第1次课 绪论-特种陶瓷粉体的物理性能

1、特种陶瓷材料及工艺特种陶瓷材料及工艺 授课教师：任授课教师：任 帅帅 课程说明课程说明 总学时：总学时：2424 （授课学时（授课学时2424） 参考教材：参考教材：特种陶瓷工艺学特种陶瓷工艺学 李世普李世普 主编主编 武汉工业大学出版社武汉工业大学出版社 新型无机材料新型无机材料 杨华明杨华明 宋晓岚宋晓岚 金胜明金胜明 化学工业出版社化学工业出版社 其它参考书：其它参考书：工程结构陶瓷工程结构陶瓷郭瑞松郭瑞松 天津大学出版社天津大学出版社 功能陶瓷及应用功能陶瓷及应用曲远方曲远方 化学工业出版社化学工业出版社 课程说明课程说明 主要授课内容及作用：主要授课内容及作用： (1)(1) 介绍特

2、种陶瓷材料的介绍特种陶瓷材料的概念、分类、特点、结构与概念、分类、特点、结构与 性能之间的关系。性能之间的关系。 (2)(2) 深入了解特种陶瓷材料的深入了解特种陶瓷材料的品种、组成、结构、性品种、组成、结构、性 能、制备、应用能、制备、应用及及发展趋势发展趋势; ; (3)(3) 培养分析、研究、开发新材料的能力。培养分析、研究、开发新材料的能力。 绪论绪论 第一章第一章 特种陶瓷生产工艺原理特种陶瓷生产工艺原理 第二章第二章 结构陶瓷结构陶瓷 第三章第三章 功能陶瓷功能陶瓷 第四章第四章 特种玻璃特种玻璃 第五章第五章 人工晶体人工晶体 第六章第六章 无机纤维无机纤维 第七章第七章 薄膜材

3、料薄膜材料 第八章第八章 生物陶瓷生物陶瓷 第九章第九章 新能源材料新能源材料 第十章第十章 环境材料环境材料 绪绪 论论 一、材料学一、材料学 二、什么是陶瓷、特种陶瓷？二、什么是陶瓷、特种陶瓷？ 三、特种陶瓷和粉末冶金三、特种陶瓷和粉末冶金 四、特种陶瓷的特性和应用领域四、特种陶瓷的特性和应用领域 五、特种陶瓷的发展前景五、特种陶瓷的发展前景 六、特种陶瓷的研究任务六、特种陶瓷的研究任务 一、材料学？一、材料学？ 物理学物理学物质的结构与性质物质的结构与性质 化化 学学物质的合成与分解物质的合成与分解 电工学电工学电的产生与应用电的产生与应用 机械学机械学力的传输与使用力的传输与使用 1

4、1）材）材 料料材料是人类用于制造生活和生产材料是人类用于制造生活和生产 用的物品、器件、构件、机器和其他产品的物用的物品、器件、构件、机器和其他产品的物 质质。（引自师昌绪先生（引自师昌绪先生, , 材料科学技术百科全书，材料科学技术百科全书， 19951995） 2 2、材料学、材料学材料学是研究材料材料学是研究材料组成、结构、组成、结构、 工艺、性质和使用性能工艺、性质和使用性能之间相互关系的学科，之间相互关系的学科， 为材料设计、制造、工艺优化和合理使用提供为材料设计、制造、工艺优化和合理使用提供 科学依据。科学依据。 3 3、材料分类：、材料分类： 金属材料，无机非金属材料，金属材料

5、，无机非金属材料， 有机材料，复合材料，（生物材料）有机材料，复合材料，（生物材料） 4 4、认识方法：、认识方法： 工艺工艺结构结构性能性能设备设备 二、什么是陶瓷、特种陶瓷？二、什么是陶瓷、特种陶瓷？ “陶瓷陶瓷” 从狭义来说，是指以粘土为主要原料经高温烧制得到的制品。从狭义来说，是指以粘土为主要原料经高温烧制得到的制品。 通常包括陶器（半坡、河姆渡）和瓷器（耀州窑、景德镇）。通常包括陶器（半坡、河姆渡）和瓷器（耀州窑、景德镇）。 从广义来说，它还包括砖瓦、耐火材料、玻璃、各种元素的从广义来说，它还包括砖瓦、耐火材料、玻璃、各种元素的 碳化物、氮化物、硼化物、硅化物、氧化物等碳化物、氮化物

6、、硼化物、硅化物、氧化物等无机非金属材无机非金属材 料料，也包括水泥和石墨等。，也包括水泥和石墨等。 二、什么是陶瓷、特种陶瓷？二、什么是陶瓷、特种陶瓷？ “特种陶瓷特种陶瓷”：通常认为是采用高度精选的原料，具有能精通常认为是采用高度精选的原料，具有能精 确控制的化学组成，按照便于控制的制造技术加工的，便于确控制的化学组成，按照便于控制的制造技术加工的，便于 进行结构设计，并具有优异特性的陶瓷。进行结构设计，并具有优异特性的陶瓷。 美国美国 advanced ceramics; high performance ceramics 英国英国 technical ceramics 日本日本 fin

7、e 或或new ceramics “特种陶瓷特种陶瓷” 二、什么是陶瓷、特种陶瓷？二、什么是陶瓷、特种陶瓷？ “特种陶瓷特种陶瓷” 二、什么是陶瓷、特种陶瓷？二、什么是陶瓷、特种陶瓷？ 原料（成分）、成型、烧成、加工原料（成分）、成型、烧成、加工性能、用途性能、用途 特种陶瓷与普通陶瓷的主要区别特种陶瓷与普通陶瓷的主要区别 特种陶瓷与普通陶瓷的主要区别特种陶瓷与普通陶瓷的主要区别 特种陶瓷 使用性能 普通陶瓷 组成/结构 普通陶瓷 合成/加工工艺 普通陶瓷 固有性能 普通陶瓷普通陶瓷 使用性能使用性能 表表0-1 特种陶瓷与普通陶瓷的区别特种陶瓷与普通陶瓷的区别 特种陶瓷与普通陶瓷的主要区别特

8、种陶瓷与普通陶瓷的主要区别 表表0-1 特种陶瓷与普通陶瓷的区别特种陶瓷与普通陶瓷的区别 特种陶瓷与普通陶瓷的主要区别特种陶瓷与普通陶瓷的主要区别 粘土矿物粘土矿物-高岭土高岭土钾长石钾长石石石 英英 人工合成人工合成Al2O3粉体粉体 三、特种陶瓷和粉末冶金三、特种陶瓷和粉末冶金 二者研究对象、制备工艺相近，所以可将特种陶瓷归二者研究对象、制备工艺相近，所以可将特种陶瓷归 入到传统粉末冶金和传统陶瓷延伸形成的交叉学科领域。入到传统粉末冶金和传统陶瓷延伸形成的交叉学科领域。 具有的相同基本特性具有的相同基本特性： 1 1）研究的对象有相同的物理形态，即均为粉体。）研究的对象有相同的物理形态，即

9、均为粉体。 2 2）工艺过程基本相同。）工艺过程基本相同。 3 3）粉体在加工过程中有相同或相近的物理、化学变化，）粉体在加工过程中有相同或相近的物理、化学变化， 服从相同或相似的理论规律。服从相同或相似的理论规律。 四、特种陶瓷的特性和应用领域四、特种陶瓷的特性和应用领域 特种陶瓷的特性：特种陶瓷的特性： 优点：优点：与金属和聚合物相比，特种陶瓷与金属和聚合物相比，特种陶瓷熔点高熔点高，耐热性耐热性 好，高温强度高，好，高温强度高，抗腐蚀和抗氧化，抗腐蚀和抗氧化，弹性模量、硬度高。弹性模量、硬度高。 如如Al2O3、ZrO2、Si3N4、SiC等已成为优异的高温结构等已成为优异的高温结构 材

10、料。材料。 缺点：缺点：塑性变形能力差；韧性低；不易成型加工。塑性变形能力差；韧性低；不易成型加工。 特种陶瓷的特性和应用领域特种陶瓷的特性和应用领域 特种陶瓷的应用特种陶瓷的应用 结构陶瓷结构陶瓷 力学性能力学性能 功能陶瓷功能陶瓷 研磨和耐磨性研磨和耐磨性 切削性切削性 高强度高强度 润滑性润滑性 绝缘性绝缘性 介电性介电性 导电性导电性 压电性压电性 磁性磁性 电磁功能电磁功能 半导体功能半导体功能 光学光学 热学热学 生物、化学生物、化学 与原子有关的功能与原子有关的功能 超导超导 特种陶瓷的特性和应用领域特种陶瓷的特性和应用领域 功能陶瓷的应用功能陶瓷的应用 特种陶瓷的性能潜力表现在

11、特种陶瓷的性能潜力表现在： 1 1）许多特种陶瓷具有优异的多方面性能。）许多特种陶瓷具有优异的多方面性能。 2 2）特种陶瓷具有更多的有实用价值的功能，特别是电）特种陶瓷具有更多的有实用价值的功能，特别是电 磁功能，化学功能，半导体功能。磁功能，化学功能，半导体功能。 3 3）适当改变组成和掺杂后，特种陶瓷的功能可以按照）适当改变组成和掺杂后，特种陶瓷的功能可以按照 人们的要求改变。人们的要求改变。 特种陶瓷被誉为特种陶瓷被誉为“万能材料万能材料”或或“面向面向2121世纪的新材世纪的新材 料料”。 特种陶瓷的研究任务主要是：特种陶瓷的研究任务主要是： 1 1）研究）研究现有材料现有材料的性能

12、及改变它们的途径；的性能及改变它们的途径； 2 2）发掘）发掘新材料新材料的性能；的性能； 3 3）探索和发展）探索和发展新材料新材料； 4 4）研究制备材料的）研究制备材料的最佳最佳工艺；工艺； 5 5）对烧结后的制品进行的冷加工技术。）对烧结后的制品进行的冷加工技术。 这门学科的发展有待于这门学科的发展有待于冶金学、物理学、化学和数冶金学、物理学、化学和数 学学等多学科的等多学科的交叉渗透、共同探索交叉渗透、共同探索。 作业作业 1 1）传统陶瓷和特种陶瓷两者者各自的特点和区别是什么？）传统陶瓷和特种陶瓷两者者各自的特点和区别是什么？ 特种陶瓷与粉末冶金的关系？特种陶瓷与粉末冶金的关系？

13、2 2）特种陶瓷的功能及其应用举例。（如：耐磨性、切削）特种陶瓷的功能及其应用举例。（如：耐磨性、切削 性、介电性等）性、介电性等） 绪论绪论 第一章第一章 特种陶瓷生产工艺原理特种陶瓷生产工艺原理 第二章第二章 结构陶瓷结构陶瓷 第三章第三章 功能陶瓷功能陶瓷 第四章第四章 特种玻璃特种玻璃 第五章第五章 人工晶体人工晶体 第六章第六章 无机纤维无机纤维 第七章第七章 薄膜材料薄膜材料 第八章第八章 生物陶瓷生物陶瓷 第九章第九章 新能源材料新能源材料 第十章第十章 环境材料环境材料 第一章第一章 特种陶瓷工艺原理特种陶瓷工艺原理 1.1 1.1 特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能

14、 1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法 1.3 1.3 特种陶瓷的成型方法特种陶瓷的成型方法 1.4 1.4 特种陶瓷的烧结特种陶瓷的烧结 1.1 1.1 特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能 粉体粉体指大量固体粒子的集合系。它表示物质的一指大量固体粒子的集合系。它表示物质的一 种存在状态。它既不同于气体、液体，也完全不同于固体，种存在状态。它既不同于气体、液体，也完全不同于固体， 正如不少国内学者所认为的，粉体是气、液、固三相之外正如不少国内学者所认为的，粉体是气、液、固三相之外 的所谓的所谓第四相第四相。 组成粉体的固体颗粒其粒径的大小对粉体系统的各种组成粉

15、体的固体颗粒其粒径的大小对粉体系统的各种 性质有很大的影响。其中最敏感的有粉体的性质有很大的影响。其中最敏感的有粉体的比表面积，可比表面积，可 压缩性和流动性压缩性和流动性。我们所要研究的。我们所要研究的特种陶瓷粉体特种陶瓷粉体，一般是，一般是 指其组成颗粒的粒径在指其组成颗粒的粒径在0.05-40m0.05-40m的物系。的物系。 1.1 1.1 特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能 1.1.1 1.1.1 粉体的粒度与粒度分布粉体的粒度与粒度分布 1.1.2 1.1.2 粉体颗粒的形态及其表征粉体颗粒的形态及其表征 1.1.3 1.1.3 粉体的表面特性粉体的表面特性 1.1.4

16、1.1.4 粉体的填充性粉体的填充性 1.1 1.1 特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能 1.1.1 1.1.1 粉体的粒度与粒度分布粉体的粒度与粒度分布 1) 1) 粉体颗粒粉体颗粒（powder particlepowder particle） 是指在物质的本质结构不发生改变的情况下，分散或是指在物质的本质结构不发生改变的情况下，分散或 细化而得到的固体基本颗粒。细化而得到的固体基本颗粒。 一般将没有堆积、絮联等结构的最小单元称为一般将没有堆积、絮联等结构的最小单元称为一次颗一次颗 粒粒。而在实际应用的粉体原料中，往往都是在一定程度上。而在实际应用的粉体原料中，往往都是在一定程度

17、上 团聚了的颗粒，即所谓的团聚了的颗粒，即所谓的二次颗粒二次颗粒。 一次颗粒发生团聚的原因：一次颗粒发生团聚的原因： （1）分子间的）分子间的范德华引力范德华引力；（；（2）颗粒间的）颗粒间的静电引力静电引力； （3）吸附水分的）吸附水分的毛细管力毛细管力；（；（4）颗粒间的）颗粒间的磁引力磁引力； （5）颗粒表面不平滑引起的）颗粒表面不平滑引起的机械纠缠力机械纠缠力。 1.11.1特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能 1.1.1 1.1.1 粉体的粒度与粒度分布粉体的粒度与粒度分布 2) 2) 粉体颗粒的粉体颗粒的粒度粒度(particle size)(particle size)

18、粉体颗粒是构成粉体的基本单位。由于粉体是具粉体颗粒是构成粉体的基本单位。由于粉体是具 有粒度分布的大量固体颗粒的分散相，因而，有粒度分布的大量固体颗粒的分散相，因而，不可能不可能 用单一的大小来描述用单一的大小来描述，凡构成某种粉体的颗粒群，其，凡构成某种粉体的颗粒群，其 颗粒的平均大小被定义为粉体的粒度颗粒的平均大小被定义为粉体的粒度。 实际的粉体颗粒有球形、条形、多边形、片状或实际的粉体颗粒有球形、条形、多边形、片状或 各种形状兼而有之。各种形状兼而有之。 (a)(b)(c) (f)(e)(d) 图1 各种形状的粉体颗粒 1.11.1特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能 1.1.1

19、 1.1.1 粉体的粒度与粒度分布粉体的粒度与粒度分布 2)2)粉体颗粒的粉体颗粒的粒度粒度(particle size)(particle size) 根据不同要求，表示颗粒群粒度的方法主要有以下几种：根据不同要求，表示颗粒群粒度的方法主要有以下几种： 等体积等体积球相当径。（体积可求）球相当径。（体积可求） 等面积等面积球相当径。球相当径。 ( (流体通过法或吸附法流体通过法或吸附法 ) ) 等沉降速度等沉降速度相当径。相当径。 显微镜下测得的颗粒粒径显微镜下测得的颗粒粒径: : 马丁径、弗莱特径、投影面积径。马丁径、弗莱特径、投影面积径。 1.11.1特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的

20、物理性能 1.1.1 1.1.1 粉体的粒度与粒度分布粉体的粒度与粒度分布 2)2)粉体颗粒的粉体颗粒的粒度粒度(particle size)(particle size) 马丁径马丁径 - 对开线长度对开线长度 1.11.1特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能 1.1.1 1.1.1 粉体的粒度与粒度分布粉体的粒度与粒度分布 2)2)粉体颗粒的粉体颗粒的粒度粒度(particle size)(particle size) 弗莱特径弗莱特径 两对边切线之间距离两对边切线之间距离 1.11.1特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能 1.1.1 1.1.1 粉体的粒度与粒度分布粉体的

21、粒度与粒度分布 2)2)粉体颗粒的粉体颗粒的粒度粒度(particle size)(particle size) 投影面积径投影面积径 与颗粒影像有相同面积的圆的直径与颗粒影像有相同面积的圆的直径 1.11.1特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能 1.1.1 1.1.1 粉体的粒度与粒度分布粉体的粒度与粒度分布 3)3)粉体颗粒的粉体颗粒的粒度分布粒度分布 -是表征多分散体系中颗粒大小不均一程度的。是表征多分散体系中颗粒大小不均一程度的。 对于某一粉体系统来说，如果组成颗粒的粒度都对于某一粉体系统来说，如果组成颗粒的粒度都 一样或近似一样，就称其一样或近似一样，就称其为单分散（为单分散

22、（monodispersemonodisperse） 体系体系； 实际粉体所含颗粒的粒度大都有一个分布范围，实际粉体所含颗粒的粒度大都有一个分布范围， 常称为常称为多分散（多分散（polydispersepolydisperse）体系）体系。粒度分布范围。粒度分布范围 越窄，我们就说分布的分散程度越小，其集中度越高。越窄，我们就说分布的分散程度越小，其集中度越高。 1.11.1特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能 1.1.1 1.1.1 粉体的粒度与粒度分布粉体的粒度与粒度分布 3)3)粉体颗粒的粉体颗粒的粒度分布粒度分布 频率分布曲线频率分布曲线 累积分布曲线累积分布曲线 1.11.

23、1特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能 1.1.2 1.1.2 粉体颗粒的形态及其表征粉体颗粒的形态及其表征 颗粒形态对粉体系统的性质比如颗粒形态对粉体系统的性质比如流动性，自然堆积流动性，自然堆积 密度、比表面以及成形体密度，烧结体性质密度、比表面以及成形体密度，烧结体性质等有直接等有直接 的影响。的影响。 SiCSiC 晶须晶须 金属陶瓷用复合粉末金属陶瓷用复合粉末 1.11.1特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能 1.1.2 1.1.2 粉体颗粒的形态及其表征粉体颗粒的形态及其表征 形状因子：形状因子：在一定程度上可表征颗粒形状相对于标准形状在一定程度上可表征颗粒形状相对

24、于标准形状 的偏离。常见的几种形状因子有：的偏离。常见的几种形状因子有： Wadell球形度球形度w w（球体）（球体） 与颗粒具有相同体积的球的表面积对于实际颗粒的表面积之比，与颗粒具有相同体积的球的表面积对于实际颗粒的表面积之比， 一般小于一般小于1 1，如等于，如等于1 1，则该颗粒为球形，则该颗粒为球形 长短度和扁平度（柱状或片状）长短度和扁平度（柱状或片状） 长短度长短度= =长径长径l/l/短径短径b b ， 扁平度扁平度= =短径短径b/b/厚度厚度t t 动力形状因子动力形状因子K K K=Dd/Dv Dd颗粒在介质中的沉降阻力相当径 颗粒在介质中的沉降阻力相当径 Dv-等体积

25、球径等体积球径 1.1 1.1 特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能 1.1.3 1.1.3 粉体的表面特性粉体的表面特性 1 1）粉体颗粒的表面能和表面状态）粉体颗粒的表面能和表面状态 当晶体破碎，破断面上的原子所处的状态就与内部原 子不一样。 内部原子在周围原子的均等作用下处于能量平衡的状 态；而表面则只是一侧受到内部原子的引力，另一侧则 处于一种具有“过剩能量”的状态，该“过剩能量”就 称为表面能。 同样，粉体颗粒表面的“过剩能量”就称为颗粒的表颗粒的表 面能面能。当物质被粉碎成细小颗粒时，就会出现大量的新 表面，并且这种新表面能的量值随粒度变小而迅速增加。 这时，处于表面的原子

26、的数量发生显著变化。 1.1 1.1 特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能 1.1.3 1.1.3 粉体的表面特性粉体的表面特性 1 1）粉体颗粒的表面能和表面状态）粉体颗粒的表面能和表面状态 表1所示当粒径变化时，一般物质颗粒细化后，其原 子数与表面原子数的比例变化。 粒径（nm）颗粒原子数表面原子数/原子数（%） 202.510510 10310420 5410340 225080 13099 1.1 1.1 特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能 1.1.3 1.1.3 粉体的表面特性粉体的表面特性 1 1）粉体颗粒的表面能和表面状态）粉体颗粒的表面能和表面状态 举例：举例：NaCl晶体沿（晶体沿（100）面破碎时的状态，）面破碎时的状态，A为理为理 想（想（100）面，）面，B为极化后的表面，为极化后的表面，C为极化后再重排为极化后再重排 的表面。随着的表面。随着A至至C状态的变化，表面能下降状态的变化，表面能下降。 1.1 1.1 特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能 1.1.3 1.1.3 粉体的表面特性粉体的表面特性 2 2）粉体颗粒的吸附与凝聚）粉体颗粒的吸附与凝聚 粉体所以区别于一般固体而呈独立物态，是因为它一 方面是细化了的固体；另一方面，在接触点上与其它粒子 间有相互作用力存在。 对于液体，由于液滴粒子碰到之后