第四章陶瓷材料1,2.ppt

1、无机非金属材料陶瓷材料(Ceramic Materials),Chapter 4,2,本章内容,一、陶瓷材料的发展简史 从陶器到瓷器 从传统陶瓷到先进陶瓷 从先进陶瓷到纳米陶瓷 三、几种新型结构陶瓷材料 结构陶瓷的分类及特点 氧化铝陶瓷 氮化硅陶瓷 碳化硅陶瓷,二、陶瓷材料的特点及分类 陶瓷材料的组成特点 陶瓷材料的分类 四、几种新型功能陶瓷材料 电子陶瓷 化学功能陶瓷 生物陶瓷,3,第一节、陶瓷材料的发展简史,无机非金属材料可以理解为除金属和高聚物以外的所有材料。 是以某些元素的以氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、硫系化合物（包括硫化物、硒化物及碲化物）和硅酸盐、钛酸盐、铝酸盐、磷酸盐等含氧酸

2、盐为主要组成的无机材料。 广义的陶瓷材料几乎涵盖了所有的无机非金属材料。,4,就陶瓷研究历史进程来看，可以简单概括为三个发展阶段。,陶瓷的发展简史,5,1. 从陶器到瓷器(传统陶瓷）,陶瓷起源8000年前 陶器 彩陶新石器早期，黄河流域仰韶文化 黑陶新石器晚期，山东龙山文化 釉陶殷商时期，公元前17世纪 瓷器出现汉朝，1700年前 晋朝吕忱的字林有了“瓷”字 陶器到瓷器：陶瓷发展的第一次飞跃,6,瓷器：东汉越窑青瓷是我国发掘的最早瓷器,back,7,陶器和瓷器的区别,一、烧成温度不同 陶器烧成温度一般都低于瓷器，最低甚至达到800以下，最高可达1100左右。瓷器的烧成温度则比较高，大都在120

3、0以上，甚至有的达到1400左右。 二、坚硬程度不同 陶器烧成温度低，坯体并未完全烧结，敲击时声音发闷，胎体硬度较差，有的甚至可以用钢刀划出沟痕。瓷器的烧成温度高，胎体基本烧结，敲击时声音清脆，胎体表面用一般钢刀很难划出沟痕。 三、使用原料不同 陶器使用一般黏土即可制坯烧成，瓷器则需要选择特定的材料，以高岭上作坯。烧成温度在陶器所需要的温度阶段，则可成为陶器，例如古代的白陶就是如此烧成的。高岭土在烧制瓷器所需要的温度下，所制的坯体则成为瓷器。但是一般制作陶器的黏土制成的坯体，在烧到1200时，则不可能成为瓷器，会被烧熔为玻璃质。,8,陶器和瓷器的区别,四、透明度不同 陶器的坯体即使比较薄也不具

4、备半透明的特点。例如龙山文化的黑陶，薄如蛋壳，却并不透明。瓷器的胎体无论薄厚，都具有半透明的特点。 五、釉料不同 陶器有不挂釉和挂釉的两种，挂釉的陶器釉料在较低的烧成温度时即可熔融。瓷器的釉料有两种，既可在高温下与胎体一次烧成，也可在高温素烧胎上再挂低温釉，第二次低温烧成。,9,2.从传统陶瓷到先进陶瓷(陶瓷发展的第二次飞跃),先进陶瓷：以精制的高纯天然无机物或人工合成的无机化合物为原料而新发展起来的陶瓷称为先进陶瓷（相对于原有的陶瓷而言），又称为新型陶瓷或精细陶瓷。,10,国外发展现状,国际上20世纪60年代开始重视研究先进陶瓷材料，结构陶瓷略早于功能陶瓷。 6070年代伴随着陶瓷学研究的新

5、进展，一大批具有优良性能的结构和功能陶瓷材料被发现和合成。 80年代以陶瓷发动机为背景，各国竞相加大了对陶瓷材料研究与开发的投入，陶瓷材料已能够基本满足各种苛刻条件下（包括陶瓷发动机部件在内）使用的耍求。但材料稳定性、可靠性和高成本等问题仍阻碍了先进陶瓷材料的应用。 90年代中后期，对陶瓷材料的研究转向材料性能稳定性、结构与功能性能一体化、低成本制备工艺等方面，各国仍在继续增加对陶瓷材料的研究与投入。 从材料产业上讲，目前全球各类先进陶瓷材料及其产品的市汤销售总额每年达数百亿美元，年增长率达，结构陶瓷占销售额的30左右。,11,国内发展状况,我国在20世纪70年代开始重视先进陶瓷材料研究，取得

6、了一系列创新性成果。纤维增强陶瓷基复合材料在我国独创性地应用于战略导弹上，被列入定型产品，这是国际上纤维增强陶瓷基复合材料的首次实际应用. 近十年来，我国以发动机用陶瓷零部件的研制为契机,研制成功一系列新的陶瓷材料。 我国在诸多新的研究领域也取得了令人瞩目的进展.如多元氮陶瓷相图的研究在国际上有很高的知名度和相当的影响，多相复合陶瓷概念的提出促成了一大批具有优异综合性能的新材料诞生。 我国先进陶瓷材料的开发大都是结合我国国防和国民经济上的需要，有自己的技术特色。,12,传统陶瓷,13,新型陶瓷,14,传统陶瓷烧制工艺：,15,先进陶瓷与传统陶瓷的区别,在材料的组成上，先进陶瓷材料突破了传统陶瓷

7、以黏土（硅酸盐）为主要原料的界限，先进陶瓷一般以提纯的氧化物、氮化物、硅化物、硼化物、碳化物为主要原料。 在制备工艺上，先进陶瓷突破了传统陶瓷以炉窑为主要生产手段的界限，广泛采用真空烧结、保护气氛烧结、热压、热等静压等手段。制品形态也有很大变化，由过去以块状和粉状为主向着单晶化、薄膜化、纤维化和复合化方向发展。 在性能上，传统陶瓷以外观效果为主，辅以较低力学性能和热性能。先进陶瓷具有不同的特殊性质和功能，如高强度、高硬度、耐腐蚀、导电、绝缘以及在磁、电、光、声、生物工程各方面具有的特殊功能， 在应用上，传统陶瓷主要是用于炊具、餐具、陈设品和部分墙地砖等日用和建筑使用，而先进陶瓷材料则广泛用于宇

8、航、能源、化工、冶金、机械、交通、家电等行业。,16,3.从先进陶瓷到纳米陶瓷,纳米陶瓷指显微结构中的物相(包括晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔与尺寸缺陷等)都在纳米量级的水平上的陶瓷材料。纳米陶瓷是陶瓷材料的一个崭新的发展阶段，制成陶瓷的粉体材料由原来的微米级降低到纳米级。这是陶瓷材料的第三次飞跃。纳米陶瓷具有延性,有的甚至出现超塑性。,纳米荧光灯,17,第二节、陶瓷材料的特点及分类,一、陶瓷材料的组成特点 1.陶瓷材料的相组成特点 陶瓷材料的基本相及其结构要比金属复杂得多，它通常由三种不同的相组成,即晶体相(1)、玻璃相(2)和气相(气孔3)。,18,（1）晶体相,晶相是陶瓷材料中主要

9、的组成相，为某些固溶体、化合物或混合物，其结构、形态、数量及分布决定了陶瓷材料物理化学性质和应用。 陶瓷常为多相，可分为主晶相、次晶相及第三晶相，陶瓷的力学性能、物理性能、化学性能主要取决于主晶相。如刚玉瓷的主晶相是-Al2O3，由于结构紧密，因而具有机械强度高、耐高温、耐腐蚀等特性。 陶瓷中的晶体相主要有含氧酸盐（如硅酸盐、钛酸盐、锆酸盐）、氧化物（如氧化铝、氧化镁等）和非氧化物（如碳化物、氮化物等）。硅酸盐是传统陶瓷的主要原料，也是陶瓷中重要的晶体相。,19,（2）玻璃相,玻璃相是陶瓷材料中原子不规则排列的组成部分，其结构如同玻璃。玻璃相是非晶态结构的低熔点固体组织。玻璃相的组成随着坯料组

10、成、分散度、烧成时间以及窑内气氛而变化。对于不同陶瓷，玻璃相的含量不同。 玻璃相的作用是：将分散的晶体相黏结起来，填充晶体之间的空隙，提高材料的致密度；降低烧成温度，加快烧结过程；阻止晶型转变，抑制晶粒长大并填充气孔间隙；获得一定程度的玻璃特性，如透光性等。 但玻璃相对陶瓷的强度、介电性能和耐热耐火性能是不利的，因此工业陶瓷必须控制玻璃相的体积分数，一般是2040；某些非氧特种陶瓷近乎100%晶相。,20,（3）气相,气相是指陶瓷中的气孔。气孔主要是坯料各成分在加热过程中生成的空隙。这些空隙除了大部分被玻璃相填充外，还有少部分残留下来变成气孔。 除了多孔陶瓷外，气孔的存在对陶瓷性能是不利的，它

11、降低陶瓷的强度，是造成裂纹的根源，还会使介电损耗增大。 合理控制陶瓷中气孔的数量、形态和分布是非常重要的。普通陶瓷的气孔率为510，特种陶瓷气孔率小于5，金属陶瓷则要求气孔率低于0.5。,21,陶瓷的强度随气孔率的变化：陶瓷的强度随气孔率增加按指数规律下降。 原因：气孔（1）降低了承受载荷作用的有效横截面积；（2）引起应力集中而使强度下降；（3）气孔率升高能造成材料的弹性模量降低，从而影响强度。,22,气孔的大小、形状及分布都会对陶瓷强度产生影响。,气孔率10%，强度下降。,原因：气孔率10%时，开口气孔增多，呈狭长的通道，类似裂纹，成为断裂的引发剂，造成强度下降。,23,2.陶瓷材料的结合键

12、,陶瓷材料的结合键为离子键（如MgO、Al2O3）、共价键（如Si3N4、BN）及离子键和共价键的混合键。 离子键无方向性，键强度较高，组成的陶瓷强度高、硬度高，但脆性也大。 共价键具有方向性和饱和性，因此共价晶体中原子的堆积密度较小。共价晶体键强度较高，且有稳定的结构，这类陶瓷熔点高、硬度高、脆性大、热胀系数小。,24,2.陶瓷材料的结合键,形成离子键或共价键主要取决于两原子间的负电性。 形成共价键结合的两种元素的电负性相等或接近；形成离子键结合的两种元素的电负性差别较大。因而比较不同元素间电负性之差，可以大体看出它们形成化合物时离子键成分有多大比例。,25,通常认为是离子键结合的MgO，其

13、离子性结合键的比例是84%，其余16%为共价键结合。而通常认为是共价键结合的SiC，仍有18%的离子性结合。,26,3. 陶瓷材料的结构特点,陶瓷材料的晶体结构比金属材料要复杂得多，但仍以立方、四方、六方晶系为主。 离子键晶体的配位数取决于离子半径的大小。,27,4. 陶瓷材料的性能特点,由于其结合键为共价键或离子键，因而陶瓷材料具有高熔点、高硬度、高化学稳定性，耐高温、耐氧化、耐腐蚀。还具有密度小、弹性模量大、耐磨损、强度高等特点。对于功能陶瓷还具有电、磁、光等特性。,28,化学性能,根据陶瓷本身的酸、碱属性可以粗略地判断陶瓷在酸碱盐溶液中、在熔融金属熔体或炉渣中、在玻璃熔体中及在含腐蚀性气

14、体气氛中的耐蚀性及稳定性。 一般，碱性氧化物陶瓷耐碱液、耐金属和碱土金属熔体及含Na2O、Na的腐蚀，而不耐酸腐蚀；反之，酸性氧化物则耐酸性溶液、酸性炉渣、含S等腐蚀性气体的腐蚀。,29,5. 陶瓷材料的工艺特点,陶瓷材料是脆性材料，所以一般以某一组分为主成分，在此基础上加入其他次要成分，甚至微量成分而组成。材料中几种组分的制备、混合以及其后的成型、烧结等工艺条件都与每一组分的性质有关，制备工艺条件往往对最终材料的性能起决定性作用。,粉末制备,预处理,成型,烧结,加工,成品,热成型,30,原料的处理,煅烧 去除大多数挥发性杂质（有机物、溶剂、水份等），提高纯度 使原料颗粒致密化、晶粒长大，减轻

15、后期成形烧结时的体积收缩效应。 净化： 去除固体杂质、包夹吸附的气体和挥发性物质、消除游离碳等 粉碎、分级 改变粒度、粒子形态结构、流散性和成型性，改变晶型 混入粉体助剂，如化学增塑剂、粘结剂,31,烧结,烧结，是指将陶瓷坯体加热到高温，使其发生一系列物理化学反应，然后冷却至室温，使坯体具有足够的密度、强度和物理化学性能的过程。 减少成形体中气孔、增加颗粒之间结合，提高机械强度。主要发生晶粒和气孔尺寸及其形状的变化。,烧结现象示意图,32,二、陶瓷材料的分类,1. 按使用的原料分： 可分为传统陶瓷和新型陶瓷（先进陶瓷）。,传统陶瓷材料主要用天然的岩石、矿石、黏土等含有较多杂质(或杂质不定)的材料作原料。 新型陶瓷材料采用化学方法人工合成高纯度或纯度可控的材料作原料.,33,2. 按性能和