非金属材料学陶瓷.pptx

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1、6.1陶瓷的分类和制备工艺陶瓷的分类和制备工艺由粉状原料成形后在高温作用下硬化而形成的制品，是由粉状原料成形后在高温作用下硬化而形成的制品，是多晶、多相多晶、多相的聚集的聚集体。体。按化学成分按化学成分氧化物陶瓷氧化物陶瓷碳化物陶瓷碳化物陶瓷氮化物陶瓷等氮化物陶瓷等按原料来源按原料来源普通陶瓷普通陶瓷 以天然硅酸盐矿物为主要原料以天然硅酸盐矿物为主要原料特种陶瓷特种陶瓷 以人工合成化合物为主要原料以人工合成化合物为主要原料按性能和用途按性能和用途结构陶瓷结构陶瓷功能陶瓷功能陶瓷陶瓷的分类陶瓷的分类第1页/共63页陶瓷的制备工艺陶瓷的制备工艺第2页/共63页原材料的制备原材料的制备 传统的硅酸盐

2、陶瓷材料所用的原料大部分为天然原料，原传统的硅酸盐陶瓷材料所用的原料大部分为天然原料，原料开采出来后，一般需要加工（筛选、风选、淘洗、研磨以及磁选料开采出来后，一般需要加工（筛选、风选、淘洗、研磨以及磁选等）分离出适当颗粒度的所需矿物组分。等）分离出适当颗粒度的所需矿物组分。可塑性原料可塑性原料高岭石（高岭石（Al2O32SiO22H2O）、蒙脱石、伊利石等黏土矿物。）、蒙脱石、伊利石等黏土矿物。多为细颗粒的含水铝酸盐，具有层状结构，与水混合时有很好的可塑性。多为细颗粒的含水铝酸盐，具有层状结构，与水混合时有很好的可塑性。弱塑性原料弱塑性原料叶腊石（叶腊石（Al2O34SiO2H2O）、滑石（

3、、滑石（3MgO4SiO2H2O）也具有层状结构，也具有层状结构，与水结合时有弱的可塑性与水结合时有弱的可塑性非塑性原料非塑性原料减塑剂：对可塑性有影响减塑剂：对可塑性有影响石英砂石英砂助熔剂：对烧成过程有影响助熔剂：对烧成过程有影响长石长石第3页/共63页坯料的成型和干燥坯料的成型和干燥将坯料用一定工具或模具制成一定形状、尺寸、密度和强度的将坯料用一定工具或模具制成一定形状、尺寸、密度和强度的制品坯型（亦称生坯）。制品坯型（亦称生坯）。可塑成型法可塑成型法注浆成型注浆成型压制成型压制成型生坯的干燥生坯的干燥第一阶段第一阶段:水分不受阻止地进入周围的空气；水分不受阻止地进入周围的空气；干燥速度

4、保持恒定大小由空气中的湿度和温度决定干燥速度保持恒定大小由空气中的湿度和温度决定第二阶段第二阶段:排除颗粒间隙中的水分；排除颗粒间隙中的水分；干燥速度呈现下降趋势干燥速度呈现下降趋势第三阶段第三阶段:排除毛细孔中残余的水分及坯体原料的结合水。排除毛细孔中残余的水分及坯体原料的结合水。需要较高的干燥温度需要较高的干燥温度泥浆泥浆粉料粉料可塑泥料可塑泥料坯料坯料第4页/共63页烧结或烧成烧结或烧成 生坯经初步干燥后，进行涂釉烧结或直接烧结。生坯经初步干燥后，进行涂釉烧结或直接烧结。在烧结过程中包含多种物理化学变化，如脱水、热分解和相变、熔融在烧结过程中包含多种物理化学变化，如脱水、热分解和相变、熔

5、融和溶解、固相反应和烧结以及析晶、晶体长大和剩余玻璃相的凝固。和溶解、固相反应和烧结以及析晶、晶体长大和剩余玻璃相的凝固。粉状成型体的烧结过程示意图粉状成型体的烧结过程示意图(a)烧结前成型体中颗粒堆积情况；烧结前成型体中颗粒堆积情况；(b)颗粒间的键合和重排过程；颗粒间的键合和重排过程；(c)颗粒间界面积增加，固颗粒间界面积增加，固-气表面积相应减少，但仍有部分空隙是连通的；气表面积相应减少，但仍有部分空隙是连通的；(d)颗粒界面进一步长大，气孔逐渐缩小变形，最终转变为闭气孔。颗粒界面进一步长大，气孔逐渐缩小变形，最终转变为闭气孔。颗粒粒界开始移动，粒子长大气孔逐渐迁移到粒界上消失，烧结体致

6、密度增高颗粒粒界开始移动，粒子长大气孔逐渐迁移到粒界上消失，烧结体致密度增高第5页/共63页烧结初期烧结初期只只能能使使成成型型体体中中颗颗粒粒重重排排，空空隙隙变变形形和和缩缩小小，但但总表面积没有减小，并不能最终填满空隙；总表面积没有减小，并不能最终填满空隙；烧结中后期烧结中后期可可能能最最终终排排出出气气体体，使使空空隙隙消消失失，得得到到充充分分致致密的烧结体。密的烧结体。烧烧结结方方法法：除除了了传传统统烧烧结结方方法法外外，还还有有热热等等静静压压烧烧结结、等等离子体烧结、自蔓延高温合成等方法。离子体烧结、自蔓延高温合成等方法。第6页/共63页6.2陶瓷的组织结构与性能陶瓷的组织结

7、构与性能l晶体相晶体相l玻璃相玻璃相l气相气相各组成相的结构、数量、形态、大小及分布决定了陶瓷的性能。各组成相的结构、数量、形态、大小及分布决定了陶瓷的性能。多相多晶多相多晶第7页/共63页晶相晶相晶相是陶瓷材料的主要组成相，对陶瓷的性能起决定性作用。晶相是陶瓷材料的主要组成相，对陶瓷的性能起决定性作用。主晶相主晶相数量最多，作用最大的晶相。数量最多，作用最大的晶相。次晶相次晶相对陶瓷性能的影响不可忽视对陶瓷性能的影响不可忽视氧化物：以离子键为主；非氧化物：以共价键为主；硅酸盐：离子、共价混合键结构很复杂，但基本结构单元为结构很复杂，但基本结构单元为SiO4硅氧四面体硅氧四面体第8页/共63页

8、玻璃相玻璃相 玻玻璃璃相相是是一一种种非非晶晶态态固固体体，是是陶陶瓷瓷烧烧结结时时，各各组组成成相相与与杂杂质产生一系列物理化学反应形成的液相在冷却凝固时形成。质产生一系列物理化学反应形成的液相在冷却凝固时形成。玻璃相的作用：玻璃相的作用：是陶瓷材料中不可缺少的组成相。是陶瓷材料中不可缺少的组成相。将分散的晶相粘结在一起；将分散的晶相粘结在一起；降低烧结温度；降低烧结温度；抑制晶相的晶粒长大；抑制晶相的晶粒长大；填充气孔。填充气孔。玻玻璃璃相相熔熔点点低低、热热稳稳定定性性差差，在在较较低低温温度度下下开开始始软软化化，导导致致陶陶瓷瓷在在高高温温下下发发生生蠕蠕变变，且且其其中中常常有有一

9、一些些金金属属离离子子而而降降低低陶陶瓷瓷的的绝绝缘性。缘性。故工业陶瓷中玻璃相的数量要予以控制，一故工业陶瓷中玻璃相的数量要予以控制，一般般2040%。第9页/共63页气相气相指陶瓷孔隙中的气体即气孔，是生产过程中不可避免的。指陶瓷孔隙中的气体即气孔，是生产过程中不可避免的。对陶瓷的性能的影响：对陶瓷的性能的影响：使陶瓷强度降低；使陶瓷强度降低；降低导热性；降低导热性；通常是造成裂纹的根源通常是造成裂纹的根源普通陶瓷中的孔隙率常为普通陶瓷中的孔隙率常为510%，要力求使其呈球状，均匀，要力求使其呈球状，均匀分布。分布。特种陶瓷的气孔率在特种陶瓷的气孔率在5%以下以下用作保温的陶瓷和化工用的过

10、滤多孔陶瓷等需要增加气孔率，用作保温的陶瓷和化工用的过滤多孔陶瓷等需要增加气孔率，有时气孔率可高达有时气孔率可高达60。第10页/共63页陶瓷的性能陶瓷的性能力学性能力学性能硬度高、耐磨性好；硬度高、耐磨性好；抗拉强度低，抗压强度较高；抗拉强度低，抗压强度较高；实际强度比理论强度低很多实际强度比理论强度低很多高弹性模量；高弹性模量；高脆性，韧性低，在拉伸时几乎没有塑性。高脆性，韧性低，在拉伸时几乎没有塑性。常见材料的弹性模量和硬度常见材料的弹性模量和硬度陶瓷晶界结构示意图陶瓷晶界结构示意图why晶界上晶界上存在空隙；存在空隙；原子被拉长，键强被削弱；原子被拉长，键强被削弱；相同电荷离子靠近产生

11、斥力，相同电荷离子靠近产生斥力，可能造成裂纹可能造成裂纹致密度、杂质和各种缺陷致密度、杂质和各种缺陷第11页/共63页物理与化学性能物理与化学性能熔点高熔点高陶瓷高温强度和高温蠕变抗力优于金属。陶瓷高温强度和高温蠕变抗力优于金属。热胀系数小、热导率低热胀系数小、热导率低热胀系数与晶体结构和结合键强度相关热胀系数与晶体结构和结合键强度相关一些材料的平均热膨胀系数一些材料的平均热膨胀系数材料材料膨胀系数膨胀系数(01000oC)/106oC-1材料材料膨胀系数膨胀系数(01000oC)/106oC-1金刚石金刚石约约3.106SiC4.7BeO9.0MgO13.5尖晶石尖晶石7.6随气孔率增加，陶

12、瓷的热膨胀系数、热导率降低，故多孔或泡沫陶瓷可作绝热材料。随气孔率增加，陶瓷的热膨胀系数、热导率降低，故多孔或泡沫陶瓷可作绝热材料。第12页/共63页热稳定性（抗热震性）差热稳定性（抗热震性）差可衡量陶瓷在不同温度范围波动时的寿命，一般用试样急冷到可衡量陶瓷在不同温度范围波动时的寿命，一般用试样急冷到水中不破裂所能承受的最高温度来表示。水中不破裂所能承受的最高温度来表示。热膨胀系数大、导热性低、韧性低的材料热稳定性差。热膨胀系数大、导热性低、韧性低的材料热稳定性差。光学性能光学性能红宝石（掺铬离子红宝石（掺铬离子-Al2O3）、掺钕钇铝石榴石等可作固体激光）、掺钕钇铝石榴石等可作固体激光材料；

13、材料；磁性磁性磁性陶瓷主要是磁性陶瓷主要是Fe2O3和和Mn、Zn等的氧化物组成的陶瓷材料，等的氧化物组成的陶瓷材料，可用作磁芯、磁带、磁头等。可用作磁芯、磁带、磁头等。化学稳定性高化学稳定性高抗氧化性优良，在抗氧化性优良，在1000高温下不会氧化，并对酸、碱、盐有高温下不会氧化，并对酸、碱、盐有良好的抗蚀性，在化工工业中广泛应用。良好的抗蚀性，在化工工业中广泛应用。第13页/共63页6.3传统陶瓷材料传统陶瓷材料 以黏土类及其他天然矿物原料经粉碎加工、成型、烧结等过程制成的一种多以黏土类及其他天然矿物原料经粉碎加工、成型、烧结等过程制成的一种多晶多相的硅酸盐材料。晶多相的硅酸盐材料。除了牙用

14、陶瓷外，一般普通陶瓷都在莫来石（除了牙用陶瓷外，一般普通陶瓷都在莫来石（3Al2O3-2SiO2）析出区析出区粗陶瓷制品粗陶瓷制品 ：肉眼看上去不是均一的坯体肉眼看上去不是均一的坯体细陶瓷制品：细陶瓷制品：肉眼看上去是均一的坯体肉眼看上去是均一的坯体按结构特征按结构特征不致密陶瓷不致密陶瓷致密陶瓷致密陶瓷按气孔率大小按气孔率大小各种陶瓷在黏土各种陶瓷在黏土-长石长石-石英三元体系中的组成范围石英三元体系中的组成范围第14页/共63页不致密陶瓷不致密陶瓷泥料中含有助熔剂少及烧成温度低时制成的制品是不致密陶瓷。泥料中含有助熔剂少及烧成温度低时制成的制品是不致密陶瓷。包括细陶瓷中的陶器和精陶和粗陶瓷

15、中的绝大部分如砖瓦制品、熟料黏土砖包括细陶瓷中的陶器和精陶和粗陶瓷中的绝大部分如砖瓦制品、熟料黏土砖等。等。砖瓦砖瓦砖瓦属于大批量生产和使用的制品，因此必须考虑其生产成本降到最低。砖瓦属于大批量生产和使用的制品，因此必须考虑其生产成本降到最低。一般原料使用当地的黏土或黄土。一般原料使用当地的黏土或黄土。烧成温度在烧成温度在1000oC左右，成品的气孔率相当高，在左右，成品的气孔率相当高，在10-40%（体积百分数（体积百分数)之间之间,一般都能满足透气性和隔热性的要求。一般都能满足透气性和隔热性的要求。增加气孔率可以提高隔热效果，可添加发泡剂（如锯末、纸浆、有机物等）。增加气孔率可以提高隔热效

16、果，可添加发泡剂（如锯末、纸浆、有机物等）。砖瓦业发展的方向：轻质高强、隔热保温砖瓦业发展的方向：轻质高强、隔热保温 第15页/共63页陶器和精陶陶器和精陶陶器的原料类似于砖瓦的泥料，但由于备料比较精细可制成均匀的坯体，烧陶器的原料类似于砖瓦的泥料，但由于备料比较精细可制成均匀的坯体，烧成后获得细陶瓷不致密材料。成后获得细陶瓷不致密材料。制品有花盆、彩陶、釉陶、釉面砖等。制品有花盆、彩陶、釉陶、釉面砖等。精陶由高岭石、烧成为白色的黏土、石英及助溶剂制成，有时还添加些方石精陶由高岭石、烧成为白色的黏土、石英及助溶剂制成，有时还添加些方石英或黏土熟料。英或黏土熟料。制作过程中烧成方式比较特殊。素烧

17、温度（坯体烧成温度）一般选择在制作过程中烧成方式比较特殊。素烧温度（坯体烧成温度）一般选择在1100-1250度之间，施釉后的釉烧温度比其低度之间，施釉后的釉烧温度比其低100度。度。第16页/共63页致密陶瓷致密陶瓷提高烧成温度或增加熔剂或添加作用强的助溶剂可获得。提高烧成温度或增加熔剂或添加作用强的助溶剂可获得。炻器炻器大约在公元前大约在公元前400年左右，中国第一次制成了致密的陶瓷坯年左右，中国第一次制成了致密的陶瓷坯体，由于它带色而不透明，称为炻器。体，由于它带色而不透明，称为炻器。炻器是由炻器黏土制成，其结构中主要含玻璃相、莫来石、炻器是由炻器黏土制成，其结构中主要含玻璃相、莫来石、

18、石英、方石英等。石英、方石英等。炻器上的典型釉是盐釉。在制品快要烧好时，将盐撒在窑中炻器上的典型釉是盐釉。在制品快要烧好时，将盐撒在窑中或喷入或喷入NaCl水溶液，盐蒸汽在窑炉气氛的协助下与陶瓷表面反应，水溶液，盐蒸汽在窑炉气氛的协助下与陶瓷表面反应，即与气氛中的水反应生成即与气氛中的水反应生成HCl及含及含Na2O-Al2O3-SiO2的熔体，冷却的熔体，冷却后凝固为盐釉。后凝固为盐釉。瓷器瓷器致密烧结的白色坯体。致密烧结的白色坯体。有两种传统瓷器，即硬质瓷和软质瓷，两者配方不同，泥料的可塑性不同。有两种传统瓷器，即硬质瓷和软质瓷，两者配方不同，泥料的可塑性不同。还还有一种叫骨灰瓷，配方中除

19、了高岭土、长石、石英外还有可达有一种叫骨灰瓷，配方中除了高岭土、长石、石英外还有可达60%的骨灰。的骨灰。第17页/共63页传统陶瓷的用途传统陶瓷的用途日用陶瓷日用陶瓷主要为瓷器，一般要求有良好的白度、光泽度和热稳定性和机械强度。主要为瓷器，一般要求有良好的白度、光泽度和热稳定性和机械强度。普通工业陶瓷普通工业陶瓷主要为炻器和精陶。主要为炻器和精陶。主要包括建筑瓷、卫生瓷、电瓷、化学化工瓷等。主要包括建筑瓷、卫生瓷、电瓷、化学化工瓷等。各种日用陶瓷的配料、性能、特点和应用各种日用陶瓷的配料、性能、特点和应用日用陶瓷的类型日用陶瓷的类型原料配比原料配比/%烧成温度烧成温度/oC性能特点性能特点主

20、要应用主要应用长石质瓷长石质瓷长石长石20-30；石英；石英25-35；黏土黏土40-501250-1350瓷质洁白，半透明，不透气，瓷质洁白，半透明，不透气，吸水率低，坚硬，强度高，化吸水率低，坚硬，强度高，化学稳定性好学稳定性好餐具，茶具，陈设陶瓷餐具，茶具，陈设陶瓷器，装饰美术瓷器，一器，装饰美术瓷器，一般工业制品般工业制品绢云母质瓷绢云母质瓷绢云母绢云母30-50；高岭土；高岭土30-50石英石英15-25；其他矿物；其他矿物5-101250-1450同长石质瓷，但透明度和外观同长石质瓷，但透明度和外观色调较好色调较好餐具，茶具，工艺美术餐具，茶具，工艺美术制品制品骨灰质瓷骨灰质瓷骨灰

21、骨灰20-60；长石；长石8-22高岭土高岭土25-45；石英；石英9-201220-1250白度高，透明度好，瓷质软，白度高，透明度好，瓷质软，光泽柔和，但较脆，热稳定性光泽柔和，但较脆，热稳定性差差高级餐具，茶具，高级高级餐具，茶具，高级工艺美术瓷器工艺美术瓷器滑石质瓷滑石质瓷滑石约滑石约73；长石约；长石约12高岭土约高岭土约11；黏土约；黏土约41300-1400良好的透明度和热稳定性，较良好的透明度和热稳定性，较高的强度和良好的电性能高的强度和良好的电性能高级日用器皿，一般电高级日用器皿，一般电工陶瓷工陶瓷第18页/共63页金刚石、石墨、金刚石、石墨、非金属非氧化物陶瓷非金属非氧化物

22、陶瓷过渡金属的碳化物、过渡金属的碳化物、氮化物、硼化物等氮化物、硼化物等非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷氧化物陶瓷氧化物陶瓷6.46.4新型陶瓷材料新型陶瓷材料新型陶瓷材料新型陶瓷材料 新型陶瓷新型陶瓷按照化学组成按照化学组成 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，便于进行结构设计并具有优异特性的陶瓷。加工，便于进行结构设计并具有优异特性的陶瓷。第19页/共63页功能陶瓷功能陶瓷结构陶瓷结构陶瓷力学性能力学性能物理物理、化学性能化学性能新型陶瓷新型陶瓷按照功能按照功能第20页/共63页新型陶瓷的特点

23、新型陶瓷的特点原料原料 使用精选或提纯的氧化物、碳化物、使用精选或提纯的氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等原料氮化物、硼化物等原料化学组成控制化学组成控制成分由人工配比决定，性质的优劣有原料成分由人工配比决定，性质的优劣有原料的纯度和工艺决定，与产地关系不大的纯度和工艺决定，与产地关系不大制备工艺制备工艺真空烧结、气氛烧结、热压烧结等手段真空烧结、气氛烧结、热压烧结等手段性能性能高强度、高硬度、耐腐蚀、导电或绝缘，并在高强度、高硬度、耐腐蚀、导电或绝缘，并在声、光、电、磁、生物工程等方面有特殊功能声、光、电、磁、生物工程等方面有特殊功能用途用途多用于现代科技中的高、精、尖端领域多用于现代科技中的

24、高、精、尖端领域第21页/共63页结构陶瓷结构陶瓷氮化物氮化物陶瓷陶瓷硼化物硼化物陶瓷陶瓷碳化物碳化物陶瓷陶瓷氧化物氧化物陶瓷陶瓷第22页/共63页氧化物陶瓷氧化物陶瓷第23页/共63页氧化铝的结构是氧化铝的结构是O-2排成密排六方结构，排成密排六方结构，Al+3占据八面体间隙位置。占据八面体间隙位置。单晶氧化铝：单晶氧化铝：红宝石（含少量的红宝石（含少量的Cr)；蓝宝石（蓝宝石（含少量含少量Ti和和Fe）；）；实际生产中实际生产中,氧化铝陶瓷按氧化铝陶瓷按Al2O3含量可分为含量可分为75、95和和99等几种。等几种。氧化铝氧化铝熔点达熔点达2050，抗氧化性好。，抗氧化性好。Al2O3粉末

25、压制成形、高温烧结后得到氧化铝陶瓷。粉末压制成形、高温烧结后得到氧化铝陶瓷。氧化铝结构氧化铝结构氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷(人造刚玉人造刚玉)世界最大的红宝石：卡门露世界最大的红宝石：卡门露 收藏于美国国家自然历史博物馆收藏于美国国家自然历史博物馆可做蓝宝石激光器；可做蓝宝石激光器；第24页/共63页主要特性主要特性 高熔点、高硬度、强度高；无毒、不溶于水；对人体有较好的高熔点、高硬度、强度高；无毒、不溶于水；对人体有较好的适应性；高温抗压强度高，高化学稳定性和介电性能。适应性；高温抗压强度高，高化学稳定性和介电性能。主要用途主要用途 钠蒸气放电发光问题早在钠蒸气放电发光问题早在19501950年就

26、年就得以解决，由于没有一种能抵御高得以解决，由于没有一种能抵御高温钠蒸气（温钠蒸气（14001400）强烈腐蚀的特）强烈腐蚀的特殊材料，所以，直到殊材料，所以，直到19651965年才制取年才制取第一支高压钠灯。第一支高压钠灯。高高压压钠钠灯灯灯灯管管氧化铝热电偶套管氧化铝热电偶套管氧化铝坩埚氧化铝坩埚第25页/共63页微晶氧化铝（微晶刚玉）微晶氧化铝（微晶刚玉）硬度极高，红硬性达硬度极高，红硬性达1200，可作切削淬火钢刀具、金属拔丝模等。，可作切削淬火钢刀具、金属拔丝模等。很高的电阻率和低的导热率，是很好的电绝缘材料和绝热材料。很高的电阻率和低的导热率，是很好的电绝缘材料和绝热材料。强度和

27、耐热强度均较高（是普通陶瓷的强度和耐热强度均较高（是普通陶瓷的5倍），是很好的高温结构材倍），是很好的高温结构材料，如可作内燃机火花塞等。料，如可作内燃机火花塞等。微晶氧化铝耐磨陶瓷衬板微晶氧化铝耐磨陶瓷衬板微晶耐磨氧化铝衬砖微晶耐磨氧化铝衬砖 第26页/共63页氧化铍陶瓷氧化铍陶瓷导热性极好，很高的热稳定性，抗热冲击性较高导热性极好，很高的热稳定性，抗热冲击性较高消散高能辐射的能力强、热中子阻尼系数大消散高能辐射的能力强、热中子阻尼系数大强度低强度低应用应用 氧化铍陶瓷制造坩埚，作真空陶瓷和原子反应堆陶瓷，气体激光氧化铍陶瓷制造坩埚，作真空陶瓷和原子反应堆陶瓷，气体激光管、晶体管散热片和集成

28、电路的基片和外壳等。管、晶体管散热片和集成电路的基片和外壳等。氧化铍陶瓷散热氧化铍陶瓷散热片片和绝缘片和绝缘片第27页/共63页氧化锆陶瓷氧化锆陶瓷熔点在熔点在2700以上，耐以上，耐2300高温，推荐使用温度高温，推荐使用温度20002200；能抗熔融金属的侵蚀，能抗熔融金属的侵蚀，做铂、锗等金属的冶炼坩埚和做铂、锗等金属的冶炼坩埚和1800以上的发热体及炉子、反应堆绝热材料等；以上的发热体及炉子、反应堆绝热材料等；氧化锆作添加剂可提高陶瓷材料的强度和韧性。氧化锆作添加剂可提高陶瓷材料的强度和韧性。氧化锆增韧陶瓷可制造模具、拉丝模、泵叶轮和汽车零件如凸轮、推杆、连杆等氧化锆增韧陶瓷可制造模具

29、、拉丝模、泵叶轮和汽车零件如凸轮、推杆、连杆等ZrO2具有敏感特性，可做气敏元件，还可作钢液测氧探头等具有敏感特性，可做气敏元件，还可作钢液测氧探头等氧化锆增韧氧化铝陶瓷氧化锆增韧氧化铝陶瓷 研磨用氧化锆球研磨用氧化锆球 氧化锆陶瓷刀片氧化锆陶瓷刀片 氧化锆全瓷牙氧化锆全瓷牙第28页/共63页氧化镁、氧化钙陶瓷氧化镁、氧化钙陶瓷氧化镁、氧化钙陶瓷通常是通过加热白云石（镁或氧化镁、氧化钙陶瓷通常是通过加热白云石（镁或钙的碳酸盐）矿石除去钙的碳酸盐）矿石除去CO2而制成的。而制成的。特点特点：抗碱性熔渣腐蚀性好抗碱性熔渣腐蚀性好缺点缺点：热稳定性差，热稳定性差，MgO在高温下易挥发；在高温下易挥发

30、；CaO在空气中就易水化。在空气中就易水化。应用应用：常用作炉衬用耐火砖常用作炉衬用耐火砖第29页/共63页碳化物陶瓷碳化物陶瓷第30页/共63页1234优点：优点：很高的熔点、硬度和耐磨性（特别是在侵蚀性介质中）很高的熔点、硬度和耐磨性（特别是在侵蚀性介质中）缺点：缺点：耐高温氧化能力差、脆性极大耐高温氧化能力差、脆性极大碳化钨碳化钨碳化钼碳化钼碳化硼碳化硼碳化硅碳化硅1234碳化钨碳化钨碳化钼碳化钼碳化硼碳化硼碳化硅碳化硅1234碳化钨碳化钨碳化钼碳化钼碳化硼碳化硼碳化硅碳化硅123碳化钼碳化钼碳化硼碳化硼碳化硅碳化硅123碳化钼碳化钼碳化硼碳化硼碳化硅碳化硅第31页/共63页碳化硅陶瓷碳

31、化硅陶瓷硬度大（莫氏硬度硬度大（莫氏硬度9.5）；）；高温强度大、高温抗氧化性能好；高温强度大、高温抗氧化性能好；导热性好。导热性好。应用：应用：主要用于制造加热元件、石墨表面保护层、砂轮及磨料等。主要用于制造加热元件、石墨表面保护层、砂轮及磨料等。碳化硅磨料碳化硅磨料碳化硅陶瓷坩埚碳化硅陶瓷坩埚碳化硅电热元件碳化硅电热元件第32页/共63页碳化硼碳化硼硬度极高，抗磨粒磨损能力很强；硬度极高，抗磨粒磨损能力很强；熔点达熔点达2450。高温下会快速氧化，与热的或熔融黑色金属发生反应，使用温度限高温下会快速氧化，与热的或熔融黑色金属发生反应，使用温度限定在定在980以下。以下。应用：主要用于作磨料

32、，也用于制造超硬质工具材料。应用：主要用于作磨料，也用于制造超硬质工具材料。其它碳化物陶瓷其它碳化物陶瓷碳化钼碳化钼碳化铌碳化铌碳化钨碳化钨碳化锆碳化锆熔点和硬度都很高熔点和硬度都很高在在2000以上的中性或还原气氛中作高温材料；以上的中性或还原气氛中作高温材料；碳化铌、碳化钛还可用于碳化铌、碳化钛还可用于2500以上的氮气气氛中的高温材料。以上的氮气气氛中的高温材料。第33页/共63页氮化物陶瓷氮化物陶瓷第34页/共63页氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷硬度高而摩擦系数低，有自润滑作用，是优良的耐磨减摩材料；硬度高而摩擦系数低，有自润滑作用，是优良的耐磨减摩材料；氮化硅的耐热温度比氧化铝低，抗氧化温度高

33、于碳化物和硼化物；氮化硅的耐热温度比氧化铝低，抗氧化温度高于碳化物和硼化物；1200以下具有较高的机械性能和化学稳定性，且热膨胀系数小、抗以下具有较高的机械性能和化学稳定性，且热膨胀系数小、抗热冲击，为优良的高温结构材料；热冲击，为优良的高温结构材料；耐各种无机酸（氢氟酸除外）和碱溶液浸蚀。耐各种无机酸（氢氟酸除外）和碱溶液浸蚀。应用：应用：用于制造高温轴承、转子叶片以及加工难切削材料的刀具等；用于制造高温轴承、转子叶片以及加工难切削材料的刀具等；氮化硅陶瓷刀具氮化硅陶瓷刀具 氮化硅陶瓷轴承滚珠氮化硅陶瓷轴承滚珠第35页/共63页氮化硼陶瓷氮化硼陶瓷六方晶体结构，也叫六方晶体结构，也叫“白色石

34、墨白色石墨”；硬度低，可进行各种切削加工；硬度低，可进行各种切削加工；导热和抗热性高，耐热性好，有自润滑性能；导热和抗热性高，耐热性好，有自润滑性能；高温下耐腐蚀、绝缘性好。高温下耐腐蚀、绝缘性好。六方氮化硼六方氮化硼应用：高温耐磨材料和电绝缘材料、应用：高温耐磨材料和电绝缘材料、耐火润滑剂等。耐火润滑剂等。立方氮化硼立方氮化硼v在高压和在高压和1360六方氮化硼转化为立方六方氮化硼转化为立方-BN。v硬度接近金刚石的硬度。硬度接近金刚石的硬度。v用作金刚石的代用品用作金刚石的代用品,制作耐磨切削刀具、高温制作耐磨切削刀具、高温磨料等。磨料等。立方氮化硼陶瓷刀具立方氮化硼陶瓷刀具第36页/共6

35、3页氮化钛陶瓷氮化钛陶瓷硬度高、耐磨硬度高、耐磨刃具表面涂层；刃具表面涂层；耐磨零件表面涂层；耐磨零件表面涂层；金黄色装饰表面。金黄色装饰表面。第37页/共63页硼化物陶瓷硼化物陶瓷第38页/共63页硼化铬硼化铬硼化钼硼化钼 硼化钛硼化钛硼化钨硼化钨 硼化锆硼化锆高硬度；高硬度；较好的耐化学浸蚀能力；较好的耐化学浸蚀能力；熔点范围为熔点范围为18002500；比碳化物陶瓷具有较高的抗高温氧化性能，使用温度达比碳化物陶瓷具有较高的抗高温氧化性能，使用温度达1400应用：应用：高温轴承、内燃机喷嘴、各种高温器件、处理熔融非铁金属的器件等。高温轴承、内燃机喷嘴、各种高温器件、处理熔融非铁金属的器件等

36、。第39页/共63页 电子电子电子电子 陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷 磁性磁性磁性磁性陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷功能陶瓷功能陶瓷 光学光学光学光学 陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷 敏感敏感敏感敏感 陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷 生物生物生物生物陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷第40页/共63页压压电电性性：某某些些晶晶体体材材料料按按所所施施加加的的机机械械应应力力成成比比例例地地产产生生电电荷荷的的能力。能力。材料的压电效应取决于晶体结构的不对称性。材料的压电效应取决于晶体结构的不对称性。正正压压电电效效应应压压电电材材料料在在应应力力作作用用下下产产生生形形变变，极极化化状状态态发发生生变变化化，引起介质表面带电，表面电荷密度与应力成正比。引起介质表面

37、带电，表面电荷密度与应力成正比。P电介质矢量；电介质矢量；d压电常数；压电常数；应力。应力。逆逆压压电电效效应应施施加加激激励励电电场场，材材料料将将产产生生机机械械变变形形，应应变变与与电电场场强强度度成成正比。正比。S弹性强度；弹性强度；E电场强度；电场强度；dt压电常数。压电常数。压电陶瓷压电陶瓷第41页/共63页正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应第42页/共63页BaTiOBaTiO3 3陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷BaBaOOTiTi目前应用最广的压电陶瓷目前应用最广的压电陶瓷第43页/共63页声纳声纳第44页/共63页合成方法：合成方法：固相反应法和溶液反应法固相反应法和溶液反应法工业生

38、产主要采用固相反应法：陶瓷的组成和结构均匀性比较差工业生产主要采用固相反应法：陶瓷的组成和结构均匀性比较差溶液反应法可得到高纯超细的粉料，并可精确控制各组元的化学成分，从而溶液反应法可得到高纯超细的粉料，并可精确控制各组元的化学成分，从而改善材料的微观结构和介电性能。改善材料的微观结构和介电性能。湿化学法合成湿化学法合成BaTiO3粉料的工艺流程粉料的工艺流程粉体的粒度小于粉体的粒度小于1微米微米钛酸钡的居里温度不高（钛酸钡的居里温度不高（120oC），限制了器件的工作温度范围。），限制了器件的工作温度范围。可制成可制成BaTiO3-PbTiO3系陶瓷，提高居里温度。系陶瓷，提高居里温度。Ba

39、Cl2溶液溶液+TiCl4溶液溶液混合后滴加草酸溶液混合后滴加草酸溶液BaTiO(C2O4)24H2O沉淀、过滤、洗涤沉淀、过滤、洗涤分解分解800-900oCBaTiO3粉料粉料第45页/共63页 赫兹18871887年在实验研究麦克斯韦电磁理论时偶然发现年在实验研究麦克斯韦电磁理论时偶然发现爱因斯坦提出光子假设，提出光子假设，成功解释了光电效应，成功解释了光电效应，获得获得19211921年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖光电效应光电陶瓷光电陶瓷当陶瓷受到光照射时，由于电子在能带间的迁移和能级间的迁移而引起光的吸收现象，能带内产生自由载流子，而使电导率增加，这种现象称为光电导现象。第46页/共6

40、3页通信元件通信元件光敏元件光敏元件光电倍增管光电倍增管检测光强第47页/共63页热释电陶瓷热释电陶瓷 热释电效应热释电效应：当温度变化时，由于自发极化的相应变化而在晶体的一定方：当温度变化时，由于自发极化的相应变化而在晶体的一定方向上产生表面电荷的现象。向上产生表面电荷的现象。1）具有自发极化，但自发极化不能为外电场所转向的晶体，如电气石、）具有自发极化，但自发极化不能为外电场所转向的晶体，如电气石、CaS、CaSe、ZnO等；等；2）自发极化可以为外电场转向的晶体，如）自发极化可以为外电场转向的晶体，如LiTaO3、PbTiO3等。等。应用：应用：热释电探测器。如锆钛酸铅Pb(Zr，Ti)

41、O3具有良好的热释电性能，在红外探测和热成像系统中得到应用热释电红外检测元件热释电红外检测元件第48页/共63页敏感陶瓷敏感陶瓷指某些性能随外界条件（温度、湿度、气氛）的变化而发生改变的陶瓷指某些性能随外界条件（温度、湿度、气氛）的变化而发生改变的陶瓷材料。材料。原理：温度改变原理：温度改变电阻率改变，测电阻率就可测温度。电阻率改变，测电阻率就可测温度。温度和电阻率的关系有两种：温度和电阻率的关系有两种：正温正温度度系数（系数（PTC）热敏材料）热敏材料温度温度电阻率电阻率；如钛酸钡陶瓷；如钛酸钡陶瓷负温度系数（负温度系数（NTC）热敏材料）热敏材料温度温度电阻率电阻率（1）热敏电阻陶瓷）热敏

42、电阻陶瓷钛酸钡陶瓷或钛酸钡为主晶相的陶瓷。正温度系数热敏电阻陶瓷正温度系数热敏电阻陶瓷负温度系数负温度系数热敏电阻陶瓷热敏电阻陶瓷第49页/共63页马达的过热保护、温度控制和报警等马达的过热保护、温度控制和报警等;自动开关等；自动开关等；等温发热件、空调加热器等。等温发热件、空调加热器等。磁盘驱动器磁盘驱动器热敏电阻开关热敏电阻开关第50页/共63页 将湿度信号转化成电信号的陶瓷材料。将湿度信号转化成电信号的陶瓷材料。ZnOCr2O3陶瓷陶瓷MgCr2O4TiO2陶瓷陶瓷应用：应用：湿度指示、记录、预报、控制和自动化等。湿度指示、记录、预报、控制和自动化等。（2）湿敏电阻陶瓷）湿敏电阻陶瓷陶瓷

43、湿度传感器结构陶瓷湿度传感器结构第51页/共63页（3）磁敏电阻陶瓷）磁敏电阻陶瓷将磁性物理量转化成电信号的陶瓷材料。将磁性物理量转化成电信号的陶瓷材料。如：如：InSb、InAs、GaAs应用：应用：汽车工业中无触点汽车点火开关、家用电器和工业上无刷电机和汽车工业中无触点汽车点火开关、家用电器和工业上无刷电机和无触点开关等。无触点开关等。第52页/共63页激光激光陶瓷陶瓷光学陶瓷光学陶瓷透明透明陶瓷陶瓷红外红外光学光学陶瓷陶瓷 具有优良的耐热性、耐风化性、耐膨胀性；能透过可见光，还能够透过波长更长或波长更短的光；光损耗低，能在远距离进行光传播；经光的照射，其性质发生可逆或不可逆变化。第53页

44、/共63页基质晶体：为激活离子提供适当的晶格场；基质晶体：为激活离子提供适当的晶格场；发光中心：少量的掺杂离子。发光中心：少量的掺杂离子。红宝石激光晶体：掺入红宝石激光晶体：掺入Cr3的的a a-Al2O3单晶单晶掺钕的钇铝石榴石晶体掺钕的钇铝石榴石晶体方向发展：大尺寸、高功率、宽带可调谱、新波长。方向发展：大尺寸、高功率、宽带可调谱、新波长。激光陶瓷激光陶瓷第54页/共63页透明陶瓷透明陶瓷消除气孔和控制晶粒异常长大！消除气孔和控制晶粒异常长大！添添加加剂剂烧烧结结气气氛氛原原料料烧烧结结技技术术氧化物透明陶瓷氧化物透明陶瓷:Al2O3、Gd2O3、CaO、MgO、BeO等等非氧化物透明陶瓷

45、非氧化物透明陶瓷:GaAs、ZnS、ZnSe、MgF2、CaF2等等第55页/共63页|应应用用：陶陶瓷瓷、复复合合材材料料、金金属属材材料料、功功能能梯梯度度材材料料、纳纳米米材材料料、热热电材料、非晶合金及一些用传统方法难以烧结的材料等电材料、非晶合金及一些用传统方法难以烧结的材料等|在在压压力力作作用用下下通通过过颗颗粒粒间间的的微微区区电电火火花花放放电电以以实实现现快快速速致致密密化化的过程的过程|特点：烧结温度较低特点：烧结温度较低,烧结时间短烧结时间短放电等离子烧结放电等离子烧结(SPS)第56页/共63页SPSDCpulsegeneratorSPScontrollerSPSsi

46、nteringpressPositioningOperatingenvironment(Vacuum,Air&Gas)ThermometerWatercoolingPPVacuum&watercoolingchamberUpperelectrodeLowerelectrodeSampleDie第57页/共63页技术优势技术优势低温短时烧结低温短时烧结烧结难烧结材料烧结难烧结材料烧结非晶材料烧结非晶材料烧结亚稳材料烧结亚稳材料连接不相熔材料连接不相熔材料烧结纳米材料烧结纳米材料现象现象产生放电等离子体产生放电等离子体产生放电冲击压力产生放电冲击压力产生焦耳热产生焦耳热电场作用电场作用热扩散热扩散

47、效果效果表面活化表面活化高速扩散和转移高速扩散和转移塑性变形塑性变形快速加热和冷却快速加热和冷却SPS机理机理第58页/共63页用于红外导弹的窗口、红外透镜和其他高温窗口。Y2O3Y2O3掺杂材料掺杂材料红外区有高透过率红外区有高透过率红外光学陶瓷红外光学陶瓷在红外区有在红外区有8080左右的透过率左右的透过率第59页/共63页生物陶瓷生物陶瓷用于人体器官替换、修补以及外科矫形的陶瓷材料。用于人体器官替换、修补以及外科矫形的陶瓷材料。要求：要求：?具有良好的力学性能；具有良好的力学性能；?在体内难于溶解，不易氧化，不易腐蚀变质；在体内难于溶解，不易氧化，不易腐蚀变质；?热稳定性好；热稳定性好；

48、?耐磨且有一定的润滑性；耐磨且有一定的润滑性；?和人体组织的亲和性好；和人体组织的亲和性好；?组成范围宽，易于成形等。组成范围宽，易于成形等。第60页/共63页传统的生物陶瓷，传统的生物陶瓷，稳定性好，稳定性好，纯度高，纯度高，可制成单晶、可制成单晶、多晶、多晶、多孔材料多孔材料生物惰性陶瓷生物惰性陶瓷氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷氧化锆陶瓷氧化锆陶瓷碳素类陶瓷碳素类陶瓷与血液相容性好、与血液相容性好、抗血栓性好、抗血栓性好、与组织亲和性好、与组织亲和性好、耐蚀、耐蚀、耐疲劳耐疲劳生物相容性好、生物相容性好、稳定性高、稳定性高、更高的断裂韧性、更高的断裂韧性、更耐磨更耐磨第61页/共63页生物活性陶瓷生物活性陶瓷 具有优异的生物相容性，能与骨形成结合面，结合强度高，稳定性好，参与代谢。123羟基羟基磷灰石磷灰石陶瓷陶瓷磷酸钙磷酸钙陶瓷陶瓷生物活性生物活性玻璃陶瓷玻璃陶瓷第62页/共63页感谢您的观看！第63页/共63页