特种陶瓷工艺学绪论

1,特种陶瓷工艺学,学院：材料科学与工程,2,大学学习：1、基本知识2、专业知识3、掌握解决问题的方法,3,课程介绍,内容特种陶瓷介绍特种陶瓷生产工艺及其烧结原理高温结构陶瓷功能陶瓷,4,材料与文明发展,5,特种陶瓷发展历史,9000年以前,2000年以前,20世纪,20世纪90年代,6,青花瓷,7,中国红,8,特种陶瓷发展历史,陶与瓷,9,特种陶瓷发展历史,陶瓷与科技发展,10,狭义：陶瓷是天然或人工合成的粉状化合物,经过成形和高温烧结制成的,由金属和非金属元素的无机化合物构成的多晶固体材料.不论是传统硅酸盐陶瓷,还是特种陶瓷,都包括在这个范围里。,特种陶瓷定义,陶瓷,特种陶瓷,采用高度精选的原料，具有能精确控制的化学组成，按照便于进行结构设计及控制的方法进行制造、加工的，具有优异特性的陶瓷。特种陶瓷有很多种叫法，例如：精细陶瓷、技术陶瓷、现代陶瓷、新型陶瓷等等。,广义：以无机非金属物质为主的固体材料，及其制造与应用的科学和技术。高温已不是制造陶瓷的唯一手段，其原料也超出了硅酸盐的范畴。,11,特种陶瓷定义,陶瓷原料,传统陶瓷（日用）三大原料,12,陶瓷资源丰富,13,传统陶瓷原料粘土,14,层状结构粘土矿物晶体结构模型图,粘土矿物是具有层状结构硅酸盐矿物，其基本结构单位是硅氧四面体层和铝氧八面体层，由于四面体层和八面体层的结合方式、同形置换以及层间阳离子等不同，从而构成了不同类型的层状结构粘土矿物，如下图所示的结构模型图。,15,粘土在陶瓷生产中的作用,1.粘土的可塑性是陶瓷坯泥赖以成型的基础。2.粘土使注浆泥料与釉料具有悬浮性与稳定性。3.粘土一般呈细分散颗粒，同时具有结合性。4.粘土是陶瓷坯体烧结时的主体。5.粘土是形成陶器主体结构和瓷器中莫来石晶体的主要来源。,16,传统陶瓷原料石英,石英,水晶结晶良好的石英,17,石英在陶瓷生产中的作用,1.石英是瘠性原料，可对泥料的可塑性起调节作用。2.在陶瓷烧成时，石英影响陶瓷坏体的体积收缩。3.在瓷器中，石英对坯体的力学强度有着很大的影响。4.石英对陶瓷釉料的性能有很大影响。,18,传统陶瓷原料长石,长石是陶瓷生产中的主要熔剂性原料,长石在高温下熔融，形成粘稠的玻璃熔体，是坯料中碱金属氧化物（K2O，Na2O）的主要来源，能降低陶瓷坯体组分的熔化温度，有利于成瓷和降低烧成温度。长石熔体能填充于各结晶颗粒之间，有助于坯体致密和减少空隙。在釉料中长石是主要熔剂。长石作为瘠性原料，在生坯中还可以缩短坯体干燥时间、减少坯体的干燥收缩利变形等。,19,特种陶瓷与传统陶瓷区别,20,按特性和用途分结构陶瓷以耐高温、高强度、超硬度、耐磨损、抗腐蚀等机械力学性能为主要特征。功能陶瓷以电、磁、光、热和力学等性能及其相互转换为主要特征，在通信电子、自动控制、集成电路、计算机、信息处理等方面的应用日益普及。陶瓷基复合材料陶瓷材料的最大缺点是韧性低,使用时会产生不可预测的突然性断裂,陶瓷基复合材料主要是为了改善陶瓷韧性。,特种陶瓷分类,21,特种陶瓷分类,结构陶瓷,22,功能陶瓷分类,23,功能陶瓷分类,24,特种陶瓷分类,按化学成分分,25,特种陶瓷性能,和金属材料相比,优点：高硬度，耐磨高熔点，耐高温高强度高化学稳定性比重小，约为金属1/3,缺点：脆性大,研究热点：如何提高陶瓷的韧性成为世界瞩目的陶瓷材料研究领域的核心课题！,原因：化学键差异造成的。金属：金属键，没有方向性，塑性变形性能好陶瓷：离子键和共价键，方向性强，结合能大，很难塑性形变，脆性大，裂纹敏感性强,26,不同化学键对应晶体性质,特种陶瓷常遇到的键是共价键和离子键，但纯的共价键和离子键在实际陶瓷材料中很难遇到，常介于两者之间。,27,判断离子键比例方法：,28,陶瓷与金属性能比较,29,陶瓷与金属性能比较,30,31,陶瓷与金属性能比较,32,陶瓷强度与金属比较,陶瓷强度对缺陷十分敏感，即使同一块试样，测得的强度离散度也很大,33,特种陶瓷性能,陶瓷韧性与金属比较,34,陶瓷韧性与金属比较,35,陶瓷脆性断裂方式,穿晶断裂,沿晶断裂,为了阻碍裂纹的扩展，必须在其扩展途径上设置障碍。,36,提高陶瓷韧性的方法,1）利用金属的延展性,2）利用晶须或者纤维增韧,37,3）利用相变增韧,38,4）纳米陶瓷增韧,39,特种陶瓷用途,特陶可以“上天入地”，“上天”指特种陶瓷应用于航天科技行业，“入地”指特种陶瓷可以应用于汽车等行业。,2003年2月1日，美国航天飞机“哥伦比亚”号的爆炸惨剧，要算是人类载人航天史上最为惨重的飞行事故。经过调查发现航天飞机失事的主要原因在于航天飞机左翼上的阻热材料失效。而这种的阻热材料正是由陶瓷材料构成的。除了作为航天飞机的阻热材料，超高温陶瓷在航空航天领域还可以用在超音速飞机的耐热保护材料、火箭和各种高速飞行器的燃料喷嘴。,陶瓷刹车盘,40,特种陶瓷用途,41,42,特种陶瓷性能,金刚石：作为世界上最硬的物质，是一种天然“陶瓷”。,陶瓷刀具,陶瓷刀具材料具有很高的硬度、耐磨性能和良好的高温性能，与金属的亲和力小，不易与金属产生黏结，并且化学稳定好。,陶瓷资源丰富构成高速钢与硬质合金的主要成分钨资源在全球范围内日趋枯竭,43,44,特种陶瓷性能,陶瓷装甲,45,特种陶瓷性能,陶瓷装甲,46,特种陶瓷性能,陶瓷装甲,47,特种陶瓷性能,陶瓷发动机,提高发动机热效率。燃烧室采用陶瓷隔热零件并取消冷却系统后，会降低热量损失，提高热效率减少辅助功率消耗，发动机结构简化。采用陶瓷隔热技术，可部分取消或完全取消冷却系统。适应多种燃料燃烧降低噪声，减少排气污染减轻质量资源丰富。,48,通过改进高温合金的耐热性能和采用新的冷却技术，使涡轮机进口温度由500提高到1100，已经接近高温合金的极限使用温度。为保证高温合金部件不超过极限温度，冷却系统带走约30的燃烧热量。如果采用高温陶瓷来作内燃机部件，进口温度提高到1370，动力效率可提高到46。由于陶瓷热导率低和耐热性好，冷却系统可以取消。相同功率下，燃油可减少40左右。,49,陶瓷刹车盘重量只有原来金属刹车盘的一半，每个车轮平均就减轻了5公斤的重量。更轻的制动系统使车辆的操控性大幅提升。陶瓷制动刹车盘的另一特点是耐磨。在日常标准使用情况下，其使用寿命可达30万公里，是钢制刹车盘平均寿命的4倍。同时，陶瓷制动刹车盘的使用磨损度仅为0.5毫米。陶瓷刹车盘不会生锈。陶瓷刹车盘由经过强化处理后的陶瓷制成，这是一种将高强度碳纤维和碳化硅合成后的复合结构物质。,陶瓷刹车盘,寿命是普通刹车盘的4倍,从2005年7月起，奥迪公司新型陶瓷制动刹车盘将成为奥迪A8W12及其加长型奥迪A8LW12quattro等车型的选配装置。,50,和玻璃相比,特种陶瓷性能,玻璃和陶瓷的主要区别在于结晶度,玻璃是非晶态而陶瓷是多晶材料。玻璃在远低于熔点以前存在明显的软化,而陶瓷的软化温度同熔点很接近,因而陶瓷的机械性能和使用温度要比玻璃高得多。玻璃的突出优点是可在玻璃软化温度和熔点之间进行各种成型,工艺简单而且成本低。,兼具玻璃的工艺性能和陶瓷的机械性能,它利用玻璃成型技术制造产品,然后高温结晶化处理获得陶瓷。例如：氟化物、氟氧化物玻璃陶瓷,玻璃陶瓷,红外陶瓷,导弹的头罩材料,51,热压氟化镁整流罩产品,52,日本卡西欧公司制成了世界上第一款用透明陶瓷玻璃技术制成的光学镜头。这种陶瓷透镜具有和普通光学玻璃相近的光学传导特性，并且其光学性能优异，折射率数达2.08，高于光学玻璃（1.51.85）。,特种陶瓷性能,卡西欧之所以能将陶瓷片制成光学镜头，其关键技术就是成功地消除了陶瓷材料中的气泡，再加上拥有先进的表面抛光技术和高透过率光学镀膜技术。在光学变焦镜头中采用这种陶瓷透镜，可使光学镜头的体积减小约20%，这样就可以制造出更小巧玲珑的数码相机了。,透明陶瓷,53,自日本科学家研制出高透明的“Nd:YAG”陶瓷，并率先实现激光输出后，透明陶瓷表现出单晶体、玻璃体等传统激光材料无可比拟的潜能。以耐热性能为例，在激光实验中，玻璃材料输出一次激光后，一般要间隔约2小时才能继续输出，而低成本、高效率的陶瓷材料间隔时间仅10分钟左右。2006年，中科院上海硅酸盐研究所经过6年数百次实验，终于研制出国内第一块“透明陶瓷之王”激光陶瓷，使我国成为世界上继日本之后第二个掌握激光陶瓷材料制备专利技术的国家。国内测试的激光陶瓷样品，尺寸仅为333立方毫米，采用激光陶瓷原料纳米Nd:YAG粉体技术，通过球磨混合、煅烧干燥等工艺，在1650摄氏度至1780摄氏度真空条件下保温10小时以上，烧结成Nd:YAG透明陶瓷，光学质量与单晶激光材料相当。,透明激光陶瓷,54,特种陶瓷之超导陶瓷,一般而言，陶瓷大都是氧化物而且不导电，常作为绝缘材料。但是某些氧化物超导体却同时具有陶瓷特性及超导现象，称为超导陶瓷。,55,特种陶瓷之超导陶瓷,1987年，朱经武和吴茂昆博士开启了科学史上的新页，发现了临界温度为90K以上的钇钡铜氧化物（YBaCuO），称为高温超导。,56,57,特种陶瓷之多孔陶瓷,气孔的存在常被视为有害因素，然而，很多情况下，多孔材料有很多优点，可用作耐火材料、高温过滤器、热绝缘体等。,氧化硅玻璃纤维网络体,58,特种陶瓷国外市场,日本是世界特种陶瓷最大的生产国，在世界特种特别是电子陶瓷市场中占据主导地位。1995年日本占世界特种陶瓷市场的60%，2000年有所下降，但仍占50%。美国是世界特种陶瓷第二生产大国，美国高技术陶瓷的年均投入达到12亿美元，在基础研究和工艺技术上处于世界领先水平。美国对先进陶瓷的需求量将以每年7%的速度增长，其中，电子陶瓷元器件仍为市场主流，复合陶瓷、防弹陶瓷、压电陶瓷等也继续保持最佳商机。,59,市场需求巨大预计到2015年，产值将450亿元科研力量较强从事特种陶瓷开发研制的科研院所和生产企业已超过300家，其中研发生产功能陶瓷的单位占63.6%，研发生产结构陶瓷的单位占36.4%。中国科学院、上海硅酸盐研究所、清华大学等对我国特种材料研究起到了