先进结构陶瓷培训讲座PPT.ppt

先进结构陶瓷 课程信息：32学时，2学分，18周，考查 主讲教师：肖汉宁 教授 tel:e-mail: 使用教材：肖汉宁，高朋召编著高性能结构陶瓷及其应用 化学工业出版社，2006 主要参考书： 1 谢志鹏著：结构陶瓷，清华大学出版社，2011 2 王零森编著：特种陶瓷（第二版）中南大学出版社，2005 先进结构陶瓷课程大纲 全书共九章 第一章 绪论 主要讲述传统陶瓷与先进结构陶瓷的基本概念，先进结构陶 瓷的发展过程、结构特点、基本性能、分类、发展趋势和研 究热点等 先进结构陶瓷课程大纲 第二章 制备工艺 讲述先进结构陶瓷的制备工艺过程，包括原料的选择、鉴别 、加工及预处理；成形方法及工艺特点；先进结构陶瓷的致 密化机理和主要烧结方法等 先进结构陶瓷课程大纲 第三章 氧化物陶瓷 介绍氧化物陶瓷的结构和性能特点；氧化物陶瓷的分类、性 能特点及其应用；氧化铝、氧化锆等氧化物陶瓷的制备技术 及其应用 先进结构陶瓷课程大纲 第四章 微晶玻璃 讲述微晶玻璃的概念、结构及性能特点；玻璃的分相、成核 规律及晶体的生长模式; 晶核剂及热处理制度对微晶玻璃的 结构和性能的影响; 微晶玻璃的强韧化技术等 先进结构陶瓷课程大纲 第五章 碳化物陶瓷 介绍碳化物陶瓷的结构特点及基本特性；碳化物陶瓷的烧结 方法及技术特点；碳化硅、碳化硼、碳化钛、碳化钨等陶瓷 的制备、性能及主要应用 先进结构陶瓷课程大纲 第六章 氮化物陶瓷 介绍氮化物陶瓷的主要种类及性能特点；重点讲述氮化硅、 赛隆、氮氧化硅、氮化铝、氮化硼陶瓷的基本特性及应用 先进结构陶瓷课程大纲 第七章 硼化物陶瓷 内容包括硼化物陶瓷的结构特点、性能及应用；主要介绍二 硼化钛、过渡金属硼化物的基本特性及应用领域 先进结构陶瓷课程大纲 第八章 陶瓷基复合材料 讲述陶瓷基复合材料的定义、结构特点、性能及其应用；纳 米复相陶瓷的制备方法和结构特点；前驱体转化法制备纤维 增强复合材料的技术及应用等 先进结构陶瓷课程大纲 第九章 高性能陶瓷涂层 介绍高性能陶瓷涂层的种类、特点和用途；陶瓷涂层的各种 制备方法和技术特点；梯度功能涂层、纳米陶瓷涂层的特点 及应用等 第一章第一章 绪绪 论论 材料材料 materialsmaterials 金属材料 metal 无机非金属材料：ceramics inorganic non-metallic materials 高分子材料 polymer 复合材料 composite 1.1 1.1 陶瓷的分类陶瓷的分类 陶 瓷 ceramics 传统陶瓷传统陶瓷: traditional ceramics: traditional ceramics 陶器 pottery 炻器 stone ware 瓷器 porcelain, china 先进陶瓷：先进陶瓷：advanced ceramicsadvanced ceramics 结构陶瓷：structural ceramics 功能陶瓷：functional ceramics 陶瓷基复合材料：ceramic matrix composite 广义的陶瓷：是指由无机非金属材料经高温 处理而获得的各种材料及其制品。 无机非金属材料：除金属材料和有机高分子材料之外的一切 材料，包括各种无机非金属单质（c，s、si）、氧化物（ al2o3、sio2）、碳化物（sic、tic）、氮化物（si3n4、bn ）、硼化物（tib2、zrb2）、硅化物（mosi2）等。 材料及其制品：粉体、纤维、薄膜、块体。 hunan university 传统的陶瓷：是指由硅酸盐矿物原料经 细碎、混合、成型、烧成、彩绘等工序 而获得的具有坚硬结构的硅酸盐制品。 陶瓷：ceramics, 陶：pottery, 炻：stoneware, 瓷：porcelain, china hunan university 1.2 1.2 传统的陶瓷传统的陶瓷 l按材质分： 陶器：烧成温度9001200，吸水率2% 炻器：烧成温度11501280 ，吸水率0.52% 瓷器：烧成温度12501400，吸水率0.5% l按应用分： 日用陶瓷：杯、碟、碗、盆、勺、壶 艺术陶瓷：花瓶、掛盘、瓷板画、陶塑、瓷塑 建筑陶瓷：内墙砖、外墙砖、地板砖、卫生洁具、广场砖 工业陶瓷：电瓷、化工陶瓷 l按装饰特征分： 有釉、无釉；黑陶、彩陶、青花、釉下彩、釉中彩、釉上彩 釉下五彩、青花玲珑、唐三彩、 1.2.1 1.2.1 传统陶瓷的分类传统陶瓷的分类 hunan university 1.2.2 1.2.2 新石器时代的陶瓷新石器时代的陶瓷 约8000年前：河南裴李岗遗址（公元前5935480年）：中原 地区新石器时代，粗陶，出土陶器有壶 hunan university 1.2.2 1.2.2 新石器时代的陶瓷新石器时代的陶瓷 约7000年前：淅江河姆渡遗址（公元前5005130年）：出土 陶器有釜、罐、盆、盘钵 hunan university 1.2.2 1.2.2 新石器时代的陶瓷新石器时代的陶瓷 约6000年前：西安半坡遗址（仰韶文化时期）：彩陶 hunan university 1.2.2 1.2.2 新石器时代的陶瓷新石器时代的陶瓷 约4500年前：甘肃马家窑（马家窑，公元前2550100年）： 彩陶、黑陶 hunan university 1.2.2 1.2.2 新石器时代的陶瓷新石器时代的陶瓷 约4000年前：中原地区（龙山文化，公元前2000前后）：彩 陶、黑陶 hunan university 1.2.3 1.2.3 夏商周时期的陶瓷夏商周时期的陶瓷 约40003000年前：夏商周时期的陶瓷：彩陶、白陶、釉陶 hunan university 1.2.4 1.2.4 秦汉时期的陶瓷秦汉时期的陶瓷 秦汉时期：瓦当、汉砖、兵马俑、铅釉陶 hunan university 1.2.5 1.2.5 唐宋时期的陶瓷唐宋时期的陶瓷 隋唐时期 ：彩陶、白陶原始瓷器发展，越窑瓷 hunan university 1.2.5 1.2.5 唐宋时期的陶瓷唐宋时期的陶瓷 隋唐时期 ：邢窑瓷 hunan university 1.2.5 1.2.5 唐宋时期的陶瓷唐宋时期的陶瓷 隋唐时期 ：唐三彩 hunan university 1.2.5 1.2.5 唐宋时期的陶瓷唐宋时期的陶瓷 宋朝：中国瓷器的鼎盛时期：定窑 hunan university 1.2.5 1.2.5 唐宋时期的陶瓷唐宋时期的陶瓷 宋朝：汝窑 hunan university 1.2.5 1.2.5 唐宋时期的陶瓷唐宋时期的陶瓷 宋朝：钧窑 hunan university 1.2.5 1.2.5 唐宋时期的陶瓷唐宋时期的陶瓷 宋朝：官窑、哥窑 hunan university 1.2.5 1.2.5 唐宋时期的陶瓷唐宋时期的陶瓷 宋朝：景德镇瓷器 hunan university 1.2.5 1.2.5 唐宋时期的陶瓷唐宋时期的陶瓷 宋朝：唐宋长沙窑 hunan university 1.2.6 1.2.6 近代的瓷器近代的瓷器 景德镇陶瓷：青花玲珑、青花釉里红、 斗彩、薄胎 hunan university 1.2.6 1.2.6 近代的瓷器近代的瓷器 醴陵：釉下五彩、红官窑、炻瓷 hunan university 1.2.6 1.2.6 近代的瓷器近代的瓷器 长沙：中国红瓷 hunan university 1.2.6 1.2.6 近代的瓷器近代的瓷器 骨瓷：英国、韩国、唐山 hunan university 1.3 1.3 先进陶瓷先进陶瓷 先进陶瓷：是伴随现代工业技术的发展而出现的 各种新型陶瓷的总称。先进陶瓷的种类繁多，其 应用领域几乎涉及工业技术的各个方面，尤其对 电子技术、航天航空、通讯技术的进步发挥了重 要作用。先进陶瓷也被称之为“特种陶瓷”、“工业 陶瓷”、“工程陶瓷”、“现代陶瓷”、“精细陶瓷”、“ 高技术陶瓷”、“高性能陶瓷”等 1.3.1 1.3.1 先进陶瓷的分类先进陶瓷的分类 按特性分： l结构陶瓷：主要利用陶瓷材料的耐高温、耐腐蚀、耐磨损及化学性质 稳定等特点。 l功能陶瓷：利用某些陶瓷材料所具有的特殊电、磁、热、光、生物等 性能。 l陶瓷基复合材料：通过材料设计的方法来改善单组份陶瓷的性能或取 得多组份材料性能互补的优势，扩大其应用范围。 按材质分： l氧化物陶瓷：氧化铝、氧化锆、氧化硅、氧化钛、氧化锌 l氮化物陶瓷：氮化硅、氮化铝、氮化硼、 l硼化物陶瓷：二硼化钛、二硼化锆 l硅化物陶瓷：二硅化钼 hunan university 1.3.1 1.3.1 先进陶瓷的分类先进陶瓷的分类 按用途分： l电子陶瓷：陶瓷电容、电阻、电感、基板、封装用陶瓷， 超导陶瓷、绝缘陶瓷 l热陶瓷：发热陶瓷、导热陶瓷、隔热陶瓷 l耐磨陶瓷：陶瓷轴承、密封件、研磨体、内衬 l光陶瓷：透明陶瓷、光导纤维、激光陶瓷 l敏感陶瓷：热敏、压敏、气敏、光敏陶瓷 l核陶瓷：核燃料（氧化铀）、核保护（含硼陶瓷） l化学陶瓷：耐酸陶瓷、耐碱陶瓷、过滤、催化用陶瓷 hunan university 1.3.2 1.3.2 先进结构陶瓷先进结构陶瓷 高温结构陶瓷：发动机用陶瓷、高级耐火材 料、喷嘴、陶瓷换热器 高硬耐磨陶瓷：陶瓷刀具、磨料磨具、陶瓷 密封件、陶瓷轴承、研磨体 生物结构陶瓷：人工齿、人工骨 陶瓷基复合材料：复相陶瓷、cf/sic、c/c 火箭喷管 c/c刹车盘 1.3.3 1.3.3 先进结构陶瓷的掘起先进结构陶瓷的掘起 1971：美国“脆性材料计划”，陶瓷涡轮发动机，工作温度提 高200，功率提高30%，燃料消耗降低7%。 1979：美国能源部“先进的燃汽轮机计划”，agt101发动机 ，涡轮入口温度1371，转速达10万rpm 1974：德国bmet计划，1350 转速5万rpm，在奔驰2000 车上运行724km 1978：日本“月光计划”，磁流体发电，先进燃汽轮机， 1984：日本全陶瓷发动机问世，热效率达48%，节约燃料 50%，功率提高30%，质量减轻30% 1983：美国能源部“陶瓷技术计划” 1993：美国能源部“热机用低成本陶瓷计划” 1996：美国能源部“发动机系统材料计划” 1986：我国“863”计划中“陶瓷发动机用关键材料”专题 发动机用陶瓷部件发动机用陶瓷部件 美国先进陶瓷市场规模美国先进陶瓷市场规模 单位：百万美元单位：百万美元 产品类型1980年 1985年 1990年 2000年 电子陶瓷534170819903485 切削刀具35160 耐磨零件2045180540 发动机零件2156840 生物陶瓷1030 其 它21570 合 计556177421965125 日本先进陶瓷市场规模日本先进陶瓷市场规模 单位：亿日元单位：亿日元 产品类型1983年 1985年 1990年 1995年 2000年 电磁陶瓷57378586168982626537669 机械陶瓷390580102016452082 热陶瓷266468277162359019 生化陶瓷298437191229203959 光陶瓷173229167246926342 核陶瓷8617599014892190 总 计695010475252634324661261 1.3.4 1.3.4 先进结构陶瓷的发展趋势先进结构陶瓷的发展趋势 结构微细化、纳米化 结构功能一体化 组成可设计、复合化 制备低成本化 性能挖掘潜力大，发现新材料几率高 1.5 1.5 先进陶瓷结构基础先进陶瓷结构基础 1.5.1 晶体的结构特征 空间点阵：构成材料的质点（分子、原子、原子团、 离子）在三维空间的排列方式 晶 体：空间点阵的排列有规律地重复出现 晶 胞：空间点阵重复出 现的最小单元 晶格常数：a, b, c, a, b, g 晶面指数：(abc) （100） l 14种布喇菲格子与7个晶系 三斜：ab c, a b g 单斜：ab c, a g 90 b 90 正交：ab c, a b g 90 六方：ab c, a b 90， g 120 三方：ab c, a b g 90 四方：ab c, a b g 90 立方：ab c, a b g 90 1.5.2 化学键与晶体 离子键与离子晶体 离子键：正、负离子间的静电引力 特点：结构稳定，结合能大，导电差，熔点高，硬度高 共价键与原子晶体 共价键：原子共用电子对，方向性，饱和性 特点：很高的熔点和硬度，导电性弱 金属键与金属晶体 金属键：自由电子，为晶体所共有 特点：导电导热性，延展性，金属光泽 分子间力与分子晶体 范德华力：作用力弱，源于分子的极性或表面电荷不平衡 特点：熔点很低（如惰性元素晶体），不具方向性和饱和性 1.5.3 1.5.3 晶体结构晶体结构 晶体的基本结构 等径球的密堆积 四面体、八面体、 配位数 阴离子堆积 阳离子填隙 立方密堆积 六方密堆积 等径球的密堆积 四面体和八面体 晶体缺陷晶体缺陷 点缺陷：空位，间隙原子，杂质原子 晶体缺陷晶体缺陷 线缺陷： 刃型位错 螺型位错 晶体缺陷晶体缺陷 面缺陷：表面、界面、堆垛层错 sp3杂化 p s sp2杂化 sp杂化 s p pz py s ppz 碳的结构 笼碳的结构 c60 由12个五边形和20个六边形的球形三十二面体构成, 呈中空笼式结构，分子直径约7.1埃。 c60的结构也可以看作是 在正二十面体每条边的约1/3处平截12个顶角后在新的顶角位 置放上60个碳原子形成的类似足球的球形三十二面体。 c70 由12个五边形和25个六边形构成，呈橄榄球形。70 个碳原子可以分成不等价的5组。 纳米碳管的结构 纳米碳管又叫巴基管(buckytube)，是由若干同轴的圆柱形管状碳原 子层叠套而成，原子层的数目从一到几十不等，直径在几纳米到几十纳 米之间。 如果管状分子上全是六边形的碳环，碳管不会封闭，可向两边继续 生长。 如果在管子两端包含有五边形、六边形或七边形的碳环，纳米碳管 将被封闭，并按正反两个方向扭曲或呈同心的巴基套管。封闭后的纳米 碳管不能再继续生长。 第一章复习思考题第一章复习思考题 1 请说出如何区别陶、炻、瓷？ 2 传统陶瓷与先进陶瓷如何划分？它们的发展过程有何特点？ 3 高性能结构陶瓷的特点有哪些？ 4 与金属比，陶瓷的结构和性能特点？ 5 为什么陶瓷一般具有高强度和高硬度？ 6 如何区分结构陶瓷与功能陶瓷？ 7 如何评价陶瓷材料的力学性能？ 8 影响陶瓷抗热震性的因素主要有哪些？ 9 影响陶瓷材料摩擦磨损性能的因素有哪些？如何提高陶瓷材 料的耐磨性？ 10 目前先进陶瓷的发展趋势和研究热点有哪些？ 第二章 结构陶瓷的先进成型技术 2.1 2.1 结构陶瓷成型方法概述结构陶瓷成型方法概述 从气态成型：气相沉积（pvd、cvd） 从液态成型：浆料成型（注浆、热压铸、凝 胶注模、熔铸、流延等 从固态成型：模压、等静压、热压、热等静 压、激光选区烧结（sls） 2.32.3凝胶注浆成型凝胶注浆成型 2.2 流延成型 水基凝胶流延机 陶瓷基板 2.4 2.4 注射成型注射成型 注射成形过程示意图 2.5 2.5 纳米陶瓷粉体制备技术纳米陶瓷粉体制备技术 纳米是一个尺度概念，1纳米109米，可排列约10 个原子，并非高新技术的代名词。 纳米材料是指其组织尺寸在1100nm之间并具有高 性能的一类材料。 纳米技术是指进行纳米结构设计、合成、组装、制备 和应用中形成的相关工艺和技术。 纳米粒子效应：小尺寸效应，表面效应，量子尺寸 效应和宏观量子隧道效应。 纳米材料特性：强度、韧性、超塑性显著提高，光 、电、磁、声、热、敏感性能出现异常。 纳米陶瓷的重要特性纳米陶瓷的重要特性 l物理方法： 机械粉碎法：辊辗磨，高速旋转磨，球磨，介质搅 拌磨，气流粉碎，用此方法很难达到纳米级粒径， 易带入杂质，粒径分布范围宽。 蒸发冷凝（pvd）法：在真空或低压惰性气体中 ，用电阻、等离子体、电子束、激光、高频感应等 加热源，使原料气化或形成等离子体，与惰性气体 原子碰撞而失去能量后，冷凝成纳米级颗粒。 l化学方法： 沉淀法：金属盐溶液与沉淀剂中的oh反应生成 氢氧化物沉淀，分离脱水后可获得纳米级氧化物 陶瓷粉末。分为直接沉淀法、均匀沉淀法和共沉 淀法，是制备氧化物陶瓷纳米粉末的常用方法。 溶胶凝胶法：金属有机或无机化合物经过溶液 溶胶凝胶过程，再将凝胶干燥后进行煅烧，