陶瓷工艺及功能.ppt

陶瓷的工艺及功能 目录 一 简介二 陶瓷的成分三 传统陶瓷的基本分类四 新型陶瓷材料的特点及分类五 金属 陶瓷功能梯度涂层工艺的应用现状六 总结 一 简介 陶是瓷的源 瓷是陶的流 源远流长的陶瓷 是古代华夏文明的起点 陶土经500至600度的火焰烧成陶器 陶离土地近 陶罐一般为盛水器 实用又纯朴 瓷土经1200至1300度的窑火烧成瓷 瓷瓶大多供赏花用 漂亮飘逸 陶的属性更多地带有男性的阳刚之气 瓷的属性更多地带有女性的阴柔之美 陶与瓷的结合 精与神的交融 便有了千古佳话 精彩喜剧 一 简介 狭义陶瓷 传统陶瓷 陶器 瓷器等以粘土为主要原料的制品的通称 早在欧洲人掌握瓷器制造技术一千多年前 中国人就已经制造出很精美的陶瓷器 中国是世界上最早应用陶器的国家之一 而中国瓷器因其极高的实用性和艺术性而备受世人的推崇 考古发现中国人早在新石器时代 约公元前8000 2000年 就发明了陶器 原始社会晚期出现的农业生产使中国人的祖先过上了比较固定的生活 客观上对陶器有了需求 人们为了提高生活的方便 提高生活质量 逐渐通过烧制粘土烧制出了陶器 二 陶瓷的成分 陶瓷 陶器和瓷器的总称 陶瓷的传统概念是指所有以粘土等无机非金属矿物为原料的人工工业产品 它包括由粘土或含有粘土的混合物经混炼 成形 煅烧而制成的各种制品 由最粗糙的土器到最精细的精陶和瓷器都属于它的范围 对于它的主要原料是取之于自然界的硅酸盐矿物 如粘土 长石 石英等 因此与玻璃 水泥 搪瓷 耐火材料等工业 同属于 硅酸盐工业 的范畴 三 传统陶瓷的基本分类 陶瓷制品的品种繁多 它们之间的化学成分 矿物组成 物理性质 以及制造方法 常常互相接近交错 无明显的界限 而在应用上却有很大的区别 因此很难硬性地归纳为几个系统 详细的分类法各家说法不一 到现在国际上还没有一个统一的分类方法 常见的分类法是按用途应该分为五大系列 分别是工业陶瓷 建筑陶瓷 卫生陶瓷 日用陶瓷 还有艺术陶瓷 三 传统陶瓷的基本分类 1 日用陶瓷 如餐具 茶具 缸 坛 盆 罐 盘 碟 碗等 2 艺术 工艺 陶瓷 如花瓶 雕塑品 园林陶瓷器皿陈设品等 3 工业陶瓷 指应用于各种工业的陶瓷制品 比如说像供电的瓷瓶 坦克 汽车 火箭里面都有用陶瓷 一般我们老百姓很少涉足 4 建筑陶瓷 如砖瓦 排水管 面砖 外墙砖等 5 卫生陶瓷 洁具卫生间用的陶瓷 有如陶瓷马桶 陶瓷面盆等 四 新型陶瓷材料的特点及分类 陶瓷材料中已崛起了精细陶瓷 它以抗高温 超强度 多功能等优良性能在新材料世界独领风骚 精细陶瓷是指以精制的高纯度人工合成的无机化合物为原料 采用精密控制工艺烧结的高性能陶瓷 因此又称先进陶瓷或新型陶瓷 精细陶瓷有许多种 它们大致可分成三类 四 新型陶瓷材料的特点及分类 一 结构陶瓷 这种陶瓷主要用于制作结构零件 机械工业中的一些密封件 轴承 刀具 球阀 缸套等都是频繁经受摩擦而易磨损的零件 用金属和合金制造有时也是使用不了多久就会损坏 而先进的结构陶瓷零件就能经受住这种 磨难 四 新型陶瓷材料的特点及分类 二 电子陶瓷指用来生产电子元器件和电子系统结构零部件的功能性陶瓷 这些陶瓷除了具有高硬度等力学性能外 对周围环境的变化能 无动于衷 即具有极好的稳定性 这对电子元件是很重要的性能 另外就是能耐高温 四 新型陶瓷材料的特点及分类 三 生物陶瓷生物陶瓷是用于制造人体 骨骼一肌肉 系统 以修复或替换人体器官或组织的一种陶瓷材料 四 新型陶瓷材料的特点及分类 精细陶瓷是新型材料巾特别值得注意的一种 它有广阔的发展前途 这种具有优良性能的精细陶瓷 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 四 新型陶瓷材料的特点及分类 精陶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 精细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 由于精细陶瓷的出现 人类将从钢铁时代重新进入陶瓷时代 五 金属 陶瓷功能梯度涂层工艺的应用现状 金属具有高的热导率 韧性及延展性等性能 陶瓷硬度高 耐磨 耐蚀 耐高温 有些陶瓷还具有隔热 绝缘或光能转换等特殊性能 因此 如何把金属与陶瓷的优异性能结合起来 多年来一直是材料科学与工程研究的方向 五 金属 陶瓷功能梯度涂层工艺的应用现状 金属表面陶瓷涂层依其功能大致可分为耐热涂层 热障涂层 耐磨涂层 耐蚀涂层 生物功能涂层及其它特殊功能涂层等 然而 陶瓷和金属的热膨胀系数 CTE 及弹性模量等性能不相匹配 且基体与涂层间存在明显界面 因此 表面具有陶瓷涂层的金属零部件在应用过程中会发生涂层开裂或剥落损坏等现象 双层涂层及多层涂层体系也不能消除基体与涂层间及涂层内部层与层间性能不匹配问题 五 金属 陶瓷功能梯度涂层工艺的应用现状 为此 开发了功能梯度涂层 FGM涂层 在FGM涂层中 沿涂层厚度方向 随涂层厚度增加 陶瓷相成分含量逐渐增加 金属相成分含量则相应减小 即金属相与陶瓷相涂层间无明显界面 很好地解决了二者性能不相匹配的问题 最大程度地削弱或消除了涂层中的应力 提高涂层与基体间结合强度 五 金属 陶瓷功能梯度涂层工艺的应用现状 目前 FGM涂层在航空 航天 能源和生物医学等各个领域均已获得应用 4 9 11 而且 FGM深层制备工艺也迅速发展 日本 美国 英国 中国和德国等许多国家均在进行FGM深层工艺的研究 五 金属 陶瓷功能梯度涂层工艺的应用现状 1 FGM涂层工艺及应用目前制备FGM涂层的工艺方法多种多样 主要有气相沉积法 自蔓延高温合成法 等离子喷涂法及激光熔覆法等 五 金属 陶瓷功能梯度涂层工艺的应用现状 2 气相沉积法制备FGM涂层的气相沉积法包括物理气相沉积法 PVD 和化学气相沉积法 CVD 这两种方法又可细分为许多具体的工艺方法 一般地说 气相沉积法可以制得很薄的梯度涂层 但是 PVD法难以在复杂形状表面沉积涂层 而CVD法可以在形状复杂的零件表面制备出梯度涂层 而且沉积层表面光滑致密 沉积率较高 五 金属 陶瓷功能梯度涂层工艺的应用现状 近年来 CVD和PVD技术已广泛应用于航空航天 汽车 化工 能源和生物工程等领域制备功能梯度涂层 同时不断与其它表面涂层技术相结合 开发出了一些改进型表面涂层技术制备梯度涂层 如电子束物理气相沉积法 EB PVD 离子束增强物理气相沉积法 IBEB 燃烧化学气相沉积法 CCVD 物理化学沉积法 PCVD 反应溅射及阴极磁控溅射等 而且 随着科学技术的发展 CVD和PVD梯度涂层技术在材料制备及改善零部件表面性能等方面的应用不断增加 有着美好的应用前景 五 金属 陶瓷功能梯度涂层工艺的应用现状 3 自蔓延高温合成法自蔓延高温合成法 简称SHS 又称燃烧合成法 是一种制备材料与制造零部件的新技术 SHS法是由前苏联科学家Merzhanov于1967年首次正式提出来的 34 其基本特点是利用能够发生高效热反应的原料反应时放出的热使反应持续进行 从而达到合成与制备材料的目的 SHS反应温度高 速度快 整个反应过程在几秒至几十秒间即可迅速完成 反应时只需局部或整体点火 反应一旦进行 即不需外加能源 采用SHS技术 材料合成与形成可以同时完成 到了80年代 SHS技术已应用于制备涂层 在过去的15 20年中 原苏联及俄罗斯对SHS涂层技术及物理机制等进行了广泛研究 35 现在 世界上许多国家 包括俄罗斯 美国 日本 中国 德国和法国等均在从事SHS法制备FGM和涂层的研究 并在某些方面已经获得了成功应用 五 金属 陶瓷功能梯度涂层工艺的应用现状 SHS梯度涂层技术的基本原理是在金属基体上预先铺敷或粘结成分呈梯度变化的涂层 在压力下局部点火引燃化学反应 利用反应放出的热使反应持续进行 同时使基体金属表面短时间内达高温熔化 涂层与基体间形成冶金结合 从而制得高粘结强度的梯度涂层 另外 也可以预置成分均匀的陶瓷粉涂层 由于反应过程中的陶瓷粉涂层中往往产生至少一种液相的移动有助于成分的再分布 最终可以在纯陶瓷层和纯金属基体间形成一个成分连续变化的梯度过渡层 五 金属 陶瓷功能梯度涂层工艺的应用现状 现在 俄罗斯 美国 日本和中国等许多国家采用SHS涂层工艺 已成功地制备出了在圆形钢管内壁 具有成分梯度分布的陶瓷复合钢管 SHS梯度陶瓷复合钢管具有优良的耐磨 耐蚀性能 且耐烧蚀 因此 在石油 化工 海洋和军事等工业中有广泛应用前景 可见 由于SHS法制备功能梯度涂层具有节能省时 成本低廉 设备简单和操作方便等优点 SHS法已成为制备功能梯度涂层中非常有吸引力的工艺方法 随着研究的深入 其应用范围会不断扩大 五 金属 陶瓷功能梯度涂层工艺的应用现状 4 等离子喷涂法等离子喷涂法是制备FGM涂层中非常有吸引力的工艺方法 14 等离子喷涂方法具有如下特点 15 17 等离子焰热量高度集中 可以获得很高的温度 喷枪出口处火焰平均温度可以高达10000K以上 足以熔化任何一种难熔材料 等离子流速度较高 使得喷涂粒子以较大速度撞击到基体上 形成的涂层与基体间结合强度较大 对基体热影响小 可以对已加工成形的工件进行表面喷涂 易于实现自动化 且成本适中 五 金属 陶瓷功能梯度涂层工艺的应用现状 等离子喷涂依据环境介质和压力的不同可以细分为大气等离子喷涂 APS 高能等离子喷涂 HPPS 真空等离子喷涂 VPS 低压等离子喷涂 LPPS 保护气氛等离子喷涂 IPS 水下等离子喷涂 UPS 和感应电偶等离子喷涂等 15 16 按喷涂时送粉方式或喷枪数目可以分为单枪等离子喷涂法和双枪等离子喷涂法 五 金属 陶瓷功能梯度涂层工艺的应用现状 5 激光熔覆法制备FGM涂层是90年代由D R Fwest和R D Rauliys等人发展起来的一种新方法 14 24 这种工艺的基本原理和过程见图2 把少量B陶瓷粉置于A金属基体表面 采用激光照射 使B和A上表面薄层区同时熔化 通过冶金结合形成B A合金金属 重复以上过程 并合理控制B涂层厚度 激光束能量及激光束扫描速度或工件A移动速度等参数 可以制得含有多层薄层的梯度涂层 在涂层中 A成分含量沿厚度方向上逐渐减少 五 金属 陶瓷功能梯度涂层工艺的应用现状 熔覆层材料B的初始状态有粉末状 丝状及膏状等 涂层材料B的添加方式主要有预置法和同步法两种 预置法主要包括火焰喷涂 等离子喷涂 粘结剂法和粉末松散铺展法等 同步法包括重力送粉法 气动动态送粉法 送膏法和送线法等 涂层材料的不同添加方法最终会影响熔覆过程的冶金行为和涂层性能 五 金属 陶瓷功能梯度涂层工艺的应用现状 该工艺具有如下特点 涂层温度冷却快 高达106 s 产生快速凝固组织 热输入小 基体畸变小 涂层与基体呈冶金结合 适用的材料体系广泛 可以进行选区熔覆 材料消耗少等 但是 在制备陶瓷金属梯度涂层过程中 由于激光温度非常高 所以 涂层中有时会出现裂纹和孔洞等缺陷 并且 陶瓷颗粒与金属往往发生化学反应 采用激光熔覆梯度涂层工艺可以显著改善基体材料表面的耐磨 耐蚀 耐热及电气特性和生物活性等性能 目前 该工艺已应用于改善航空涡轮发动机叶片 汽车缸体 汽轮机叶片和人体