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材料讲堂先进陶瓷材料纯本人制作,第三章 常见先进陶瓷的应用,第二章 先进陶瓷材料的制备工艺,目录 CONTENTS,第一章 陶瓷材料简介,材料：金属材料、有机高分子材料、无机非金属材料。,第一章 陶瓷材料简介,传统上，陶瓷的概念是指以粘土及其天然矿物为原料，经过粉碎混合、成型、焙烧等工艺过程所制得的各种制品。亦称为“普通陶瓷”。,一、陶瓷的概念,陶瓷材料简介,广义的陶瓷概念：是用陶瓷生产方法制造的无机非金属固体材料和制品的统称。,按陶瓷的概念和用途来分类，陶瓷制品分为两大类，即普通陶瓷（传统陶瓷）和先进陶瓷（新型陶瓷）。,二、陶瓷的分类,普通陶瓷,先进陶瓷,陶瓷材料简介,普通陶瓷与先进陶瓷的主要区别,陶瓷材料简介,结构陶瓷：是指能作为工程结构材料使用的陶瓷。它具有高强度、高硬度、高弹性模量、耐高温、耐磨损、耐腐蚀、抗氧化、抗热震等特性。强调力学性能。,功能陶瓷：功能陶瓷是具有电、磁、光、热、化学、生物等特性，且具有相互转化功能的一类陶瓷。强调物理、化学性能。,透明陶瓷灯,陶瓷球阀,先进陶瓷可分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类。,陶瓷材料简介,陶瓷加工一般是很难的。氧化还原法或还原碳化、还原氮化缺点：杂质多，粉体粒度一般在1m以上。1mm2m，其电容值却可达250F。普通陶瓷与先进陶瓷的主要区别ZrSiO4+NaOHZrO2+Na2SiO3胚体烧结 是指把成型胚体转变为致密体的工艺过程。以ZrO2陶瓷粉体为例：氧化还原法或还原碳化、还原氮化第二章 先进陶瓷材料的制备工艺液相法 以均相的溶液为出发点，通过各种方法使溶质与溶剂分离，溶质形成一定大小和形状的颗粒，得到所需粉末的前躯体，热解后得到粉体。抛光机：使陶瓷件形成光滑的表面。常压烧结 烧结胚体在无外加压力、只在常压下，即自然 大气条件下，置于窑炉中，进行烧结。陶瓷材料属于硬脆材料，陶瓷：在磨粒切削刃撞击工件瞬间，材料内部产生裂纹，这些裂纹的连接就形成切屑。宏观变化：体积收缩、致密度提高、强度增加。化学合成法二：液相法电子陶瓷：如绝缘陶瓷、介电陶瓷、铁电陶瓷、压电陶瓷、磁性陶瓷、导电陶瓷、超导陶瓷等；,结构陶瓷,氧化物陶瓷：如氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、莫来石陶瓷、氧化镁陶瓷、氧化钙陶瓷、氧化铍陶瓷等。氮化物陶瓷：如氮化硅陶瓷、氮化硼陶瓷等。碳化物陶瓷：如碳化硅陶瓷、碳化硼陶瓷等。硼化物陶瓷：如硼化钛陶瓷、硼化锆陶瓷等。,按组分分类，结构陶瓷可分为：,V型陶瓷球阀 结构陶瓷吸声板 氧化锆纳米陶瓷刀,陶瓷材料简介,功能陶瓷,电子陶瓷：如绝缘陶瓷、介电陶瓷、铁电陶瓷、压电陶瓷、磁性陶瓷、导电陶瓷、超导陶瓷等；热学陶瓷：如耐热陶瓷、隔热陶瓷、导热陶瓷等；光学陶瓷：如透明陶瓷、红外辐射陶瓷、发光陶瓷等；生物陶瓷：如生物活性陶瓷、医用陶瓷等。,按特性分类，功能陶瓷可分为：,稀土发光陶瓷,陶瓷材料简介,第二章 陶瓷材料的制备工艺,陶瓷烧结炉,粉体制备是指将各种原料通过物理机械或化学方法，制成所需的粉体。,陶瓷材料的制备工艺,一、粉体制备,1.物理粉碎法,物料粉碎法分为：机械粉碎和气流粉碎。,机械粉碎,优点：设备成本低，过程简单，易操作。缺点：杂质多，粉体粒度一般在1m以上。,气体粉碎,陶瓷材料的制备工艺,优点：粉体纯度、粒度可控，均匀性好，颗粒微细。缺点：过程复杂，不易操作。,固相法 通过从固相到固相的变化，来制造粉体。热分解反应法：A(s)B(s)十C(g)化合反应法：A(s)+B(s)C(s)+D(g)氧化还原法或还原碳化、还原氮化 如：3SiO2+6C+2N2 Si3N4+6CO,化学合成法一：固相法,化学合成法：固相法、液相法和气相法。,2.化学合成法,陶瓷材料的制备工艺,液相法 以均相的溶液为出发点，通过各种方法使溶质与溶剂分离，溶质形成一定大小和形状的颗粒，得到所需粉末的前躯体，热解后得到粉体。以ZrO2陶瓷粉体为例：,化学合成法二：液相法,ZrSiO4+NaOHZrO2+Na2SiO3,（1）水热法：,陶瓷材料的制备工艺,液相法 以均相的溶液为出发点，通过各种方法使溶质与溶剂分离，溶质形成一定大小和形状的颗粒，得到所需粉末的前躯体，热解后得到粉体。以ZrO2陶瓷粉体为例：,化学合成法二：液相法,（2）水解法：,陶瓷材料的制备工艺,液相法 以均相的溶液为出发点，通过各种方法使溶质与溶剂分离，溶质形成一定大小和形状的颗粒，得到所需粉末的前躯体，热解后得到粉体。以ZrO2陶瓷粉体为例：,化学合成法二：液相法,陶瓷材料的制备工艺,（3）喷雾法：,气相法 直接利用气体或通过某种手段将物质变为气体，使之在气体状态下发生物理化学反应，最后在冷却过程中凝聚长大形成纳米微粒。,化学气相沉积法,化学合成法三：气相法,陶瓷材料的制备工艺,二、胚体成型,陶瓷材料的制备工艺,对注浆成型所用的浆料，必须具备以下性能：流动性好稳定性好（不易沉淀和分层）脱模性好,1.注浆成型（传统成型）,缺点：劳动强度大不易自动化收缩形变大,陶瓷材料的制备工艺,四柱式液压成型机,模压受力分布,优点：工艺简单、易自动化生产。缺点：胚体有明显的各向异性，不适用形状复杂的制品。,陶瓷材料的制备工艺,2.模压成型,等静压成型 又称静水压成型，利用液体介质不可压缩性和均匀传递压力性的一种成型方法。,胚体密度高制品密度接近理论密度不易变形,优点,设备投资成本高不易自动化生产效率不高,3.等静压成型,陶瓷材料的制备工艺,缺点,陶瓷材料的制备工艺,4.流延成型,（专用于制作陶瓷薄膜）,步骤：,流延成型薄膜制备过程,成品（陶瓷电容器）,优点：工艺稳定，生产效率高，自动化程度高，可制备厚度为10-1000m的高质量陶瓷薄膜。缺点：胚体粘结剂含量高，胚体密度小，烧成收缩率高达20-21%。,挤压成型：适用于连续化批量生产管、棒状制品，易自动化。注射成型：间歇式的操作过程，可生产结构复杂的制品。,挤压成型,注射成型,陶瓷材料的制备工艺,5.其它的成型方法,三、胚体烧结,陶瓷材料的制备工艺,宏观变化：体积收缩、致密度提高、强度增加。微观变化：晶粒长大，气孔减少。,胚体烧结 是指把成型胚体转变为致密体的工艺过程。,1.常压烧结（普通烧结）,陶瓷材料的制备工艺,常压烧结 烧结胚体在无外加压力、只在常压下，即自然 大气条件下，置于窑炉中，进行烧结。,设备简单便宜，最传统、最简便、最广泛的一种方法。,价格：31万欧元（￥260万）,2.热压烧结,热压烧结 在烧结过程中同时对坯料施加压力，加速了致密化的过程。,烧结温度低烧结时间短制品密度高,优点,设备价格成本高生产率低,缺点,陶瓷材料的制备工艺,对于空气中很难烧结的制品，为防止其氧化等，研究了气氛烧结方法。即在炉膛中通入一定的气体（惰性气体），在此气氛下进行烧结。如Si3N4、SiC等非氧化物，在高温下易被氧化，因而需要在惰性气体中进行烧结。,陶瓷材料的制备工艺,3.气氛烧结,四、陶瓷精加工,先进陶瓷的精细加工已经成为一门专门技术。,陶瓷材料的制备工艺,力学的 化学的 光化学的 光刻电化学的 电解抛光电学的 光学的 激光加工,陶瓷精加工种类,以力学加工为主,陶瓷材料的制备工艺,磨削原理：,金属：依靠磨粒切削刃引起的剪切作用，生成带状或近带状的切屑。陶瓷：在磨粒切削刃撞击工件瞬间，材料内部产生裂纹，这些裂纹的连接就形成切屑。,1.磨削加工,陶瓷材料的制备工艺,材料讲堂先进陶瓷材料纯本人制作胚体烧结 是指把成型胚体转变为致密体的工艺过程。氧化还原法或还原碳化、还原氮化材料：金属材料、有机高分子材料、无机非金属材料。以ZrO2陶瓷粉体为例：化学合成法二：液相法第一章 陶瓷材料简介化学合成法一：固相法稳定性好（不易沉淀和分层）对于空气中很难烧结的制品，为防止其氧化等，研究了气氛烧结方法。第一章 陶瓷材料简介蚀刻：磨削、研磨、抛光等结构陶瓷方面：由于其高韧性、高抗弯强度和高耐磨性，优异的隔热性能，热膨胀系数接近于钢等优点，因此被广泛应用于结构陶瓷领域。,陶瓷球阀磨削加工,磨削加工设备：外圆磨床：磨削各种圆柱体、外圆锥体的外圆。平面磨床：加工工件的平面、斜面、成型面。抛光机：使陶瓷件形成光滑的表面。,1.磨削加工,陶瓷材料的制备工艺,工业上，最常用的是磨料切割，其多数采用金刚石砂轮进行切割，可以得到精度相当高的切割面。,切割机,金刚石砂轮,2.切割加工,陶瓷材料的制备工艺,对直径在一定范围的孔，广泛采用金刚石钻头（空心钻头）进行圆孔加工。,3.打孔加工,陶瓷材料的制备工艺,激光、超声波加工,激光切割机 激光打孔机 超声波打孔机,陶瓷材料的制备工艺,尖晶石透明陶瓷,刚玉陶瓷,光学石英玻璃,第三章 常见先进陶瓷的应用,氧化铝陶瓷,绝缘材料,高压钠灯,常见先进陶瓷的应用,热学：熔点很高，可作高级耐火材料，如坩埚、高温炉管等。力学：硬度大，可以制造实验室使用的刚玉磨球机。光学：用高纯度的原料，使用先进工艺，还可以使氧化铝陶瓷变得透明，可制作高压钠灯的灯管。电学：目前国内外常用的电子绝缘材料是都是Al2O3陶瓷。,氧化铝陶瓷,人造宝石 红宝石和蓝宝石的主要成分都是Al2O3。红宝石呈现红色是由于其中混有少量含铬化合物；蓝宝石呈蓝色则是由于其中混有少量含钛化合物。,常见先进陶瓷的应用,氧化锆陶瓷,结构陶瓷方面：由于其高韧性、高抗弯强度和高耐磨性，优异的隔热性能，热膨胀系数接近于钢等优点，因此被广泛应用于结构陶瓷领域。,轴承,瓷球,刀具,陶瓷球阀,高尔夫球的轻型击球棒,常见先进陶瓷的应用,功能陶瓷方面：优异的耐高温性能：感应加热管、耐火材料、发热元件等。敏感的电性能参数：氧传感器、固体氧化物燃料电池和高温发热体等。,超高温氧化锆窑具（耐火材料）,汽车用氧传感器氧化锆陶瓷管,常见先进陶瓷的应用,氧化锆陶瓷,特性：密度小、本身具有润滑性，耐磨损，抗腐蚀能力强（除氢氟酸外，不与其他无机酸反应）；高温时也能抗氧化，抵抗冷热冲击性能强，在空气中加热到1000以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂。正是Si3N4陶瓷具有如此良好的特性，人们常常用它来制造轴承、汽轮机叶片、机械密封环、永久性模具等机械构件。,常见先进陶瓷的应用,氮化硅陶瓷,SiC陶瓷：除了具有优良的常温力学性能，还具有优良的高温力学性能。SiC陶瓷是已知陶瓷材料中高温力学性能(强度、抗蠕变性等)最佳的。,高温轴承（1300）,高温防腐换热器,缺点是脆性较大，为此近几年以SiC陶瓷为基的复相陶瓷，如纤维补强、异相颗粒弥散强化材料相继出现，改善了单体材料的韧性和强度。,常见先进陶瓷的应用,碳化硅陶瓷,钛酸钡陶瓷,BaTiO3陶瓷 是一种介电材料，其介电常数高，介电损耗低，用钛酸钡陶瓷制成的多层陶瓷电容器，最小尺寸可达0.2mm0.1mm2m，其电容值却可达250F。,电容示意图,多层陶瓷电容器,电路板,常见先进陶瓷的应用,Make Presentation much more fun,谢 谢！,谢谢观看,