温大新型无机材料课件02新型陶瓷

第2章

新型陶瓷第2章新型陶瓷2.1新型陶瓷的分类2.2新型陶瓷的的特点3.3新型陶瓷的粉体制备2.4新型陶瓷的成型2.5新型陶瓷的烧结2.6新型陶瓷的表面金属化传统陶瓷传统陶瓷传统陶瓷传统陶瓷传统陶瓷传统陶瓷传统陶瓷传统陶瓷传统陶瓷传统陶瓷传统陶瓷传统陶瓷传统陶瓷传统陶瓷传统陶瓷传统陶瓷传统陶瓷传统陶瓷传统陶瓷图1陶瓷隔音材料图2生物陶瓷新型陶瓷透明陶瓷新型陶瓷特种陶瓷氧化铝陶瓷透明陶瓷氮化硅陶瓷生物陶瓷新型陶瓷特种陶瓷发光陶瓷红外辐射陶瓷抗菌陶瓷多孔陶瓷特种陶瓷压电陶瓷陶瓷高温超导体磁性陶瓷导电陶瓷透明陶瓷新型陶瓷第2章新型陶瓷2新型陶瓷新型陶瓷的定义新型陶瓷[高性能陶瓷（highperformanceceramics）、

先进陶瓷（advancedceramics）、高技术陶瓷（hightechceramics）、精细陶瓷（fineceramics）、工程陶瓷（engineeringceramics）、特种陶瓷、工业陶瓷等]

它是采用精制的高纯度无机粉末原料，在严格控制的条件下经成型、烧结和其他处理而制成具有微细结晶组织和优异的物理、化学和生物性能的无机新材料。第2章新型陶瓷2.1新型陶瓷的分类1.按照其化学成分来划分：

a氧化物陶瓷：氧化铝、氧化锆、氧化镁、氧化铍等。

b非氧化物陶瓷：碳化硅、氮化硅、碳化锆、硼化物等。

2.按照材料的功能来划分：

a结构陶瓷（工程陶瓷）：以强度、刚度、韧性、耐磨性、硬度、疲劳强度等力学性能为特征的材料。如：高温高强度陶瓷、超硬工模具陶瓷、化工陶瓷等。

第2章新型陶瓷b功能陶瓷

以声、光、电、磁、热等物理性能为特征的材料。如：集成电路封装材料（Al2O3）、敏感陶瓷（热敏、气敏、湿敏、压敏、色敏等），生物陶瓷、电容器陶瓷。第2章新型陶瓷3.按照材料的性能与特征划分：高温陶瓷、超硬质陶瓷、高韧陶瓷、半导体陶瓷、电解质陶瓷、磁性陶瓷、导电性陶瓷等。

1第2章新型陶瓷2.2新型陶瓷的特点2.2.1新型陶瓷与传统陶瓷的区别（精、稳、多、特、广）

a原料：突破传统黏土为主要原料的界限，新型陶瓷一般采用精选的氧化物、硅化物、氮化物、硼化物等为主要原料。

b成分：传统陶瓷的组成由黏土的成分决定了不同产地的原料对产品的组成与结构影响很大；新型陶瓷的原料是纯化合物，其性质的优劣由原料的纯度和工艺决定，因此产品的组成与结构同产地无关。第2章新型陶瓷

c制备工艺：传统陶瓷以窑炉为主要制备手段，而新型陶瓷采用真空烧结、气氛烧结、热压、热静压等制备手段。

d性能与用途：新型陶瓷具有多种传统陶瓷所没有的特殊性质与功能，如高强度、高硬度、耐磨、耐蚀以及在磁、电、热、声、光、生物工程等各方面的特殊功能，因而使其在高温、机械、电子、计算机、航天、医学工程等方面得到广泛的应用。第2章新型陶瓷2.2.2新型陶瓷的结构和性能特点

a结构特点：

1）陶瓷的结合键一般为离子键和共价键。

2）显微组织的不均匀性和复杂性。

新型陶瓷材料一般经过原料粉碎配制、成型和烧结等过程，其显微组织是由晶体相、玻璃相和气相组成，而各种相的相对量变化很大，分布不均匀，但陶瓷材料一旦烧结成型，不能用冷热加工工艺改变其显微组织和结构。

63陶瓷材料的结合键特点陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等，因而其结合键以离子键(如Al2O3)、共价键(如Si3N4)及两者的混合键为主。共价键离子键

料致密度、降低烧结温度和抑制晶粒长大。气相是在工艺过程中形成并保留下来的。晶相是陶瓷材料中主要的组成相，决定陶瓷材料物理化学性质的主要是晶相。玻璃相的作用是充填晶粒间隙、粘结晶粒、提高材陶瓷的显微结构第2章新型陶瓷b性能特点：1、熔点高、密度小。2、化学稳定性好，抗腐蚀、抗氧化。3、高强度、高刚度、高硬度、耐磨性。4、具有一定热强性（抗蠕变性等）。5、绝缘性、压电性、半导体性、磁性等电特性。6、生物体适应性、催化剂等生物化学的功能。7、光学功能及其他一些特殊功能。8、韧性、塑性很小，塑性变形能力差，易发生脆性破裂。9、加工成型性能较差。第2章新型陶瓷2.3新型陶瓷的粉体制备

新型陶瓷粉体的一般要求：高纯、超微细陶瓷粉体制备方法分为机械法和化学合成法

机械法和化学合成法的特点2.3.1机械法制备粉体

常用的机械制粉法分为滚动球磨、振动球磨、搅动球磨、气流粉碎等。第2章新型陶瓷一、粉碎的定义和分类

粉碎是一种大块物变成小块物料并产生新表面的过程。这是用外力(人力、机械力、电力、化学能、原子能或其他方法等)施加于被粉碎的物料上，克服物料分子间的内聚力，使大块物料分裂的过程。由于粉碎物料时采用的方法和粉碎设备类型的不同，因而按粉碎前后物料粒度的大小把粉碎分为破碎和粉磨两类。破碎分为粗碎、中碎和细碎三种。粉磨分为粗磨、细磨和超细磨三种。

2.3.1机械法制备粉体第2章新型陶瓷一、粉碎的定义和分类按粉碎前后物料粒度大小，对上述分类可大致划分如下：粗碎—粉碎前物料粒度为1500～300mm,粉碎后物料粒度为350～100mm,中碎—粉碎前物料粒度为350～100mm,粉碎后物料粒度为100～20mm;细碎—粉碎前物料粒度为100～50mm;粉碎后物料粒度为15～5mm；粗磨—将物料粉磨到0.1mm左右；细磨—将物料粉磨到60μm左右；超细磨—将物料粉磨到5μm或更小2.3.1机械法制备粉体第2章新型陶瓷二、粉碎意义

水泥、玻璃、陶瓷等的生产需要粉料粒度一般在数十微米乃至1微米以下。

1）增加反应速度在硅酸盐生产过程中都必须经过高温烧成过程，以制得成品或半成品。这一过程是固体物料的多相反应过程，其反应速度与固体物料粒子面的接触表面积有很大的关系，接触表面积越大，反应速度也就越快。2）有利于原料混合均匀硅酸盐产品的质量，在很大程度上与原料混合均化的程度有关。原料在粉碎过程中是在不断地混合均化，同时粉粒料在输送、贮存和混合等过程中，由于粒度越小，物料的流动性就越好，也有利于原料的混合均化。3)可以改善原料的工艺性能在陶瓷生产中可以改善原料的可塑性、结合性、料浆的悬浮性等。4）便于不同组分的分离如在玻璃、陶瓷生产中为了剔除某些有害的氧化铁组成，必须在粉碎后才能进行分离操作。5)便于输送和贮存小块料和粉粒料可以采用不同类型的输送机械输送，粉粒料还可进行气力输送。粉粒料的贮存操作是简单方便的。各种物料的莫氏硬度粉碎方法粉碎机械的分类鄂式破碎机锤式破碎机双辊破碎机反击式破碎机圆锥式破碎机笼式粉碎机轮碾机球磨机球磨机内研磨体的运动状态第2章新型陶瓷1.固相法

(1)化合法或还原-化合法[(碳、氮、硅、氧)化物](2)

碳化硼法（它是制取金属硼化物的主要工业方法）(3)自蔓延高温合成法（又称SHS技术）(4)

固相热分解法（如硫酸铝铵在空气中热分解可获得性能良好的Al2O3粉末）。2.3.2合成法制备粉体

化学合成法分为固相法、液相法和气相法。第2章新型陶瓷2.液相法

(1)反应沉淀法(共沉淀法,均匀沉淀法)(2)溶胶-凝胶（Sol-gel）法3.气相法

(1)气相反应合成（气相沉淀法，CVD法）可制薄膜、晶须、晶粒、颗粒和超细颗粒。(2)气相热分解法(Ni、Fe粉，化合物粉末)(3)蒸发-凝聚法（50-100nm，氧化物（单、复合）、碳化物）

2.3.2合成法制备粉体

氮化物粉末的制备传统陶瓷

传统陶瓷是用粘土(Al2O3·2SiO2·2H2O)、长石(K2O·Al2O3·6SiO2，Na2O·Al2O3·6SiO2)和石英(SiO2)为原料，经成型、烧结而成的陶瓷。其组织中主晶相为莫来石(3Al2O3·2SiO2)，占25~30%，玻璃相占35~60%，气相占1~3%。传统陶瓷加工成型性好，成本低，产量大。除日用陶瓷外，大量用于电器、化工、建筑、纺织等工业部门。景德镇瓷器绝缘子第2章新型陶瓷2.4新型陶瓷的成型一、陶瓷成型的重要性二、原料预处理（１）原料的煅烧主要是去除原料中挥发的杂质，去除化学结合和物理吸附水、气分、有机物等，从而提高原料纯度，使原料颗粒致密化及结晶长大，以减少在烧结中的收缩，提高产品合格率，同时完成同质异晶晶型转变，形成稳定结晶相，如β-Al2O3煅烧成α-Al2O3。（2）原料的混合：干混和湿混。（在混料机中混合）（3）制粒：普通制粒、压块制粒法和喷雾制粒法。

第2章新型陶瓷2.4新型陶瓷的成型（4）塑化

塑化是指在物料中加入塑化剂使物料具有可塑性的过程。新型陶瓷粉末往往不具有塑性，因此在成型前需加入一定的塑化剂。塑化剂是指能使坯料具有可塑能力的物质，可将其分类为无机塑化剂和有机塑化剂。塑化剂由三种物质组成：胶粘剂、增塑剂、溶剂胶粘剂主要聚乙烯醇（PVA）、聚乙烯醇缩丁醛（PVB）、聚乙二醇（PVG）、甲基纤维素、羧甲基纤维素（CMC）、乙基纤维素（EC）、羟丙基纤维素（HPC）、石蜡等。增塑剂主要为有机增塑剂，有甘油、邻苯二甲酸二丁酯、草酸、乙酸三甘醇等，无机增塑剂有水玻璃、黏土、磷酸铝等；溶剂是能溶解胶粘剂、增塑剂并能和物料构成可塑物质的液体，常用的有水、无水酒精、丙酮、苯、乙酸乙酯等。塑化剂的选择要根据成型方法、物质性质、制品性能要求、价格以及烧结时塑化剂是否能排除及排除的温度范围来决定。第2章新型陶瓷三、

传统陶瓷的成型方法

1.塑性成型：拉（车、旋）坯，滚（塑）压，注塑2.压制成型3.注浆成型：手工（压力、离心）注浆第2章新型陶瓷四、注塑成型

1.注塑成型（又称凝胶铸成型，Al2O3、Si3N4）将陶瓷粉料分散于含有有机单体的溶液中，制备成高固相体积分散的悬浮体（体积分数>50%）。然后注入一定形状的模具中，通过大分子的原位网状聚合，粉体颗粒聚集在一起，以使单体溶液成为负载陶瓷粉体的低黏度载体，通过交联作用使浆料形成聚合物的凝胶。

2.特点：适用范围广、易于操作、成本低。注凝成型的工艺流程第2章新型陶瓷

影响注塑成型的主要因素催化剂、引发剂用量以及泥浆制备时的分散剂和pH值注塑成形工艺的关键制备低粘度,流动性好的高固相体积分数的浆料。注塑成型的缺点脱模工艺复杂,一般不适用于大尺寸的部件的成型。第2章新型陶瓷五、直接凝固注模成型1.直接凝固注模成型（DCC）：

采用生物酶催化陶瓷浆料的化学反应，使浇注到模具中的高固相含量、低黏度的浆料靠范德华引力产生原位凝固，凝固的陶瓷坯体有足够的强度可以脱模。它适用于陶瓷异形部件的成型。第2章新型陶瓷五、直接凝固注模成型2.DCC的基本原理以受控的酶催化反应来调节陶瓷浆料的pH值以及增加电解质的浓度使双电层的电位为零，从而使高固相含量的浆料注模前反应缓慢进行，浆料保持低黏度，注模后反应加快进行，浆料凝固，使流态的浆料转变成固态的坯体。第2章新型陶瓷五、直接凝固注模成型3.DCC的工艺流程制备高固相含量、低黏度的浆料后加入酶，然后注模成型。关键之处：高固相含量浆料的制备和酶催化凝固反应的选择和控制。第2章新型陶瓷

烧结是粉末冶金、陶瓷、耐火材料、超高温材料等部门的一个重要工序。烧结的目的是把粉末状物料转变成致密体。2.5新型陶瓷的烧结第2章新型陶瓷陶瓷的烧结方法一般分成两类：普通烧结、特种烧结特种烧结包括：热压烧结、热等静压烧结、微波烧结、超高压烧结、真空（加压）烧结、气氛烧结按传质分类：固相烧结（只有固相传质）液相烧结（出现液相）气相烧结（蒸汽压较高）

按压力分类常压烧结、压力烧结

按气氛分类普通烧结、氢气烧结、真空烧结

2.5新型陶瓷的烧结第2章新型陶瓷一、热致密化方法热致密化方法包括：热压、热等静压、热挤压和热铸造等，但在普通陶瓷生产中较少应用。该法价格昂贵，生产率又低；但对于性能要求高，十分难烧结的特种陶瓷却是常用的方法。因为这种方法在高温下施压，有利于液相黏性和塑性流动，从而有利于致密化，可以获得几乎无孔隙的制品。1、热压热压（hotpressing,HP）烧结是在高温下加压促使坯体烧结的方法，既是一种使坯体烧结的方法，也是一种使坯体的成型和烧成同时完成的新工艺。热压烧结有两种明显的传质过程，即晶界滑移和挤压蠕变传质。这两种传质过程在普通烧结过程中是基本不存在的。2.5新型陶瓷的烧结第2章新型陶瓷热压烧结的致密化过程可分成如图所示的三个阶段。（1）热压初期高温下加压后的最初十几分钟到几十分钟的时间。

特点密度迅速增大(50％～60％猛增到90％左右)，大部分气孔消失。(坯体内出现压力作用下的粉体重排，晶体滑移引起的局部碎裂或塑性流动传质，将大型堆积间隙填充）这阶段若温度越高，压力越大则密度增加越快。但随着密度增加，粉粒接触面加大，单位表面受到的作用力大为降低，晶界不易滑移而受到挤压作用，转而大量出现挤压晶界，致密化的速度便减速慢下来。第2章新型陶瓷（2）热压中期特点密度的增加显著减缓。主要的传质推动力是压力作用下的空格点扩散以及与此相伴随的晶界中气孔的消失。在挤压初期，晶界之间的压力差较大，因而空格点浓度差及扩散速度也较大，密度增加很快。但到挤压后期，各处晶界压力已趋平衡，这种蠕变式传质已不明显，致密化的速度大为降低。（溶解－沉淀）第2章新型陶瓷（3）热压后期特点外加压力的作用已很不明显，主要传质推动力与普通烧结相似。由于这时作为推动力的表面曲率差与外加压力无关，故晶界移动速度基本上与外加压力无关。这时的外加压力使晶粒贴得更紧，晶界更密实，更有利于质点越过晶界而进行再结晶。（扩散传质）第2章新型陶瓷

陶瓷材料的热压，一般都是在专用的热压机中进行的。常用的热压机主要由加热炉、加压装置、模具和测温测压设备四部分组成。如右图所示。

第2章新型陶瓷

加热炉一般以电作热源，如果热压温度要求较高（1500℃）时用钼丝等作发热元件，也可用导电的模具（石墨）直接加热或采用高频感应加热。热压的加压装置要求加压速度平缓，保压恒定，压力调节灵活。热压制度中温度和压力之间关系

相互制约的关系没有一定的温度，坯料就没有热塑性，而又不利于加压；有了一定的温度，如加压不当也达不到应有的效果。在温度、压力与烧结时间三者之间，前两者的作用较明显。热压时，如果热压温度较低，可以提高压力。相反，如果温度较高，则压力可以降低。而具体热压制度的选择取决于坯料的性能要求和热压设备等条件。第2章新型陶瓷

热压的优点：（1）可降低坯体的成型压力（2）热压可以显著提高坯体的致密度（3）热压可以显著降低烧成温度和缩短烧成时间（4）热压可以有效地控制坯体的显微结构（5）热压可以生产形状比较复杂，尺寸比较精确的产品。（6）由于热压无需添加烧结助剂与成型添加剂，所以热压烧结能得到高纯度的陶瓷制品。

热压烧结具有的特点第2章新型陶瓷热压的缺点过程及设备较为复杂，生产控制要求较严，模具材料要求高，电消耗大，在没有实现自动化和连续热压以前，生产效率低，劳动力消耗大。热压烧结具有的特点第2章新型陶瓷

热等静压（high-temperatureisostatic

pressing,HIP）它利用常温等静压工艺与常温烧结相结合的新技术，解决了普通热压中缺乏横向压力和产品密度不够均匀的问题，并可使陶瓷制品的致密度进一步提高。

HIP用原料粉末原料，预压后的坯体

HIP用封套材料大部分采用在高温下具有良好塑性而又能很好地传递压力的材料。温度较低时可用金属箔，温度较高则用玻璃、陶瓷纤维或高熔点金属（如Mo、W、Ta）等。2热等静压第2章新型陶瓷HIP工艺预压的坯体→封套（坯体与封套之间常填入一层ZrO2或MgO等防黏垫粉）→抽气（加热一定温度）（除去空气、水分、成型用的添加剂和其他吸附物）→密封（玻璃封套）→升温（玻璃的软化温度）→抽真空（使玻璃熔封）→升压（软化的玻璃封套就会填满坯体周围的所有空隙）→升温→保压→

降温、降压（冷却过程玻璃封套由于不同的热膨胀系数大部分会自行剥落，其余残留部分可以由喷砂除去）

HIP具体的温度、压力和时间参数，应根据不同的材料、制品的大小及其性能要求而定。2热等静压第2章新型陶瓷

图7-33是HIP工艺原理示意图，HIP设备主要包括：高压容器、高压供气系统，加热系统、冷却系统及气体回收系统。2热等静压第2章新型陶瓷热等静压烧结的特点：

1）烧成温度较低（仅为熔点的50％～60％），时间较短，制品的性能均有显著的提高（各向完全同性、几乎完全致密的细晶粒陶瓷制品）（最大特点）。

2）可以直接以粉料制得各种形状复杂和大尺寸的制品（目前可以生产最大直径1.0m，高1.5m的大型产品）。

3）能精确控制制品的最终尺寸，制品只需很少的精加工甚至无需加工就能使用（这对硬度较高的及贵重、稀有材料有特别重要意义）。

4）在等静压过程中可将各种不同材料的部件黏合成为一个复杂的构件。

2热等静压第2章新型陶瓷热等静压的缺点设备和工艺控制较复杂，模具材料的选择及封装操作技术要求较高，投资较大，生产效率低，产品成本高等。因此难以形成规模和自动化的生产。它主要用来研究和生产那些用传统工艺所无法解决的新材料和产品。2热等静压第2章新型陶瓷

根据原材料及制品性质的要求，热压烧结可以在空气中进行，也可以在保护气氛（如还原气氛或惰性气氛）或真空中进行。但这种方法的生产效率低，且模具的结构较复杂。

(1)真空烧结法不加机械压力的真空烧结简称真空烧结法。主要用于烧结高温陶瓷以及TiC的硬质合金、含钴的金属陶瓷等。这种烧结法是在专门的感应真空炉进行的。

3真空和真空热压烧结第2章新型陶瓷真空烧结法点：

1）避免O2、N2及填料成分对材料的污染，提高材料的性能。

2）真空烧结有利于坯体的排气，可获得高致密度的制品。

3）能更好地排除Si、Al、Mg、Ca等微量氧化物杂质，因为这些杂质在真空条件下易被还原或挥发掉。

4）经真空烧结的陶瓷切削刀具易于焊接，它不必经过特殊的表面处理就能用普通的焊接方法焊接。第2章新型陶瓷

(2)真空热压烧结法在真空中施加机械压力的烧结方法称为真空热压烧结法。特点这种烧结法不存在气氛中的某些成分对材料的不良作用，有利于材料的排气，因此能获得致密度更高的制品。3真空和真空热压烧结第2章新型陶瓷

通过多孔坯体同气相或液相发生化学反应，使坯体质量增加，孔隙减少，并烧结成具有一定强度和尺寸精度的成品的工艺。通过气相的反应烧结陶瓷有反应烧结氮化硅和氮氧化硅Si2ON2。通过液相的反应烧结陶瓷有反应烧结碳化硅。1、反应烧结氮化硅和氮氧化硅反应烧结是将多孔硅压坯在1400℃左右和烧结气氛N2发生作用形成。由于是放热反应，所以正确控制反应速度是十分重要的。如果反应速度过高，将会使坯体局部温度超过硅的熔点。这样，一方面将阻碍反应的进一步进行，另一方面是已反应的物料将形成粗大的晶粒。随着反应的进行，氮气扩散越来越困难，所以反应很难进行彻底，产品相对密度较低，一般只有90％。二反应烧结第2章新型陶瓷

影响反应烧结的因素原始密度，硅粉粒度和坯体厚度等。对于粗颗粒粉，氮气的扩散通道少，扩散入硅颗粒中央内部需要时间长，因此，反应增重少，反应的厚度薄。坯体原始密度大也不利于反应。反应烧结Si2ON2

将Si、SiO2和CaF2

混合，压成坯体，在高温下Si与烧结气氛N2发生反应，CaF2

、CaO、MgO等与SiO2形成玻璃相。氮溶解入熔融的玻璃中，Si2ON2晶体从被氮饱和的玻璃相中析出。反应烧结氮氧化硅的密度可大于90％。氮氧化硅对氯化物和氯气的抗腐蚀性好，已用作电解池内衬，用于电解AlCl3制铝，电解ZnCl2制锌。二反应烧结第2章新型陶瓷2、反应烧结碳化硅

SiC-C多孔坯由液相硅浸渍而制成的。这是利用无定形碳-石墨在液相的或蒸汽态的硅在高温下作用生成β-SiC，合成的β-SiC是极细微的粉粒结晶体。这种极细致的结晶，具有很大的驱动力，在高温下，很快进行合体、烧结，特别是原来多孔坯中的SiC烧结连接。碳化硅的反应烧结炉如图所示。二反应烧结第2章新型陶瓷反应烧结的特点：1）反应烧结时，质量增加。2）可以制造尺寸精确的制品（烧结坯体不收缩，尺寸不变）。3）反应烧结的物质迁移过程发生在长距离范围内，反应速度取决于传质和传热过程（普通烧结过程，物质迁移发生在颗粒之间，在颗粒尺度范围内）。4）液相反应烧结工艺，在形式上，同粉末冶金中的熔浸法相类似，但是，熔浸法中的液相和固相不发生化学反应，也不发生相互溶解，或只允许有轻微的溶解度。二反应烧结第2章新型陶瓷

微波烧结是在微波炉中将预形件加热，进行成型，进而烧结成制品。是近年来发展起来的新型烧结技术。尽管目前工艺尚未完善，但具有时间短、效率高、密度均匀、表面温度低、可控内部温度和含有挥发组分的陶瓷烧结时防止组份挥发等优点。用于加热的微波频率在400MHz～40GHz。但用于工业、科技和医疗的微波频率在各国均有限制在特定的波段。2.45GHz是目前商业微波炉的频率。微波烧结最初用于高介电损失的材料，近年来采用微波接收板、高频率使低吸收介质也可用微波烧结。三微波烧结第2章新型陶瓷

传统的先进陶瓷材料如碳化硅（SiC）、氮化硅（Si3N4）等硅基陶瓷材料，采用无压（PS）、热压（HP）或热等静压（HIP）等方法烧结。由于Si-C和Si-N的共价特性和及低的扩散系数，从而导致高的烧结温度和必须添加烧结助剂才能致密化。在致密化过程中，烧结助剂生成的第二相往往残留在晶界处，从而使材料的力学性能和物理性能，尤其是高温下的性能大为降低。1992年R.Riedel等人首先提出金属有机前驱体低温直接制备致密的硅基非氧化陶瓷工艺，它不需要添加任何烧结助剂而且在1000℃低温下制成陶瓷部件或基体复合材料。四聚合物热解直接制备技术第2章新型陶瓷聚硅氮烷难熔聚硅氮烷聚硅氮烷素坯无裂纹单体硅烷氮化合物

图所示的为无裂纹单一的材料由聚亚甲基直接制备的工艺流程，其室温机械强度为375MPa，而维氏硬度高于反应烧结，达9.5MPa，且在氩气中可稳定到1400℃，而在氮气氛中可稳定到1600℃。第2章新型陶瓷原位合成技术包括：

原位热压技术、XD技术、CVD技术、DIMOX技术、熔体浸渍技术、反应结合技术及自蔓延高温合成（SHS）等。五原位合成技术第2章新型陶瓷2.6新型陶瓷的表面金属化金属化方法：

烧渗法（被银法）

化学镀法真空蒸发法1.陶瓷的表面处理2.银电极浆料的制备3.涂覆工艺4.烧渗工艺结构陶瓷（工程陶瓷）空间技术、军事技术、原子能、工业及化工设备等领域中的重要材料。工程陶瓷有许多种类，但目前世界上研究最多，认为最有发展前途的是氮化硅、碳化硅和增韧氧化物三类材料。透明陶瓷的主要成分有氧化镁、氧化钙、氟化钙等。透明陶瓷不但能透过光线，还具有很高的机械强度和硬度。透明陶瓷是一种很好的透明防弹材料，还可以用来制造车床上的高速切削刀、喷气发动机的零件等，甚至可以代替不锈钢。

第2章新型陶瓷典型新型陶瓷

氮化硅高强度陶瓷以强度高著称，可用于制造燃气轮机的燃烧器、叶片、涡轮等。精密陶瓷氮化硅代替金属制造发动机的耐热部件，能大幅度提高工件温度，从而提高热效率，降低燃料消耗，节约能源，减少发动机的体积和重量，而且又代替了如镍、铬、钠等重要金属材料，所以，被人们认为是对发动机的一场革命。氮化硅可用多种方法制备，工业上普遍采用高纯硅与纯氮在1600K反应后获得：

3Si＋2N2

＝Si3N4（1600K）也可用化学气相沉积法，使SiCl4和N2在H2气氛保护下反应，产物Si3N4积在石墨基体上，形成一层致密的Si3N4层。此法得到的氮化硅纯度较高，其反应如下：

SiCl4＋2N2＋6H2→Si3N4＋12HCl氮化硅、碳化硅等新型陶瓷还可用来制造发动机的叶片、切削刀具、机械密封件、轴承、火箭喷嘴、炉子管道等，具有非常广泛的用途。第2章新型陶瓷典型新型陶瓷高压钠灯氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷（人造刚玉）主要特性①高熔点；②高硬度；③可制成透明陶瓷；④无毒、不溶于水，强度高；⑤对人体有较好的适应性

主要用途高级耐火材料，刚玉球磨机；高压钠灯的灯管、人造骨、人造牙、人造心瓣膜、人造关节等Al2O3化工、耐磨陶瓷配件Al2O3密封、气动陶瓷配件根据Al2O3含量不同分为75瓷(含75%Al2O3，又称刚玉-莫来石瓷)、95瓷和99瓷，后两者又称刚玉瓷。氧化铝陶瓷耐高温性能好，可使用到1950℃,。具有良好的电绝缘性能及耐磨性。微晶刚玉的硬度极高(仅次于金刚石).

95瓷纺织件99瓷纺织件氧化铝耐高温喷嘴氧化铝陶瓷转心球阀氧化铝陶瓷密封环氧化铝陶瓷坩埚氧化铝陶瓷被广泛用作耐火材料，如耐火砖、坩埚、热偶套管，淬火钢的切削刀具、金属拔丝模，内燃机的火花塞，火箭、导弹的导流罩及轴承等。

氧化锆陶瓷ZrO2氧化锆单相陶瓷ZrO2陶瓷耐火件部分稳定氧化锆的导热率低，绝热性好；热膨胀系数大，接近于发动机中使用的金属，抗弯强度与断裂韧性高，除在常温下使用外，已成为绝热柴油机的主要侯选材料，如发动机汽缸内衬、推杆、活塞帽、阀座、凸轮、轴承等。部分稳定氧化锆制品氧化锆制品氧化锆油泵氧化柱塞氧化锆拉线轮氧化锆球阀部分稳定氧化锆喷涂层增韧氧化锆导轮芯轴氮化硅（Si3N4）陶瓷Si3N4轴承氮化硅陶瓷主要特性①超硬度，耐磨损；②抗腐蚀，高温时也抗氧化；③抗冷热冲击而不碎裂；④耐高温且不易传热；⑤本身具有润滑性

主要用途制造轴承、汽轮机叶片、机械密封环、永久性模具等机械构件。用于制造柴油机中发动机部件的受热面等汽轮机转子叶片气阀等零件陶瓷轴承陶瓷机械零件碳化硅（SiC）陶瓷常压烧结碳化硅SiC密封件碳化硅陶瓷用于制造火箭喷嘴、浇注金属的喉管、热电偶套管、炉管、燃气轮机叶片及轴承，泵的密封圈、拉丝成型模具等。

SiC陶瓷件SiC陶瓷件SiC轴承第2章新型陶瓷功能陶瓷根据陶瓷电学性质的差异可制成导电陶瓷、半导体陶瓷、介电陶瓷、绝缘陶瓷等电子材料，用于制作电容器、电阻器、电子工业中的高温高频器件，变压器等形形色色的电子零件。利用陶瓷的光学性能可制造固体激光材料、光导纤功能维、光储存材料及各种陶瓷传感器。功能陶瓷还用作压电材料(敏感陶瓷)、磁性材料、基底材料等。总之，新型陶瓷材料几乎遍及现代科技的每一个领域，应用前景十分广阔。

第3章人工晶体3.1人工晶体的发展史天然晶体如钻石、红宝石、蓝宝石、绿宝石等等。人工晶体如单晶硅、偏硼酸钡、三硼酸锂等等。3.1.1人工晶体的应用3.1.2新型人工晶体薄膜晶体光子晶体微米晶和纳米晶智能晶体一、晶体与非晶质体世界上的固态物质包括两类：晶体与非晶质体（一）晶体晶体——具有内部格子构造的固体。格子构造——内部质点（原子、离子或分子）作规律排列，并构成一定的几何图形红宝石（一）、晶体分类1）天然晶体（naturalcrystal）

——矿物矿物：天然产出的，具有一定化学组成和晶体结构的单质或化合物。金刚石长石金刚石黄铁矿水晶电气石矿物常具一定的外部晶体形态人造晶体——无天然对应物的人工晶体人造钛酸锶，铱铝榴石（YAG），钆镓榴石（GGG）YAGYAG但并非所有晶体都具有外部晶形受生长环境所限制，可形成不规则他形赤铁矿芙蓉石2）人工晶体（syntheticcrystal）

——人工合成或人造的晶体合成钻石合成蓝宝石和尖晶石合成晶体——有天然对应物的人工晶体。合成红宝石、合成蓝宝石、合成水晶

2、中级晶族四方晶系、三方晶系、六方晶系

a0=b0≠c0锆石（四方）碧玺（三方）绿柱石（六方）1、高级晶族等轴晶系a0=b0=c03、低级晶族斜方晶系、单斜晶系、三斜晶系a0≠b0≠c0黄玉（斜方）透辉石（单斜）长石（三斜）第3章人工晶体3.2人工晶体的分类按化学分无机晶体和有机晶体。按生长方法分水溶性晶体和高温晶体。形态（维度）分类分体块晶体3.1.1人工晶体的应用3.1.2新型人工晶体薄膜晶体光子晶体微米晶和纳米晶智能晶体高压钠灯氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷（人造刚玉）主要特性①高熔点；②高硬度；③可制成透明陶瓷；④无毒、不溶于水，强度高；⑤对人体有较好的适应性

主要用途高级耐火材料，刚玉球磨机；高压钠灯的灯管、人造骨、人造牙、人造心瓣膜、人造关节等第2章新型陶瓷氧化铝陶瓷的结构与性能

氧化铝陶瓷是指主相为刚玉(α–Al2O3)陶瓷材料。刚玉具有最稳定的六方晶系结构。从显微结构来看，氧化铝陶瓷主要是由取向各异的氧化铝晶粒集合而成的多晶集合体。由氧化铝陶瓷主晶相α–Al2O3的结构决定，其表面有优良的亲水性。氧化铝结晶中的氧离子排列在晶体的晶格中，结晶表面电场使极化作用局限在晶格的表面，水分子的偶极子被牢固地吸引在结晶表面的电场中，在氧化铝的表面形成一层稳定的水分子膜，从而使氧化铝有亲水性，与生物体有优良的亲和性。制成的人工关节摩擦系数较低。第2章新型陶瓷

氧化铝陶瓷的硬度高于金属，为金属的5～10倍。在所有的材料中，它的硬度仅次于金刚石、碳化硼、立方氮化硅、碳化硅居于第五。杨氏模量为金属的2倍以上，故氧化铝陶瓷受外力不易变形，抗压强度高，与金属相比，易于加工成球形。多晶氧化铝陶瓷的制备制备高纯氧化铝陶瓷的原料主要是铝矾土和天然刚玉。先制得γ－Al2O3

粉末，在1300℃下煅烧成α–Al2O3粉，经成型，1600～1700℃下烧结生成细粒多晶α–Al2O3陶瓷。烧结时加入少量MgO（<0.5%）以抑制晶粒生长。二、新型结构陶瓷⑴

氧化铝陶瓷

氧化铝陶瓷以Al2O3为主要成分,含有少量SiO2的陶瓷，又称高铝陶瓷。Al2O3化工、耐磨陶瓷配件Al2O3密封、气动陶瓷配件单相Al2O3陶瓷组织根据Al2O3含量不同分为75瓷(含75%Al2O3，又称刚玉-莫来石瓷)、95瓷和99瓷，后两者又称刚玉瓷。氧化铝陶瓷耐高温性能好，可使用到1950℃,。具有良好的电绝缘性能及耐磨性。微晶刚玉的硬度极高(仅次于金刚石).

95瓷纺织件99瓷纺织件氧化铝耐高温喷嘴氧化铝陶瓷转心球阀氧化铝陶瓷密封环氧化铝陶瓷坩埚氧化铝陶瓷被广泛用作耐火材料，如耐火砖、坩埚、热偶套管，淬火钢的切削刀具、金属拔丝模，内燃机的火花塞，火箭、导弹的导流罩及轴承等。

⑷氧化锆陶瓷氧化锆的晶型转变：立方相⇌四方相⇌单斜相。四方相转变为单斜相非常迅速，引起很大的体积变化，易使制品开裂。ZrO2氧化锆单相陶瓷在氧化锆中加入某些氧化物(如CaO、MgO、Y2O3等)能形成稳定立方固溶体，不再发生相变，具有这种结构的氧化锆称为完全稳定氧化锆(FSZ)，其力学性能低，抗热冲击性差。ZrO2陶瓷耐火件减少加入的氧化物数量，使部分氧化物以四方相的形式存在。由于这种材料只使一部分氧化锆稳定，所以称部分稳定氧化锆(PSZ)。

氧化锆中四方相向单斜相的转变可通过应力诱发产生。当受到外力作用时，这种相变将吸收能量而使裂纹尖端的应力场松弛，增加裂纹扩展阻力，从而大幅度提高陶瓷材料的韧性。部分稳定氧化锆组织部分稳定氧化锆的导热率低，绝热性好；热膨胀系数大，接近于发动机中使用的金属，抗弯强度与断裂韧性高，除在常温下使用外，已成为绝热柴油机的主要侯选材料，如发动机汽缸内衬、推杆、活塞帽、阀座、凸轮、轴承等。部分稳定氧化锆制品氧化锆制品氧化锆油泵氧化柱塞氧化锆拉线轮氧化锆球阀部分稳定氧化锆喷涂层增韧氧化锆导轮芯轴⑵氮化硅（Si3N4）陶瓷氮化硅是由Si3N4四面体组成的共价键固体。①氮化硅的制备与烧结工艺工业硅直接氮化：3Si+2N2→Si3N4二氧化硅还原氮化：3SiO2+6C+2N2→Si3N4+6CO烧结工艺优点缺点反应烧结烧结时几乎没有收缩，能得到复杂的形状密度低，强度低，耐蚀性差热压烧结用较少的助剂就能致密化，强度、耐蚀性最好只能制造简单形状，烧结助剂使高温强度降低③性能特点及应用氮化硅的强度、比强度、比模量高；硬度仅次于金刚石、碳化硼等；摩擦系数仅为0.1~0.2；热膨胀系数小；抗热震性大大高于其他陶瓷材料；化学稳定性高。热压烧结氮化硅用于形状简单、精度要求不高的零件，如切削刀具、高温轴承等。Si3N4轴承反应烧结氮化硅用于形状复杂、尺寸精度要求高的零件，如机械密封环等。汽轮机转子叶片气阀等零件氮化硅陶瓷主要特性①超硬度，耐磨损；②抗腐蚀，高温时也抗氧化；③抗冷热冲击而不碎裂；④耐高温且不易传热；⑤本身具有润滑性

主要用途制造轴承、汽轮机叶片、机械密封环、永久性模具等机械构件。用于制造柴油机中发动机部件的受热面等陶瓷轴承陶瓷机械零件⑶碳化硅（SiC）陶瓷碳化硅是通过键能很高的共价键结合的晶体。碳化硅是用石英沙(SiO2)加焦碳直接加热至高温还原而成：SiO2+3C→SiC+2CO。碳化硅的烧结工艺也有热压和反应烧结两种。由于碳化硅表面有一层薄氧化膜，因此很难烧结，需添加烧结助剂促进烧结，常加的助剂有硼、碳、铝等。常压烧结碳化硅碳化硅的最大特点是高温强度高，有很好的耐磨损、耐腐蚀、抗蠕变性能，其热传导能力很强，仅次于氧化铍陶瓷。SiC密封件碳化硅陶瓷用于制造火箭喷嘴、浇注金属的喉管、热电偶套管、炉管、燃气轮机叶片及轴承，泵的密封圈、拉丝成型模具等。

SiC陶瓷件SiC陶瓷件SiC轴承

一般陶瓷是不透明的，但是光学陶瓷像玻璃一样透明，故称透明陶瓷。一般陶瓷不透明的原因是其内部存在有杂质和气孔，前者能吸收光，后者令光产生散射，所以就不透明了。因此如果选用高纯原料，并通过工艺手段排除气孔就可能获得透明陶瓷。早期就是采用这样的办法得到透明的氧化铝陶瓷，后来陆续研究出如烧结白刚玉、氧化镁、氧化铍、氧化钇、氧化钇-二氧化锆等多种氧化物系列透明陶瓷。近期又研制出非氧化物透明陶瓷，如砷化镓、硫化锌、硒化锌、氟化镁、氟化钙等。

透明陶瓷

这些透明陶瓷