现代陶瓷材料及其先进制备技术ppt课件.ppt

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1、现代陶瓷材料及其先进制备技术,中国海洋大学材料科学与工程研究院,戴金辉,结构陶瓷材料的研究进展,陶瓷材料的发展历程及现代陶瓷材料的内涵现代陶瓷材料的特点及其应用现代陶瓷的先进制备方法现代陶瓷材料的研究方向深海浮力材料简介,陶瓷材料的发展历程及现代陶瓷材料的内涵,陶瓷材料的发展历程,古老的文明 时代的见证,6000年前,唐 宋 元 明 清,陶瓷材料的发展历程,陶器,炻器,瓷器,技术进步推动材料优化,陶瓷材料的发展历程,科技进步的标志国家实力的象征,陶瓷材料的发展历程,古 代日用陶瓷为主（杯盘碗罐）,近 代日用陶瓷建筑陶瓷卫生陶瓷电 瓷工艺陶瓷,现 代传统陶瓷（日用、建筑、卫生陶瓷等）现代陶瓷 结

2、构陶瓷（发挥其力学特性）高强、超硬、耐高温等 功能陶瓷（发挥其物力性能）电容器介质陶瓷、压电陶瓷、敏感陶瓷、磁性陶瓷、生物 陶瓷、超导陶瓷、陶瓷基功 能复合材料,材料,有机材料,无机非金属材料,金属材料,玻璃,陶瓷,水泥,耐火材料,其他无机矿物材料,复合材料,陶瓷材料,陶瓷材料的发展历程,陶瓷材料的发展历程,品种 传统陶瓷 现代材料原料 天然矿物 人工合成高纯度原料制备工艺 矿物加工成型烧结,组分多样化性能多元化应用广泛化,现代陶瓷材料高新技术,现代陶瓷材料的内涵,三个特点属于高新技术产品；技术经济密集型产品；具有优异的和特殊的性能。,现代陶瓷材料的特点及其应用,现代陶瓷材料分类,按化学成分分

3、类 氧化物陶瓷单一氧化物陶瓷 Al2O3、ZrO2等复合氧化物陶瓷 莫来石（3Al2O32SiO2）尖晶石（Mgl2O4）硅酸盐（ZrSiO4、CaSiO3）BaTiO3、CaTiO3等,碳化物陶瓷 SiC、WC、B4C、TiC 氮化物陶瓷 Si3N4、TiN、BN、TiC 硼化物陶瓷 TiB2、ZrB2,现代陶瓷材料的分类,陶瓷按化学成分分类表,按性能和用途分类 结构陶瓷：用作结构材料，制造结构零部件，主要使用其力学性能。（强度、韧性、硬度、耐磨性及耐高温性等）功能陶瓷：用作功能材料，制造功能器件，主要使用其物理性能。（电、磁、声、光、热及生物性能）,现代陶瓷材料的分类,基本结构特点 金属材

4、料：金属键 无方向性 陶瓷材料：离子键、共价键 很强的方向性及结合强度,现代陶瓷材料的特点,基本性能特点 金属材料良好的塑性 陶瓷材料：1）高硬度优异的耐磨性 2）高强度优良的机械性能 3）高熔点杰出的耐热性 4）高化学稳定性良好的耐腐蚀性,现代陶瓷材料的特点,陶瓷材料的缺点,现代陶瓷材料的特点,脆性,断裂和失效方式,不可恢复性,不可加工性,安全和可靠性,强韧化技术,可加工陶瓷,超塑性陶瓷,？,现代陶瓷材料的应用,陶瓷材料,科技进步的先导，国家安全的保障,现代陶瓷的先进制备方法,陶瓷材料的制备过程,现代陶瓷的先进制备方法,现代陶瓷的先进制备方法,热压注成型陶瓷粉料石蜡（12.513.5%）热的

5、流动浆料,模具,恒温槽,供料管,盛浆桶,料浆,成型制品尺寸精确 制品表面光洁度高 适合各种复杂形状制品成型 不适合薄壁和大件制品成型,现代陶瓷的先进制备方法,注凝成型（gel-casting）有机单体溶液+分散剂浆料 浆料+引发剂、催化剂聚合体,工艺及机理 以丙烯酰胺体系为例 单体：丙烯酰胺（AM）N,N-亚甲基双丙烯酰胺（MBAM）分散剂：柠檬酸 引发剂：过硫酸铵（APS）催化剂：N,N,N,N四甲基乙二胺（TEMED）,工艺过程,现代陶瓷的先进制备方法,机理,现代陶瓷的先进制备方法,原位固化,现代陶瓷的先进制备方法,注凝成型实例,近静尺寸成型 陶瓷坯体密度高 可以机械加工 适合各种复杂形状

6、制品成型 适合大件制品成型,现代陶瓷的先进制备方法,轧膜成型,现代陶瓷的先进制备方法,等静压成型 利用高压液体传递压力成型 湿式等静压、干式等静压,湿式等静压,现代陶瓷的先进制备方法,干式等静压,现代陶瓷的先进制备方法,陶瓷坯体密度高且分布均匀 适合简单形状制品成型 不适合大件制品成型,流延成型,现代陶瓷的先进制备方法,陶瓷材料的制备过程,原料制备,配料制备,坯体成型,烧结,后处理,现代陶瓷的先进制备方法,陶瓷材料的烧结方法,常压烧结（Pressureless Sintering）反应烧结（Reaction Sintering）热压烧结（HPHot Pressed Sintering）高温等静

7、压烧结（HIPHot isostatic pressing）气压烧结（GPSGas Pressed Sintering）等离子放电烧结（SPSSpark Plasma Sintering）,现代陶瓷的先进制备方法,常压烧结 在通常的空气条件下对制品进行烧结 传统陶瓷的烧结 氧化物陶瓷的烧结 抗氧化组分材料的烧结 最普通、最常用的烧结方法 一般得不到完全致密的材料,现代陶瓷的先进制备方法,反应烧结,一般适用于非氧化物陶瓷材料,反应烧结碳化硅陶瓷（自结合碳化硅）,硅粉,-SiC+石墨,1650C,Si+C(石墨)-SiC,现代陶瓷的先进制备方法,反应烧结氮化硅,硅粉,N2,3Si+2N2 Si3N

8、4,1450C,现代陶瓷的先进制备方法,热压烧结(HP)适用于难烧结材料的烧结 SiC、WC、B4C、TiC、Si3N4、TiN、BN、TiC 压力：30MPa 温度：2300C,现代陶瓷的先进制备方法,气压烧结（GSP）利用气体的压力烧结 压力：10100MPa 温度：2300C 高温等静压 类似等静压成型，金属薄代替橡胶模具 压力：100300MPa 温度：2300C,现代陶瓷的先进制备方法,等离子放电烧结（SPS）,快速烧结渴望获得细晶陶瓷目前仅能做20mm小试样,P,现代陶瓷的先进制备方法,现代陶瓷材料的研究方向,现代陶瓷材料的研究方向,材料发展的根本动力技术发展的需求,研究热点的形成

9、,宏观经济、科技政策引导,传统理论、技术的缺陷,人们认识世界、改造世界的需求,材料研究热点问题,现代陶瓷材料的研究方向,结构陶瓷材料的强韧化结构功能一体化陶瓷材料新功能开发及应用新材料、新结构的制备及性能陶瓷材料的纳米化技术及其应用,相变增韧技术,马氏体相变 带有5的体积膨胀,增韧机理：应力诱导相变韧化 微裂纹韧化,结构陶瓷的强韧化技术,结构陶瓷的强韧化技术,颗粒弥散增韧技术,颗粒增韧 第二相引入陶瓷基体中，使其成弥散分布并起增强陶瓷基体作用。,裂纹偏转，增加裂纹扩展路径,结构陶瓷的强韧化技术,纤维和晶须增韧技术,结构陶瓷的强韧化技术,自增韧技术,结构陶瓷的强韧化技术,结构陶瓷的强韧化技术,陶

10、瓷材料的纳米化及潜在应用,陶瓷材料的纳米化及潜在应用,陶瓷材料的纳米化及潜在应用,纳米发电技术,深海浮力材料,7000米载人潜水器,2010年11月5日,深海浮力材料,70%,30%,2010年11月5日,深海浮力材料,2006年前,中国,和谐号、蛟龙号2007-2009,2000m,7000m,发展动态,存在的问题 主要原料高强空心玻璃微珠依赖进口 深海浮力材料没有形成生产能力,2010年11月5日,深海浮力材料,浮力材料基本结构,空心玻璃微珠,添加剂,环氧树脂,浮力材料,填充度60%,填充度74%,密度：0.60.74+10.26=0.704g/cm3,玻璃微珠浮力材料的核心,2010年1

11、1月5日,深海浮力材料,空心玻璃微珠性能,3M 玻璃微球普通系列(碱石灰硼硅酸盐玻璃)等级 抗压强度(MPa)真实密度 平均粒径(mm)K1 1.72 0.125 110 K15 2.07 0.15 105 K20 3.45 0.2 110 K25 5.17 0.25 95 K37 20.67 0.37 80 K46 41.34 0.46 75 S60HS 124.02 0.6 50,2010年11月5日,深海浮力材料,提高浮力材料性能的关键环节,耐高压,提高填充骨料强度,营造内部空间,低密度,2010年11月5日,深海浮力材料,研究工作整体构思及目标,玻璃微珠：密度70MPa陶瓷空心球：密度

12、100MPa,2010年11月5日,深海浮力材料,关键技术,2010年11月5日,深海浮力材料,目前研究进展,Synthesis of hollow glass-ceramics microspheres via template methodMaterials Research Bulletin，2010.10,2010年11月5日,深海浮力材料,2010年11月5日,深海浮力材料,工艺设想及实践,高温挥发粉体,基板球,陶瓷粉包覆,陶瓷空心球,氧化锆空心球,2010年11月5日,深海浮力材料,0.52 0.68 0.74,74%-0.3,树脂50%+玻璃微珠50%-0.8,80.9%-0.4,树脂10%+填充骨料90%-0.5,幻想设想现实,探索之路,飞天梦想,结束语,材料是人类进步的物质基础和根本动力源泉材料工作者肩负着推动社会发展的伟大使命 为梦想 为进步 为美好的未来 携手共进 勇往直前,谢谢大家！,