材料科学与技术第九

第四章材料概论第三章材料物性：电、磁、热性质及光学和力学本章内容：陶瓷材料、聚合物材料、复合材料第一节功能材料的特点和分类1、功能材料概念出处材料按作用：结构材料、功能材料1965、美国贝尔所的Morton提出、日本学术机构的讨论、提倡、引起国际材料界的重视2、功能材料的定义具有优良的电、磁、光、热、声、力、化学和生物学功能及其相互功能转化的、被用作非结构目的的高技术材料（2）智能部分机器、装置、产品可分为：（1）力能部分由结构材料构成巨大的机构，如人体的骨骼、承受力量、保持构造稳定由功能材料构成纤细、敏感的结构、如人体的神经系统、保持整体的功能正常材料系统(原子、离子、电子等)外部作用（输入）材料系统性能变化（输出）材料与外界的作用3、功能材料的特点常以材料形式为最终产品，并对材料本身进行性能评价结构材料：以元件形式对其物理性能评价、材料和元件“一体化”功能材料：具有多功能、高效能、多品种、产量少、附加值高、市场规模小、产品更新快等功能材料对产品或系统的功能起决定性的作用特点：4、功能材料的分类功能材料范围尚无严格的定义、尚无统一的分类法几种常见分类法单晶、多晶、非晶材料（1）按功能材料的化学键金属、无机非金属、有机和复合功能材料有机：包括聚合物复合：有机—有机；有机—无机；有机—金属无机非金属：陶瓷（2）按功能材料的物化性质电性、磁性、光学、热学、声学、力学、化学和生物学功能材料（3）按功能材料的应用领域电子、军工、核、信息工业、能源、医疗材料等（4）按功能材料的结晶性第二节陶瓷材料一、陶瓷材料概述陶瓷材料属于无机非金属材料、不含碳氢氧结合的化合物，主要是金属氧化物和金属非氧化物传统陶瓷的原料：地壳中储量最多的硅酸盐矿物制作：高温烧结玻璃、水泥、耐火材料也是典型的硅酸盐陶瓷硅酸盐陶瓷陶瓷材料是人类应用最早的材料。它坚硬，稳定，可以制造多种器件、工具或用具；在一些特殊的情况下也可以用作结构材料按照成分和用途、工业陶瓷材料可分为：（1）普通陶瓷（或传统陶瓷）：主要为硅、铝氧化物的硅酸盐材料（2）特种陶瓷（或新型陶瓷、高技术陶瓷、精细陶瓷、先进陶瓷）主要为高熔点的氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等烧结材料（3）金属陶瓷

主要指用陶瓷生产方法制取的金属与碳化物或其它化合物的粉末制品陶瓷的耐热性、机械强度、电磁特性、耐腐特性、尺寸稳定性二战后电子工业、核能利用工程、空间技术的兴起与发展要求高性能的陶瓷天然陶瓷的原料成分复杂难满足要求新型陶瓷原料：化学纯原料或纯度可控的人造原料（4）产品形态上新型（功能）陶瓷与传统的硅酸盐陶瓷的区别：（1）材料的组成上除硅酸盐（氧化物和含氧酸盐）外,C,N,B,Si

等的单质、化合物及金属（2）应用上由材料固有的静态物性物理效应和微观机能（3）制备工艺上突破传统工艺、采用新工艺技术除传统的烧结体或粉体外，还有薄膜和纤维等功能陶瓷在信息工程、微电子技术等高新技术的应用单功能或多功能传感器：电、光、热、声、磁、气氛等功能陶瓷产品：电子陶瓷是最大一类，其次是工具和结构陶瓷高温结构陶瓷：如涡轮机转子、发动机部件，甚至将来整个陶瓷发动机功能陶瓷在许多领域有取代和部分取代金属的趋势如切削工具、热机部件、集成电路封装、极板、及磁性材料等高温超导陶瓷材料：使超导材料的研究进入新的阶段二、陶瓷加工工艺陶瓷加工工艺包括：制粉、成型、烧结陶瓷的微结构：多晶、多相体，宏观上通常表现为各性同性陶瓷性能不仅取决其成分、还与其加工工艺（微结构）有关新配方、新工艺、新结构的开发是提高陶瓷材料及其器件性能的途径（一）制粉—陶瓷粉料的制备功能陶瓷制粉方法：固相反应、液相（溶液）反应、溶胶—凝胶法固相反应成熟、普遍采用1、固相反应法制粉主要步骤：配料、粉碎、混合、预烧（1）配料根据陶瓷配方选原料原料：矿物原料和化工产品原料明确：原料的化学成分、粒度特性、结构和化学活性等纯度要求高的原料：采用煅烧、酸洗等方法提纯化学成分：纯度、杂质的种类和含量、化学计量比等粒度特性：粒度分布、颗粒形状适宜的粒度范围：粒度越细、化学活性越高、有利于固相反应原料的结构：结晶形态、致密度、裂纹、气孔性等不同晶型的原料有不同的烧结特性：和和成分相同，熔点、烧结特性不同化学活性：化学反应的难易程度物理上表现：原料的原子、离子或离子团摆脱晶格新生成物具有较大的活性原料原料称取前要脱水、称取时应扣除尚存杂质结构束缚而扩散或挥发的难易度（2）粉碎、混合目的：使配料充分接触、均匀混合，预烧时固相反应充分粉碎、混合在粉碎机中完成粉碎过程既是粉碎过程又是混合过程常用的粉碎机：球磨、棒磨、砾磨、振磨和气流磨普遍采用：球磨、棒磨和振磨圆筒磨罐传动机构及电机断面球磨、棒磨、砾磨结构外形几乎相同球磨、棒磨、砾磨磨碎介质分别为球磨机磨碎介质：钢球或其它质地坚硬的球，如、玛瑙球、氧化铝球棒磨机磨碎介质:

钢棒等棒状物砾磨机磨碎介质：形状不规则的砂砾球磨、棒磨、砾磨的磨碎原理适中，抛落式磨碎介质在离心力和摩擦力的作用下、被带到一定高度而下落，介质下落的冲击作用击碎原料颗粒，介质、滚筒、原料的相互研磨进一步磨细和混合原料振磨机电机支承竖弹簧偏心块偏心轴横弹簧外界提供振动，在振动过程中介质与原料及介质相互间研磨、混合气流磨机原料被高速气流夹带和输运，高速运动的颗粒与弯曲的路径（磨机壁）强烈碰撞、粉碎影响磨机磨碎效率的因素D、破碎方式（干磨、湿磨）A、原料的特性（硬度、粒度、比重）；B、磨机结构参数（尺寸）、运转参数C、

磨碎介质的材质、填充量、尺寸配比小泻落式过大离心式（转速或振频、振幅等）；（如大球和小球的比例），原料填充量如、湿式球磨，球、水、粉料的最佳重量比：球、水、粉料占磨罐的最佳容积：磨碎介质的磨损可能会引起原料的污染磨碎过的细料需经粒度分级、粗粒部分应返回磨机、重新磨细粒度分级方法a、筛分b、空气分级c、淘析（使用细筛）竖直气流式：细粒被气流带走、收集；粗粒下沉空气离心机：借离心力分离、效率高颗粒粒度不同在液体中沉降速度不同有水平式和竖直式（3）预烧制粉—固相反应粉碎、混合后的原料颗粒，预烧、固相反应，形成陶瓷颗粒固相反应：颗粒在熔点温度以下、固相状态下的反应适当加压有助反应迅速、充分地进行P加压颗粒接触面积增加预烧温度和预烧时间：保证反应充分进行、2、溶液反应法制粉通过液相反应制得较为均匀的陶瓷颗粒制作步骤生成的陶瓷颗粒间无明显烧结制作步骤（3）固液分离、低温煅烧后、生成陶瓷粉料（1）制备所需金属盐的水溶液；（2）按配比混合原料液，液相反应生成复盐溶液；例：