l 光导纤维光导纤维用用光光导导纤纤维维进进行行光光通通讯讯起起始始于于七七十十年年代代，光光波波导导具具有有不不串串线线、无无噪噪声声、抗抗干干扰扰、可可多路通讯、成本低等优点多路通讯、成本低等优点。900下工作的光下工作的光纤纤精品课件精品课件！精品课件精品课件！谢谢观赏！谢谢观赏！