材料学院学术部大一下概论材概

1材料学概论主讲：徐家跃申慧第2部分无机非金属材料2.3陶瓷2主要内容

什么是陶瓷

陶瓷的结构

陶瓷的性质

陶瓷工艺学

陶瓷应用实例3陶器

以天然粘土为原料，经过较低温度烧结，形成的一种含有较多气孔、质地疏松的制品。瓷器由陶器发展而来，经过高温烧结，加工釉的发明，制成的较致密、有光泽的制品。陶瓷陶器与瓷器的总称，既有日用陶瓷、又有高科技领域用陶瓷1、什么是陶瓷？45

1、新石器时代早期陶器的出现；2、新石器时代晚期印纹硬陶和商、周时期原始瓷的烧制成功；3、汉晋时期南方青釉瓷的诞生；4、隋唐时期北方白釉瓷的突破；5、宋代到清代颜色釉瓷、彩绘瓷和雕塑陶瓷的辉煌成就。陶瓷的发展历程6建筑陶瓷、日用陶瓷、艺术陶瓷7高科技用陶瓷8古老陶瓷，文明的象征和载体陶器在我国已有一万多年的历史，瓷器也有近两千多年的历史。陶瓷，尤其是瓷器，是我国对世界文明发展的卓越贡献。艺术陶瓷，美德使者和源泉陶瓷被称为“土与火的艺术”，造型精美，流光异彩。从古代的黑陶、彩陶、秦兵马俑、唐三彩、青花、玲珑……现代陶瓷，科技发展的动力和催化剂

现代陶瓷除了生活日用、卫生洁具、切削刀具等广泛应用陶瓷之外，近几十年在空间技术、能源技术、计算技术、激光技术、遥感技术等高科技领域得到广泛应用。9

结构：多晶2.陶瓷的结构

显微组织：

晶体相主相，决定性能的主要因素

玻璃相烧结胶粘剂，作用：降低烧结温度、抑制晶粒长大、填充气孔，副作用：对机械强度、介电性能不利，含量应严格控制气相：残留下来而未排除的气体10固相烧结高纯氧化铝瓷，其中-Al2O3刚玉晶体为主晶相，发育完好，不含玻璃相和气孔（反光）气孔

日用陶瓷瓷轴气孔呈孤立状，浑圆形，散布在玻璃相之中(单偏光)11陶瓷显微结构多孔SiC的显微结构古陶瓷微晶结构Al2O3陶瓷Fe2O3/C复合材料123.1陶瓷的机械性能

3.2陶瓷的热学性能

3.3陶瓷电性能与电子陶瓷

3.4陶瓷的化学稳定性3、陶瓷的性质13刚度（弹性模量）、硬度、强度、脆性与结合键的强度密切相关强度和弹性模量随气孔率的增大而减小不发生塑性变形，脆性是陶瓷材料最大的缺点机械性能14热膨胀、导热性、热稳定性（抗热震性）键强度高的材料热膨胀系数小，如SiC具有较强的键强，其热膨胀系数较小陶瓷多为绝热材料陶瓷的热稳定性比金属低热学性能15导电性陶瓷的导电性变化范围很大多为绝缘体和半导体耐火性及化学稳定性具有良好的耐火性能或不可燃性对酸、碱、盐等均有较强的抗侵蚀能力具有不可燃烧性、高耐热性、高化学稳定性、高的硬度和良好的抗压能力，但脆性很高，热稳定性差，抗拉强度较低。164、陶瓷的生产工艺17一、原料选择（天然原料）可塑性原料：高岭土（Al2[Si2O5](OH)4)、木节土、瓷土、膨润土。。。非可塑性原料：石英、长石（K2O-6SiO2-Al2O3)、熟料、瓷粉。。。熔剂原料：长石、滑石（3MgO-4SiO2-H2O)，钙、镁碳酸盐。。。18合成原料化学合成的方法制备所需的原料，是高技术陶瓷的主要原料较天然原料，具有纯度高、杂质少、粒径小等特点氧化物类原料：如Al2O3、ZrO2、莫来石（3Al2O3·2SiO2）等非氧化物类原料：如SiC—硬度高、热稳定性好，Si3N4—高的熔点、硬度及电阻率合成方法举例：溶胶凝胶法、燃烧法、共沉淀法。。。

19二、坯料制备原料经拣选、破碎后，配料、混合、细磨等工序后得到的具有成形性能的多组分混合物。制备三步曲

原料处理

配料

混合制备20预烧帮助碎化原料减少坯料收缩改变结构形态稳定晶型精选经分离、提纯、除杂，更符合质量要求(化学组成、矿物组成、颗料尺寸)原料处理21细粉碎（湿法球磨、气流粉碎等）：粉体混合均匀，增加比表面，增大活性，利于坯料成形，降低烧结温度、提高致密度

泥浆脱水：除去湿法粉碎后坯料中多余水分造粒：细碎后的陶瓷粉制成具有一定粒度的坯料(使其适合于干压、半干压成形）

陈腐(困料):泥坯置于阴暗潮湿室内贮存一段时间（水分分布均匀、泥料松散均匀）练泥及真空处理：捏练泥料以改善质量（使组分混合均匀）混合制备22三、成型使坯料具有一定几何形状、致密度和强度可塑法：利用坯泥的可塑性，施加外力使之成一定形状(21～29％水分)（拉坯、挤压、轧膜等）注浆法：30～35％水分（提高复杂形状产品的成型效率和半成品质量）压制法：<15％水分（液压技术、钢模技术）23塑性成型工艺挤压成型流延成型，又称刮刀法，成型0.2mm—3mm厚度的片状陶瓷基片材料24拉坯成型工艺

拉坯成型是陶瓷发展到一定阶段出现的较为先进的成型工艺，是陶瓷历史上一个重大的革命。

拉坯

——在快速转动着的轮子上，将手探进柔软的粘土里，开洞。借助螺旋运动的惯力，让粘土向外扩展、向上推升，形成环形墙体。

用拉坯的方法可以制作圆形、弧型等浑圆的造型，比如盘子、碗、罐子等等，它的特点是作品挺拔、规整，器物的表面会留下一道道旋转的纹路。

25将流动的泥浆注入石膏模(吸水性)内泥浆分散的颗粒粘附于模壁，形成和模型相同形状的坯土层随时间延长而逐渐增厚，当达到一定程度时，干燥收缩、脱离模壁，取出，粗坯注浆法成型（泥浆注入具有吸水性能的模具中而得到坯体的成型方法）2627干压与半干压成型

坯料成细粒状，含水率低，不形成可塑状态，要靠机械压力作用成形。当成形水分在7～15％时称为半干压成形，水分在4～6％时称为干压成形。28将粉状坯料装入富有弹性的模型内,置于密闭的高压容器中，用泵压入液体介质。通过液体传递压力，橡皮模内的粉料就能各向受压均匀地被压成坯体。等静压成型29四、干燥涵义：加热蒸发除去物料中部分水分作用：制取符合水分要求的粉料一定强度的生坯，便于运输和加工提高坯体吸附釉层和能力提高成窑率缩短烧成周期

30五、烧成(最重要工序之一)

矿物原料组成的生坯预期性能的人工合成陶瓷

高温中经受热化学反应31烧成中的物理化学变化低温(室温-300℃):坯体中水分蒸发期中温(300-950℃):氧化分解及晶型转化期高温(950℃-最高烧成温度):玻化成瓷期冷却(烧成温度-室温):急冷、缓冷、最终冷32烧成：颗粒间很小的附着力—颗粒间获得较高的致密度和强度(a)颗粒间松散接触(b)颗粒之间形成颈部(c)晶界向小晶粒方向移动并逐渐消失，晶粒逐渐长大(d)颗粒形成多晶聚合体，达到一定的致密度和强度33热压成型

在高温下加压促使烧结，成型和烧成同时进行利于气孔或空位从晶界扩散，利于颗粒流动和重新排列热等静压成型将常温等静压工艺与高温烧结工艺相结合，降低烧结温度和烧结时间真空烧结避免气氛中的某些成分对材料的不良影响，有利于材料的排气，能获得十分致密的制品烧成新方法34涵义：在陶瓷表面烧结一层连续玻璃态物质要求：釉料的热膨胀系数、弹性、抗张强度等应与瓷体相适应，以实现袖层与瓷体的牢固结合，不产生开裂和釉层剥落等缺陷。施釉前坯体的含水量为1-3％。

方法：浸、喷、滚、浇、涂刷。。。表面施釉35釉的作用改善陶瓷制品的表面性能，使制品表面光滑，对液体、气体具有不透过性，不易沾污提高制品的机械强度、电学性能、化学稳定性和热稳定性覆盖坯体表面并给人以美的感觉，尤其是颜色釉与艺术釉更增添了陶瓷制品的艺术价值宋青瓷温酒器皿365.陶瓷应用举例（1）结构陶瓷结构陶瓷是指具有力学和机械性能及部分热学和化学功能的先进陶瓷（现代陶瓷），需要在高温、高湿、高应力、高强度、强烈腐蚀环境、高真空、高辐射、强摩擦等环境极限下应用的材料。特别适于高温下应用的则称为高温结构陶瓷。37氧化铝陶瓷38氮化硅陶瓷（Si3N4)超硬度，耐磨损永久性模具抗腐蚀，高温时也抗氧化汽轮机叶片抗冷热冲击而不碎裂永久性模具耐高温且不易传热轴承机械密封环润滑性3940碳化硅陶瓷材料被认为现代空间光学系统所需高性能反射镜首选材料

SiC陶瓷----高比刚度、高热导、抗辐照、轻量化……空间遥感大型天文望远镜大型地面经纬仪强激光41多孔陶瓷独特的多孔结构、热导率低、体积密度小难熔金属过滤汽车尾气净化催化剂载体消声器（声转化为热能）多孔陶瓷SiC、Al2O3、莫来石等42（2）电子陶瓷

电子陶瓷是区别于日用陶瓷、艺术陶瓷、建筑陶瓷、电工陶瓷以及单纯考虑材料力学性质的结构陶瓷;指那些利用电、磁、声、光、热、力等直接效应及其耦合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）。43电子陶瓷——压电陶瓷（机械能与电能相互转变）煤气炉中的电子打火地质探测仪元件压电陶瓷探头44透明陶瓷

光在多晶体中的散射效应

陶瓷不透明陶瓷是一种多晶无机材料;存在大量的气孔、晶界、杂质等缺陷，对光的散射和折射;特殊情况下，实现透明陶瓷：致密度达到99.9%以上（气孔是主要的散射源）晶界干净，不存在杂质、玻璃相、气孔等缺陷晶粒大小均匀无光学各向异性表面洁净度高45YAG透明陶瓷照片YAG透明陶