现代陶瓷材料及其先进制备技术课件

现代陶瓷材料

及其先进制备技术中国海洋大学材料科学与工程研究院戴金辉现代陶瓷材料

及其先进制备技术中国海洋大学材料科学与工程研究1结构陶瓷材料的研究进展陶瓷材料的发展历程及现代陶瓷材料的内涵现代陶瓷材料的特点及其应用现代陶瓷的先进制备方法现代陶瓷材料的研究方向深海浮力材料简介结构陶瓷材料的研究进展陶瓷材料的发展历程及现代陶瓷材料的内涵2陶瓷材料的发展历程

及现代陶瓷材料的内涵陶瓷材料的发展历程

及现代陶瓷材料的内涵3陶瓷材料的发展历程古老的文明时代的见证6000年前唐宋元明清陶瓷材料的发展历程古老的文明时代的见证6000年前唐4陶瓷材料的发展历程陶器炻器瓷器技术进步推动材料优化陶瓷材料的发展历程陶器炻器瓷器技术进步推动材料优化5陶瓷材料的发展历程科技进步的标志国家实力的象征陶瓷材料的发展历程科技进步的标志6陶瓷材料的发展历程古代日用陶瓷为主（杯盘碗罐）近代日用陶瓷建筑陶瓷卫生陶瓷电瓷工艺陶瓷现代传统陶瓷（日用、建筑、卫生陶瓷等）现代陶瓷结构陶瓷（发挥其力学特性）高强、超硬、耐高温等功能陶瓷（发挥其物力性能）

电容器介质陶瓷、压电陶瓷、敏感陶瓷、磁性陶瓷、生物陶瓷、超导陶瓷、陶瓷基功能复合材料陶瓷材料的发展历程古代近代7材料有机材料无机非金属材料金属材料玻璃陶瓷水泥耐火材料其他无机矿物材料复合材料陶瓷材料陶瓷材料的发展历程材料有机材料无机非金属材料金属材料玻璃陶瓷水泥耐火材料其他无8陶瓷材料的发展历程品种传统陶瓷现代材料原料天然矿物人工合成高纯度原料制备工艺

矿物加工—成型—烧结组分多样化性能多元化应用广泛化陶瓷材料的发展历程品种组分多样化9现代陶瓷材料——高新技术现代陶瓷材料的内涵三个特点属于高新技术产品；技术经济密集型产品；具有优异的和特殊的性能。现代陶瓷材料——高新技术现代陶瓷材料的内涵三个10现代陶瓷材料的特点及其应用现代陶瓷材料的特点及其应用11现代陶瓷材料分类

按化学成分分类氧化物陶瓷单一氧化物陶瓷

Al2O3、ZrO2等复合氧化物陶瓷莫来石（3Al2O3•2SiO2）尖晶石（Mgl2O4）

硅酸盐（ZrSiO4、CaSiO3）BaTiO3、CaTiO3等现代陶瓷材料分类按化学成分分类12碳化物陶瓷SiC、WC、B4C、TiC氮化物陶瓷

Si3N4、TiN、BN、TiC硼化物陶瓷

TiB2、ZrB2现代陶瓷材料的分类碳化物陶瓷现代陶瓷材料的分类13氧化物Al2O3SiO2MgOCr2O3BeOZrO2

TiO2

V2O5B2O3

MgO•Al2O3Y2O3CaOCeO2

3Al2O3•2SiO2

BaTiO3CaTiO3

PbZrTiO3ZrSiO4

碳化物SiCTiCWCZrCB4CHfCTaCBe2CUCVCNbCMo2CMoC氮化物Si3N4

TiNBNAlN

C3N4

ZrNVNTaNNbNScN硼化物TiB2ZrB2Mo2BWB6LaB6HfBWBZrB陶瓷按化学成分分类表氧化物Al2O3SiO2MgOCr2O3Be14

按性能和用途分类结构陶瓷：

用作结构材料，制造结构零部件，主要使用其力学性能。（强度、韧性、硬度、耐磨性及耐高温性等）功能陶瓷：

用作功能材料，制造功能器件，主要使用其物理性能。（电、磁、声、光、热及生物性能）现代陶瓷材料的分类按性能和用途分类现代陶瓷材料的分类15基本结构特点金属材料：金属键无方向性陶瓷材料：离子键、共价键很强的方向性及结合强度现代陶瓷材料的特点基本结构特点现代陶瓷材料的特点16基本性能特点金属材料—良好的塑性陶瓷材料：1）高硬度—优异的耐磨性2）高强度—优良的机械性能3）高熔点—杰出的耐热性4）高化学稳定性—良好的耐腐蚀性现代陶瓷材料的特点基本性能特点现代陶瓷材料的特点17陶瓷材料的缺点

现代陶瓷材料的特点脆性断裂和失效方式不可恢复性不可加工性安全和可靠性强韧化技术可加工陶瓷超塑性陶瓷？陶瓷材料的缺点现代陶瓷材料的特点脆性断不18现代陶瓷材料的应用陶瓷材料科技进步的先导，国家安全的保障现代陶瓷材料的应用陶瓷材料科技进步的先导，国家安全的保障19现代陶瓷的先进制备方法现代陶瓷的先进制备方法20陶瓷材料的制备过程现代陶瓷的先进制备方法原料制备配料制备坯体成型烧结后处理陶瓷材料的制备过程现代陶瓷的先进制备方法原料制备配料制备坯体21现代陶瓷的先进制备方法热压注成型陶瓷粉料→石蜡（12.5~13.5%）→热的流动浆料压缩空气模具恒温槽供料管盛浆桶料浆成型制品尺寸精确制品表面光洁度高适合各种复杂形状制品成型不适合薄壁和大件制品成型现代陶瓷的先进制备方法热压注成型压缩空气模具恒温槽供料管盛浆22现代陶瓷的先进制备方法注凝成型（gel-casting）有机单体溶液+分散剂——浆料浆料+引发剂、催化剂——聚合体工艺及机理以丙烯酰胺体系为例单体：丙烯酰胺（AM）

N,N´-亚甲基双丙烯酰胺（MBAM）

分散剂：柠檬酸引发剂：过硫酸铵（APS）

催化剂：N,N,N´,N´－四甲基乙二胺（TEMED）现代陶瓷的先进制备方法注凝成型（gel-casting）工艺23工艺过程分散剂有机单体水溶液催化剂引发剂注模悬浮体陶瓷粉末干燥排胶脱模凝胶化烧结现代陶瓷的先进制备方法工艺过程分散剂有机单体水溶液催化剂注模悬浮体陶瓷粉末干燥排胶24机理现代陶瓷的先进制备方法机理现代陶瓷的先进制备方法25原位固化现代陶瓷的先进制备方法原位固化现代陶瓷的先进制备方法26注凝成型实例近静尺寸成型陶瓷坯体密度高可以机械加工适合各种复杂形状制品成型适合大件制品成型现代陶瓷的先进制备方法注凝成型实例近静尺寸成型现代陶瓷的先进制备方法27轧膜成型现代陶瓷的先进制备方法轧膜成型现代陶瓷的先进制备方法28等静压成型利用高压液体传递压力成型湿式等静压、干式等静压湿式等静压现代陶瓷的先进制备方法等静压成型湿式等静压现代陶瓷的先进制备方法29干式等静压现代陶瓷的先进制备方法陶瓷坯体密度高且分布均匀适合简单形状制品成型不适合大件制品成型干式等静压现代陶瓷的先进制备方法陶瓷坯体密度高且分布均匀30流延成型现代陶瓷的先进制备方法流延成型现代陶瓷的先进制备方法31陶瓷材料的制备过程原料制备配料制备坯体成型烧结后处理现代陶瓷的先进制备方法陶瓷材料的制备过程原料制备配料制备坯体成型烧结后处理现代陶瓷32陶瓷材料的烧结方法

常压烧结（PressurelessSintering）反应烧结（ReactionSintering）热压烧结（HP－HotPressedSintering）高温等静压烧结（HIP－Hotisostaticpressing）气压烧结（GPS－GasPressedSintering）等离子放电烧结（SPS－SparkPlasmaSintering）现代陶瓷的先进制备方法陶瓷材料的烧结方法常压烧结（Pressurele33常压烧结在通常的空气条件下对制品进行烧结传统陶瓷的烧结氧化物陶瓷的烧结抗氧化组分材料的烧结最普通、最常用的烧结方法一般得不到完全致密的材料现代陶瓷的先进制备方法常压烧结现代陶瓷的先进制备方法34反应烧结一般适用于非氧化物陶瓷材料反应烧结碳化硅陶瓷（自结合碳化硅）硅粉α-SiC+石墨1650°CSi+C(石墨)→β-SiC现代陶瓷的先进制备方法反应烧结一般适用于非氧化物陶瓷材料反应烧结碳化硅陶瓷（自结合35反应烧结氮化硅硅粉N23Si+2N2

→Si3N41450°C现代陶瓷的先进制备方法反应烧结氮化硅硅粉N23Si+2N2→Si3N41436热压烧结(HP)

适用于难烧结材料的烧结

SiC、WC、B4C、TiC、Si3N4、TiN、BN、TiC

压力：30MPa

温度：～2300°C现代陶瓷的先进制备方法热压烧结(HP)现代陶瓷的先进制备方法37气压烧结（GSP）

利用气体的压力烧结压力：10～100MPa

温度：～2300ºC高温等静压类似等静压成型，金属薄代替橡胶模具压力：100～300MPa

温度：～2300ºC现代陶瓷的先进制备方法气压烧结（GSP）现代陶瓷的先进制备方法38等离子放电烧结（SPS）

快速烧结渴望获得细晶陶瓷目前仅能做Φ20mm小试样

P现代陶瓷的先进制备方法等离子放电烧结（SPS）快速烧结P现代陶瓷的先进制备方39现代陶瓷材料的研究方向现代陶瓷材料的研究方向40现代陶瓷材料的研究方向材料发展的根本动力——技术发展的需求研究热点的形成——宏观经济、科技政策引导——传统理论、技术的缺陷——人们认识世界、改造世界的需求现代陶瓷材料的研究方向材料发展的根本动力——技术发展的需求研41材料研究热点问题现代陶瓷材料的研究方向结构陶瓷材料的强韧化结构功能一体化陶瓷材料新功能开发及应用新材料、新结构的制备及性能陶瓷材料的纳米化技术及其应用材料研究热点问题现代陶瓷材料的研究方向结构陶瓷材料的强韧化42相变增韧技术ZrO2（t）ZrO2（m）1170℃马氏体相变带有5％的体积膨胀增韧机理：应力诱导相变韧化微裂纹韧化结构陶瓷的强韧化技术相变增韧技术ZrO2（t）ZrO43结构陶瓷的强韧化技术颗粒弥散增韧技术颗粒增韧第二相引入陶瓷基体中，使其成弥散分布并起增强陶瓷基体作用。裂纹偏转，增加裂纹扩展路径结构陶瓷的强韧化技术颗粒弥散增韧技术颗粒增韧第二相引44结构陶瓷的强韧化技术纤维和晶须增韧技术结构陶瓷的强韧化技术纤维和晶须增韧技术45结构陶瓷的强韧化技术自增韧技术结构陶瓷的强韧化技术自增韧技术46结构陶瓷的强韧化技术结构陶瓷的强韧化技术47结构陶瓷的强韧化技术结构陶瓷的强韧化技术48陶瓷材料的纳米化及潜在应用陶瓷材料的纳米化及潜在应用49陶瓷材料的纳米化及潜在应用陶瓷材料的纳米化及潜在应用50陶瓷材料的纳米化及潜在应用纳米发电技术陶瓷材料的纳米化及潜在应用纳米发电技术51深海浮力材料7000米载人潜水器

深海浮力材料7000米载人潜水器深海浮力材料70%30%2010年11月5日深海浮力材料70%30%2010年11月5日53深海浮力材料2006年前中国和谐号、蛟龙号2007-2009<2000m7000m发展动态4500m6500m6500m6000m欧美阿尔文号1964

(美国)鹦鹉螺号1984

(法国)深海6500号1989

(日本)新阿尔文号(美国)和平-I，IIAS-37(俄罗斯)200711000m目前状态全海深潜水器攻关存在的问题主要原料高强空心玻璃微珠依赖进口深海浮力材料没有形成生产能力2010年11月5日深海浮力材料2006年前中国和谐号、蛟龙号<2000m70054深海浮力材料浮力材料基本结构空心玻璃微珠添加剂环氧树脂浮力材料填充度<60%填充度74%密度：0.6×0.74+1×0.26=0.704g/cm3玻璃微珠——浮力材料的核心2010年11月5日深海浮力材料浮力材料基本结构空心玻璃微珠添加剂环氧树脂浮55深海浮力材料普通空心玻璃微珠性能指标偏低空心玻璃微珠性能3M玻璃微球普通系列(碱石灰硼硅酸盐玻璃)

等级抗压强度(MPa)真实密度平均粒径(mm)

K11.720.125110

K152.070.15105

K203.450.2110

K255.170.2595

K3720.670.3780

K4641.340.4675

S60HS124.020.650

2010年11月5日深海浮力材料普通空心玻璃微珠性能指标偏低空心56深海浮力材料提高浮力材料性能的关键环节深海浮力材料耐高压

提高填充骨料强度营造内部空间低密度填充骨料分布控制及颗粒级配设计尺寸形状可控填充骨料制备2010年11月5日深海浮力材料提高浮力材料性能的关键环节深海浮力材料耐高压提57深海浮力材料轻质骨料制备技术轻质骨料复配技术浮力材料成型技术浮力材料制备技术>7000m高强玻璃微珠制备陶瓷空心球制制备合理级配选选择填充骨料组装复合固化研究工作整体构思及目标玻璃微珠：密度<0.5；强度>70MPa陶瓷空心球：密度<0.5；强度>100MPa2010年11月5日深海浮力材料轻质骨料轻质骨料浮力材料浮力材料高强玻璃58深海浮力材料关键技术高强空心玻璃微珠制备轻质骨料复配技术普通玻璃微晶玻璃玻璃强度2010年11月5日深海浮力材料关键技术高强空心玻璃微珠制备轻质骨料普通玻璃微晶59深海浮力材料目前研究进展Synthesisofhollowglass