刘金巧 李常贵 陈东方.ppt

先进陶瓷材料 第十组 陈东方刘金巧李常贵 材料化学 先进陶瓷材料 一 先进陶瓷材料概念二 先进陶瓷材料重要性三 先进陶瓷材料分类 先进陶瓷材料概念 传统陶瓷是指用天然硅酸盐粉末 如高岭土等 为原料生产的产品 因为原料的成分混杂和产品的性能波动大仅用于餐具 日用容器 工艺品以及普通建筑材料 如地砖 水泥等 而不适用于工业用途 先进陶瓷材料是指采用精制的高纯 超细的无机化合物为原料及先进的制备工艺技术制造出的性能优异的产品 如耐腐蚀 耐高温 高热导 绝热或良好生物相容性等优异性能 传统陶瓷 洛阳唐三彩 传统陶瓷 几种先进陶瓷 用作人造髋关节材料 陶瓷电暖器 香奈儿运动表 陶瓷表带 耐高温运转的全陶瓷发动机 先进陶瓷与传统陶瓷的区别 1 在成分上 传统陶瓷的组成由粘土的成分决定 所以不同产地和炉窑的陶瓷有不同的质地 由于先进陶瓷的原料是纯化合物 因此成分由人工配比决定 其性质的优劣由原料的纯度和工艺 而不是由产地决定 2 在原料上 突破了传统陶瓷以粘土为主要原料的界限 先进陶瓷一般以氧化物 氮化物 硅化物 硼化物 碳化物等为主要原料 3 在性能上 先进陶瓷具有不同的特殊性质和功能 如高强度 高硬度 耐腐蚀 导电 绝缘以及在磁 电 光 声 生物工程各方面具有的特殊功能 从而使其在高温 机械 电子 宇航 医学工程各方面得到广泛的应用 4 在制备工艺上 突破了传统陶瓷以炉窑为主要生产手段的界限 广泛采用真空烧结 保护气氛烧结 热压 热静压等手段 先进陶瓷的重要性 高性能结构陶瓷因具有高强度 高韧性 高硬度 低密度和耐高温 耐磨损 化学稳定性 良好生物相容性等优异性能 已逐步成为尖端技术必不可少的关键材料 先进陶瓷具有广阔的发展前途 这种具有优良性能的陶瓷 有可能在很大的范围内代替钢铁以及其他金属而得到广泛应用 达到节约能源 提高效率 降低成本的目的 精细陶瓷和高分子合成材料相结合 可以使交通运输工具轻量化 小型化和高效化 先进陶瓷材料将成为名副其实的耐高温的高强度材料 从而可用作包括飞机发动机在内的各种热机材料 燃料电池发电部件材料 核聚变反应堆护壁材料 无公害的外燃式发动机材料等 先进陶瓷与高性能分子材料 新金属材料 复合材料并列为四大新材料 有些科学家预言 由于先进陶瓷的出现 人类将从钢铁时代重新进入陶瓷时代 先进陶瓷的分类 结构陶瓷 用于制造机械结构零件的陶瓷 所以又称为工程陶瓷 由单一或复合的氧化物或非氧化物组成 如单由Al2O3 ZrO2 SiC Si3N4 或相互复合 或与碳纤维结合而成 用于制造陶瓷发动机和耐磨 耐高温的特殊构件 结构陶瓷主要是指发挥其机械 热 化学等性能的一大类新型陶瓷材料 它可以在许多苛刻的工作环境下服役 因而成为许多新兴科学技术得以实现的关键 如 在空间技术领域 碳 石英复合烧蚀材料已成功地应用于发射和回收人造地球卫星 在军事工业的发展方面 先进的亚音速飞机 其成败就取决于具有高韧性和高可靠性的结构陶瓷和纤维补强的陶瓷基复合材料的应用 运用氧化锆增韧陶瓷材料开发出光纤接头和套管 性能优良 很好地满足了我国光通信产业的发展需要 几种典型的结构陶瓷 氮化物陶瓷氮化硅的强度很高 硬度也很高 是世界上最坚硬的物质之一 它的耐温性较好 强度可维持到1200 C高温而不下降 一直到1900 C才会分解 而且它具有惊人的耐化学腐蚀性能 同时又是一种高性能的电绝缘材料 该公司采用微波烧成工艺生产的各种氮化硅陶瓷制品总体性能达到国际先进水平 氮化铝的理论热导是320W m k 大约是铜热导的80 同时氮化铝有低的介电常数 高电阻 低密度和接近硅的热膨胀系数 综合性能优于Al2O3 BeO SiC等 被用于高导热绝缘子和电子基板材料 该公司生产的各种氮化铝陶瓷制品密度大于3 25 热导率120 200W m K可根据用于需求生产各种规格氮化铝陶瓷 氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷 人造刚玉 是一种极有前途的高温结构材料 它的熔点很高 可作高级耐火材料 如坩埚 高温炉管等 利用氧化铝硬度大的优点 可以制造在实验室中使用的刚玉磨球机 用来研磨比它硬度小的材料 用高纯度的原料 使用先进工艺 还可以使氧化铝陶瓷变得透明 可制作高压钠灯的灯管 人造宝石红宝石和蓝宝石的主要成分都是Al2O3 刚玉 红宝石呈现红色是由于其中混有少量含铬化合物 而蓝宝石呈蓝色则是由于其中混有少量含钛化合物 1900年 科学家曾用氧化铝熔融后加入少量氧化铬的方法 制出了质量为2g 4g的红宝石 现在 已经能制造出大到10g的红宝石和蓝宝石 陶瓷基复合材料 概念 以陶瓷材料为基体 纤维 晶须 颗粒等为增强体 增韧材料 组成的复合物 作用 虽然结构陶瓷具有耐高温 高强度 抗腐蚀等优异性能 但其具有脆性 处于应力状态时 会产生裂纹 甚至断裂导致材料失效 而采用高强度 高弹性的纤维与基体复合 则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法 纤维能阻止裂纹的扩展 从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料 应用 陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性能 主要用作高温及耐磨制品 陶瓷基复合材料已实用化或即将实用化的领域有刀具 滑动构件 发动机制件 能源构件等 法国已将长纤维增强碳化硅复合材料应用于制造高速列车的制动件 显示出优异的摩擦磨损特性 取得满意的使用效果 功能陶瓷 功能陶瓷是一类颇具灵性的材料 它们或能感知光线 或能区分气味 或能储存信息 因此 它们在电 磁 声 光 热等方面具备的许多优异性能令其他材料难以企及 压电陶瓷在力的作用下表面就会带电 反之若给它通电它就会发生机械变形 电容器陶瓷能储存大量的电能 目前全世界每年生产的陶瓷电容器达百亿支 在计算机中完成记忆功能 磁性陶瓷是部分重要的信息记录材料 热敏陶瓷可感知微小的湿度变化 用于测温 控温 气敏陶瓷制成的气敏元件能对易燃 易爆 有毒 有害气体进行监测 控制 报警和空气调节 光敏陶瓷制成的电阻器可用作光电控制 进行自动送料 自动曝光 和自动记数 其他功能陶瓷 此外 还有半导体陶瓷 绝缘陶瓷 介电陶瓷 发光陶瓷 感光陶瓷 吸波陶瓷 激光用陶瓷 核燃料陶瓷 推进剂陶瓷 太阳能光转换陶瓷 贮能陶瓷 陶瓷固体电池 阻尼陶瓷 生物技术陶瓷 催化陶瓷 特种功能薄膜等 在自动控制 仪器仪表 电子