陶瓷科学与工艺1102(绪论）.ppt

陶瓷科学与工艺 刘杏芹中国科学技术大学材料科学与工程系2012 02 第一章 绪论 材料 新材料 概念与分类 当前新材料研究热点领域 材料制备技术的概念与意义 陶瓷定义 发展史及性能 陶瓷科学与工艺学 课程 一 材料 新材料 的概念 材料是物质 但并非所有的物质都可称为材料 后者一定要具有可以应用的形态和功用 何谓新材料 新发现或新研制的从前未知的全新材料 组成上 结构上 形态上 功能上 自然界未发现 靠人工合成的材料皆属此类 如高温超导氧化物材料 化合物半导体材料 光纤材料 对已有材料的研究改性 提高了性能 改善了质量 发现了已有材料的新性能或新用途 先进材料共同特点 知识密集 技术密集是多学科和技术的结晶性能优异 为高技术起核心关键作用经济附加值高 是新经济的生长点更新换代快 必须不断研究改进和追求持续发展 二 新材料的地位及分类 新材料与现代社会文明 一部人类文明的发展史 在某种意义上 可以说是人类占有 认识 制造 应用和革新材料的历史 从化学组成上分类 关联材料的基础研究 钢铁材料 有色金属 钛合金 储氢合金Ni5La 记忆合金Ti Ni 强磁合金SmCo5 超导合金Nb3Sn 海绵金属 Al Mg Ni 氧化铝 氧化锆单晶硅 砷化镓硫化锌 碳化硅氮化硅 氮化硼碳纤维 金刚石纳米碳管钙钛矿ABO3型尖晶石AB2O4型 塑料 人造橡胶合成纤维 聚乙烯 聚氯乙稀 ABS 环氧树脂 感光树脂 聚酰亚砜 尼龙 聚四氟乙烯 合成橡胶 氯丁橡胶 氟橡胶 涤纶 锦纶 及中空纤维 上述三种材料之间或同类材料之间的相互复合 如包层材料 细粒混合材料 粒子分散增强材料 纤维增强材料等 纤维增强金属 玻璃钢 硼纤维 铝 纤维增强橡胶 纤维增强塑料 氧化锆增韧氧化铝 超硬合金WC Co 超导电缆 超导 导电 保护涂层 信息材料 生物材料 能源材料 建筑材料 家装材料 从材料形态上分 关联材料制备技术开发研究 单晶材料 多晶材料 非晶 玻璃 材料 粉体 薄膜 纤维 从材料物性上分 关联材料的物理化学学科研究 高强材料 超硬材料 高温材料 导电材料 绝缘材料 激光材料 磁性材料 铁电材料 电光材料 声光材料 压电材料 热电材料 结构材料 耐火材料 耐酸材料 研磨材料 光学材料 感光材料 电工材料 从应用性能上分 关联材料的应用研究 从应用领域上分 关联材料的技术集成和应用 不同的分类形式 新材料的历史性发展与 材料科学与工程 学科 多学科人才联合攻关的 国家实验室 ArgonneLab 芝加哥 LorenzLab 加州 BellTelephoneLab Oak RidgeLab 对综合性学科知识人才的需求 新学科的诞生 材料科学与工程 学科 综合性 交叉性 边缘性 应用性定义 关于材料的合成 制备 组成 结构 包括缺陷 性能和应用及其相互关系的学科 其基本宗旨是研发 利用新材料 陶瓷料学与 1957 1960年美国第一批 5所 高校组建了 材料科学与工程 系 一个典型的例子是美国硅谷 SiliconValley 高技术开发区 StanfordUniversity和UCBerkeley与其密切结合 StanfordICCenteratCMR CenterforMaterialsResearch 由19个企业共同赞助 主要进行IC新材料和器件技术开发 在高科技的推动下 美国实现了经济的又一轮快速增长 新材料与高新技术产业 材料科学与工程 学科的出现大大促进了新材料的发展 世界先进国家的高技术计划无不涉及新材料的研究开发与应用 三 当前新材料研究热点领域 信息技术领域与信息材料世所公认 我们当前是处于信息时代 即以信息技术为时代特征 信息技术主要是指信息的获取 传递 处理 存储 显示等技术 包括微电子技术 光电子技术 计算机技术 软件技术 通讯技术 辐射成像技术 高清晰度电视技术等 以这些技术为基础 互相交叉 形成现代信息高技术和产业 这些技术的发展的基于种种新型材料 这些材料主要包括 半导体材料和集成电路 微电子工业 激光材料与非线性光学材料 信息传感与传感器技术材料 半导体发光材料 液晶显示材料与感光材料 信息传输材料 石英光纤 非氧化物玻璃纤维 有机聚合物光纤 信息存储材料 磁记录材料 磁光记录材料 光存储材料 新型半导体材料与大规模三维集成电路 元素半导体和化合物半导体 Si Ge 金刚石 III V II VI族化合物单晶硅Si材料 直径 1970年50mm 1985年150mm 2000年225mm集成电路集成度 1987年 100万晶体管 平方厘米 2000年 1000万 1024K 2007年 设计线宽达到0 01微米 芯片上可集成10亿晶体管 GaAs为第二代半导体 可在300 500 使用 运算频率可达2000Mhz而Si仅可工作在250 以下 频率仅为300MHz GaN为第三代化合物半导体 工作放热有可能使电路失效 发展高热导的II型金刚石是个方向 CVD法金刚石薄膜和AlN薄膜 将有效的提高了集成度 三维电路要求高性能衬底材料和高热导封装材料的研发 铁电 Si微集成系统 具有良好系统功能 成为当前的研制热点 信息传输光纤材料 多模光纤 新型色散补偿光纤与色散管理光纤 稀土掺杂光纤和高聚合物光纤和其他特种微气孔光纤或微结构光纤 特别是光纤预制棒制造技术是光纤制造技术的核心 也一直是我国光纤产业发展的最薄弱环节 光导纤维 例 新型能源材料 目前地球上的主要能源 化石燃料 煤 石油 天然气等 存在的主要问题是 利用效率低 应用技术落后 对环境造成污染 烟尘 有害气体等 未开采的储量已经不多 终将消耗 因而 开发新能源和节能技术是当前始终如一的研究课题 涉及种类繁多的新材料 核能技术材料 陶瓷核燃料 核反应堆容器材料 储氢材料 SmCo5 NbTi合金 燃料电池材料 电解质 阴极 阳极 连接材料 密封材料 风力发电设备材料 高强度轻质复合材料 太阳电池材料 Si a Si CdSe GaAs 超导输电线材料 镍氢电池 锂离子电池相关材料 固体氧化物燃料电池是一种新型绿色能源装置 比质子交换膜燃料电池有更高的转换效率和节能效果 可减少二氧化碳排放50 不产生NOx 已成为发达国家重点研究开发的新能源技术 但目前研究的固体氧化物燃料电池的工作温度达800 900 其关键部件的材料制备总是成为制约固体氧化物燃料电池发展的瓶颈 应突破的关键技术主要有 a 高性能电极材料及其制备技术 b 新型电解质材料及电极支撑电解质隔膜的制备技术 c 电池结构优化设计及其制备技术 d 电池的结构 性能与表征的研究 固体氧化物燃料电池的研究十分活跃 关键是电池材料 如固体电解质薄膜和电池阴极材料 还有质子交换膜型燃料电池用的有机质子交换膜等 都是目前研究的热点 固体氧化物燃料电池材料 传统发电与燃料电池发电污染率比较 kg MWh电能 不同发电方式效率比较 FuelCellsComparison 洁净天然气电厂系统造价 kW SOFC应用市场 固体氧化物燃料电池 SOFC 工作原理 阳极 氧离子固体电解质 阴极 内重整 CH4 H2O CO CO2 H2 H2O O2 电子 固体氧化物燃料电池的结构 1 固体氧化物燃料电池的结构 2 自支撑型平板式SOFC 单晶硅 多晶硅 非晶硅太阳电池材料 II VI族化合物半导体太阳电池材料 ZnSe CdTe 要求 研制出光电转换效率大于18 的低成本 大面积 可商业化的硅基太阳能电池及其组件 类单晶硅 合肥大基地 IBM公司研制的多层复合太阳能电池 转换率高达40 太阳能的综合利用 光电 热电 热交换 及其与风力发电的耦合技术 建立总体利用效率达15 的追尾聚集光式太阳能光电 热电 热交换系统并实用化 建立太阳能综合利用与风力发电耦合的实用型分布式地面电站 并可并网供电 太阳能利用技术 以NbTi Nb3Sn为代表的实用超导材料已实现了商品化 在核磁共振人体成像 NMRI 超导磁体及大型加速器磁体等多个领域获得了应用 SQUID作为超导体弱电应用的典范已在微弱电磁信号测量方面起到了重要作用 其灵敏度是其它任何非超导的装置无法达到的 但是 由于常规低温超导体的临界温度太低 必须在昂贵复杂的液氦 4 2K 系统中使用 因而严重地限制了低温超导应用的发展 高温氧化物超导体 把超导应用温度从液氦 4 2K 提高到液氮 77K 温区 能够用来产生20T以上的强磁场 这正好克服了常规低温超导材料的不足之处 高温氧化物超导体是非常复杂的多元体系 一些材料科学研究领域最新的技术和手段 如非晶技术 纳米粉技术 磁光技术 隧道显微技术及场离子显微技术等都被用来研究高温超导体 其中许多研究工作都涉及了材料科学的前沿问题 高温超导材料的研究工作已在单晶 薄膜 体材料 线材和应用等方面取得了重要进展 超导材料 作为高技术重要组成部分的生物医用材料已进入一个快速发展的新阶段 其市场销售额正以每年16 的速度递增 预计20年内 生物医用材料所占的份额将赶上药物市场 成为一个支柱产业 研究发展十分活跃 生物活性陶瓷已成为医用生物陶瓷的主要方向 生物降解高分子材料是医用高分子材料的重要方向 医用复合生物材料的研究重点是强韧化生物复合材料 功能性生物复合材料 带有治疗功能的生物复合材料 生物医用材料 定义 指对能源和资源消耗最少 对生态环境影响最小 再生循环利用率最高 使用性能优异的新型材料 特点 性能先进性 环境协调性 应用舒适性 生态环境材料是20世纪90年代在国际高技术新材料研究中形成的一个新领域 主要研究方向是 直接面临的与环境问题相关的材料技术 例如 生物可降解材料技术 CO2气体的固化技术 SOx NOx催化转化技术 废物的再资源化技术 环境污染修复技术 材料制备加工中的洁净技术以及节省资源 节省能源的技术 开发能使经济可持续发展的环境协调性材料 如仿生材料 环境保护材料 氟里昂 石棉等有害物质的替代材料 绿色新材料等 材料的环境协调性评价 生态环境材料 智能材料是现代高技术新材料发展的重要方向之一 将支撑未来高技术的发展 使传统意义下的功能材料和结构材料之间的界线逐渐消失 实现结构功能化 功能多样化 智能材料的研制和大规模应用将导致材料科学发展的重大革命 如英国宇航公司在导线传感器 用于测试飞机蒙皮上的应变与温度情况 英国开发出一种快速反应形状记忆合金 寿命期具有百万次循环 且输出功率高 以它作制动器时 反应时间仅为10分钟 压电材料 磁致伸缩材料 导电高分子材料 电流变液和磁流变液等智能材料驱动组件材料在航空上的应用取得大量创新成果 智能材料 材料制备技术的概念与意义 材料制备技术 材料科学与工程研究的宗旨和归宿是要发展和制造种种高性能新材料为人类服务 材料制备技术是实现这一目标的基本手段 严格的说 材料制备和加工技术是该领域知识产权保护的主要内容 直接关系到新材料的技术 经济利益 从而是国际竞争的核心 材料制备技术 通过某种物理 化学的方法合成 制备 加工具有应用形态和性能的材料 应包括制备的方法原理 工艺 装备与操作参数 辅以各种材料表征手段 技术 对所得材料作出评价 材料制备技术首先是能提供所需的先进材料 制备技术及其工艺水平和操作细节 NowHow 决定着材料的结构 微结构 性能质量 重现性 在某些情况下和发展阶段上 还可以是材料研究手段和方法 例如 分子束外延技术 MolecularBeamEpitaxy MBE 化学模板法等 材料制备技术 材料制备技术学科基础 原材料的化学组成与性质 物理形态 材料合成方法的物理化学原理 材料性能的评价方法 原理与技术 材料制备工艺工程的重现性及其影响因素 薄膜制备 溶液法 气相法 固相法 复合法 晶体制备 晶须与纤维 多孔陶瓷制备 材料与器件制备技术 粉体合成 软化学制备路线是现代材料科学与工程发展的新趋势 最活跃和具生命力的领域 BetterCeramicsThroughChemistryAdvancedMaterialsByChemistry 湿化学 共沉淀 sol gel 溶液电化学 气相化学 CVD 气溶胶 有机 高分子化学辅助的陶瓷工艺条件温和 成本低廉 手段繁多 适应性强可对材料在其形成初期进行控制 实现结构与性能的剪裁与组装可获得传统方法难以获得的新型材料 类别 特点 软化学合成路线 概念与特点 在温和的 低能量密度介质条件下 通过适宜的化学物种先驱物 采用有效的高度混合方式 实施能量的高效馈入和反应物激活途径特点是 高效率 低能耗 操作简便 可以制备新型介稳材料 新颖的结构特异的材料 软化学是一个具有创新含义的概念 有力的克服质量输运位阻和反应活化位垒 合成在极端条件才能获得的 乃至得不到的材料 软化学合成路线 不搞硬碰硬 体扩散 表面扩散 目标产物 催化剂应用 原子 分子混合接触 易于输运 新先驱物 气态 液态 出发物 来软的 温和条件 溶液 气态 软态 非晶态灵活机动 改变路径 催化剂使用迂回战术 改变原始出发物 precursor 借助外援 有机 高分子的灵活 可加工化整为零 新颖的能量提供方式 如plasma CVD 微波化学 质量输运过程 目标产物 目标产物 由高能态向低能态转化 高温 高压 高能量粒子束等极端合成条件 软化学路线 水热合成微粉 120 200 化学共沉淀合成 室温 800 Sol gel 400 700 Plasma CVD RT 1000 Zr acac 4 Y dpm 3YSZ薄膜 二酮类 主要解决 长距离扩散 反应高能态的形成 降低活化能 典型实例1 ZrO2 Y YSZ 高温烧成与软化学合成高温烧成 ZrO2 Y2O3YSZ陶瓷 1800oC 300 500oC 典型实例3 高温高压金刚石与CVD金刚石薄膜高温高压 HTHP金刚石C金刚石低压CVD合成金刚石薄膜 CH4C 金刚石 H2 2000oC60 100KatmNi Fe催化剂 燃烧法PCVD 由高能态体系先形成中间介稳相 C2H2 C2H5OH 金刚石 C 硬碰硬攀登位垒 毫米级厚金刚石片 带Si衬底的金刚石厚膜 半透纯金刚石热沉片10 10mm210w k cm 金刚石薄膜SEM表征 金刚石厚膜表面SEM照片 典型实例5 有机 高分子化学路线的应用 Polymericprecursor法 例如通过高聚物化学合成非氧化物陶瓷法 Si CSiC 高温 Poly dimethysilene SiCAlR3 NR3R3Al NR3AlN R例 250oC 图2不同腐蚀时间铋纳米线阵列的的表面FE SEM图片 a 5分钟的表面照片 b 10分钟的表面照片 c 15分钟的表面照片 图3铁纳米阵列的SEM图 材料制备与工程 主要是介绍关于材料 无机陶瓷 的制备 组成与结构 性能及制备条件对它们的影响 以及它们之间的相互关系等 1 材料工程与制备技术材料工程 工艺 这一主题 常常构成材料科学与工程中一个颇为突出的矛盾体 一方面材料工艺被认为是材料科学赖以发展的基础 因为材料的性能对工艺过程有明显的依赖性 工艺是确定材料能否推向预期市场的决定因素 陶瓷材料尤其如此 另一方面 与工艺的重要性这一普遍认识相反 要找 材料制备与工程 找到有关这一主题的系统文献 或者说非常准确的工程参数 并不容易 尽管近些年来有所发展和改进 这主要是因为 人们往往根据实用准则来评判 陶瓷 材料工艺 一个产品的成功往往由最后质量衡量 而很少通过形成过程构思的 精巧 或论证的 严谨 来体现 如果性能不好 往往原来构思就被否定 过程中的 变化 常