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 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 材料与文明发展材料与文明发展9000年以前年以前2000年以前年以前20世纪世纪20世纪世纪90年代年代青花瓷青花瓷中国红中国红陶 与 瓷陶 瓷 与 科 技 发 展 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。 陶瓷特种陶瓷 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。

2、陶 瓷 原 料传统陶瓷（日用）三大原料传统陶瓷（日用）三大原料陶瓷资源丰富陶瓷资源丰富传统陶瓷原料粘土层状结构粘土矿物晶体结构模型图层状结构粘土矿物晶体结构模型图 粘土矿物粘土矿物是具有是具有层状结构硅酸盐矿物层状结构硅酸盐矿物，其基本结构单位是硅氧四面，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。下图所示的结构模型图。粘土在陶瓷生产中的作用粘土在

3、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。传统陶瓷原料石英石英水晶结晶良好的石英石英在陶瓷生产中的作用石英在陶瓷生产中的作用1. 1. 石英是瘠性原料，可对泥料的可塑性起调节作用。石英是瘠性原料，可对泥料的可塑性起调节作用。 2. 2. 在陶瓷烧成时在陶瓷烧成时 ，石英影响陶瓷坏体的体积收缩。，石英影响陶瓷坏体的体积收缩。3. 3. 在瓷器中，石英对坯体的力学强度有着很大的影响在瓷器中，石英对坯体的力学强度

4、有着很大的影响 。4. 4. 石英对陶瓷釉料的性能有很大影响。石英对陶瓷釉料的性能有很大影响。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（K K2 2O O，NaNa2 2O O）的主要来源，能降低陶瓷坯体组分的熔化温度，有利于成）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。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。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

5、中长石是主要熔剂。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。的干燥收缩利变形等。 1氧化物SiO2、Al2O3、MgO、Cr2O3、BeO、ZrO2、TiO2、V2O5、B2O3、Y2O3、CaO、CeO2、BaTiO3、CaTiO3、PbZrTiO3、ZrSiO42碳化物SiC、TiC、WC、ZrC、B4C、HfC、TaC、Be2C、UC、VC、NbC、Mo2C、MoC3氮化物Si3N4、TiN、BN、AlN、C3N4、ZrN、VN、TaN、NbN、ScN4硼化物TiB2、

6、ZrB2、MoB、WB6、LaB6、HfB、ZrB5硅化物Mo2Si6氟化物MgF2、 CaF2、 LaF37硫化物ZnS、硫化铈优点： 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 不同化学键对应晶体性质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

7、在实际陶瓷材料中很难遇到，常介于两者之间。和离子键在实际陶瓷材料中很难遇到，常介于两者之间。判断离子键比例方法：判断离子键比例方法：exp14)(2BAXXABP化合物中离子键比例化合物中离子键比例元素元素A A、B B电负性电负性 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穿晶断裂穿晶断裂沿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。为了阻碍裂纹的扩展，必须在其扩展途径上设置障碍。1 1）利用金属的延展性）利用金属的延展性2 2）利用晶须或者纤维增韧）利用晶须或者纤维增韧3 3）利用相变增韧）利用相变增韧4 4）纳米陶瓷增韧）纳米陶瓷增韧 特陶可以特陶可

8、以“上天入地上天入地”，“上天上天”指特种陶瓷应用于航天科指特种陶瓷应用于航天科技行业，技行业，“入地入地”指特种陶瓷可以指特种陶瓷可以应用于汽车等行业。应用于汽车等行业。 2003 2003年年2 2月月1 1日，美国航天飞机日，美国航天飞机“哥伦比亚哥伦比亚”号的爆炸惨剧，要算是人类载人航天史上最为惨号的爆炸惨剧，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。这种的阻热材料正是由陶瓷材料构成的。 除了作为航

9、天飞机的阻热材料，超高温陶瓷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。护材料、火箭和各种高速飞行器的燃料喷嘴。 陶瓷刹车盘陶瓷刹车盘金刚石：金刚石： 作为世界上最硬的物质，是一种天然作为世界上最硬的物质，是一种天然“陶瓷陶瓷”。 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。亲和力小，不易与金属产生黏结，并且化学稳定好。 陶瓷资源丰富陶瓷资源丰富 构成高

10、速钢与硬质合构成高速钢与硬质合金的主要成分金的主要成分钨资源钨资源在全在全球范围内日趋枯竭球范围内日趋枯竭 提高发动机热效率。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。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。 适应多种燃料燃烧适应多种燃料燃烧 降低噪声，减少排气污染降低噪声，减少排气污染 减轻质量减轻质量 资源丰富。资源丰富。 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口温度由500500提高到

11、提高到11001100，已经接近高温合金的极限使用温度。为，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，冷却系统带走约保证高温合金部件不超过极限温度，冷却系统带走约3030的燃烧热量。的燃烧热量。 如果采用高温陶瓷来作内燃机部件，进口温度提高到如果采用高温陶瓷来作内燃机部件，进口温度提高到13701370，动，动力效率可提高到力效率可提高到46。由于陶瓷热导率低和耐热性好，冷却系统可以。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，燃油可减少取消。相同功率下，燃油可减少40左右。左右。 陶瓷刹车盘重量只有原来金属刹车盘的一半，每个车轮平均就减陶瓷刹车盘重量只有

12、原来金属刹车盘的一半，每个车轮平均就减轻了轻了5 5公斤的重量。更轻的制动系统使车辆的操控性大幅提升。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，其使用寿命可达使用寿命可达3030万公里，是钢制刹车盘平均寿命的万公里，是钢制刹车盘平均寿命的4 4倍。同时，陶瓷制倍。同时，陶瓷制动刹车盘的使用磨损度仅为动刹车盘的使用磨损度仅为0.50.5毫米。毫米。 陶瓷刹车盘不会生锈。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，这是一种将陶瓷刹车盘由经过强化处理后的陶瓷制成，这

13、是一种将高强度碳高强度碳纤维和碳化硅纤维和碳化硅合成后的复合结构物质。合成后的复合结构物质。陶瓷刹车盘陶瓷刹车盘寿命是普通刹车盘的寿命是普通刹车盘的4 4倍倍 从从20052005年年7 7月起，月起，奥迪奥迪公司新型陶瓷制动刹车盘将成为奥迪公司新型陶瓷制动刹车盘将成为奥迪A8W12A8W12及其加长型奥迪及其加长型奥迪A8LW12quattroA8LW12quattro等车型的选配装置。等车型的选配装置。 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

14、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 导弹的头罩材料热压氟化镁整流罩产品热压氟化镁整流罩产品 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）。 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

15、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 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“透明陶瓷之王透明陶瓷之王”激光陶瓷激光陶瓷，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

16、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。透明激光陶瓷透明激光陶瓷 一般而言，陶瓷大都是氧化物而且不导电，常一般而言，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。瓷特性及超导现象，称为超导陶瓷。 1987 1987年，朱经武和吴茂昆博年，朱经武和吴茂昆博士开启了科学史上的新页，发现士开启了科学史上的新页，发现了临界温度为了临界温度为90K

17、90K以上的钇钡铜以上的钇钡铜氧化物（氧化物（Y YBaBaCuCuO O），称为），称为高温超导。高温超导。 气孔的存在常被视为有害气孔的存在常被视为有害因素，然而，很多情况下，多因素，然而，很多情况下，多孔材料有很多优点，可用作耐孔材料有很多优点，可用作耐火材料、高温过滤器、热绝缘火材料、高温过滤器、热绝缘体等。体等。氧化硅玻璃纤维网络体氧化硅玻璃纤维网络体 日本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。市场中占据主导地位。19951995年日本占世界特种陶瓷市场的年日本占世界特种陶瓷市场的60%60%，

18、20002000年有所下降，但仍占年有所下降，但仍占50%50%。 美国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达到1212亿美元，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先进陶瓷的需求量将以每年7%7%的速度增长，其中，的速度增长，其中，电子陶瓷元器件电子陶瓷元器件仍仍为市场主流，复合陶瓷、防弹陶瓷、压电陶瓷等也继续保持最佳商机。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。 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