无机非金属专业导论-先进陶瓷材料.ppt

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1、1,无机非金属材料工程 专业导论,先进陶瓷材料,概述陶瓷制品是人类在征服自然过程中所获得的第一种经化学变化而制成的产品。特点：熔点高、硬度大、化学稳定性好、耐高温、耐磨损、耐氧化、耐腐蚀、重量轻、弹性模量大、强度高等优良性能，可在高温、腐蚀、辐照等环境工作。,先进陶瓷,陶瓷的定义 什么是陶瓷(Ceramics)？传统陶瓷是“由粘土或主要含粘土（有长石、石英等）的混合物，经成形、干燥、烧结而成的制品”。美国陶瓷学会给陶瓷下的定义：“在高温下形成及使用的无机非金属材料”,先进陶瓷,Ceramicsthe making of pots,tiles,etc.,by shaping pieces of

2、clay and baking them until they are hard;articles produced in this way.,Ceramics来自希腊字Keramic，意为“an art of potter”;而Keramic来自希腊字Keramos，意为“Burnt stuff”用火烧成的制品，多指粘土烧成的陶器。后经长期演变，含义进一步延伸，凡属粘土烧成的制品都属于Ceramics，如陶瓷、砖瓦、耐火材料等。,先进陶瓷,陶瓷的定义：无机非金属粉末经成型后在低于熔点的高温下烧结而制成的固体材料。（狭义的，由工艺而来）,“传统陶瓷”主要以天然的硅酸盐为原料，因此又被称为“硅酸

3、盐材料”。,由于陶瓷的化学组成是以离子键和共价键为主要键的无机非金属化合物，故又称陶瓷为“无机非金属材料”、“无机绝缘材料”、“无机介电材料”。,先进陶瓷,随着新型材料的发展，陶瓷概念扩展到整个无机非金属固体材料或无机化合固体材料，除了一般的多晶烧结体外，还包括单晶、玻璃、薄膜、纤维、粉体等，其制备方法也不再局限于常规烧结法，因此是“广义陶瓷”。,先进陶瓷,国际上对陶瓷的广义的定义与上述定义类似。W.D.Kingery现代陶瓷工程之父，在“Introduction to Ceramics”中把陶瓷定义为:“the art and science of making and using soli

4、d articles which have as their essentially component,and are composed in large part of,inorganic nonmetallic materials”“制造和应用固体制品的技艺和科学，这种固体制品主要是由无机非金属材料作为基本组分组成的”。,先进陶瓷,这一定义不仅包括陶器、瓷器、耐火材料、建筑粘土制品、磨料、搪瓷、水泥和玻璃等材料，而且还包括非金属磁性材料、铁电体、人造单晶、特种陶瓷、以及各种各样的其他制品。This definition essentially says that a ceramic is

5、 anything that is not an organic material or a metal.,先进陶瓷,随着时代的进步，原料或产品中虽然不含硅酸盐组分，然而用陶瓷工艺方法（Ceramic Process）生产的制品也称Ceramics。目前这类材料还在不断发展，新型材料不断出现。它和金属材料、有机高分子材料并列为当代三大固体材料。It suggests three categories of materials:ceramics,organics and metals,先进陶瓷,我国的陶瓷一词和英文中的Ceramics一样具有狭义（陶瓷、瓷器）和广义两重含意：广义的陶瓷工业是陶瓷

6、、玻璃、耐火材料、搪瓷、磨料、水泥等无机非金属材料工业的泛称。,先进陶瓷,随着工业的发展，陶瓷制品广泛地应用于社会各行各业，采用了更多、更复杂的工业原料。先进陶瓷的广义的定义为：“用粘土以外的其他原料，依陶瓷制造的工艺方法制成的制品”,先进陶瓷,如压电陶瓷、电容器陶瓷、微波陶瓷、磁性陶瓷、高温陶瓷等 可广泛应用于电子、原子能、宇航、半导体等工业。,陶瓷的分类,先进陶瓷,氧化铝陶瓷,氮化铝陶瓷,生 物 陶 瓷,多孔陶瓷,保 健 陶 瓷,建 筑 卫 生 陶 瓷,耐 高 温 陶 瓷 刀 具,高温结构陶瓷零部件,耐酸陶瓷风机,适用于输送或抽吸各种腐蚀性气体,陶 瓷 装 甲 车,航 天 飞 机 腾 空

7、而 起,“发现号”航天飞机腹部的绝热瓦,“发现号”航天飞机,航天飞机的防热盔甲,以纯度99.7%、直径为11.5m的石英纤维加水混合成浆状，倒入模具中脱水加压成型，然后浸胶体石英，干燥后在1290的电炉中烧成。再按要求切成外形不同、大小不等的“砖块”，最后粘贴到航天飞机的铝合金蒙皮上，把外表严严实实地封盖起来，就象给航天飞机穿上了一身防热盔甲。,航天飞机,航天飞机的机头,航天飞机的防热瓦,航天飞机热分布示意图,“哥伦比亚”号航天飞机爆炸，原因是这架航天飞机左翼在起飞时遭到从燃料箱上脱落的泡沫绝缘材料撞击，结果造成机体表面隔热保护层出现了大面积松动和破损，形成了可让“热气进入的洞”，在返航途中因

8、超高温空气入侵而彻底解体。,与传统陶瓷比较，先进陶瓷的化学组成、显微结构都有极大的不同，其性能可满足工业和国防中各种特殊的需要。,先进陶瓷,几个有用的名词：特种陶瓷 special ceramics先进陶瓷 advanced ceramics精细陶瓷 fine ceramics高性能陶瓷 high performance ceramics新型陶瓷 new ceramics近代陶瓷 modern ceramics,几个有用的名词：特种陶瓷 special ceramics先进陶瓷 advanced ceramics精细陶瓷 fine ceramics高性能陶瓷 high performance

9、ceramics新型陶瓷 new ceramics近代陶瓷 modern ceramics,先进陶瓷,陶瓷发展的重要阶段广义的陶瓷包括了陶器、彩色釉器、瓷器、玻璃、水泥、晶体等的发展David W.Richerson 在其著作中Modern Ceramic Engineering(Taylor&Francis Group,New York,2006)给出了广义的陶瓷的简要发展的里程碑,先进陶瓷,Key Milestones in the Evolution of Ceramics,Key Milestones in the Evolution of Ceramics,Key Milestone

10、s in the Evolution of Ceramics,Key Milestones in the Evolution of Ceramics,Key Milestones in the Evolution of Ceramics,Key Milestones in the Evolution of Ceramics,Key Milestones in the Evolution of Ceramics,Key Milestones in the Evolution of Ceramics,陶瓷的发展大致经历了陶器、瓷器、现代先进陶瓷三个发展阶段。从二十世纪九十年代开始，陶瓷进入了纳米陶

11、瓷发展阶段。,先进陶瓷,陶器(从公元前24000年开始),瓷器(从公元250年开始),现代先进陶瓷(从20世纪40年代开始),纳米陶瓷(从20世纪90年代开始),1、陶器阶段 用黏土制成毛坯，经过高温(1000 C)烧结而成，是原始人类制成的最重要的物品之一 2、瓷器阶段发明了釉、发现并使用高铝质瓷土、高温技术的发展（1200 C）,先进陶瓷,3、现代先进陶瓷阶段原料纯化从天然矿物原料为主发展到高纯人工合成原料为主新工艺层出不穷 成型新工艺：等静压成型、热压成型、离心注浆成型、压力注浆成型、流延成型等,先进陶瓷,烧结新工艺：热压烧结、热压等静压烧结、反应烧结、快速烧结、微波烧结、等离子体烧结、

12、自蔓燃烧结等 理论日趋成熟从经验操作发展到科学控制、特定材料设计、工艺结构性质使用性能 分析技术进步显微结构分析技术如X射线衍射仪、电子显微镜、原子力显微镜、特殊性能测试仪器等,先进陶瓷,相邻学科发展量子力学、固体物理、固体化学、配位化学、结晶化学、量子化学、半导体、微电子等4、纳米陶瓷阶段原料纳米化、陶瓷内部晶粒纳米化、性能高度优化、正在深入研究，预期将引起重要变化。,先进陶瓷,49,功能陶瓷是指在微电子、光电子信息和自动化技术以及生物医学、能源和环保工程等基础产品领域中所用的陶瓷材料。如制造电子线路中的电容器用的电介质瓷，制造集成电路基片和管壳用的高频绝缘瓷等。功能陶瓷以其独特的声、光、热

13、、电、磁等物理特性和生物、化学以及适当的力学等特性，在相应的工程和技术中起关键作用。大部分为电子陶瓷（electroceramics）,先进陶瓷,二、电子陶瓷的分类,从使用功能分类：（a）结构陶瓷：Al2O3、AlN、BeO(集成电路衬底、微波大功率器件散热支撑件、MCM用基片）；（b）功能陶瓷：电容器陶瓷、微波陶瓷、压电陶瓷、热释电陶瓷、透明电光陶瓷，半导体陶瓷；按照工作频率分：低频瓷（1kHz）、高频瓷（1MHz）、微波瓷（300MHz300GHz）。,先进陶瓷,功能陶瓷的分类：,高频绝缘零件瓷电阻基体和电感基体瓷电真空瓷电容器瓷铁电陶瓷压电陶瓷半导体陶瓷导电陶瓷超导陶瓷磁性瓷光电子材料生

14、物陶瓷环境保护用陶瓷环境协调型陶瓷材料和技术,电子陶瓷分类图,功能陶瓷的生产工艺,功能陶瓷的生产工艺过程,原料处理和加工备料,成型,电极制备,烧成,元件性能检测,Processing of Ceramics,成型 Shaping,功能陶瓷常用的成型方法有挤制成型干压成型热压铸成型注浆成型轧膜成型等静压成型热压成型流延成型,干压成型,热压铸成型,利用压缩空气使加热熔化的含蜡配料(铸浆)充满模具，冷却后凝固成需要形状坯件。,61,62,轧膜机,64,实验用脱泡机,大型流延机,实验用流延机,65,丝网印刷机,注浆成型slip-casting,注浆成型可分为实心注浆成型和空心注浆成型，是在石膏模中进行的。由于石膏模具有多孔性，吸水性强，能很快吸收瓷浆中的水分，达到成型的目的。,烧成,常压烧结、气氛烧结、热压烧结、热等静压反应热压烧结利用高温下配料的化学反应进行的烧结工艺。常见的反应热压烧结有：分解热压烧结相变热压烧结分解合成热压烧结。,其他烧结工艺方法超高压和超高温烧结电火花烧结化学气相沉积法反应烧结微波烧结,