07无机非金属材料学课件-第三章第五节-传统与先进陶瓷材料

1、传统陶瓷与先进陶瓷,第三章第五节,陶 瓷 Ceramics,传统陶瓷: Traditional ceramics 陶器 Pottery 炻器 Stone ware 瓷器 Porcelain, China,先进陶瓷：Advanced ceramics 结构陶瓷：Structural ceramics 功能陶瓷：Functional ceramics 陶瓷基复合材料：Ceramic matrix composite,陶瓷的分类及特点,陶瓷：ceramics, 什么是陶？ 什么是瓷？ 陶与瓷的区别是什么？,陶器：是指以粘土为胎，经过手制、轮制、模制等方法加工成型后，在800-1000度高温下焙烧而成

2、的物品，坯体不透明，有微孔，具有吸水性，叩之声音不清。 瓷器：瓷器是以磁石，或掺以高铝质粘土等为原料，表面施釉后，以1200度高温烧成。,5-1 传统陶瓷,新石器时代 远在几千年前的新石器时代，我们的祖先就已经用天然黏土作原料，塑造成各种器皿，再在火堆中烧成坚硬的可重复使用的陶器，由于烧成温度较低，陶器仅是一种含有较多气孔、质地疏松的未完全烧成制品。,4,粗陶器 ：吸水率大于15%，粒度2-2.5 普通陶器：吸水率不大于15%，粒度0.2-2 精陶器：吸水率不大于12%，粒度0.1-0.2,按结构特征,粗陶器 ：砖瓦、盆罐、陶管及建筑琉璃制品 普通陶器：日用陶制器皿、碗 精陶陶器：美术陶器及釉

3、面砖,按应用特征,新石器时代的陶器,约8000年前：河南裴李岗遗址（公元前5935480年）：中原地区新石器时代，粗陶，出土陶器有壶,砖瓦 砖瓦属于大批量生产和使用的制品，因此必须考虑其生产成本降到最低。 一般原料使用当地的黏土或黄土。 烧成温度在1000oC左右，成品的气孔率相当高，在10-40%（体积百分数)之间,一般都能满足透气性和隔热性的要求。 增加气孔率可以提高隔热效果，可添加发泡剂（如锯末、纸浆、有机物等）。 砖瓦业发展的方向：轻质高强、隔热保温,西式瓦：,琉璃瓦：,内墙砖：,炻器,大约在公元前400年左右，中国第一次制成了致密的陶瓷坯体，由于它带色而不透明，称为炻器。 炻器是由炻

4、器黏土制成，其结构中主要含玻璃相和石英、方石英等。 炻器上的典型釉是盐釉。在制品快要烧好时，将盐撒在窑中或喷入NaCl水溶液，盐蒸汽在窑炉气氛的协助下与陶瓷表面反应，即与气氛中的水反应生成HCl及含Na2O-Al2O3-SiO2的熔体，冷却后凝固为盐釉。,近代的瓷器,景德镇陶瓷：青花玲珑、青花釉里红、 斗彩、薄胎,长沙：中国红瓷,近代的瓷器,骨瓷：英国、韩国、唐山,近代的瓷器,16,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

5、、工程陶瓷、现代陶瓷、精细陶瓷、高技术陶瓷、高性能陶瓷等。,5-2 先进陶瓷,先进陶瓷的特点,先进陶瓷的分类,按特性 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 氧化物陶瓷：氧化铝、氧化锆、氧化硅、氧化钛、氧化锌 非氧化物陶瓷：碳化物、氮化物、硼化物、硅化物、,按用途 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：

6、陶瓷轴承、密封件、研磨体 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（钛酸锂陶瓷）、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,先进陶瓷的分类,物理方法： 机械粉碎法：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、激光等加热源，使原料气化，与惰性气体原子碰撞而失去能量后，冷凝成纳米级颗粒。,陶瓷原料的制备,化学方法： 沉淀法：金属盐溶液与沉淀剂反应生成沉淀，分离脱水后可获得纳米级氧化物陶瓷粉末，

7、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。,水热法：在高温、高压水(或溶剂)中进行有关化学反应来合成超细粉末的方法 高温自蔓燃法：利用金属与碳或氮反应时的放热来加热物料，使合成反应自发进行直至完成，主要用于合成碳化物和氮化物粉末,4).溶胶-凝胶法,溶胶-凝胶法：首先形成溶胶，然后通过凝胶化使溶胶转变为凝胶，最后除去凝胶中的水分及有机物等液相并通过烧结除去固相残余物而制得玻璃。,图4.通过溶胶-凝胶法获得不同材料的示意图,成型前原料处理 原料煅烧：除杂质、晶型

8、转变 原料研磨：细化晶粒、混合均匀 造粒：手工造粒、加压造粒、喷雾造粒、冻结造粒,陶瓷烧结工艺,烧结工艺：常压烧结 热压烧结（气压、等静压） 真空烧结 微波烧结 放电等离子烧结（SPS） 高温自蔓延烧结（SHS）,微波烧结,微波烧结是利用微波具有的特殊波段与材料的基本细微结构耦合而产生热量，而实现坯体致密化的方法。,(1) 微波与材料直接耦合，导致整体加热 (2) 微波烧结升温速度快，烧结时间短 (3) 微波可对物相进行选择性加热,放电等离子烧结,放电等离子烧结工艺是将金属等粉末装入石墨等材质制成的模具内，利用上、下模冲及通电电极将特定烧结电源和压制压力施加于烧结粉末。 放电等离子烧结具有在加

9、压过程中烧结的特点，脉冲电流产生的等离子体及烧结过程中的加压有利于降低粉末的烧结温度。同时低电压、高电流的特征，能使粉末快速烧结致密。,高温自蔓延烧结,自蔓延高温合成，又称为燃烧合成技术。 利用反应物之间高的化学反应热的自加热和自传导作用来合成材料的一种技术，当反应物一旦被引燃，便会自动向尚未反应的区域传播，直至反应完全，是制备无机化合物高温材料的一种新方法。,5.2.1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：纤维增强陶瓷基复合材料,氧化铝陶瓷,纯a-

10、 Al2O3的熔点2050，电绝缘强度高，介电损耗小，化学稳定性好。具有高硬度、耐高温、耐腐蚀、高绝缘等特点。 按Al2O3含量分为75瓷、85瓷、90瓷、95瓷、97瓷和99瓷。 晶型： Al2O3 a、 等 具有多种晶体结构，大部分是由氢氧化铝脱水转变为稳定结构的a- Al2O3时生成的中间相。它们是不完整的，在高温下是不稳定的，最后都转变成a- Al2O3。,-Al2O3是含碱的铝酸盐(R2O11Al2O3或RO6Al2O3)，它们的结构各不相同。严格意义上不属于氧化铝，它只是一类Al2O3含量很高的多铝酸盐化合物，具有明显的离子导电性和松弛极化现象，介质损耗很大，电绝缘性差。,-Al2

11、O3属立方晶系, 尖晶石型结构。-Al2O3的密度小，且高温下不稳定，加热缓慢转变成-Al2O3，伴随着放热体积收缩。由于-Al2O3是松散结构，机电性能差，自然界没有发现-Al2O3，它一般是由含水的Al2O3矿物（Al2O3H2O或Al2O33H2O）经加热而成。,a-Al2O3属三方柱状晶体, 氧离子形成六方密堆积，Al3+在6个氧离子围成的八面体中心，是氧化铝各种形态中最稳定的晶型，也是自然界中唯一存在的氧化铝的晶型，有天然刚玉、红宝石、蓝宝石等矿物。a-Al2O3具有熔点高，硬度大，耐腐蚀，优良的介电性。,氧化铝陶瓷,原料制备 工业氧化铝粉是以铝矾土为原料，用湿碱法 (拜尔法)和干碱

12、法(烧结法)制备的。 湿碱法： Al2O33H2O+2NaOH2NaAlO2+4H2O 烧结法： Al2O33H2O+Na2CO32NaAlO2+CO23H2O NaAlO2 Al(OH)3 g- Al2O3 a- Al2O3,+H2O,-H2O,原料预烧,使- Al2O3转变为稳定的- Al2O3。这样制品在烧成时的线收缩可以从22%降低为14%，或者体积收缩从53%降低为37%。 煅烧后的Al2O3可能形成极细小的- Al2O3单晶颗粒。 球状Al2O3的脆性提高，易于研磨。 预烧还可以排除原料中的杂质Na2O，提高原料的纯度，从而提高产品的性能。,氧化铝陶瓷的用途,1）高强度、高温稳定性

13、：装饰瓷，喷嘴、火箭、 导弹的导流罩；,33,2）高硬度、高耐磨性：切削工具，模具，磨料， 轴承，人造宝石；,3）熔点高、抗腐蚀：耐火材料，坩埚，炉管， 热电偶保护套，隔热材料等；,35,氧化锆陶瓷,基本特性 三种晶型：单斜(r=5.65)、四方(r= 6.10)和立方(r= 6.27)，转化关系为： 单斜ZrO2 四方ZrO2 立方ZrO2 由单斜相向四方相转变时有79%的体积变化，非常迅速并且可逆，易使制品开裂，应用时加入氧化物（CaO、Y2O3）能形成稳定的立方固溶体，不再发生相变。 ZrO2陶瓷的强度可达1500MPa，断裂韧性为612MPa.m1/2，即具有高强度、高韧性。,1170

14、,2370,性能及其应用 硬度高：可制成冷成形工具、整形模、拉丝模、切削刀具、挤压模、剪刀、高尔夫球棍击球头。 强度高、韧性好：发动机推杆、连杆、轴承、气缸内衬、活塞帽等，纺织瓷件。 半导体性：高温发热元件，空气中加热温度可达21002200。 敏感特性：氧传感器，高温燃料电池固体电解质隔膜，钢液测氧探头。,陶瓷厨具和办公用品,氧化锆陶瓷表壳,立方氧化锆,陶瓷关节,碳化硅陶瓷,SiC是应用最广泛的非氧化物陶瓷。 基本特性 硬度高，强度好，热导率高，抗氧化性好 SiC有多种晶型，低温型为立方相b-SiC，2100向高温型a-SiC转变。SiC没有熔点，2300开始升华，2700以上分解为Si蒸气

15、和石墨。,碳化硅高温陶瓷,碳化硅泡沫陶瓷和轴承球,再结晶碳化硅辊棒与横梁,碳化硅密封件与滑动轴承,功能陶瓷是指利用电、磁、声、光、热、力等效应所提供的一种或多种性质来实现某种使用功能的先进陶瓷(现代陶瓷)。,45,5.2.2先进功能陶瓷,功能陶瓷,电功能陶瓷： 绝缘陶瓷、介电陶瓷、铁电陶瓷、压电陶瓷、半导体陶瓷、快离子导体陶瓷、高温超导陶瓷,功能陶瓷的分类,磁功能陶瓷： 软磁铁氧体、硬磁铁 氧体、记忆用铁电体,光功能陶瓷： 透明陶瓷、透明铁电陶瓷,敏感陶瓷： 热敏陶瓷、气敏陶瓷、 湿敏陶瓷、压敏陶瓷、 光敏陶瓷,生物及化学功能陶瓷： 载体用陶瓷、催化用陶瓷、生物陶瓷,46,超导陶瓷,正压电效应

16、：在无对称中心的晶体上施加一应力时，晶体内产生极化，在晶体的两端表面出现正负电荷 机械能转变为电能； 逆压电效应：在晶体上施加一电场时，晶体内将产生与电场强度成比例的应变或机械应力电能转变为机械能。 这两种效应都称为压电效应。 典型压电陶瓷：钛酸钡、钛锆酸铅、钛酸铅 应用：压电振子，压电换能器,压电陶瓷,压电陶瓷应用,超导陶瓷,主要有以下性能： 零电阻性：超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损 耗地传输电能。如果用磁场在超导环中引发感应电流，这一电流可以毫不衰减地维持下去。 完全抗磁性：超导材料处于超导态时，只要外加磁场不超过一定值，磁力线不能透入，超导材料内的磁场恒为零,5.3 纳米陶瓷 先进陶瓷，无论从原料、显微结构中所体现的晶粒、晶界、气孔、缺陷等在尺度上还只是处在微米级的水平，故又可称之为微米级先进陶瓷。 到20世纪90年代，陶瓷研究已进入第三个阶段-纳米陶瓷阶段。所谓纳米陶瓷，是指显微结构中的物相就有纳米级尺度的陶瓷材料。它包括晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔尺寸、缺陷尺寸等均在纳米量级的尺度上。