先进陶瓷材料-讲义

1、先进陶瓷材料Advanced ceramic materials飞雾流飞雾流雪雪20180528陶瓷陶瓷传统上，陶瓷的概念是指以粘土及传统上，陶瓷的概念是指以粘土及其天然矿物为原料，经过粉碎混合、其天然矿物为原料，经过粉碎混合、成型、焙烧等工艺过程所制得的各种成型、焙烧等工艺过程所制得的各种制品。亦称为制品。亦称为“普通陶瓷普通陶瓷”或或传统陶传统陶瓷瓷。 先进陶瓷先进陶瓷是是“采用高度精选或合成采用高度精选或合成的原料，具有精确控制的化学组成，按的原料，具有精确控制的化学组成，按照便于控制的制造技术加工、便于进行照便于控制的制造技术加工、便于进行结构设计，并且有优异特性的陶瓷。结构设计，并且

2、有优异特性的陶瓷。”l 功能陶瓷功能陶瓷：功能陶瓷是具有电、磁、：功能陶瓷是具有电、磁、光、热、化学、生物等特性，且具有相光、热、化学、生物等特性，且具有相互转化功能的一类陶瓷。功能陶瓷在先互转化功能的一类陶瓷。功能陶瓷在先进陶瓷中约占进陶瓷中约占70%70%的市场份额，其余为的市场份额，其余为结构陶瓷。结构陶瓷。l 结构陶瓷结构陶瓷：是指能作为工程结构材料是指能作为工程结构材料使用的陶瓷。它具有高强度、高硬使用的陶瓷。它具有高强度、高硬度、高弹性模量、耐高温、耐磨损、度、高弹性模量、耐高温、耐磨损、耐腐蚀、抗氧化、抗热震等特性。耐腐蚀、抗氧化、抗热震等特性。先进陶瓷先进陶瓷按照性能和应用按照

3、性能和应用可分为可分为结构陶瓷结构陶瓷和和功能陶瓷功能陶瓷两大类。两大类。（1）高熔点氧化物，如）高熔点氧化物，如Al2O3、ZrO2、MgO、BeO等，它们的熔点一般等，它们的熔点一般都在都在2000摄氏度以上；摄氏度以上；（2) 碳化物，如碳化物，如SiC、WC、TiC、B4C、ZrC等；等；（3）氮化物，如）氮化物，如Si3N4、BN、AlN、TiN等，氮化物常具有很高的硬度；等，氮化物常具有很高的硬度；（4）硼化物，如）硼化物，如ZrB2等，硼化物具有很强的抗氧化能力；等，硼化物具有很强的抗氧化能力；（5）硅化物，如）硅化物，如MoSi2、ZrSi等，在高温使用中具有很强的抗氧化能力。

4、等，在高温使用中具有很强的抗氧化能力。2003年2月1日美国“哥伦比亚”号航天飞机外部燃料箱表面泡沫材料安装过程中存在的缺陷，是造成整起事故的祸首。“哥伦比亚”号航天飞机事故调查委员会去年公布的调查报告称，外部燃料箱表面脱落的一块泡沫材料击中航天飞机热保护系统，是导致事故发生的主要原因。8功能陶瓷功能陶瓷电功能陶瓷：绝缘陶瓷、介电陶瓷、铁电陶瓷、压电陶瓷、半导体陶瓷、快离子导体陶瓷、高温超导陶瓷磁功能陶瓷：软磁铁氧体、硬磁铁氧体、记忆用铁电体光功能陶瓷：透明陶瓷、透明铁电陶瓷敏感陶瓷：热敏陶瓷、气敏陶瓷、湿敏陶瓷、压敏陶瓷、光敏陶瓷生物及化学功能陶瓷：载体用陶瓷、催化用陶瓷、生物陶瓷种 类性

5、能应 用结构陶瓷高温陶瓷800以上长期使用，超高温短期使用窑炉器件、柴油机等发动机、航空航天、空间技术等高强陶瓷高韧性、高强度、良好的抗冲击性机床主轴轴承、密封环、模具等超硬陶瓷热稳定性、化学稳定性、弹性模量优良高速磨削道具、防弹装备等耐腐蚀陶瓷优良的化学稳定性和耐冲刷性能化工设备、舰船潜艇密封、金属液体防护、过滤陶瓷等功能陶瓷电子陶瓷压电、光电、热释电、铁电、绝缘性电子元器件、超高压绝缘子等超导陶瓷超导特性、耐低温超导光缆、空间、电子、生物等光学陶瓷透波性能、透明性、荧光性基板、天线罩、发光器、陶瓷传感器、激光器件等生物陶瓷与血液、器官良好的生物相容性陶瓷关节、骨骼、牙齿等磁性陶瓷磁导率、矫

6、顽力大、硬度高微波器件、量子无线电等储能陶瓷能量转换与存储特性热、电、光、氢储能等力学性能力学性能物理、化学性能物理、化学性能先先 进进 陶陶 瓷瓷 应应 用用 性性 能能 分分 析析美国美国日本日本欧盟欧盟l 全球第二大先进陶瓷材料生产全球第二大先进陶瓷材料生产基地；基地；l 国家航空和宇航局对结构陶瓷的大规模国家航空和宇航局对结构陶瓷的大规模研究与开发研究与开发；l 业内业内知名企业：格鲁曼、杜邦、赛瑞丹知名企业：格鲁曼、杜邦、赛瑞丹l 全球最大先进陶瓷材料生产全球最大先进陶瓷材料生产基地；基地；l 功能陶瓷领域垄断国际市场功能陶瓷领域垄断国际市场；l 业内知名企业：京瓷、东芝、旭硝业内知

7、名企业：京瓷、东芝、旭硝子、住友、村田、东陶子、住友、村田、东陶l 市场份额仅次于日本和美国；市场份额仅次于日本和美国；l 德国、法国在结构陶瓷领域重点研发德国、法国在结构陶瓷领域重点研发；国内外国内外研究发展情况研究发展情况中国中国l 市场市场份额稳步增长；份额稳步增长； 1） 技术及新产品工程转化极度匮乏技术及新产品工程转化极度匮乏虽然我国同样能制备出性能良好的陶瓷材料，但绝大部分仍停留在实虽然我国同样能制备出性能良好的陶瓷材料，但绝大部分仍停留在实验室样品上，有的产品由于成本高及可靠性等问题，市场还不能接受，所验室样品上，有的产品由于成本高及可靠性等问题，市场还不能接受，所以产品的销售额

8、与发达国家相比相差甚远。以产品的销售额与发达国家相比相差甚远。 2）高端粉体制备及分散技术远远落后高端粉体制备及分散技术远远落后我国对陶瓷粉料的制备仍未引起足够的重视，多种陶瓷粉料尚无专业我国对陶瓷粉料的制备仍未引起足够的重视，多种陶瓷粉料尚无专业化生产企业，许多企业不得不化生产企业，许多企业不得不“自产自销自产自销”。受部分发达国家限制，国内。受部分发达国家限制，国内企业在粉料质量上仍存在较大的波动；同时，粉体的高效分散技术也存在企业在粉料质量上仍存在较大的波动；同时，粉体的高效分散技术也存在较大差距。较大差距。 3）分析测试仪器及制造装备加工技术落后）分析测试仪器及制造装备加工技术落后虽然

9、我国引进了国外先进的工艺装备，像气压烧结炉、热等静压、注虽然我国引进了国外先进的工艺装备，像气压烧结炉、热等静压、注射成型机、流延机等来提高我国的技术装备水平，但因投资大，在经济上射成型机、流延机等来提高我国的技术装备水平，但因投资大，在经济上给企业造成了很大压力，从而限制了先进陶瓷的发展。而国内仿制设备因给企业造成了很大压力，从而限制了先进陶瓷的发展。而国内仿制设备因加工水平差距，可靠性和稳定性暂时无法与国外产品相比。加工水平差距，可靠性和稳定性暂时无法与国外产品相比。我国先进陶瓷产业现状我国先进陶瓷产业现状坯体成型坯体烧结精密加工粉体制备先进陶瓷制备工艺及分析表征先进陶瓷制备工艺及分析表征

10、分析测试液相法液相法气相法气相法固相法固相法电电 阻阻 加加 热热 法法化化 学学 火火 焰焰 法法等等 离离 子子 法法激激 光光 法法溶溶 液液 法法乳乳 液液 法法溶胶溶胶-凝胶法凝胶法熔盐合成法熔盐合成法喷雾干燥法喷雾干燥法热热 分分 解解 法法烧烧 结结 法法还原还原-化合法化合法机械化学法机械化学法机械粉碎法机械粉碎法粉体制备活性高 纯度高粒径小坯体成型成型技术成型技术干法压制成型干法压制成型塑性成型塑性成型干压成型干压成型冷等静压成型冷等静压成型挤压成型挤压成型注射成型注射成型热蜡铸成型热蜡铸成型扎膜成型扎膜成型浆料成型浆料成型固体无模成型固体无模成型注浆成型注浆成型流延成型流延

11、成型凝胶注模成型凝胶注模成型原位凝固成型原位凝固成型熔融沉积成型熔融沉积成型三维打印成型三维打印成型分层实体成型分层实体成型立体光刻成型立体光刻成型激光选取烧结成型激光选取烧结成型坯体烧结坯体烧结坯体烧结 是指把成型坯体转变为致密体的工艺过程。烧结状态烧结状态烧结压力烧结压力特殊加热原理特殊加热原理固态烧结固态烧结液相烧结液相烧结常压烧结常压烧结无压烧结无压烧结真空烧结真空烧结热压烧结热压烧结热等静压烧结热等静压烧结气氛烧结气氛烧结微波烧结微波烧结放电等离子烧结放电等离子烧结自蔓延烧结自蔓延烧结坯坯 体体 烧烧 结结 技技 术术精密加工陶瓷球阀磨削加工陶瓷球阀磨削加工激光切割机激光切割机 激光

12、打孔机激光打孔机 超声波打孔机超声波打孔机分析测试常用仪器常用仪器激光粒度仪差示扫描热分析（DSC）同步热分析（TGA/DSC）比表面积分析仪（BET）X射线荧光光谱（XRF）X射线衍射仪 （XRD）3D激光显微镜 扫描电镜(SEM)原子力显微镜(AFM)透射电镜（TEM）X射线光电子能谱（XPS）拉曼光谱红外光谱仪多孔碳化硅陶瓷制备流程简图多孔碳化硅陶瓷制备流程简图举例碳化硅、层析氧化铝、石墨原料的微观结构碳化硅、层析氧化铝、石墨原料的微观结构 碳化硅和石墨的碳化硅和石墨的TGA-DSC 曲线（曲线（10C/min,空气气氛中）空气气氛中） 不同烧结温度（不同烧结温度（1300-1500C）

13、相同保温时间（）相同保温时间（3h3h）制得的）制得的样品样品XRD图谱（图谱（A A代表氧化铝，代表氧化铝，C C代表方石英，代表方石英，M M代表莫来石，代表莫来石，S S代表碳化硅）代表碳化硅） 在空气气氛中烧成温度为在空气气氛中烧成温度为1450（3h）制得的二氧化硅结合碳化硅多孔陶瓷）制得的二氧化硅结合碳化硅多孔陶瓷（a）和莫来石结合碳化硅多孔陶瓷的场发射电子显微镜图；（）和莫来石结合碳化硅多孔陶瓷的场发射电子显微镜图；（a）、（）、（b）的）的内置图分别为他们的颈部的能谱图内置图分别为他们的颈部的能谱图 石墨的含量对在空气气氛中烧成温度为石墨的含量对在空气气氛中烧成温度为1450（3h）制得的莫）制得的莫来石结合碳化硅多孔陶瓷气孔率和抗弯强度的影响来石结合碳化硅多孔陶瓷气孔率和抗弯强度的影响 粒径及氧化铝对粒径及氧化铝对