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1、引言陶瓷业是一个富有“源远流长、独特工艺、文化载体、现代科技”属性的行业。可以说是中国的第五大发明，是中国最具世界影响力的产业，是一个与千家万户有关的产业。第1页/共37页白釉青花一火成，花从釉里透分明。白釉青花一火成，花从釉里透分明。可参造化先天妙，无极由来太极生。可参造化先天妙，无极由来太极生。第2页/共37页1 1：陶瓷是陶器和瓷器的总称。：陶瓷是陶器和瓷器的总称。2 2：陶瓷是指用粘土、石英等天然硅酸盐原：陶瓷是指用粘土、石英等天然硅酸盐原 料料经过粉碎、成型、煅烧等过程而得到的具有一经过粉碎、成型、煅烧等过程而得到的具有一定形状和强度的制品。定形状和强度的制品。从发展的历程来看是先有
2、陶器，后有瓷器，在从发展的历程来看是先有陶器，后有瓷器，在西汉时陶器和瓷器才分开。西汉时陶器和瓷器才分开。第3页/共37页 表表 陶器与瓷器的区别陶器与瓷器的区别类别类别材料材料温度温度釉釉声音声音源产地源产地陶器陶器普通粘土普通粘土（紫砂泥）（紫砂泥）700-900度度上低温釉上低温釉或不上釉或不上釉雄浑雄浑世界范围世界范围瓷器瓷器瓷土瓷土（高岭土）（高岭土）1200度以上度以上上高温釉上高温釉清脆清脆中国独有中国独有第4页/共37页陶陶器器先进陶瓷先进陶瓷(微米级微米级)纳米陶瓷纳米陶瓷高铝质粘高铝质粘土和瓷土土和瓷土釉的发明釉的发明显微结构显微结构分析方法分析方法无损评估无损评估更深入的
3、更深入的性能研究性能研究相关学科相关学科的推动的推动原料纯化原料纯化陶瓷制备陶瓷制备的新工艺的新工艺陶瓷理论陶瓷理论高温技术高温技术瓷瓷器器传统陶瓷传统陶瓷第5页/共37页3 3：广义上陶瓷是用陶瓷生产方法制造的无机非：广义上陶瓷是用陶瓷生产方法制造的无机非金属固体材料和制品的通称金属固体材料和制品的通称.4 4：由于陶瓷的基本生产过程都遵循着：由于陶瓷的基本生产过程都遵循着“原料处原料处理一成型理一成型煅烧煅烧”这种传统方式。因此，陶瓷这种传统方式。因此，陶瓷又可以认为是用传统的陶瓷生产方法制成的又可以认为是用传统的陶瓷生产方法制成的无无机多晶机多晶产品产品第6页/共37页近几十年来近几十年
4、来,随着宇航、原子能和电子工业的迅速发展，随着宇航、原子能和电子工业的迅速发展，对陶瓷材料无论从对陶瓷材料无论从性能、质量、品种性能、质量、品种等方面，均提出了越等方面，均提出了越来越高的要求：来越高的要求：陶瓷材料的研究和发展已从传统陶瓷阶段跃入到陶瓷材料的研究和发展已从传统陶瓷阶段跃入到先进陶瓷先进陶瓷阶段阶段先进陶瓷是以化学方法制备的高纯度或纯度可控制的材料先进陶瓷是以化学方法制备的高纯度或纯度可控制的材料做原料，通过调整材料的成分和结构获得传统陶瓷无法比做原料，通过调整材料的成分和结构获得传统陶瓷无法比拟的卓越性能。先进陶瓷从性能上可分为拟的卓越性能。先进陶瓷从性能上可分为结构陶瓷结构
5、陶瓷(Structural Ceramics)(Structural Ceramics)和功能陶瓷和功能陶瓷(Functional(Functional Ceramics)Ceramics)。到到2020世纪世纪9090年代，陶瓷材料的研究又进入了第年代，陶瓷材料的研究又进入了第3 3阶段阶段纳米陶瓷阶段纳米陶瓷阶段，它将促使陶瓷材科研究从工艺到理论，从，它将促使陶瓷材科研究从工艺到理论，从性能到应用都提高到一个崭新的阶段。性能到应用都提高到一个崭新的阶段。第7页/共37页结构陶瓷结构陶瓷是指具有特殊力学或机械性能，以及部分热学或是指具有特殊力学或机械性能，以及部分热学或化学性能的先进陶瓷，特
6、别适于高温下应用的则称为高温化学性能的先进陶瓷，特别适于高温下应用的则称为高温结构陶瓷结构陶瓷;功能陶瓷功能陶瓷是指那些利用电、磁、声、光、力等直接效应及是指那些利用电、磁、声、光、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。的先进陶瓷。第8页/共37页1.在原料上在原料上，传统陶瓷以粘土为主要原料，新型陶瓷一般以人工合，传统陶瓷以粘土为主要原料，新型陶瓷一般以人工合成的氧化物、氮化物、硅化物、硼化物、碳化物为原料；成的氧化物、氮化物、硅化物、硼化物、碳化物为原料；2.在制备工艺上在制备工艺上，传统陶瓷以炉窑为主
7、要生产手段，新型陶瓷广泛，传统陶瓷以炉窑为主要生产手段，新型陶瓷广泛采用真空烧结、保护气氛烧结、热压、热等静压等手段；采用真空烧结、保护气氛烧结、热压、热等静压等手段；3.在性能上在性能上，特种陶瓷具有不同的特殊性质和功能，如高强度、高，特种陶瓷具有不同的特殊性质和功能，如高强度、高硬度、耐腐蚀、导电、绝缘、以及在磁、电、光、声、生物工程硬度、耐腐蚀、导电、绝缘、以及在磁、电、光、声、生物工程各方面具有的特殊功能，从而使其在高温、机械、电子、宇航、各方面具有的特殊功能，从而使其在高温、机械、电子、宇航、医学工程各方面得到广泛的应用。医学工程各方面得到广泛的应用。4.在应用上，在应用上，传统陶瓷
8、主要应用于制造日用器皿、卫生洁具等生活传统陶瓷主要应用于制造日用器皿、卫生洁具等生活用品，而用品，而新型新型陶瓷则主要用于工业技术，特别是高新技术方面。陶瓷则主要用于工业技术，特别是高新技术方面。新型陶瓷与传统陶瓷新型陶瓷与传统陶瓷第9页/共37页功能陶瓷是一类颇具灵性的材料：功能陶瓷是一类颇具灵性的材料：能感知光线，或能区分气味，或能储存信息能感知光线，或能区分气味，或能储存信息它们在电、磁、声、光、热等方面具备的许多优异性它们在电、磁、声、光、热等方面具备的许多优异性能令其他材料难以企及能令其他材料难以企及这些性质的实现往往取决于其内部的电子状态或原子这些性质的实现往往取决于其内部的电子状
9、态或原子核结构，又称电子陶瓷。核结构，又称电子陶瓷。已在能源开发、电子技术、传感技术、激光技术、光已在能源开发、电子技术、传感技术、激光技术、光电子技术、红外技术、生物技术、环境科学等方面有电子技术、红外技术、生物技术、环境科学等方面有广泛应用。广泛应用。功能陶瓷介绍功能陶瓷介绍第10页/共37页信息功能陶瓷材料 信息技术的重大需求信息功能陶瓷材料 信息技术的重大需求第11页/共37页几种常见功几种常见功能陶瓷能陶瓷半导体陶瓷半导体陶瓷瓷绝缘陶瓷瓷绝缘陶瓷介电陶瓷介电陶瓷发光陶瓷发光陶瓷感光陶瓷感光陶瓷吸波陶瓷吸波陶瓷激光用陶瓷激光用陶瓷核燃料陶瓷核燃料陶瓷推进剂陶瓷推进剂陶瓷太阳能光转换陶瓷
10、太阳能光转换陶瓷贮能陶瓷贮能陶瓷陶瓷固体电池陶瓷固体电池阻尼陶瓷阻尼陶瓷生物技术陶瓷生物技术陶瓷催化陶瓷催化陶瓷特种功能薄膜特种功能薄膜第12页/共37页1 1、绝缘陶瓷、绝缘陶瓷绝缘材料在电气电路或电子电路中所起的作用绝缘材料在电气电路或电子电路中所起的作用主要是根据电路设计要求将主要是根据电路设计要求将导体物理隔离导体物理隔离，以，以防电流在它们之间流动而破坏电路的正常运行。防电流在它们之间流动而破坏电路的正常运行。此外，绝缘材料还起着此外，绝缘材料还起着导体的机械支持、散热导体的机械支持、散热及电路环境保护及电路环境保护等作用。等作用。照明绝缘陶瓷套管 绝缘装置陶瓷第13页/共37页根据
11、室温电阻率根据室温电阻率的大小，材料可分为的大小，材料可分为超导体超导体0cm、导体导体10-2cm半导体半导体=10-2cm109cm和绝缘体和绝缘体109cm第14页/共37页绝缘陶瓷，它必须具备如下性能绝缘陶瓷，它必须具备如下性能:体积电阻率体积电阻率1012cm相对介电常数相对介电常数30损耗因子损耗因子0.001介电强度介电强度5.0KV/mm第15页/共37页陶瓷存在陶瓷存在电子式载流子电子式载流子和和离子式载流子离子式载流子。其。其中离子式载流子占主要影响。中离子式载流子占主要影响。离子电导率受离子的荷电量和扩散系数的影离子电导率受离子的荷电量和扩散系数的影响。荷电量和体积越小越
12、容易扩散，因此碱响。荷电量和体积越小越容易扩散，因此碱离子影响比较大。离子影响比较大。另外绝缘性还受显微组织的影响，晶粒和气另外绝缘性还受显微组织的影响，晶粒和气孔影响不大，主要晶界相。孔影响不大，主要晶界相。第16页/共37页绝缘陶瓷材料的分类方法很多，若按化学组成绝缘陶瓷材料的分类方法很多，若按化学组成分类测可分为氧化物系和非氧化物系两大类。分类测可分为氧化物系和非氧化物系两大类。氧化物系绝缘陶瓷已得到广泛应用，而非氧化氧化物系绝缘陶瓷已得到广泛应用，而非氧化物系绝缘陶瓷是物系绝缘陶瓷是70年代才发展起来的，目前应年代才发展起来的，目前应用的主要有氮化物陶瓷，如用的主要有氮化物陶瓷，如Si
13、3N4、BN、AlN等。等。除多晶陶瓷外，近年来又发展了单晶绝缘陶瓷，除多晶陶瓷外，近年来又发展了单晶绝缘陶瓷，如人工合成云母、人造蓝宝石、尖晶石及石英如人工合成云母、人造蓝宝石、尖晶石及石英等。等。常用绝缘陶瓷材料及其性能常用绝缘陶瓷材料及其性能第17页/共37页1、普通电瓷、普通电瓷天然黏土天然黏土+长石长石+石英石英1250-1320C烧结烧结用于高压，电阻用于高压，电阻.等的绝缘。等的绝缘。2、氧化铝瓷，镁质瓷、氧化铝瓷，镁质瓷电子元器件和电路中基体、电子元器件和电路中基体、外壳、固定件，又称为装置瓷。外壳、固定件，又称为装置瓷。Al2O3MgO-Al2O3-SiO2绝绝缘缘子子第18
14、页/共37页3、氮化硅瓷基片、氮化硅瓷基片集成电路基片材料的要求是：高电阻率，导热性集成电路基片材料的要求是：高电阻率，导热性好，热膨胀系数小，耐热处理和化学处理。好，热膨胀系数小，耐热处理和化学处理。氮化硅瓷基片具有高强度、热膨胀系数与硅材料氮化硅瓷基片具有高强度、热膨胀系数与硅材料匹配、介电常数小、热导率高匹配、介电常数小、热导率高。烧结温度。烧结温度1700C4、氮化硼瓷基片、氮化硼瓷基片(BN)最突出的优点是高热导率与低电导率。最突出的优点是高热导率与低电导率。5、金刚石薄膜、金刚石薄膜金刚石是自然界中硬度最高的材料，同时又具有金刚石是自然界中硬度最高的材料，同时又具有极高的弹性模量。
15、金刚石的热导率是所有已知物质中极高的弹性模量。金刚石的热导率是所有已知物质中最高的，室温下最高的，室温下(300K)，金刚石的热导率是铜的，金刚石的热导率是铜的5倍，倍，液氮温度下液氮温度下(77K)，金刚石的热导率则是铜的，金刚石的热导率则是铜的25倍。倍。金刚石是一种禁带很宽的材料，因而非掺杂的本征金金刚石是一种禁带很宽的材料，因而非掺杂的本征金刚石是极好的电绝缘体。刚石是极好的电绝缘体。第19页/共37页2.2.导电陶瓷导电陶瓷传传传传统统统统陶陶陶陶瓷瓷瓷瓷是是是是良良良良好好好好的的的的绝绝绝绝缘缘缘缘体体体体，这这这这是是是是人人人人所所所所共共共共知知知知的的的的。在在在在现现现
16、现今今今今社社社社会会会会，凡凡凡凡是是是是有有有有电电电电的的的的地地地地方方方方，都都都都可可可可以以以以看看看看到到到到各各各各种种种种用用用用传传传传统统统统陶陶陶陶瓷瓷瓷瓷制制制制成成成成的的的的绝绝绝绝缘缘缘缘器器器器件件件件。由由由由此此此此给给给给人人人人们们们们留留留留下下下下了了了了一一一一个个个个错错错错觉觉觉觉：陶陶陶陶瓷瓷瓷瓷材材材材料料料料都都都都是是是是绝绝绝绝缘缘缘缘体体体体。其其其其实实实实不不不不然然然然！在在在在精精精精细细细细陶陶陶陶瓷瓷瓷瓷中中中中，不不不不仅仅仅仅有有有有良良良良好好好好的的的的绝绝绝绝缘缘缘缘体体体体，也也也也有有有有电电电电子子子
17、子导导导导电电电电体体体体、离离离离子子子子导导导导电体、半导体及其他导电材料。电体、半导体及其他导电材料。电体、半导体及其他导电材料。电体、半导体及其他导电材料。可用于燃料电池、陶瓷高温发热体、钠硫电池等。可用于燃料电池、陶瓷高温发热体、钠硫电池等。第20页/共37页 氧化锆陶瓷是一种耐高温、抗氧化的复合氧化物，是在纯氧化锆陶瓷是一种耐高温、抗氧化的复合氧化物，是在纯氧化锆中加进的氧化镱制成的导电陶瓷。它能象金氧化锆中加进的氧化镱制成的导电陶瓷。它能象金属那样把电能转变成热能，并能发光。属那样把电能转变成热能，并能发光。把导电陶瓷做成圆棒，作为在高温氧化中的发热元件，是把导电陶瓷做成圆棒，作
18、为在高温氧化中的发热元件，是再好不过的材料了。导电陶瓷在空气中十分稳定，不与氧再好不过的材料了。导电陶瓷在空气中十分稳定，不与氧发生反应，最高的发热温度高达发生反应，最高的发热温度高达2000以上，而且可以长以上，而且可以长时间使用，寿命超过时间使用，寿命超过1000小时以上。因此，导电陶瓷已成小时以上。因此，导电陶瓷已成为现代冶金、陶瓷、玻璃工业中广泛采用的高温发热体。为现代冶金、陶瓷、玻璃工业中广泛采用的高温发热体。第21页/共37页钠钠钠钠硫电池硫电池硫电池硫电池的金属电极容易发生腐蚀，尤其在高温条件下的金属电极容易发生腐蚀，尤其在高温条件下更是如此。腐蚀作用是多种多样的，除因电极腐蚀而
19、减少导电更是如此。腐蚀作用是多种多样的，除因电极腐蚀而减少导电能力外，还可能在电极表面形成一种增加接触电阻的表面层，能力外，还可能在电极表面形成一种增加接触电阻的表面层，最终导致电池工作性能变坏，寿命缩短。最终导致电池工作性能变坏，寿命缩短。为了解决这个问题，人们在电极表面涂覆各种导电材料，为了解决这个问题，人们在电极表面涂覆各种导电材料，如铝、钼、镍，铬及其各种合金。但是，所有这些金属材料，如铝、钼、镍，铬及其各种合金。但是，所有这些金属材料，在钠在钠硫电池中都缺乏足够的稳定性。硫电池中都缺乏足够的稳定性。后来将发明的这种导电陶瓷材料，涂覆于电极表面。因为后来将发明的这种导电陶瓷材料，涂覆于
20、电极表面。因为这种材料不仅具有良好的抗腐蚀性能，而且具有足够的导电性这种材料不仅具有良好的抗腐蚀性能，而且具有足够的导电性能，所以较好地解决了上述的问题。能，所以较好地解决了上述的问题。第22页/共37页3超导陶瓷超导陶瓷第23页/共37页一、超导发展简史一、超导发展简史1低温的获得低温的获得气体的液化气体的液化氢气的液化氢气的液化1898年年杜瓦杜瓦（英）（英）氦的液化氦的液化1908年年昂尼斯（荷兰）昂尼斯（荷兰）2超导的发现超导的发现1911年年昂尼斯（荷兰）昂尼斯（荷兰）1913年获诺贝尔物理学奖年获诺贝尔物理学奖转变温度转变温度临界磁场临界磁场临界电流临界电流3迈斯纳效应迈斯纳效应1
21、933年年迈斯纳和奥森菲迈斯纳和奥森菲尔德（德）尔德（德）第24页/共37页金属的电阻率与温度的关系？金属的电阻率与温度的关系？1911年年Onnes 在研究极低温度下金属导电性时发现，在研究极低温度下金属导电性时发现，当温度降到当温度降到4.2K时，汞的电阻率突然降低到接近于时，汞的电阻率突然降低到接近于零。这种现象称为汞的超导现象。零。这种现象称为汞的超导现象。从此，超导材料的研究引起了广泛的关注，现已发现从此，超导材料的研究引起了广泛的关注，现已发现了上千种超导材料。了上千种超导材料。定义：定义：超导现象：材料的电阻随温度降低而减小并最终出现零超导现象：材料的电阻随温度降低而减小并最终出
22、现零电阻的现象。电阻的现象。超导体：低于某一温度出现超导电性的物质。超导体：低于某一温度出现超导电性的物质。第25页/共37页超导电性的基本特征超导电性的基本特征完全导电性（零电阻）完全导电性（零电阻）完全抗磁性：迈斯纳完全抗磁性：迈斯纳（Meissner)效应效应处于超导状态的金属，不处于超导状态的金属，不管其经历如何，磁感应强度管其经历如何，磁感应强度B始始终为零。终为零。磁力线不能进入超导体内部第26页/共37页观察迈斯纳效应的磁悬浮试验观察迈斯纳效应的磁悬浮试验在锡盘上放一条永久磁铁，当温度低于锡的在锡盘上放一条永久磁铁，当温度低于锡的转变温度时，小磁铁会离开锡盘飘然升起，转变温度时，
23、小磁铁会离开锡盘飘然升起，升至一定距离后，便悬空不动了，这是由于升至一定距离后，便悬空不动了，这是由于磁铁的磁力线不能穿过超导体，在锡盘感应磁铁的磁力线不能穿过超导体，在锡盘感应出持续电流的磁场，与磁铁之间产生了排斥出持续电流的磁场，与磁铁之间产生了排斥力，磁体越远离锡盘，斥力越小，当斥力减力，磁体越远离锡盘，斥力越小，当斥力减弱到与磁铁的重力相平衡时，就悬浮不动了。弱到与磁铁的重力相平衡时，就悬浮不动了。第27页/共37页超导材料超导材料u元素超导体元素超导体u合金超导体合金超导体u金属间化合物超导体金属间化合物超导体u陶瓷超导体陶瓷超导体u高分子超导体高分子超导体第28页/共37页在低温常
24、压下，在低温常压下，具有超导特性的化学具有超导特性的化学元素共有元素共有2626种，由于种，由于临界温度太低，无太临界温度太低，无太大实用价值大实用价值Nb的Tc最高，仅为9.26Ka.元素超导体元素超导体第29页/共37页b.b.合金超导体合金超导体合金超导体是机械强度最高、应力应变较小、磁场强度低、临界电流密度高的超导体，在早期得到实际应用。超导合金主要有Ti-V、Nb-Zr、Mo-Zr、Nb-Ti等合金系，其中Ge-Nb3的临界温度最高（23.2K）。c.c.金属间化合物超导体金属间化合物超导体金属间化合物超导体的临界温度与临界磁场一般比合金超导体的高，但此类超导体的脆性大，不易直接加工
25、成带材或线材。第30页/共37页第31页/共37页19861986年年发发现现了了陶陶瓷瓷超超导导体体，使使超超导导材材料料获获得得了了更更高高的的临临界界温温度度，如如YBaCuOYBaCuO（TcTc90K90K）、TiBaCaCuOTiBaCaCuO（TcTc120K120K）等。最大缺点为脆性大，加工困难。）等。最大缺点为脆性大，加工困难。高温超导材料：高温超导材料：TcTc77K77K（液（液N N温度）温度）d.陶瓷金超导体陶瓷金超导体第32页/共37页e.高分子超导体高分子超导体高高分分子子材材料料通通常常为为绝绝缘缘体体，但但在在数数亿亿帕帕气气压压作用下也可以转变成为超导体。
26、作用下也可以转变成为超导体。如：四硫富瓦稀四腈代对苯醌二甲烷如：四硫富瓦稀四腈代对苯醌二甲烷目目前前高高分分子子超超导导体体的的最最高高临临界界温温度度仅仅仅仅达达到到10K第33页/共37页电力输送与储存电力输送与储存目目前前有有大大约约30%的的电电能能损损耗耗在在输输电电线线路路上上，采采用用超超导导体体输输电电，可可大大大大减减少少损损耗耗，且且省去了变压器和变电所。省去了变压器和变电所。使使用用巨巨大大的的超超导导线线圈圈，经经供供电电励励磁磁产产生生磁磁场场而而储储存存能能量量。超超导导磁磁储储能能系系统统所所存存能能量量几几乎乎可可以以无无损损耗耗的的储储存存下下去去，其其转转换
27、换率率可可高高达达95%。磁悬浮列车磁悬浮列车时速时速400500km.超导材料的应用实例超导材料的应用实例第34页/共37页电力输送与储存电力输送与储存目目前前有有大大约约30%的的电电能能损损耗耗在在输输电电线线路路上上，采采用用超超导导体体输输电电，可可大大大大减减少少损损耗耗，且且省去了变压器和变电所。省去了变压器和变电所。使使用用巨巨大大的的超超导导线线圈圈，经经供供电电励励磁磁产产生生磁磁场场而而储储存存能能量量。超超导导磁磁储储能能系系统统所所存存能能量量几几乎乎可可以以无无损损耗耗的的储储存存下下去去，其其转转换换率率可可高高达达95%。超导材料的应用实例超导材料的应用实例第35页/共37页超导磁悬浮列车超导磁悬浮列车时速 400 500km.超导计算机超导计算机用超导芯片将大大提高计算机的运算速度，并减少体积。用超导芯片将大大提高计算机的运算速度，并减少体积。美国美国IBM公司研制的一台运算速度为公司研制的一台运算速度为8000万次万次/秒的超导计秒的超导计算机，体积只有一部电话机大小，其元件不发热，可长时算机，体积只有一部电话机大小，其元件不发热，可长时间高效率运行。间高效率运行。第36页/共37页感谢您的观看。第37页/共37页