先进结构陶瓷的基本概念、结构和性能课件

先进结构陶瓷的基本概念、结构和性能第一章绪论材料

Materials金属材料Metal无机非金属材料：CeramicsInorganicnon-metallicmaterials高分子材料Polymer复合材料Composite1.1陶瓷的分类陶瓷Ceramics传统陶瓷:Traditionalceramics

陶器Pottery

炻器Stoneware

瓷器Porcelain,China先进陶瓷：Advancedceramics

结构陶瓷：Structuralceramics

功能陶瓷：Functionalceramics

陶瓷基复合材料：Ceramicmatrixcomposite

广义的陶瓷：是指由无机非金属材料经高温处理而获得的各种材料及其制品。

无机非金属材料：除金属材料和有机高分子材料之外的一切材料，包括各种无机非金属单质（C，S、Si）、氧化物（Al2O3、SiO2）、碳化物（SiC、TiC）、氮化物（Si3N4、BN）、硼化物（TiB2、ZrB2）、硅化物（MoSi2）等。

材料及其制品：粉体、纤维、薄膜、块体。HunanUniversity

传统的陶瓷：是指由硅酸盐矿物原料经细碎、混合、成型、烧成、彩绘等工序而获得的具有坚硬结构的硅酸盐制品。

陶瓷：ceramics,

陶：pottery,炻：stoneware,

瓷：porcelain,chinaHunanUniversity1.2传统的陶瓷按材质分：陶器：烧成温度900~1200℃，吸水率＞2%

炻器：烧成温度1150~1280℃，吸水率0.5~2%

瓷器：烧成温度1250~1400℃，吸水率＜0.5%按应用分：

日用陶瓷：杯、碟、碗、盆、勺、壶……

艺术陶瓷：花瓶、掛盘、瓷板画、陶塑、瓷塑建筑陶瓷：内墙砖、外墙砖、地板砖、卫生洁具、广场砖工业陶瓷：电瓷、化工陶瓷按装饰特征分：有釉、无釉；黑陶、彩陶、青花、釉下彩、釉中彩、釉上彩釉下五彩、青花玲珑、唐三彩、1.2.1传统陶瓷的分类HunanUniversity1.2.2新石器时代的陶瓷

约8000年前：河南裴李岗遗址（公元前5935±480年）：中原地区新石器时代，粗陶，出土陶器有壶HunanUniversity1.2.2新石器时代的陶瓷

约7000年前：淅江河姆渡遗址（公元前5005±130年）：出土陶器有釜、罐、盆、盘钵HunanUniversity1.2.2新石器时代的陶瓷

约6000年前：西安半坡遗址（仰韶文化时期）：彩陶HunanUniversity1.2.2新石器时代的陶瓷

约4500年前：甘肃马家窑（马家窑，公元前2550±100年）：彩陶、黑陶HunanUniversity1.2.2新石器时代的陶瓷

约4000年前：中原地区（龙山文化，公元前2000前后）：彩陶、黑陶HunanUniversity1.2.3夏商周时期的陶瓷

约4000~3000年前：夏商周时期的陶瓷：彩陶、白陶、釉陶HunanUniversity1.2.4秦汉时期的陶瓷

秦汉时期：瓦当、汉砖、兵马俑、铅釉陶HunanUniversity1.2.5唐宋时期的陶瓷隋唐时期

：彩陶、白陶→原始瓷器发展，越窑瓷HunanUniversity1.2.5唐宋时期的陶瓷隋唐时期

：邢窑瓷HunanUniversity1.2.5唐宋时期的陶瓷隋唐时期

：唐三彩HunanUniversity1.2.5唐宋时期的陶瓷

宋朝：中国瓷器的鼎盛时期：定窑HunanUniversity1.2.5唐宋时期的陶瓷宋朝：汝窑HunanUniversity1.2.5唐宋时期的陶瓷宋朝：钧窑HunanUniversity1.2.5唐宋时期的陶瓷宋朝：官窑、哥窑HunanUniversity1.2.5唐宋时期的陶瓷宋朝：景德镇瓷器HunanUniversity1.2.5唐宋时期的陶瓷宋朝：唐宋长沙窑HunanUniversity1.2.6近代的瓷器景德镇陶瓷：青花玲珑、青花釉里红、斗彩、薄胎HunanUniversity1.2.6近代的瓷器醴陵：釉下五彩、红官窑、炻瓷HunanUniversity1.2.6近代的瓷器长沙：中国红瓷HunanUniversity1.2.6近代的瓷器骨瓷：英国、韩国、唐山HunanUniversity1.3先进陶瓷

先进陶瓷：是伴随现代工业技术的发展而出现的各种新型陶瓷的总称。先进陶瓷的种类繁多，其应用领域几乎涉及工业技术的各个方面，尤其对电子技术、航天航空、通讯技术的进步发挥了重要作用。先进陶瓷也被称之为“特种陶瓷”、“工业陶瓷”、“工程陶瓷”、“现代陶瓷”、“精细陶瓷”、“高技术陶瓷”、“高性能陶瓷”等1.3.1先进陶瓷的分类按特性分：结构陶瓷：主要利用陶瓷材料的耐高温、耐腐蚀、耐磨损及化学性质稳定等特点。功能陶瓷：利用某些陶瓷材料所具有的特殊电、磁、热、光、生物等性能。陶瓷基复合材料：通过材料设计的方法来改善单组份陶瓷的性能或取得多组份材料性能互补的优势，扩大其应用范围。按材质分：氧化物陶瓷：氧化铝、氧化锆、氧化硅、氧化钛、氧化锌氮化物陶瓷：氮化硅、氮化铝、氮化硼、硼化物陶瓷：二硼化钛、二硼化锆硅化物陶瓷：二硅化钼HunanUniversity1.3.1先进陶瓷的分类按用途分：电子陶瓷：陶瓷电容、电阻、电感、基板、封装用陶瓷，超导陶瓷、绝缘陶瓷热陶瓷：发热陶瓷、导热陶瓷、隔热陶瓷耐磨陶瓷：陶瓷轴承、密封件、研磨体、内衬光陶瓷：透明陶瓷、光导纤维、激光陶瓷敏感陶瓷：热敏、压敏、气敏、光敏陶瓷核陶瓷：核燃料（氧化铀）、核保护（含硼陶瓷）化学陶瓷：耐酸陶瓷、耐碱陶瓷、过滤、催化用陶瓷HunanUniversity1.3.2先进结构陶瓷高温结构陶瓷：发动机用陶瓷、高级耐火材料、喷嘴、陶瓷换热器高硬耐磨陶瓷：陶瓷刀具、磨料磨具、陶瓷密封件、陶瓷轴承、研磨体生物结构陶瓷：人工齿、人工骨陶瓷基复合材料：复相陶瓷、Cf/SiC、C/C火箭喷管C/C刹车盘1.3.3先进结构陶瓷的掘起1971：美国“脆性材料计划”，陶瓷涡轮发动机，工作温度提高200℃，功率提高30%，燃料消耗降低7%。1979：美国能源部“先进的燃汽轮机计划”，AGT101发动机，涡轮入口温度1371℃，转速达10万rpm1974：德国BMET计划，1350℃转速5万rpm，在奔驰2000车上运行724km1978：日本“月光计划”，磁流体发电，先进燃汽轮机，1984：日本全陶瓷发动机问世，热效率达48%，节约燃料50%，功率提高30%，质量减轻30%1983：美国能源部“陶瓷技术计划”1993：美国能源部“热机用低成本陶瓷计划”1996：美国能源部“发动机系统材料计划”1986：我国“863”计划中“陶瓷发动机用关键材料”专题发动机用陶瓷部件美国先进陶瓷市场规模

单位：百万美元产品类型1980年1985年1990年2000年电子陶瓷534170819903485切削刀具35160耐磨零件2045180540发动机零件2156840生物陶瓷1030其它21570合计556177421965125日本先进陶瓷市场规模

单位：亿日元产品类型1983年1985年1990年1995年2000年电磁陶瓷57378586168982626537669机械陶瓷390580102016452082热陶瓷266468277162359019生化陶瓷298437191229203959光陶瓷173229167246926342核陶瓷8617599014892190总计6950104752526343246612611.3.4先进结构陶瓷的发展趋势结构微细化、纳米化结构—功能一体化组成可设计、复合化制备低成本化性能挖掘潜力大，发现新材料几率高1.5先进陶瓷结构基础1.5.1晶体的结构特征空间点阵：构成材料的质点（分子、原子、原子团、离子）在三维空间的排列方式晶体：空间点阵的排列有规律地重复出现晶胞：空间点阵重复出现的最小单元晶格常数：a,b,c,a,b,g晶面指数：(abc)→（100）

14种布喇菲格子与7个晶系三斜：a≠b≠c,

a≠b≠g

单斜：a≠b≠c,

a＝g＝90°b≠90°正交：a≠b≠c,

a＝b＝g＝90°六方：a＝b≠c,

a＝b＝90°，g＝120°三方：a＝b＝c,

a＝b＝g≠90°四方：a＝b≠c,

a＝b＝g＝90°立方：a＝b＝c,

a＝b＝g＝90°1.5.2化学键与晶体离子键与离子晶体离子键：正、负离子间的静电引力特点：结构稳定，结合能大，导电差，熔点高，硬度高共价键与原子晶体共价键：原子共用电子对，方向性，饱和性特点：很高的熔点和硬度，导电性弱金属键与金属晶体金属键：自由电子，为晶体所共有特点：导电导热性，延展性，金属光泽分子间力与分子晶体范德华力：作用力弱，源于分子的极性或表面电荷不平衡特点：熔点很低（如惰性元素晶体），不具方向性和饱和性1.5.3晶体结构

晶体的基本结构等径球的密堆积四面体、八面体、配位数阴离子堆积阳离子填隙立方密堆积六方密堆积等径球的密堆积四面体和八面体晶体缺陷点缺陷：空位，间隙原子，杂质原子晶体缺陷线缺陷：

刃型位错

螺型位错晶体缺陷面缺陷：表面、界面、堆垛层错SP3杂化psSP2杂化SP杂化sppzpysppz碳的结构笼碳的结构

C60

由12个五边形和20个六边形的球形三十二面体构成,呈中空笼式结构，分子直径约7.1埃。C60的结构也可以看作是在正二十面体每条边的约1/3处平截12个顶角后在新的顶角位置放上60个碳原子形成的类似足球的球形三十二面体。

C70

由12个五边形和25个六边形构成，呈橄榄球形。70个碳原子可以分成不等价的5组。纳米碳管的结构

纳米碳管又叫巴基管(buckytube)，是由若干同轴的圆柱形管状碳原子层叠套而成，原子层的数目从一到几十不等，直径在几纳米到几十纳米之间。如果管状分子上全是六边形的碳环，碳管不会封闭，可向两边继续生长。如果在管子两端包含有五边形、六边形或七边形的碳环，纳米碳管将被封闭，并按正反两个方向扭曲或呈同心的巴基套管。封闭后的纳米碳管不能再继续生长。第一章复习思考题1

请说出如何区别陶、炻、瓷？2传统陶瓷与先进陶瓷如何划分？它们的发展过程有何特点？3高性能结构陶瓷的特点有哪些？4与金属比，陶瓷的结构和性能特点？5为什么陶瓷一般具有高强度和高硬度？6如何区分结构陶瓷与功能陶瓷？7如何评价陶瓷材料的力学性能？8影响陶瓷抗热震性的因素主要有哪些？9影响陶瓷材料摩擦磨损性能的因素有哪些？如何提高陶瓷材料的耐磨性？10目前先进陶瓷的发展趋势和研究热点有哪些？第二章结构陶瓷的先进成型技术2.1结构陶瓷成型方法概述从气态成型：气相沉积（PVD、CVD）从液态成型：浆料成型（注浆、热压铸、凝胶注模、熔铸、流延等从固态成型：模压、等静压、热压、热等静压、激光选区烧结（SLS）2.3凝胶注浆成型2.2流延成型水基凝胶流延机陶瓷基板2.4注射成型注射成形过程示意图2.5纳米陶瓷粉体制备技术纳米是一个尺度概念，1纳米＝10－9米，可排列约10个原子，并非高新技术的代名词。纳米材料是指其组织尺寸在1~100nm之间并具有高性能的一类材料。

纳米技术是指进行纳米结构设计、合成、组装、制备和应用中形成的相关工艺和技术。

纳米粒子效应：小尺寸效应，表面效应，量子尺寸效应和宏观量子隧道效应。

纳米材料特性：强度、韧性、超塑性显著提高，光、电、磁、声、热、敏感性能出现异常。纳米陶瓷的重要特性优点：烧结温度低，致密化程度高，强度和韧性大幅提高，具有超塑性、优异的耐磨性和良好的可机加工性。缺点：制备成本高，技术难度大。物理方法：机械粉碎法：辊辗磨，高速旋转磨，球磨，介质搅拌磨，气流粉碎，用此方法很难达到纳米级粒径，易带入杂质，粒径分布范围宽。蒸发－冷凝（PVD）法：在真空或低压惰性气体中，用电阻、等离子体、电子束、激光、高频感应等加热源，使原料气化或形成等离子体，与惰性气体原子碰撞而失去能量后，冷凝成纳米级颗粒。化学方法：

沉淀法：金属盐溶液与沉淀剂中的OH反应生成氢氧化物沉淀，分离脱水后可获得纳米级氧化物陶瓷粉末。分为直接沉淀法、均匀沉淀法和共沉淀法，是制备氧化物陶瓷纳米粉末的常用方法。溶胶－凝胶法：金属有机或无机化合物经过溶液－溶胶－凝胶过程，再将凝胶干燥后进行煅烧，获得氧化物或非氧化物超细粉末的方法。按产生溶胶－凝胶过程的机制，可分为传统胶体型、无机聚合物型和络合物型水热法：在高温、高压水(