材料讲堂：先进陶瓷材料(纯本人制作)

1、先 进 陶 瓷 材 料Advanced Ceramic Materials2022-7-6先进陶瓷材料第三章 常见先进陶瓷的应用第二章 先进陶瓷材料的制备工艺目录目录 CONTENTS 第一章 陶瓷材料简介先进陶瓷材料u 材料：金属材料、有机高分子材料、无机非金属材料。第一章 陶瓷材料简介先进陶瓷材料传统上，陶瓷的概念是指以粘土及其天然矿物为原料，经过粉碎混合、成型、焙烧等工艺过程所制得的各种制品。亦称为“普通陶瓷”。 一、 陶瓷的概念陶瓷材料简介陶瓷材料简介 广义的陶瓷概念：是用陶瓷生产方法制造的无机非金属固体材料和制品的统称。 先进陶瓷材料 按陶瓷的概念和用途来分类，陶瓷制品分为两大类，即

2、普通陶瓷（传统陶瓷）和先进陶瓷（新型陶瓷）。二、 陶瓷的分类普通陶瓷先进陶瓷陶瓷材料简介陶瓷材料简介先进陶瓷材料普通陶瓷与先进陶瓷的主要区别区别区别普通陶瓷普通陶瓷先进陶瓷先进陶瓷原料原料天然矿物原料人工精制合成原料成型成型以注浆、可塑成型为主模压、等静压、流延、注射成型为主烧成烧成烧成温度一般在1350以下，燃料以煤-油-气为主结构陶瓷烧成温度在1600左右 功能陶瓷需要精确控制烧成温度加工加工一般不需要加工需要切割、打孔、研磨和抛光性能性能以外观效果为主以内在质量为主，表现出特定的物理化学性能用途用途炊具、餐具、陈设品和墙地砖、卫生洁具主要应用于航空、能源、冶金机械、交通、家电等行业陶瓷材

3、料简介陶瓷材料简介先进陶瓷材料u结构陶瓷：结构陶瓷：是指能作为工程结构材料使用的陶瓷。它具有高强度、高硬度、高弹性模量、耐高温、耐磨损、耐腐蚀、抗氧化、抗热震等特性。强调力学性能。u功能陶瓷：功能陶瓷：功能陶瓷是具有电、磁、光、热、化学、生物等特性，且具有相互转化功能的一类陶瓷。强调物理、化学性能。透明陶瓷灯透明陶瓷灯陶瓷球阀陶瓷球阀 先进陶瓷先进陶瓷可分为可分为结构陶瓷结构陶瓷和和功能陶瓷功能陶瓷两大类。两大类。陶瓷材料简介陶瓷材料简介先进陶瓷材料 结构陶瓷结构陶瓷l 氧化物陶瓷：如氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、莫来石陶瓷、氧化镁陶瓷、氧化钙陶瓷、氧化铍陶瓷等。l 氮化物陶瓷：如氮化硅陶瓷、氮化硼

4、陶瓷等。l 碳化物陶瓷：如碳化硅陶瓷、碳化硼陶瓷等。l 硼化物陶瓷：如硼化钛陶瓷、硼化锆陶瓷等。按组分分类，结构陶瓷可分为：按组分分类，结构陶瓷可分为： V型陶瓷球阀 结构陶瓷吸声板 氧化锆纳米陶瓷刀 陶瓷材料简介陶瓷材料简介先进陶瓷材料 功能陶瓷功能陶瓷l 电子陶瓷：如绝缘陶瓷、介电陶瓷、铁电陶瓷、压电陶瓷、磁性陶瓷、导电陶瓷、超导陶瓷等；l 热学陶瓷：如耐热陶瓷、隔热陶瓷、导热陶瓷等；l 光学陶瓷：如透明陶瓷、红外辐射陶瓷、发光陶瓷等；l 生物陶瓷：如生物活性陶瓷、医用陶瓷等。按特性分类，功能陶瓷可分为：按特性分类，功能陶瓷可分为：稀土发光陶瓷陶瓷材料简介陶瓷材料简介先进陶瓷材料第二章 陶

5、瓷材料的制备工艺陶陶瓷瓷烧烧结结炉炉胚体成型胚体烧结精加工粉体制备先进陶瓷材料粉体制备粉体制备是指将各种原料通过物理机械或化学方法，制成所需的粉体。物理粉碎法化学合成法粉体制备方法陶瓷材料的制备工艺陶瓷材料的制备工艺一、粉体制备先进陶瓷材料 1. 物理粉碎法物理粉碎法物料粉碎法分为：机械粉碎和气流粉碎。机械粉碎机械粉碎 优点：设备成本低，过程简单，易操作。 缺点：杂质多，粉体粒度一般在1m以上。 气体粉碎气体粉碎陶瓷材料的制备工艺陶瓷材料的制备工艺先进陶瓷材料 优点：粉体纯度、粒度可控，均匀性好，颗粒微细。 缺点：过程复杂，不易操作。固相法固相法 通过从固相到固相的变化，来制造粉体。l 热分解

6、反应法：A(s)B(s)十C(g) l 化合反应法：A(s)+B(s)C(s)+D(g)l 氧化还原法或还原碳化、还原氮化 如：3SiO2+6C+2N2 Si3N4+6CO 化学合成法一：固相法化学合成法：固相法、液相法和气相法。 2. 化学合成法化学合成法陶瓷材料的制备工艺陶瓷材料的制备工艺先进陶瓷材料液相法液相法 以均相的溶液为出发点，通过各种方法使溶质与溶剂分离，溶质形成一定大小和形状的颗粒，得到所需粉末的前躯体，热解后得到粉体。以ZrO2陶瓷粉体为例： 化学合成法二：液相法ZrSiO4+NaOHZrO2+Na2SiO3（1）水热法：）水热法：陶瓷材料的制备工艺陶瓷材料的制备工艺先进陶瓷

7、材料液相法液相法 以均相的溶液为出发点，通过各种方法使溶质与溶剂分离，溶质形成一定大小和形状的颗粒，得到所需粉末的前躯体，热解后得到粉体。以ZrO2陶瓷粉体为例： 化学合成法二：液相法（2）水解法）水解法：四氧化锆四氧化锆氯化钇氯化钇循环加水分解循环加水分解水合氧化锆水合氧化锆氧化锆纳米粉氧化锆纳米粉焙烧焙烧陶瓷材料的制备工艺陶瓷材料的制备工艺先进陶瓷材料液相法液相法 以均相的溶液为出发点，通过各种方法使溶质与溶剂分离，溶质形成一定大小和形状的颗粒，得到所需粉末的前躯体，热解后得到粉体。以ZrO2陶瓷粉体为例： 化学合成法二：液相法陶瓷材料的制备工艺陶瓷材料的制备工艺（3）喷雾法：）喷雾法：氧

8、化锆粉+分散剂+粘结剂氧化锆粉体先进陶瓷材料 气相法气相法 直接利用气体或通过某种手段将物质变为气体，使之在气体状态下发生物理化学反应，最后在冷却过程中凝聚长大形成纳米微粒。化学气相沉积法 化学合成法三：气相法陶瓷材料的制备工艺陶瓷材料的制备工艺先进陶瓷材料二、胚体成型陶瓷材料的制备工艺陶瓷材料的制备工艺注浆成型模压成型等静压成型流延成型挤压成型注射成型其它胚体成型方法先进陶瓷材料 对注浆成型所用的浆料，必须具备以下性能： 流动性好 稳定性好（不易沉淀和分层） 脱模性好 1. 注浆成型（传统成型）注浆成型（传统成型）缺点：劳动强度大劳动强度大不易自动化不易自动化收缩形变大收缩形变大陶瓷材料的制

9、备工艺陶瓷材料的制备工艺先进陶瓷材料四柱式液压成型机模压受力分布 优点：工艺简单、易自动化生产。 缺点：胚体有明显的各向异性，不适用形状复杂的制品。陶瓷材料的制备工艺陶瓷材料的制备工艺 2. 模压成型模压成型先进陶瓷材料等静压成型等静压成型 又称静水压成型，利用液体介质不可压缩性和均匀传递压力性的一种成型方法。胚体密度高制品密度接近理论密度不易变形优点设备投资成本高不易自动化生产效率不高 3. 等静压成型等静压成型陶瓷材料的制备工艺陶瓷材料的制备工艺缺点先进陶瓷材料陶瓷材料的制备工艺陶瓷材料的制备工艺 4. 流延成型流延成型（专用于制作陶瓷薄膜）薄膜制备加工处理料浆制备步骤：料浆薄膜基带刮刀流

10、延成型薄膜制备过程成品（陶瓷电容器） 优点：工艺稳定，生产效率高，自动化程度高，可制备厚度为10-1000m的高质量陶瓷薄膜。 缺点：胚体粘结剂含量高，胚体密度小，烧成收缩率高达20-21%。先进陶瓷材料 挤压成型：挤压成型：适用于连续化批量生产管、棒状制品，易自动化。 注射成型：注射成型：间歇式的操作过程，可生产结构复杂的制品。挤压成型注射成型陶瓷材料的制备工艺陶瓷材料的制备工艺 5. 其它的成型方法其它的成型方法先进陶瓷材料三、胚体烧结陶瓷材料的制备工艺陶瓷材料的制备工艺宏观变化：体积收缩、致密度提高、强度增加。微观变化：晶粒长大，气孔减少。胚体烧结胚体烧结 是指把成型胚体转变为致密体的工

11、艺过程。先进陶瓷材料 1. 常压烧结（普通烧结）常压烧结（普通烧结）陶瓷材料的制备工艺陶瓷材料的制备工艺 常压烧结常压烧结 烧结胚体在无外加压力、只在常压下，即自然 大气条件下，置于窑炉中，进行烧结。设备简单便宜，最传统、最简便、最广泛的一种方法。先进陶瓷材料价格：价格：3131万欧元（￥万欧元（￥260260万）万） 2. 热压烧结热压烧结 热压烧结热压烧结 在烧结过程中同时对坯料施加压力，加速了致密化的过程。烧结温度低烧结时间短制品密度高优点设备价格成本高生产率低缺点陶瓷材料的制备工艺陶瓷材料的制备工艺先进陶瓷材料 对于空气中很难烧结的制品，为防止其氧化等，研究了气氛烧结方法。即在炉膛中通

12、入一定的气体（惰性气体），在此气氛下进行烧结。 如Si3N4、SiC等非氧化物，在高温下易被氧化，因而需要在惰性气体中进行烧结。陶瓷材料的制备工艺陶瓷材料的制备工艺 3. 气氛烧结气氛烧结先进陶瓷材料四、陶瓷精加工陶瓷材料属于硬脆材料，陶瓷材料属于硬脆材料，其特点是：硬度大，其特点是：硬度大，性脆，不变形。性脆，不变形。与金属加工不同，与金属加工不同，陶瓷加工一般是很难的。陶瓷加工一般是很难的。导致导致先进陶瓷的精细加工已经成为一门专门技术。陶瓷材料的制备工艺陶瓷材料的制备工艺先进陶瓷材料力学的 化学的 光化学的 光刻电化学的 电解抛光电学的 光学的 激光加工磨料加工：磨削、研磨、抛光等刀具加

13、工：切割蚀刻：磨削、研磨、抛光等化学抛光电火花加工电子束加工离子束加工等离子束加工陶陶瓷瓷精精加加工工种种类类以力学加工为主陶瓷材料的制备工艺陶瓷材料的制备工艺先进陶瓷材料 磨削原理：磨削原理：l 金属：金属：依靠磨粒切削刃引起的剪切作用，生成带状或近带状的切屑。l 陶瓷：陶瓷：在磨粒切削刃撞击工件瞬间，材料内部产生裂纹，这些裂纹的连接就形成切屑。 1. 磨削加工磨削加工陶瓷材料的制备工艺陶瓷材料的制备工艺先进陶瓷材料陶瓷球阀磨削加工 磨削加工设备：磨削加工设备：l 外圆磨床外圆磨床：磨削各种圆柱体、外圆锥体的外圆。l 平面磨床平面磨床：加工工件的平面、斜面、成型面。l 抛光机抛光机：使陶瓷件

14、形成光滑的表面。 1. 磨削加工磨削加工陶瓷材料的制备工艺陶瓷材料的制备工艺先进陶瓷材料 工业上，最常用的是磨料切割，其多数采用金刚石砂轮进行切割，可以得到精度相当高的切割面。切割机金刚石砂轮 2. 切割加工切割加工陶瓷材料的制备工艺陶瓷材料的制备工艺先进陶瓷材料 对直径在一定范围的孔，广泛采用金刚石钻头（空心钻头）进行圆孔加工。陶瓷打孔机陶瓷打孔机金刚石钻头 3. 打孔加工打孔加工陶瓷材料的制备工艺陶瓷材料的制备工艺先进陶瓷材料激光、超声波加工激光、超声波加工激光切割机 激光打孔机 超声波打孔机陶瓷材料的制备工艺陶瓷材料的制备工艺先进陶瓷材料尖晶石透明陶瓷刚玉陶瓷光学石英玻璃第三章 常见先进

15、陶瓷的应用先进陶瓷材料氧化铝陶瓷绝缘材料高压钠灯常见先进陶瓷的应用常见先进陶瓷的应用v 热学热学：熔点很高，可作高级耐火材料，如坩埚、高温炉管等。v 力学力学：硬度大，可以制造实验室使用的刚玉磨球机。v 光学光学：用高纯度的原料，使用先进工艺，还可以使氧化铝陶瓷变得透明，可制作高压钠灯的灯管。v 电学电学：目前国内外常用的电子绝缘材料是都是Al2O3陶瓷。先进陶瓷材料氧化铝陶瓷人造宝石人造宝石v 红宝石和蓝宝石的主要成分都是Al2O3。v 红宝石呈现红色是由于其中混有少量含铬化合物；v 蓝宝石呈蓝色则是由于其中混有少量含钛化合物。常见先进陶瓷的应用常见先进陶瓷的应用先进陶瓷材料氧化锆陶瓷结构陶

16、瓷方面：由于其高韧性、高抗弯强度和高耐磨性，优异的隔热性能，热膨胀系数接近于钢等优点，因此被广泛应用于结构陶瓷领域。轴承轴承瓷球瓷球刀具刀具陶瓷球阀陶瓷球阀高尔夫球的轻型击球棒高尔夫球的轻型击球棒常见先进陶瓷的应用常见先进陶瓷的应用先进陶瓷材料功能陶瓷方面：v 优异的耐高温性能：感应加热管、耐火材料、发热元件等。v 敏感的电性能参数：氧传感器、固体氧化物燃料电池和高温发热体等。超高温氧化锆窑具（耐火材料）汽车用氧传感器氧化锆陶瓷管常见先进陶瓷的应用常见先进陶瓷的应用氧化锆陶瓷先进陶瓷材料v 特性：密度小、本身具有润滑性，耐磨损，抗腐蚀能力强（除氢氟酸外，不与其他无机酸反应）；高温时也能抗氧化，抵抗冷热冲击性能强，在空气中加热到1000以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂。v正是Si3N4陶瓷具有如此良好的特性，人们常常用它来制造轴承、汽轮机叶片、机械密封环、永久性模具等机械构件。常见先进陶瓷的应用常见先进陶瓷的应用氮化硅陶瓷先进陶瓷材料SiC陶瓷：除了具有优良的常温力学性能，还具有优良的高温力学性能。SiC陶瓷是已知陶瓷材料中高温力学性能(强度、抗蠕变性等)最佳的。高温轴承（1300）高温防腐