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1、陶瓷材料介绍,山东理工大学谷万里,2,陶瓷材料一个古老的材料王国,氧化物,碳化物,氮化物,硼化物,主要特点,陶瓷材料在地球上的分布极其广泛。据分析测算，以氧化硅为首的十种氧化物约占地壳总量的98%左右。,高熔点,高硬度,高强度,耐腐蚀,电绝缘性,属于无机非金属材料，以共价键为主要结合键,一、陶瓷材料的发展历史,3,第一种人造材料,在远古的石器时代，人们学会了用泥土来制造陶器,距今大约一万年前出现,新旧石器时代划分的标志,以粘土作为原料,成型与烧结,至今依然是大多数无机非金属材料的基本生产过程,4,陶瓷材料的发展可以用五个里程碑和三个技术突破来概括,新石器时代早期陶器的出现,第一个里程碑,江西万
2、年仙人洞和广西桂林甑皮岩两个新石器时代遗址出现了距今万年左右的陶器。,原料与工艺,就地取材，烧结温度在700左右，造型简单,5,陶器全系夹粗砂红陶，胎体厚薄不均，内壁凸凹不平，器表绝大多饰粗细绳纹，有些在绳纹上再刻划大小方格纹、圆涡纹，还有的在方格纹和绳纹上涂硃。器形基本上是一种直口圜底罐，在制陶技术上表现出相当的原始性。上层仍以夹粗砂红陶为主，并增添了以细砂和蚌壳粉末为羼合料的红陶和素面为主的泥质红陶。,特点,江西万年仙人洞遗址，根据C14测定年代数据与地层情况推断，仙人洞下层文化大概要早于河姆渡文化，估计在公元前5000年以前，这应归属新石器时代早期遗存的范围。,6,陶器在考古学方面的作用
3、与贡献,文字的出现,约距今3100年前的商代,文字出现以前的历史主要靠历史遗物来研究,发现遗物,判定年代,了解历史,问题,如何判定陶瓷器皿的烧制年代?,陶瓷中矿物所吸收的辐射总能量,陶瓷中矿物每年吸收的辐射能量,=陶瓷自烧制至今的年份,缺点,1、破坏性的判定方法2、无法判定烧制的地方、原料及方法,7,陶瓷中发现了稻谷存在的证据，距今6700年的浙江河姆渡遗址出土的夹碳陶，经研究发现有象谷物外壳的碳化物。从出土文物中含有的一些动物造型可以判断人类饲养这种动物的年代。,仰韶文化彩陶,8,第二个里程碑,夏代印文硬陶和商、周时代原始瓷的烧制成功,与陶器的区别,化学组分中含有Fe2O3，印文硬陶烧结温度
4、在1200左右，原始瓷的烧结温度在1280左右。,战国原始瓷,9,原始瓷内外表面都有玻璃釉，但结合不好，易脱落。,商代(公元前16世纪前11世纪)1954年河南省郑州市人民公园出土高256厘米 口径214厘米此器以高岭土烧制而成,通体施稀薄的淡黄釉,烧成温度在1200以上,是目前所见的最早的瓷器之一。,10,第三个里程碑,汉晋时期南方青釉瓷的诞生,东汉晚期，以浙江越窑青釉瓷的诞生标志着中国陶瓷工艺发展的一个飞跃。瓷与陶的重要区别在于外观坚实致密，一般为白色或略带灰色，断面有玻璃态光泽。,1985年，浙江临城县东街砖厂一座唐大中二年（848年）墓出土。通体施青釉，素洁明润，没有任何装饰。底部浅刻
5、“张”字,第四个里程碑,隋唐时期北方白釉瓷的突破,烧结温度达到1300以上,11,第五个里程碑,宋代到清代彩色釉瓷、彩绘瓷和雕塑陶瓷的辉煌成就,自东汉晚期，浙江就烧制透明和单色的青釉瓷，随后，从透明到呈乳浊状和呈现各种纹样是在工艺和艺术上的一次飞跃。唐代出现的唐三彩是另一个飞跃；元代以后又有多种元素被引入彩釉中，这是又一次飞跃。,12,唐三彩,紫沙壶,13,陶器也是最初的耐火材料，为以后的铜、铁的冶炼提供了物质条件，为人类的进化立下了不朽功绩,缺点,不致密,易渗漏,强度不高,从陶到瓷主要有三大突破： 一、瓷土的发现和利用 二、釉的发明和创新 三、烧结温度的提高,14,17世纪，中国的制瓷技术传
6、至西方，1750年法、英相继找到瓷土，1768年制造出瓷器。,陶瓷的主要成分是SiO2，加上其它多种氧化物，经高温烧制后形成一种以硅酸盐为主的材料，在几千年的发展过程中，硅酸盐工业取得了很大的发展，至今已演化成四个家族：陶瓷、水泥、耐火材料和玻璃。,砂轮、砂纸、磨料等,陶瓷,日用陶瓷,碗、盘、缸等,建筑陶瓷,耐蚀陶瓷,高温陶瓷,瓷砖、卫生洁具、水池等,坩埚、发热体、热保护套管等,酸碱的储槽、容器、反应器等,耐磨陶瓷,电工陶瓷,绝缘、耐压部件等,15,二、陶瓷材料的晶体结构特征,陶瓷材料中以共价键和离子键为主要结合键。以氧化物和硅酸盐为主，其中硅酸盐矿物在自然界中分布极为广泛已知的硅酸盐矿物有6
7、00多种，约占已知矿物种的1/4，占地壳岩石圈总质量的85%。在硅酸盐结构中，每个Si原子一般为四个O原子包围，构成SiO4四面体，即硅氧骨干，它是硅酸盐的基本构造单位。,16,岛状 三方环 四方环 六方环,1、岛状硅氧骨干：硅氧骨干被其它阳离子所隔开，彼此分离犹如孤岛，包括孤立的SiO4单四面体及Si2O7双四面体。,2、环状硅氧骨干：SiO4四面体以角顶联结形成封闭的环，根据SiO4四面体环节的数目可以有三环、四环、六环，环还可以重叠起来形成双环，如六方双环。,17,单链 双链,3、链状硅氧骨干：SiO4四面体以角顶联结成沿一个方向无限延伸的链，其中常见的有单链和双链。,18,层状 长石架
8、状硅氧骨干,石英架状,4、层状硅氧骨干：SiO4四面体以角顶相连，形成在两度空间上无限延伸的层。层中每一个SiO4四面体以三个角顶与相邻的SiO4四面体相联结。与两个硅相联结的氧电价饱和，为“惰性氧”或称“桥氧” ，SiO4四面体也可有不同的联结方式。,5、架状硅氧骨干：SiO4四面体四个角顶全部与其相邻的四个SiO4四面体共用，每个氧与两个硅相联系，形成惰性氧，石英（SiO2）族矿物即具此结构。,19,三、陶瓷材料的性能,陶瓷材料普遍具有脆性，这是限制其使用范围的重要原因。,陶瓷一般具有很高的熔点、高硬度和极好的化学稳定性，特别是很强的抗氧化能力。,20,陶瓷材料往往具有特殊的光学性能，瓷砖
9、、艺术瓷器、珐琅等制品常具有丰富多彩的表面光泽。,21,四、陶瓷材料的分类,水泥,耐火材料,玻璃,陶瓷材料已经成为一个十分庞大的家族，其分类也可依照不同的标准进行。,按性能分类：,功能陶瓷,结构陶瓷,按用途分类：,按成分分类：,氧化物陶瓷,氮化物陶瓷,硅化物陶瓷,22,是当前工业中最大用量的材料之一，水泥和沙子、钢筋混合构成的钢筋混凝土是建筑业的基础。,水泥,23,是能够满足高温条件下使用要求的无机非金属材料，通常规定其耐火度在1580以上，主要用于高温冶炼、煅烧等工业炉的内衬、墙体、窗口等，在冶金工业中有十分重要的作用。为满足近代工业发展的需要，还需要研制新的高级耐火材料。,耐火材料,陶瓷辊
10、棒,聚轻高铝砖,酸铝不烧砖,高温粘结剂,莫来石轻质砖,24,玻璃可以在烧红变软后加工成多种工艺制品，还可以通过化学成分的调整和各种工艺处理来改变其物理和化学性能以适应不同的需要。在建筑、化工、光学仪器、化学分析仪器、医疗器械等多方面有广泛的用途。,玻璃,早在3500年以前，古埃及就出现了玻璃工业，成为西方古代文明的象征之一。,25,唐风宋韵_(工艺品,瓷雕刻),极品美玉仿,现代艺术陶瓷风采,26,中国钧瓷源产于河南省禹州市，始于唐，盛于宋，至今已有一千多年的历史，钧瓷以其流芳千古的窑变神韵雄居宋代五大名瓷之首,钧瓷-荷口玉壶春,钧瓷-虎头瓶,27,景德镇陶瓷艺术品青春,黄景锋 陶瓷艺术品,28
11、,古老又年轻的材料,所有采用无机原料做成的材料都成为陶瓷材料,先进陶瓷材料,（1）原料不同，大部分采用人工合成原料；（2）在制备、成型技术与烧结工艺方面有重大革新;（3）材料的成分包括碳化物、氮化物、硼化物等;（4）材料的性能有大幅度的提高，主要应用于高科技领域。,主要区别,29,先进陶瓷材料按其应用领域的不同可以分为工程陶瓷、功能陶瓷和生物陶瓷三大类。,主要包括氧化物类、氮化物类和碳化物,工程陶瓷,用于制造刀具和耐磨件，高温热电偶保护管及坩埚，集成电路基片和多层封装管壳及高频绝缘瓷体等，其用量约占结构陶瓷的一半以上 。,氧化铝陶瓷（Al2O3）,氧化铝含量在85%以上的材料统称为氧化铝陶瓷，
12、含量在99%以上的称为刚玉陶瓷。氧化铝的熔点高达2050，很高的硬度（莫氏硬度为九级），弹性模量为390GPa，很好的绝缘性能和低的介电常数。,主要用途,30,现代陶瓷可用做量具，陶瓷密封件、陶瓷刃具以及陶瓷替代金属的零部件等 。,铣刀系列 整体陶瓷锯片铣刀系列,卡尺、千分尺专用陶瓷量块,31,密封件类,喷砂咀、电脑针机用的提花三角,纺机刀片,超薄陶瓷量块,32,半球面型特种陶瓷片镶嵌在特种橡胶内，形成既耐磨损又耐打击的坚固的防磨层。广泛适用于火力发电厂的输煤系统及冶金、钢铁系统的烧结厂的输料、配料系统的料斗、料仓等落差高、冲击大的部位上。,电子陶瓷95、99氧化铝陶瓷，可用于各种规格的电真空
13、陶瓷管壳及金属化和釉化产品。为生产电真空器件的厂家提供电气性能、机械性能优越的配套瓷件。,33,氮化硅陶瓷（Si3N4）,常压下无熔点，1860时分解，二十世纪五十年代制造出来,最有希望用于制造陶瓷发动机的材料，作为新一代陶瓷刀具已崭露头角。,34,非氧化物陶瓷中化学稳定性最好，抗高温氧化、耐各种酸碱的腐蚀，硬度仅次于金刚石和立方BN,碳化硅陶瓷（SiC）,1893年首次合成。其高温力学性能是目前陶瓷中最优秀的，其强度从室温到1600基本不变,导电性和导热性在陶瓷材料中较好，可用于高温发热体和热交换器，是很好的磨料，有广泛的应用前景。,工程陶瓷的应用,航空航天,汽车工业,能源工业,缺点,断裂韧
14、性低,可靠性差,35,三元层状化合物Mn+1AXn,目前发现的有几十种，其中M为Ti、V、Nb等过渡元素，A为Al、Si、Sn等三、四主族元素，X为C、N等。从现在的研究情况看，上述化合物中研究得最多的是Ti3SiC2 、Ti3Al C2 和Ti2SnC，以下将以Ti3SiC2为主介绍这类化合物的主要特点以及目前的研究情况。,36,钛碳化硅（Ti3SiC2)的优点,轻质高强 (4.53g/cm3,体弹性模量约206GPa,杨氏模量约为320 GPa)导电,导热（4.5x106-1m-1）易加工耐高温,抗氧化抗腐蚀,抗热冲击性等,37,Ti3SiC2的结构特征,晶体结构为层状，空间群为P63/m
15、mcTi原子3d层电子，Si原子的3p和C原子的2p电子均对能带有着重要的影响。根据计算可预测到Ti3SiC2的电导性将表现为金属性和各向异性 。,Crystal structure of Ti3SiC2,38,（4）纤维增强与增韧。在陶瓷中加入另一种结构上更加完好的陶瓷晶须。由于在裂纹扩展时需要把断裂面上的晶须拔出，使得阻力增加而断裂韧性增加。,增加陶瓷韧性的主要方法,（1）采用高纯、超细的粉末原料，改进成型和烧结工艺，从而获得结构致密、均匀的陶瓷材料。,（2）引入细小弥散分布的第二相颗粒，实现颗粒增强与增韧，其主要原理是利用两相膨胀系数的差异，在基体与第二相之间产生一个压应力，使裂纹尖端的
16、张应力得到缓解。,（3）通过相变增韧。利用陶瓷在相变时产生的体积变化，在受到应力时诱发相变，由于产生体积变化而产生压应力，这种压应力正好抵消了裂纹尖端的拉应力从而使断裂韧性提高。,39,功能陶瓷,功能陶瓷是指可以通过电、磁、声、光、弹性等直接效应或耦合效应或化学和生物效应来实现某种特殊功能的先进陶瓷材料。,电介质陶瓷,生物功能陶瓷,光学功能陶瓷,半导体陶瓷,化学功能陶瓷,压电陶瓷,电致伸缩陶瓷,40,多采用添加CaO、MgO、SiO2的含Al2O390-96%的刚玉瓷制作。,绝缘陶瓷或装置陶瓷,陶瓷材料绝大多数是良好的绝缘材料，其电阻率一般在1014-1022（/m）。广泛用于电力工业、电子工业与汽车工业,
