第十章--陶瓷材料合成与制备(一)

第十章陶瓷材料的合成与制备，如果说是寻找最能体现华夏民族文明史的物质载体，那就不是陶瓷。 中国人在公元前8000 -前2000年(新石器时代)发明了陶器。 1 .陶瓷材料的分类和特点，陶瓷的定义：无机非金属粉末成型后，在低于熔点的高温下烧结的固体材料。 (狭义上来自工艺)“传统陶瓷”主要以天然硅酸盐为原料，因此也被称为“硅酸盐材料”。 陶瓷的化学组成是以离子键和共价键为主键的无机非金属化合物，因此陶瓷也称为“无机非金属材料”。 1、陶瓷材料的分类和特点，无机非金属材料的基本属性，化学健主要是离子键、共价键和它们的混合键，硬脆，韧性低，抗压强，对缺陷敏感的熔点高，具有优异的耐高温和化学稳定性，一般自由电子数少，热传导性和电传导性小，耐化学药品性好1 .陶瓷材料的分类和特点，陶瓷的特点：硬度大，机械强度高，化学稳定性好(耐腐蚀)，熔点高，绝缘性好，电强度高(10kv/mm )，导电性可变(半导体，超导体，绝缘体)，成本低。 缺点：脆性大，分散性大。 随着陶瓷材料的分类和特点、新材料的发展，陶瓷的概念遍及无机非金属固体材料或整个无机化合固体材料，除了一般的多晶烧结体以外，还包括单晶、玻璃、薄膜、纤维、粉体等，其制造方法也不限于通常的烧结法，因此是“广义的陶瓷”。 1 .陶瓷材料的分类和特点，陶瓷研究的发展历史，陶器陶瓷(传统陶瓷)先进陶瓷纳米陶瓷新石器时代后汉末期第二次世界大战后的1990年代，1 .陶瓷材料的分类和特点，陶瓷是陶瓷和陶瓷的总称。 陶瓷材料的发展经历了三次重大飞跃。 从第一次：陶瓷发展为陶瓷从第二次：传统陶瓷发展为先进陶瓷从第三次：先进陶瓷发展为纳米陶瓷，1 .陶瓷材料的分类和特征，在一万年前，我们的祖先已经可以制造和使用陶瓷。 1 .陶瓷材料的分类和特征；1 .陶瓷材料的分类和特征；1 .陶瓷材料的分类和特征；烧结温度低(1000-1200)吸水率高(4-12% ) . 无釉料，釉料强度低，能承受温度骤变，烧成温度高(1250-1450)吸水率在0.5%以下，呈白色，胎薄有透光性，胎体无色透明釉料，不能承受温度骤变，质量脆，易破坏，陶瓷，1 .陶瓷材料的分类和特征，1 .陶瓷材料的分类和特征陶瓷表面光滑，无透水性，清洁，提高陶瓷装饰性。 主要由莫来石晶体、石英晶体、玻璃质和少量气孔组成，赋予陶瓷制品一定的形状和强度等，装饰层、搪瓷釉料碰到，釉料、 1 .陶瓷材料的分类与特点若干有用名词：特殊陶瓷specialceramics先进陶瓷高级陶瓷精细陶瓷fineceramics高性能陶瓷highperformanceceramics新型陶瓷陶瓷modernceramics，1 .陶瓷材料的分类和表征陶瓷主要利用热、机械、化学功能，包括耐磨材料、高强度材料、耐热材料、硬质材料、抗冲击性材料、低膨胀材料、隔热材料等结构材料。 功能陶瓷利用其电、磁、声、光、催化剂、生物化学等功能，其中最主要的是绝缘材料、电介质材料、压电材料、磁性材料、半导体材料和透光性陶瓷等电子材料、具有生物化学功能的生物医疗材料、抗菌陶瓷材料等。 1 .陶瓷材料的分类和特点，2020/5/27，17，结构陶瓷和功能陶瓷没有严格的边界：例如压电陶瓷是功能陶瓷，但对其力学性能，如抗压强度、韧性、硬度、弹性模量等有一定的要求。 首先需要足够的强度，即使施加压力，如果不破坏，也无法实现压电特性。1、陶瓷材料的分类和表征；(1)陶瓷材料的组成和键合陶瓷是由金属和非金属元素组成的化合物。 含有一种以上化合物，其晶体结构可能非常复杂。 陶瓷晶体以离子键和共价键为主键，通常是两种以上不同键的混合形态。 陶瓷材料的结构特征，1 .陶瓷材料的分类与特征，陶瓷材料的离子键与共价键的混合比，1 .陶瓷材料的分类与特征，陶瓷材料的微结构陶瓷材料由结晶相、玻璃相、气相组成。 结晶相是陶瓷材料的主要组成相，决定陶瓷材料的物理化学特性。 玻璃相为非晶质低熔点固体相，起着粘结结晶相、填充气孔、降低烧结温度等作用。 气相和气孔在陶瓷材料的制造过程中是不可避免的。 气孔率增大，陶瓷材料致密度降低，强度和硬度降低。 1 .陶瓷材料的分类与特征，1 .陶瓷材料的分类与特征，1 .陶瓷材料的分类与特征，2020/5/27，23，空间技术，先进陶瓷材料的重要应用，微电子技术，激光技术，光纤技术，光电子技术，超导技术，日常领域，生物医学，2020/5/27， 24、magneticlevitationtrain electricitytransmition-noenergylost、YBCO/LBCO等高温超导陶瓷、Science :100mYBCO、2020/5/27、25、长范围me SUBMARINE:压电陶瓷-水声换能器潜艇眼Eyesofmissile-Windowsmaterials，整流材料-透明陶瓷，红外陶瓷高温红外透射-基于目标红外源自动跟踪，2020/5/27，26， 1、陶瓷材料的分类和特点，传统陶瓷是以粘土(塑性成分)、长石(助熔剂成分)、石英(惰性成分)等天然矿物为原料，通过粉碎、混合、粉碎、成型、干燥、烧结等工艺制成的产品。 特殊陶瓷是以人工合成的化合物为原料制造的，用于技术和工程，例如电子信息、能量、机械、化工、动力、生物、航天和其它高新技术领域。 1、陶瓷材料的分类和特点，以陶瓷材料中共价键和离子键为主要键合. 以氧化物和硅酸盐为主，其中硅酸盐矿物在自然界广为人知的硅酸盐矿物有600多种，约占已知矿物种类的1/4，占地面积占岩盘总质量的85%。 在硅酸盐结构中，Si原子一般被4个o原子包围，构成SiO4四面体，即硅氧骨架，是硅酸盐的基本结构单元。 1 .陶瓷材料的分类与特点，1 .岛状硅氧骨架：硅氧骨架由其他阳离子隔开，相互隔离成孤岛状，包括孤立的SiO4单四面体和Si2O7双四面体。 岛状、1 .陶瓷材料的分类和特征、三环四环六方环、2 .环状硅氧骨架： SiO4四面体在角顶连接形成封闭环，根据SiO4四面体的环数有三环、四环、六方环，环也可以重叠形成二环。 1 .陶瓷材料的分类和特点，单链双链，3，链状硅氧骨架： SiO4四面体在角顶与单向无限延伸的链相连，其中常见的是单链和双链。 1 .陶瓷材料的分类和特征，层状长石架状硅氧骨架，4，层状硅氧骨架： SiO4四面体以角顶相连，形成两个空间无限延伸的层。 层中的每个SiO4四面体由三个顶点连接到相邻的SiO4四面体。 连接两个硅的氧的电价饱和，被称为“惰性氧”或“桥氧”，SiO4四面体也有不同的连接方式。 1 .陶瓷材料的分类和特点，石英架状，5，架状硅的氧骨架： SiO4四面体的四个角顶部均与相邻的四个SiO4四面体共有，一个氧连接两个硅，形成惰性氧，石英(SiO2)族矿物具有这种结构。 1、陶瓷材料的分类和特征、陶瓷的相组成和结构、结晶相、主结晶相、玻璃相是一种非晶质物质，没有方向性(即各向同性)，没有明显的熔点，只有一个软化的温度范围气孔、2 .陶瓷材料微结构、晶相晶界玻璃气孔、陶瓷材料微结构的常见特征手段：金相显微镜(OM )扫描电子显微镜(SEM )透射电子显微镜(TEM )高分辨率电子显微镜(HREM )、2 .陶瓷材料微结构、晶相、玻璃相和气孔的分布状况(形状、大小、 数等)晶粒取向晶粒均匀晶界性杂质分布，2 .陶瓷材料的微细结构晶相是功能陶瓷材料的基本构成主晶相的性能，材料的性能主晶相的大小、数量、均匀度及晶粒的取向等是决定材料性能的重要因素，2 .陶瓷材料的微细结构， 单相多晶陶瓷显微组织、1500烧结ZrO2-2mol%Y2O3等轴晶粒形态、晶粒形态规律完整，近似等轴形. 烧结时由于未添加烧结剂，晶界键致密，不存在其他晶界相，2 .陶瓷材料的微观结构、多相多晶陶瓷显微组织、ZrO2t c多相组织、大晶粒为高温c相的小晶粒为t相，ZrO2存在3种晶型，2 .陶瓷材料的微细结构， 复合陶瓷的微细组织、ZrO2/Al2O3的微细组织、2 .陶瓷材料的微细结构、晶界、晶界是无序的非晶结构，缺陷多， 晶界内的扩散比晶界内大得多，晶界是物质迁移和空穴迁移的重要通道城市交通中街道的作用是相邻晶粒边界的多晶材料的主要组成部分，由于对材料性能有显着影响的晶界具有这种特性，因此通过扩散方法将添加物离子和气氛中的离子引入晶界，创造了新的晶界2 .陶瓷材料的微观结构、玻璃相、玻璃相是一种低熔融物，在达到烧成温度前发挥熔融玻璃相的作用： (1)发挥粘接作用；(2)降低烧结温度；(3)阻止多晶转变和抑制晶粒生长的玻璃相的来源： (1)混入陶瓷材料中的微量杂质；(2)助烧结； 2 .陶瓷材料微细结构、ZnO-Bi2O3陶瓷的组织形态、2 .陶瓷材料的微细结构、Al2O3陶瓷的玻璃相、2 .陶瓷材料的微细结构、气孔、陶瓷材料一般含有的残留气孔在烧结过程中残留在晶粒的中间，远离晶界， 由于扩散路径长，难以排除气孔存在，不仅影响不利于烧结的材料的机械强度，还影响材料的热性能、光学性能、介电性能等，2 .陶瓷材料的微细结构，2 .陶瓷材料的微细结构，降低材料中的气孔率的方法，通过某种添加物生成第二相，抑制晶粒的生长， 容易将残留气孔从晶界排除，通过气氛烧结而封闭在气孔中的气体、例如氧通常能够通过溶解和扩散过程从封闭的气孔溢出，但对于氮气，为了容易排除因溶解度低而难以从封闭的气孔逃逸的这些气体， 在氧气氛或高真空中烧结是有利的，2 .陶瓷材料的微细结构、微细结构对材料性能的影响，在组织结构的均匀粒径晶界中加入物质气孔率或陶瓷基体密度玻璃相，2 .陶瓷材料的微细结构、组织结构的均匀性对材料性能的影响， 均匀性极限是各晶粒化学组成相同的各相的物理性质相同的气孔率接近零粒径的陶瓷材料的不均匀性，陶瓷为多晶体，各晶粒的组成在某一范围内变动，材料性能必然分散，其性能是多晶粒性能的统计平均气孔的存在各向异性挥发物，从晶粒到晶界形成浓度梯度缺陷我们只有在生产实践和科学实验中总结经验，才能逐步充实和完善这个理由的知识，为进一步控制生产提供依据，2 .陶瓷材料的微观结构，3 .陶瓷材料的制造，原料的煅烧，不同温度下，很多原料的结晶状态和结构不同，晶型结构相互变化烧成能促进晶型转换，获得优良电性能的晶型，改变材料结构，改善工艺性能，减少陶瓷样品最终烧结时的收缩率，保证产品质量，提高和保证功能陶瓷材料的性能，3 .陶瓷材料的制造，3 .陶瓷材料的制造，陶瓷制造工艺， 3、陶瓷材料的制备、粘土、粘土是多种微细矿物的混合体，矿物粒径不足2m，主要由粘土矿物和其他矿物组成，是具有一定特性(其中主要是可塑性)的土状岩石。 主要化学组成： SiO2、Al2O3、少量K2O、Na2OCaO、MgO :碳酸盐杂质矿物(方解石、磁铁矿)在高温下分解，起助焊剂的作用，可降低陶瓷烧成温度。 有害杂质： Fe2O3、TiO2，烧结时产生膨胀缺陷，影响瓷器的电绝缘性，使瓷器染色。 3 .陶瓷材料的制备，1 .粘土的可塑性是陶瓷坯泥遵循成形的基础。 2 .粘土使砂浆和釉具有悬浮性和稳定性。 3 .粘土一般呈细小的分散粒子，具有结合性。 4 .粘土是陶瓷坯体烧结时的主体，粘土中Al2O3含量和杂质含量是决定陶瓷坯体烧结程度、烧结温度和软化温度的主要因素。 5、粘土是陶器主体结构和瓷器中莫来石结晶的主要来源。 陶土在陶瓷生产中的作用，3 .陶瓷材料的制备，高岭土(Al2O3、SiO2、H2O、Fe2O3、TiO2)高岭土通称陶土，是制造瓷器的主要原料之一。 不能单独制成瓷器，用量为4060%，3 .陶瓷材料的制备，石英，主要成分： SiO2，作用：减少坯料的收缩，减少干燥和烧结变形，提高瓷器的机械强度，白度，透光度。 添加量为20%30%，3 .陶瓷材料的制备、种类：自然界的二氧化硅晶体矿物统称为石英。 最纯净的水晶晶体统称为水晶。 陶瓷工业常用的石英系原料和材料有脉石英、砂岩、石英岩、石英砂、燧石和硅藻土。 性质：外观因其种类而异，呈乳白色，呈半透明灰色状态，表面有玻璃光泽或脂肪光泽，莫氏硬度值为7，相对密度因晶型而异。 石英主要成分是SiO2，含有很多Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、TiO2等杂质成分.石英、3 .陶瓷材料的制备，是烧制前的瘦素原料，具有调节泥塑性的作用，可以减少坯料干缩，缩短干燥时间，防止坯料变形。 烧成时石英的加热膨胀部分抵消了基体收缩的影响，防止了基体软化变形等缺陷。 在瓷器中，合理的石英颗粒能大大提高瓷坯的强度。 同时，石英改善陶瓷本体的透光度和白度。 釉中的二氧化硅是生成玻璃质的主要成分，增加釉中石英的含量是提高釉的熔融温度和粘度，减少釉的膨胀系数，同时也是给釉提供高力学强度、硬度、耐磨性和耐药性的主要因素。石英在陶瓷生产中的作用3 .陶瓷材料的制造、长石、钾长石： K2OSiO2Al2O3Fe2O3TiO2、钠长石： Na2OSiO2Al2O3Fe2O3TiO2、作用：基体与石英的作用相同，熔融成玻璃状态，溶解其他物质，降低瓷器温度添加量为10%25%，3 .陶瓷材料的制备，长石、长石是广泛分布于地壳的造岩矿物。 呈架状硅酸盐结构，化学成分