无机非金属材料工艺学非陶瓷工艺

1、无机非金属材料工艺学 主讲： 郝继功 Technology of Inorganic Non-Metallic Materials 陶器时代 特种陶瓷先进功能陶瓷及结构陶瓷材料的发展历程先进材料、电子信息技术、生物技术美国国会技术评价办公室的备忘录；美国化学会召开的Chemrawn会议 在先进材料、电子信息技术、生物技术三大未来高技术领域中，先进材料中的先进陶瓷和高分子基质材料将于今后25年内在世界上发挥重大作用，并可能是一个国家在国际生产和技术竞争中保持强力地位的关键技术领域。美国先进陶瓷工业市场 电子陶瓷元器件仍为市场主流，复合陶瓷、防弹陶瓷、压电陶瓷等也继续保持最佳商机。 Freedon

2、ia集团公布了美国陶瓷市场的预测报告，先进陶瓷的需求量按7%/年的速度增长。百万美元日本先进陶瓷工业市场亿日元我国特种陶瓷工业市场结构陶瓷:1/3功能陶瓷:2/35.8 特种陶瓷近年来，由于科学技术的迅速发展，特别是电子技术、空间技术、计算机技术的发展，特种陶瓷得到了迅速的发展。特种陶瓷无论从原料、工艺或性能上均与传统陶瓷有很大差异。一般来说，通常认为特种陶瓷是“采用高度精选的原料，具有能精确控制的化学组成，按照便于控制的制造技术加工的，便于进行结构设计，并具有优异特性的陶瓷”。 1. 特种陶瓷名称5.8.1 特种陶瓷简介特种陶瓷（Special ceramics） 先进陶瓷（Advanced

3、 ceramics）精细陶瓷（Fine ceramics）工程陶瓷（Engineering ceramics）新型陶瓷（New ceramics）近代陶瓷（Modern ceramics）高技术陶瓷（High Technology ceramics）高性能陶瓷（High Performance ceramics） 2. 特种陶瓷和传统陶瓷的主要区别 3. 特种陶瓷的种类结构陶瓷主要利用其热、机械、化学功能，有耐磨损材料、高强度材料、耐热材料，硬质材料、耐冲击材料、低膨胀材料、隔热材料等结构材料。功能陶瓷是指具有特殊的电学、光学、磁学、热学性能，以及在机、电、声、光、热、磁之间的耦合功能，主要用

4、作能量转换、信息传递和环境敏感的特种陶瓷。 特陶可以“上天入地”，“上天”指特种陶瓷应用于航天科技行业，“入地”指特种陶瓷可以应用于汽车等行业。 超高温陶瓷在航空航天领域还可以用在超音速飞机的耐热保护材料、火箭和各种高速飞行器的燃料喷嘴。 陶瓷刹车盘 4. 特种陶瓷的应用结构陶瓷功能陶瓷 1). 结构陶瓷 分类氧化物陶瓷: 氧化铝、氧化锆、莫来石陶瓷等；非氧化物陶瓷玻璃陶瓷氮化物陶瓷(氮化硅、氮化铝、氮化硼)；碳化物陶瓷(碳化硅、碳化钛、碳化硼)；硼化物陶瓷(硼化钛、硼化锆)。 氧化铝陶瓷耐磨、抗冲击、耐高温氧化铝陶瓷衬片、衬板、衬块。广泛适用于矿山、水泥、热电等行业的物料输送。耐磨抗冲击氧化

5、铝陶瓷衬片耐高温氧化铝陶瓷坩埚 人造宝石红宝石和蓝宝石的主要成分都是Al2O3。红宝石呈现红色是由于其中混有少量含铬化合物；而蓝宝石呈蓝色则是由于其中混有少量含钛化合物。碳化硅SiC，俗称金刚砂。Si-C为很强的共价键，故SiC属原子晶体，熔点高(2450)，硬度大(9.2)，是重要的工业磨料。如其中掺入某些杂质，会使之出现半导体，作为高温半导体，用于电热元件。 碳化硅结构陶瓷碳化硅制成的涡轮叶片 氮化硅结构陶瓷氮化硅陶瓷是一种超硬物质，密度小、本身具有润滑性，并且耐磨损，抗腐蚀能力强；正是氮化硅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。身边的结

6、构陶瓷 2). 功能陶瓷 分类电功能陶瓷：电介质陶瓷(电绝缘陶瓷、介电/压电/热释电/铁电陶瓷)、导电陶瓷(YSZ)、陶瓷超导材料光功能陶瓷：透明Al2O3、MgO陶瓷、透明铁电陶瓷、电光陶瓷磁功能陶瓷：铁氧体、 尖晶石型(MgFe2O4)、钙钛矿型、钛铁石型、氯化钠型、金红石型生物及化学功能陶瓷：生物陶瓷(牙齿、人造骨骼等)，湿敏/气敏陶瓷。按功能和主要用途:生活中的功能陶瓷压电陶瓷热敏陶瓷气敏陶瓷 介电陶瓷电介质陶瓷是指电阻率大于108m的陶瓷材料，能承受较强电场而不被击穿。按其在电场中的极化特性，可分为电绝缘陶瓷和电容器陶瓷。随着材料科学的发展，在这类材料中又相继发现压电、热释电和铁电等

7、性能。铁电晶体介电晶体压电晶体热释电晶体电容器陶瓷多层陶瓷电容器陶瓷滤波器 压电陶瓷压电效应：电介质材料中一种机械能与电能互换的现象。 极化：是指电介质陶瓷中的分子正负电荷移动，造成正负电荷中心不重合，在电介质陶瓷内部形成偶极矩。 压电陶瓷：经过人工极化处理具有压电效应的陶瓷制品。信息：铁电存储器工业: 气敏传感器生医：超声换能器国防：舰艇的声纳应用和市场 在国家基础性产业中发挥着不可替代重要作用。 压电功能器件国际市场庞大， 3000亿美元/年 应用领域举 例 电 源雷达，电视显像管，高压电源，点火装置信号转换振荡器，音叉，送话器，蜂鸣器，超声换能器发射接收超声探测，声纳，水下导航，无损检测

8、，医疗信号处理滤波器，放大器，振荡器，混频器传感计测加速度计，压力计，角速度计，红外探测器存贮显示电光、声光调制器，光存贮器，声光显示器其 它非线性元件，压电继电器等 磁性陶瓷 具有强磁性的材料称为磁性材料。 磁性陶瓷(magnetic ceramics)分为含铁的铁氧体陶瓷和不含铁的磁性陶瓷。抗磁性：在外加磁场H的作用下，材料内部感生一个与外磁场H方向相反的感生磁场(抵抗外磁场)。顺磁性：未满电子壳层结构的材料在外磁场作用下，未成对电子产生的磁矩会顺着磁场方向定向排列而产生宏观的净磁矩（在外磁场中显磁性）顺磁共振波谱仪陶瓷所具有的磁性强度是别的材料所难以比拟的，因此大量的被用在制作电感或变压

9、器的磁蕊，磁性记忆材料(如软硬碟或磁带上的涂膜)，各种微波元件、扬声器、马达等等。 敏感陶瓷敏感陶瓷用于制造敏感元件，是根据某些陶瓷的电阻率、电动势等物理量对热、湿、光、电压及某种气体、某种离子的变化特别敏感的特性而制得的。按其相应的特性，可把这些材料分别称作热敏、湿敏、光敏、压敏、气敏及离子敏感陶瓷。 这些敏感陶瓷已广泛应用于工业检测、控制仪器、交通运输系统、汽车、机器人、防止公害、防灾、公安及家用电器等领域。 红外感应出水器热敏陶瓷元器件气体检测器湿度检测器 超导陶瓷 具有超导性的陶瓷材料。主要特性是在一定临界温度下电阻为零即所谓零阻现象。应用：电力方面 超导发电机 由于超导陶瓷的电阻为零

10、，因而没有热损耗，可以制造大容量、高效率的超导发电机等。超導發電機，擁有兩萬千瓦的功率 交通方面 磁悬浮列车 制造超导磁悬浮列车由于超导陶瓷的强抗磁性，磁悬浮列车没有车轮，靠磁力在铁轨上“漂浮”滑行。环保和医学方面 废水处理 核磁共振MRI扫描仪西门子超导Avanto 1.5T高端磁共振扫描仪 光学陶瓷 具有一定透光性或具有光性能与其他性能相互转换效应(如电光效应、磁光效应等)的陶瓷材料。 生物陶瓷 用作特定的生物或生理功能的一类陶瓷材料。 广义讲，凡属生物工程的陶瓷材料统称为生物陶瓷。5.8.2 特种陶瓷制备工艺特种陶瓷制备工艺流程图：成型排胶烧结机械加工粉料加工配料计算 原料准备 1. 原

11、料准备 特种陶瓷用的原料有天然原料和化工原料。 天然原料含杂质较多，但价格便宜，因此只要产品性能符合相应的标准和使用要求，生产中往往挑选和使用纯度尽可能高的天然原料，以降低生产成本。天然原料在加工前需经人工拣选和淘洗，尽量去掉有害杂质。化工原料大多非金属氧化物或碳酸盐等，是特种陶瓷生产中最常用的原料，其纯度和物理特性可控制。 2. 配料计算 电子陶瓷研究和生产中的配料计算，主要是根据欲合成的化合物的化学分子式计算原料配比，如合成BaTiO3、PbTiO3、(Pb, La)(Zr,Ti)O3等。 已知其化学式为：Pb(Mg1/3Nb2/3)O3+0.14PbTiO3+0.04Bi2O3 。所用原料纯度为：铅丹含Pb3O4 (98%)；Bi2O3 (98%)；Nb2O5 (99.5%)试计算配制500g时各种原料所需的重量。 (1)计算各原料的摩尔数比例：原料Pb3O4MgCO3TiO2Bi2O3Nb2O5摩尔比(1+0.14)1/31/3 0.140.04 (2)按原料纯度进行修正：将各原料的摩尔数比例除以该原料的纯度，得到原料的摩尔数修正值。 原料Pb3O4MgCO3TiO2Bi2O3Nb2O5摩尔比0.38780.3401014290.04080.3350 (3) 计算各原料的重量： 原料Pb