无机非金属专业导论-先进陶瓷材料

1、11无机非金属材料工程无机非金属材料工程 先进陶瓷材料先进陶瓷材料2陶瓷制品是人类在征服自然过程中所获得的第一陶瓷制品是人类在征服自然过程中所获得的第一种经化学变化而制成的产品。种经化学变化而制成的产品。特点：熔点高、硬度大、化学稳定性好、耐高温、特点：熔点高、硬度大、化学稳定性好、耐高温、耐磨损、耐氧化、耐腐蚀、重量轻、弹性模量大、耐磨损、耐氧化、耐腐蚀、重量轻、弹性模量大、强度高等优良性能，可在高温、腐蚀、辐照等环强度高等优良性能，可在高温、腐蚀、辐照等环境工作。境工作。 先进陶瓷先进陶瓷3陶瓷的定义陶瓷的定义 什么是陶瓷什么是陶瓷(Ceramics)？传统陶瓷是传统陶瓷是“由粘土或主要含

2、粘土（有长石、石由粘土或主要含粘土（有长石、石英等）的混合物，经成形、干燥、烧结而成的制英等）的混合物，经成形、干燥、烧结而成的制品品”。美国陶瓷学会给陶瓷下的定义：美国陶瓷学会给陶瓷下的定义：“在高温下形成在高温下形成及使用的无机非金属材料及使用的无机非金属材料”先进陶瓷先进陶瓷4 Ceramicsthe making of pots, tiles, etc., by shaping pieces of clay and baking them until they are hard; articles produced in this way.5Ceramics来自希腊字来自希腊字Kera

3、mic ，意为，意为“an art of potter”;而而Keramic来自希腊字来自希腊字Keramos，意为，意为“Burnt stuff” 用火烧成的制品，多指粘土烧成的陶器。用火烧成的制品，多指粘土烧成的陶器。后经长期演变，含义进一步延伸，凡属粘土烧后经长期演变，含义进一步延伸，凡属粘土烧成的制品都属于成的制品都属于Ceramics，如陶瓷、砖瓦、耐，如陶瓷、砖瓦、耐火材料等。火材料等。 先进陶瓷先进陶瓷6陶瓷的定义：陶瓷的定义：无机非金属粉末无机非金属粉末经经成型成型后在低于熔点的后在低于熔点的高高温下烧结温下烧结而制成的固体材料。（狭义的，由工艺而来）而制成的固体材料。（狭义的

4、，由工艺而来）“传统陶瓷传统陶瓷” 主要以天然的硅酸盐为原料，因此又被称主要以天然的硅酸盐为原料，因此又被称为为“硅酸盐材料硅酸盐材料”。由于陶瓷的化学组成是以离子键和共价键为主要键的无由于陶瓷的化学组成是以离子键和共价键为主要键的无机非金属化合物，故又称陶瓷为机非金属化合物，故又称陶瓷为“无机非金属材料无机非金属材料”、“无机绝缘材料无机绝缘材料”、“无机介电材料无机介电材料”。先进陶瓷先进陶瓷7随着新型材料的发展，陶瓷概念扩展到整个无机非随着新型材料的发展，陶瓷概念扩展到整个无机非金属固体材料或无机化合固体材料，除了一般的多金属固体材料或无机化合固体材料，除了一般的多晶烧结体外，还包括单晶

5、、玻璃、薄膜、纤维、粉晶烧结体外，还包括单晶、玻璃、薄膜、纤维、粉体等，其制备方法也不再局限于常规烧结法，因此体等，其制备方法也不再局限于常规烧结法，因此是是“广义陶瓷广义陶瓷”。先进陶瓷先进陶瓷8国际上对陶瓷的广义的定义与上述定义类似。国际上对陶瓷的广义的定义与上述定义类似。W. D . K i n g e r y 现 代 陶 瓷 工 程 之 父 ， 在现 代 陶 瓷 工 程 之 父 ， 在 “Introduction to Ceramics”中把中把陶瓷陶瓷定义为定义为:“the art and science of making and using solid articles whic

6、h have as their essentially component, and are composed in large part of, inorganic nonmetallic materials”“制造和应用固体制品的技艺和科学，这种固体制制造和应用固体制品的技艺和科学，这种固体制品主要是由无机非金属材料作为基本组分组成品主要是由无机非金属材料作为基本组分组成的的”。先进陶瓷先进陶瓷9 这一定义不仅包括这一定义不仅包括陶器、瓷器、耐火材料、建筑陶器、瓷器、耐火材料、建筑粘土制品、磨料、搪瓷、水泥和玻璃等粘土制品、磨料、搪瓷、水泥和玻璃等材料，材料，而且还包括而且还包括非金属磁性

7、材料、铁电体、人造单非金属磁性材料、铁电体、人造单晶、特种陶瓷、以及各种各样的其他制品晶、特种陶瓷、以及各种各样的其他制品。This definition essentially says that a ceramic is anything that is not an organic material or a metal.先进陶瓷先进陶瓷10随着时代的进步，原料或产品中虽然不含硅酸盐随着时代的进步，原料或产品中虽然不含硅酸盐组分，然而用陶瓷工艺方法（组分，然而用陶瓷工艺方法（Ceramic Process）生产的制品也称）生产的制品也称Ceramics。目前这类材料还在不断发展，新型材料

8、不断出现。目前这类材料还在不断发展，新型材料不断出现。它和金属材料、有机高分子材料并列为当代三它和金属材料、有机高分子材料并列为当代三大固体材料。大固体材料。It suggests three categories of materials: ceramics, organics and metals先进陶瓷先进陶瓷11我国的陶瓷一词和英文中的我国的陶瓷一词和英文中的Ceramics一样一样具有狭义（陶瓷、瓷器）和广义两重含具有狭义（陶瓷、瓷器）和广义两重含意：意：广义广义的陶瓷工业是陶瓷、玻璃、耐火材的陶瓷工业是陶瓷、玻璃、耐火材料、搪瓷、磨料、水泥等无机非金属材料工料、搪瓷、磨料、水泥等无

9、机非金属材料工业的泛称。业的泛称。先进陶瓷先进陶瓷12随着工业的发展，陶瓷制品广泛地应用于随着工业的发展，陶瓷制品广泛地应用于社会各行各业，采用了更多、更复杂的工社会各行各业，采用了更多、更复杂的工业原料。业原料。先进陶瓷的广义的定义为：先进陶瓷的广义的定义为：“用粘土以外的用粘土以外的其他原料，依陶瓷制造的工艺方法制成的其他原料，依陶瓷制造的工艺方法制成的制品制品”先进陶瓷先进陶瓷13 如压电陶瓷、电容器陶瓷、微波陶瓷、如压电陶瓷、电容器陶瓷、微波陶瓷、磁性陶瓷、高温陶瓷等磁性陶瓷、高温陶瓷等 可广泛应用于电子、原子能、宇航、半可广泛应用于电子、原子能、宇航、半导体等工业。导体等工业。14陶

10、瓷的分类陶瓷的分类 现代陶瓷传统陶瓷陶瓷制品先进陶瓷先进陶瓷15工艺陶瓷化工陶瓷电器绝缘陶瓷卫生陶瓷建筑陶瓷日用陶瓷传统陶瓷16防辐射陶瓷高温陶瓷结构陶瓷敏感陶瓷磁性陶瓷铁电陶瓷微波陶瓷压电陶瓷电容器陶瓷功能陶瓷先进陶瓷17氧化铝陶瓷氮化铝陶瓷18生 物 陶 瓷19多孔陶瓷保 健 陶 瓷 20建 筑 卫 生 陶 瓷21耐 高 温 陶 瓷 刀 具22高温结构陶瓷零部件耐酸陶瓷风机适用于输送或抽吸各种腐蚀性气体 23陶 瓷 装 甲 车24航航 天天 飞飞 机机 腾腾 空空 而而 起起25“发现号”航天飞机腹部的绝热瓦“发现号”航天飞机26航天飞机的防热盔甲以纯度99.7%、直径为11.5m的石英纤

11、维加水混合成浆状，倒入模具中脱水加压成型，然后浸胶体石英，干燥后在1290的电炉中烧成。再按要求切成外形不同、大小不等的“砖块”，最后粘贴到航天飞机的铝合金蒙皮上，把外表严严实实地封盖起来，就象给航天飞机穿上了一身防热盔甲。27 航天飞机 28 航天飞机的机头 29 航天飞机的防热瓦30 航天飞机热分布示意图 31“哥伦比亚”号航天飞机爆炸，原因是这架航天飞机左翼在起飞时遭到从燃料箱上脱落的泡沫绝缘材料撞击，结果造成机体表面隔热保护层出现了大面积松动和破损，形成了可让“热气进入的洞”，在返航途中因超高温空气入侵而彻底解体。32 与传统陶瓷比较，先进陶瓷的化学组成、显微结构都与传统陶瓷比较，先进

12、陶瓷的化学组成、显微结构都有极大的不同，其性能可满足工业和国防中各种特殊的需有极大的不同，其性能可满足工业和国防中各种特殊的需要。要。先进陶瓷先进陶瓷几个有用的名词：几个有用的名词：特种陶瓷特种陶瓷 special ceramics先进陶瓷先进陶瓷 advanced ceramics精细陶瓷精细陶瓷 fine ceramics高性能陶瓷高性能陶瓷 high performance ceramics新型陶瓷新型陶瓷 new ceramics近代陶瓷近代陶瓷 modern ceramics33几个有用的名词：几个有用的名词：特种陶瓷特种陶瓷 special ceramics先进陶瓷先进陶瓷 adv

13、anced ceramics精细陶瓷精细陶瓷 fine ceramics高性能陶瓷高性能陶瓷 high performance ceramics新型陶瓷新型陶瓷 new ceramics近代陶瓷近代陶瓷 modern ceramics先进陶瓷先进陶瓷34陶瓷发展的重要阶段陶瓷发展的重要阶段广义的陶瓷包括了陶器、彩色釉器、瓷器、玻广义的陶瓷包括了陶器、彩色釉器、瓷器、玻璃、水泥、晶体等的发展璃、水泥、晶体等的发展David W. Richerson 在其著作中在其著作中Modern Ceramic Engineering(Taylor & Francis Group, New York,

14、 2006 )给出了广义的陶瓷的给出了广义的陶瓷的简要发展的简要发展的里程碑里程碑先进陶瓷先进陶瓷35Key Milestones in the Evolution of Ceramics Time Description of Milestone 24000 B.C. Clay mixed with water, molded into a shape, dried, and fired to produce the first man-made ceramic” earthenware”10000 B.C.Early use of earthenware for useful articl

15、e such as containers.7000-6000 B.C. Lime mortar(石灰砂浆石灰砂浆) used for filling spaces between stones in construction and also for making thick-walled containers.36Key Milestones in the Evolution of CeramicsTime Description of Milestone7000-5000 B.C. Widespread use of earthenware for food storage and coo

16、ling 70005000 B.C.Widespread use of plaster-like cementitious ceramics for in floor construction and as decorated interior wall coatings. 4500 B.C. Ceramics used to line crude kilns（窑炉）（窑炉） to smelt copper from its ores and make possible the Chalcolithic（红铜）（红铜）, Bronze and Iron Ages.37Key Milestone

17、s in the Evolution of Ceramics Time Description of Milestone 45003500 B.C. Fired brick shown to be more durable than dried mud bricks 45003500 B.C.Development of early faience（彩陶）（彩陶） to produced white ceramics with bright blue glassy coatings: precursor to development of glass and glazes（釉）（釉）. 350

18、02800 B.C.Evolution of first writing consisting of pictographs（象形文字）（象形文字） and “cuneiform（楔（楔形文字）形文字）” symbols inscribed in clay tablets. 38Key Milestones in the Evolution of Ceramics Time Description of Milestone3300 B.C. Potters wheel invented, making earthenware pottery available and affordable f

19、or just about everyone 25001600 B.C.From early isolated examples of glass to well-established craft. 17501150 B.C. Variety of glaze developed in- cluded lead glazes and colored glazes.39Key Milestones in the Evolution of Ceramics Time Description of Milestone1025750 B.C. Early developments in China

20、of stoneware, which was lighter in color, stronger, and less porous than earthenware 500100 B.C.High-strength concrete（混凝土）（混凝土） developed by Greeks and Romans and used widely in construction especially by the Romans. 10050 B.C. Glass blowing invented, making glass items available to others than roy

21、alty and aristocrats.40Key Milestones in the Evolution of CeramicsTime Description of Milestone600-800 A.D. Evolution of high-quality porcelain（瓷）（瓷） in China 800900 A.D.Islamic refinements of the use of white tin-based glazes and lustrous overglazes. 1740s “Transfer printing” invented to greatly in

22、creased the rate of production of tiles（瓷（瓷砖）砖）. 41Key Milestones in the Evolution of CeramicsTime Description of Milestone 1840s “Dust pressing” invented to further dramatically increase rate of production of tiles and eventually become the uniaxial pressing process and workhorse of modern high-vol

23、ume production of polycrystalline ceramicsLate 1800sDemonstration of successful laboratory synthesis of single crystals of ruby and sapphire.42Key Milestones in the Evolution of CeramicsTime Description of Milestone Early 1900s Increase in temperature capability of production kilns to greater than 1

24、400C and late to 1600C. Mid-1900sEstablishment of alumina-based ceramics and introduction of a wide range of new engineered ceramics.Late 1900sDevelopment of ultra-high-temperature, high-strength, and high-toughness ceramics and ceramic matrix composites43 陶瓷的发展大致经历了陶器、瓷器、现陶瓷的发展大致经历了陶器、瓷器、现代先进陶瓷三个发展

25、阶段。代先进陶瓷三个发展阶段。 从二十世纪九十年代开始，陶瓷进入了从二十世纪九十年代开始，陶瓷进入了纳米陶瓷发展阶段。纳米陶瓷发展阶段。先进陶瓷先进陶瓷44陶器陶器(从公元前从公元前24000年开始年开始)瓷器瓷器 (从公元从公元250年开始年开始)现代先进陶瓷现代先进陶瓷 (从从20世纪世纪40年代开始年代开始)纳米陶瓷纳米陶瓷 (从从20世纪世纪90年代开始年代开始)451、陶器阶段、陶器阶段 用黏土制成毛坯，经过高温用黏土制成毛坯，经过高温(1000 C) 烧结烧结而成，是原始人类制成的最重要的物品之一而成，是原始人类制成的最重要的物品之一 2、瓷器阶段、瓷器阶段发明了釉、发现并使用高铝

26、质瓷土、高温技术的发明了釉、发现并使用高铝质瓷土、高温技术的发展（发展（1200 C ）先进陶瓷先进陶瓷463、现代先进陶瓷阶段、现代先进陶瓷阶段原料纯化原料纯化从天然矿物原料为主发展到高从天然矿物原料为主发展到高纯人工合成原料为主纯人工合成原料为主新工艺新工艺层出不穷层出不穷 成型新工艺成型新工艺：等静压成型、热压成型、离心注浆成型、压等静压成型、热压成型、离心注浆成型、压力注浆成型、流延成型等力注浆成型、流延成型等先进陶瓷先进陶瓷47 烧结新工艺烧结新工艺：热压烧结、热压等静压烧结、：热压烧结、热压等静压烧结、反应烧结、快速烧结、微波烧结、等离子反应烧结、快速烧结、微波烧结、等离子体烧结、

27、自蔓燃烧结等体烧结、自蔓燃烧结等 理论理论日趋成熟日趋成熟从经验操作发展到科学控从经验操作发展到科学控制、特定材料设计、工艺制、特定材料设计、工艺结构结构性质性质使用性能使用性能 分析技术分析技术进步进步显微结构分析技术如显微结构分析技术如X射射线衍射仪、电子显微镜、原子力显微镜、线衍射仪、电子显微镜、原子力显微镜、特殊性能测试仪器等特殊性能测试仪器等先进陶瓷先进陶瓷48相邻相邻学科发展学科发展量子力学、固体物理、固体化学、配位化学、量子力学、固体物理、固体化学、配位化学、结晶化学、量子化学、半导体、微电子等结晶化学、量子化学、半导体、微电子等4、纳米陶瓷阶段、纳米陶瓷阶段原料纳米化、陶瓷内部

28、晶粒纳米化、性能高原料纳米化、陶瓷内部晶粒纳米化、性能高度优化、正在深入研究，预期将引起重要度优化、正在深入研究，预期将引起重要变化。变化。先进陶瓷先进陶瓷4949 功能陶瓷功能陶瓷是指在微电子、光电子信息和自动化技术以及生物是指在微电子、光电子信息和自动化技术以及生物医学、能源和环保工程等基础产品领域中所用的陶瓷材医学、能源和环保工程等基础产品领域中所用的陶瓷材料。料。p 如制造电子线路中的电容器用的电介质瓷，制造集成电如制造电子线路中的电容器用的电介质瓷，制造集成电路基片和管壳用的高频绝缘瓷等。路基片和管壳用的高频绝缘瓷等。p 功能陶瓷以其独特的声、光、热、电、磁等物理特性和功能陶瓷以其独

29、特的声、光、热、电、磁等物理特性和生物、化学以及适当的力学等特性，在相应的工程和技生物、化学以及适当的力学等特性，在相应的工程和技术中起关键作用术中起关键作用。o 大部分为大部分为电子陶瓷电子陶瓷 （electroceramicselectroceramics）先进陶瓷先进陶瓷50 从使用功能分类：从使用功能分类：（a）结构陶瓷：）结构陶瓷：Al2O3、AlN、BeO(集成电路衬底集成电路衬底、微波大功率器件散热支撑件、微波大功率器件散热支撑件、MCM用基片）；用基片）；（b）功能陶瓷：电容器陶瓷、微波陶瓷、压电陶）功能陶瓷：电容器陶瓷、微波陶瓷、压电陶瓷、热释电陶瓷、透明电光陶瓷，半导体陶瓷；瓷、热释电陶瓷、透明电光陶瓷，半导体陶瓷； 按照工作频率分：低频瓷（按照工作频率分：低频瓷（1kHz）、高频瓷（）、高频瓷（1MHz）、微波瓷（）、微波瓷（300MHz300GHz）。）。 先进陶瓷先进陶瓷51功能陶瓷的分类：功能陶瓷的分类：o高频绝缘零