陶瓷材料专题讲座教学PPT.ppt

华夏文化拮英 陶瓷,化学物理交叉班 蔡乐娟 2009213636,陶瓷,概念陶瓷是以粘土为主要原料以及各种天然矿物经过粉碎混炼、成型和煅烧制得的材料以及各种制品。陶器和瓷器的总称。用陶土烧制的器皿叫陶器；用瓷土烧制的器皿叫瓷器。陶与瓷的区别还在于温度的不同。在制陶的温度基础上再添火加温，陶就变成了瓷。陶器的烧制温度在800-1000度，瓷器则是用高岭土在1300-1400度的温度下烧制而成。,一般结构与性质,多相结构是陶瓷材料特有的微结构特征，由晶相、玻璃相、和气孔组成各相的组成结构、数量、几何形态及分布不同，使不同的陶瓷材料性能各异。晶相是陶瓷中最重要的组成相，主晶相的性能常常决定着陶瓷的物化性能，大多数氧化物结构是氧原子排成简单立方、面心立方和密排六方晶体结构，金属原子位于其间隙。晶粒是陶瓷体相的组成单元，是陶瓷材料的最基本最重要的显微组成；陶瓷晶体的主要缺陷是空位。,一般结构与性质,玻璃相是非晶态结构的低熔点固体组织，它填充晶粒间隙，在陶瓷结构中起粘结的作用，提高材料的致密程度，降低陶瓷的烧结温度和高温强度，抑制晶粒生长过大。气孔包括开孔与闭孔两种，开孔在烧结过程中一部分消失，一部分转化为闭孔，陶瓷的许多电气性能与热性能随气孔率、气孔尺度在较大范围内变化。,陶瓷分类,简单分为硬质瓷，软质瓷、特种瓷三大类。我国所产的瓷器以硬质瓷为主。硬质瓷器，坯体组成熔剂量少，在1360以上色白质坚，有好的强度，高的化学稳定性和热稳定性，又是电气的不良传导体。软质瓷器与硬质瓷不同点是坯体内含的熔剂较多，烧成温度在1300以下，机械强度，介电强度均低，其特点是半透明度高。特种瓷种类很多，多以各种氧化物为主体，具有高强、耐温、耐腐蚀或具有各种敏感性。,特种陶瓷分类,结构陶瓷：具有优越的强度、硬度、绝缘性、热传导、耐高温、耐氧化、耐腐蚀、耐磨耗、高温强度等特色，在非常严苛的环境或工程应用条件下，仍然保持高稳定性与优异的机械性能。功能陶瓷：对电、磁、光、热、化学、生物等现象或物理量有很强反应，或能使上述某些现象或量值发生相互转化的陶瓷材料。化学组成划分：氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、硼化物陶瓷、硅化物陶瓷、碳化物陶瓷等。,功能陶瓷,钇钡铜氧陶瓷在98K时具有超导性能，为超导材料的实用化开辟了道路，成为人类超导研究历程的重要里程碑。压电陶瓷在力的作用下表面就会带电，反之若给它通电它就会发生机械变形。气敏陶瓷制成的气敏元件能对易燃、易爆、有毒、有害气体进行监测、控制、报警和空气调节。光敏陶瓷制成的电阻器可用作光电控制，进行自动送料、自动曝光、和自动记数。电容器陶瓷能储存大量的电能，目前全世界每年生产的陶瓷电容器达百亿支，在计算机中完成记忆功能。,压电陶瓷点火机,平面半导体空气质量传感器,光敏电阻,陶瓷电容器,陶瓷合成,陶瓷粉：制备陶瓷时所有原料经充分混合均匀后焙烧（也叫预烧，预合成）后的粉末状物质。气相合成法：蒸发凝聚法（物理气相沉积，PVD）和化学气相沉积（CVD）法。由气相合成析出的固体形态有晶须、薄膜、晶粒和微细粉末等。1）蒸发凝聚法与液相合成法中的溶液喷雾法一样，将原料在高温下气化，用电弧、等离子体进行急冷而使其凝缩为微细粉料。2）气相反应法 是通过金属化合物蒸气的化学反应而合成的方法。在SiC、Si3N4等的合成中使用该方法。,陶瓷合成,液相合成法：液相有熔液和溶液。将陶瓷的熔液制成液滴，以等离子流使之形成雾状，固化后便可获得粉末。这种方法虽然作为合成金属的方法而广泛使用，但陶瓷的液化必须在高温下进行，因为一面分解，一面易于引起相分离，所以其利用实例较少，而广泛利用溶液合成法。溶液合成法分为：溶剂脱除法和沉淀生成法两种。,陶瓷合成,陶瓷合成,溶剂脱除法：即用物理方法将溶剂脱除、溶液浓缩而使之析出溶质的方法。浓缩后的干燥方法有：加热喷雾干燥法和在真空中进行的冻结干燥法。沉淀生成法：即用沉淀的形式将溶液与溶质分离的方法。有共沉法、均匀沉淀法、醇化物加水分解法和电解法。沉淀物经过滤、洗净、干燥、热分解而成为粉末。还有所谓溶胶法，这种方法是通过将分散了的微粒子溶胶进行凝胶化而使之粉末化的方法。,陶瓷合成,烧结：在高温下（低于熔点），陶瓷生坯固体颗粒的相互键联，晶粒长大，空隙(气孔)和晶界渐趋减少，通过物质的传递，其总体积收缩，密度增加，最后成为具有某种显微结构的致密多晶烧结体。,氧化铝陶瓷,Al2O3为主要成分,含有少量SiO2的陶瓷，又称高铝陶瓷，是高熔点氧化物中研究得最成熟。特点：1、高强度、高温稳定性：装饰瓷，喷嘴、火箭、导弹的导流罩。,氧化铝陶瓷,2、高硬度、高耐磨性：切削工具，模具，磨料，轴承，人造宝石；3、熔点高、抗腐蚀：耐火材料，坩埚，炉管，热电偶保护套等；,氧化铝陶瓷,4、离子导电性：太阳能电池材料和蓄电池材料等。5、生物相容性：还可用于制作人工骨骼和人造关节等。6、低的介电损耗、高电阻率、高绝缘性：火花塞，电路基板，管座。此外，Al2O3瓷还有透光性，用作钠灯灯管，红外线窗口；以Al2O3-CaO为主要成分的Al2O3水泥，硬化快，发热量大，是冬季和赶工期的建筑材料。,氧化锆陶瓷,氧化锆陶瓷是新近发展起来的仅次于氧化铝陶瓷的一种很重要的结构陶瓷。由于它的一些良好的性能(如它的断裂韧性高于氧化铝陶瓷)，因而越来越受到人们的重视。1）热导率小，化学稳定性好、耐腐蚀性高：可用于高温绝缘材料、耐火材料，如熔炼铂和铑等金属的坩埚、喷嘴、阀心、密封器件等：2）硬度高，耐磨性好：可用于制造切削刀具、模具、剪刀、高尔夫球棍头等。3）具有敏感特性：可做气敏元件，还可作为高温燃料电池固体电解隔膜、钢液测氧探头等。,氧化锆陶瓷,1）热导率小，化学稳定性好、耐腐蚀性高：可用于高温绝缘材料、耐火材料，如熔炼铂和铑等金属的坩埚、喷嘴、阀心、密封器件等。2）硬度高，耐磨性好：可用于制造切削刀具、模具、剪刀、高尔夫球棍头等。3）具有敏感特性：可做气敏元件，还可作为高温燃料电池固体电解隔膜、钢液测氧探头等。,部分稳定氧化锆制品,氧化铍陶瓷,氧化铍（BeO）晶体为无色，属六方晶系，晶体很稳定，很致密，且无晶形转变。氧化铍陶瓷最大的特点就是导热性好，具有与金属相近的良好的导热系数，可用来作散热器件等。氧化铍陶瓷具有良好的高温稳定性，耐碱性强，可以用来作冶炼稀有金属和高纯金属的坩锅。氧化铍陶瓷还具有良好的核性能，可用来作核反应堆的中子减速剂和防辐射材料。,氮化硅陶瓷,Si3N4晶体构造,氮化硅是由SiN4四面体共用顶角构成的三维空间网络。,（1）硅粉直接氮化法,用化学纯的硅粉(粒径10m、纯度至少在95%以上)，在NH3，N2+H2或N2气氛中直接与氮反应实现：,优点：工艺流程简单，成本低。缺点：反应慢，故需较高的反应温度和较长的反应时间，粒径分布较宽，而且产物是块状的需要进一步经过粉碎、磨细和纯化才能达到质量要求。,（2）SiO2还原氮化法,将SiO2的细粉与碳粉混合后，通过热还原首先生成SiC，然后SiC再被氮化生成块状的氮化硅。总的化学反应式为：,特点：原料来源丰富，反应产物是疏松粉末，毋需粉碎处理，从而避免了杂质的重新引入。氮化硅粉末粒型规整，粒度分布窄。含量高。但含碳和氧高，必须想办法除去多余的部分。,氮化硅陶瓷的性能,氮化硅陶瓷强度高，韧性好，是最好的陶瓷材料之一。,氮化硅陶瓷有高的电阻率，高的介电常数，低的介质损耗，可用作电路基片，高温绝缘体，电容器，雷达天线等。,氮化硅有优良的化学稳定性、硬度高、摩擦系数低。,Si3N4轴承,氮化硼（BN）陶瓷,BN与C2 是等电子体，性质相似。,氮化硼（BN）共有三种结晶构造，分別是六方氮化硼（HBN），密排六方氮化硼（WBN）和立方氮化硼（CBN）。WBN和CBN是由HBN在高温、高压下转变而成，HBN在常压下是稳定相，WBN和CBN是高压稳定相，在常压下是亚稳相。,谢谢大家,