新型陶瓷

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1、1,新 型 陶 瓷,2,新型陶瓷（new ceramics）不同国家和专业领域又称： 高技术陶瓷（high technology ceramics）； 先进陶瓷（advanced ceramics）； 精细陶瓷（fine ceramics）； 近代陶瓷（modern ceramics）； 高性能陶瓷（high performance ceramics）； 特种陶瓷（special ceramics）； 工程陶瓷（engineering ceramics）。,3,定义：,新型陶瓷以精致的高纯天然无机物或人工合成的无机化合物为原料，采用精密控制的加工工艺烧结，具有优异的性能。,传统陶瓷是用天然或人

2、工合成的粉状化合物，经过成型和高温烧结制成的，由无机化合物构成的多相固体材料。,4,5,传统陶瓷(China),1、主要原料：粘土，石英，长石，高龄土，绢云母，滑石，石灰等天然材料。加入（MgO，ZnO，BaO，Cr2O3等）提高强度；加入（Al2O3 ，ZrO2等）提高强度和热稳定性；加入（SiC等）提高导热性。 2、传统生产过程：混和、成型、干燥、烧结、冷却 3、反应原理：复杂的物理、化学变化 4、主要成分：硅酸盐 5、主要特性：抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型等优点。,6,陶瓷一般由晶相、玻璃相和气相组成。,陶瓷显微组织示意图,7,晶相是陶瓷材料的主要组成相，是化合物或固溶体。晶

3、相主要有硅酸盐、氧化物、非氧化物三种。 玻璃相是一种低熔点的非晶态固相。它粘接非晶态晶相，填充晶相间的空隙，提高致密度，降低烧结温度，抑制晶粒长大等。玻璃相会降低陶瓷的强度、耐热耐火性和绝缘性。故陶瓷中玻璃相的体积分数一般为20%40%。 气相（气孔）是指陶瓷孔隙中的气体。陶瓷的性能受气孔的含量、形状、分布等的影响，气孔会降低陶瓷的强度，增大介电损耗，降低致密度，提高绝热性和抗振性。普通陶瓷的气孔率为体积的5%10%，特种陶瓷和为功能陶瓷5%以下。,8,性能特点： (1)硬度:是各类材料中最高的(高聚物20HV，淬火钢500-800HV，陶瓷1000-5000HV）； (2)刚度:是各类材料中

4、最高的； (3)强度:理论强度很高（E/10-E/5）；由于晶界的存在，实际强度比理论值低的多。（E/1000-E/100）。耐压（抗压强度高），抗弯（抗弯强度高），不耐拉（抗拉强度很低，比抗压强度低一个数量级）较高的高温强度； (4) 塑性： 在室温几乎没有塑性； (5) 韧性差，脆性大，是陶瓷的最大缺点。,9,(6) 热膨胀性低，导热性差，多为较好的绝热材料（=10-210-5w/mK）； (7) 热稳定性抗热振性（在不同温度范围波动时的寿命）急冷到水中不破裂所能承受的最高温度。陶瓷的抗热振性很低（比金属低的多，日用陶瓷220）； (8) 化学稳定性：耐高温，耐火，不可燃烧，抗蚀（抗液体金

5、属、酸、碱、盐）； (9) 导电性：大多数是良好的绝缘体，同时也有不少半导体（NiO，Fe3O4等）； (10)其它：不可燃烧，高耐热，不老化，温度急变抗力低。,10,新型陶瓷,新型陶瓷的地位和作用 新型陶瓷的分类 新型陶瓷特点 新型陶瓷的制备过程 几种新型陶瓷 新型陶瓷的发展动态,11,一、新型陶瓷的地位和作用,是许多新兴科学技术的先导。许多新兴科技都是在划时代的新材料出现后产生的，如半导体材料、激光晶体、光导纤维、超导材料等。 是许多现代科技和现代工业发展的基础。科技的发展对材料提出苛刻的要求，如航天航空要求高强度、耐高温、耐烧蚀；原子能工业要求耐辐射和腐蚀；电子工业要求超纯、特薄、特细且

6、均匀的电子材料；信息技术要求高灵敏、大容量材料等等。 巩固国防、发展军用技术的作用。国防工业、军用技术历来是新材料、新技术的主要推动者和应用者。,12,13,二、新型陶瓷的分类,按照化学组成可分为：,14,依据材料功能可分为：,15,新 型 陶 瓷 功 能 与 用 途,16,17,三、新型陶瓷的特点 1.新型陶瓷与传统陶瓷的区别,原料使用上：突破传统陶瓷以黏土为主，使用精选或提纯的氧化物、硅化物、氮化物、硼化物等原料。 成分上：传统陶瓷的组成与黏土的成分相关，不同产地料对产品组成与结构影响很大；新型陶瓷原料是提纯化合物，性质由原料的纯度和制备工艺决定，与产地原料无关。,18,在制备工艺上：传统

7、陶瓷以窑炉为主；新型陶瓷用真空烧结、气氛烧结、热压、热静压等手段实现。 在性能与用途上：传统陶瓷体现日常应用；新型陶瓷具有高强度、高硬度、耐磨、耐蚀、感应性等特殊性能、使用在特殊场合,在高温,机械电子计算机航天医学工程广泛应用。,19,2. 新型陶瓷的结构与性能特点,结构特点： 1、结合键一般为强的离子键和共价键； 2、显微组织的不均匀性和复杂性： 显微组织由晶体相、玻璃相和气相组成，各相量变化很大分布不均，陶瓷材料一旦烧结成型，无法用冷热加工工艺改变其显微组织和结构。,20,性能特点： 熔点高、密度小。 化学稳定性好、抗腐蚀、抗氧化。 高强度、高硬度、高刚度、耐磨损。 具有一定的热强性（抗蠕

8、变）。 绝缘性、压电性、半导体性、磁性、电特性。 生物体适应性，催化剂等生物化学的功能。 光学功能及其他一些特殊功能。 韧性、塑性很小、塑性变形能力差、易发生脆性破坏。 加工成型性较差。,21,四、新型陶瓷的制备技术,22,粉体制备 原料粉体性能对陶瓷的成型烧结和显微结构有 很大影响，进而对陶瓷性能产生决定性的作用。 新型陶瓷与传统陶瓷的最大区别之一就是它对 原料粉体的纯度、细度、颗粒分布、晶形、反应活性，团聚性等都提出了更高的要求。,23,（1）新型陶瓷对粉体的具体要求 高纯：杂质会大大影响制品性能。 超细：烧结的推动力是颗粒的表面能，因此粉末粒度对烧结过程和制品性能有很大影响。颗粒尺寸与烧

9、结时间关系如下（n=34）： 但要防止颗粒过细带来的麻烦杂质、团聚以及成型困难。 形貌：采用球型或等轴状且粒径分布范围窄的陶瓷粉体。 结晶形态：不同结晶形态的粉体致密化行为不同；烧结后陶瓷材料结晶形态要求不同，所以要求粉体具有某种特定结晶形态。 无严重团聚：因为团聚导致不均匀，因此要求粉体不含或少含团聚体，特别是硬团聚体。,24,选择粉体制备方法应当满足： 制备粉末的性能好； 制备工艺可控性好； 成本低； 适合大规模生产。,25,（2）制备粉体的方法,26,研磨体的运动轨迹,（3）机械法制备粉体,27,球磨粉碎应选择适当装球量、球料比、填充量、 球磨介质，达到： 提高分散度、减小粒度。 球磨混

10、合使各组分混合均匀，用强力研磨可得局部合金化粉，利用多种化合物可得复杂化合物粉。 粉末粒度变细，杂质暴露，有利净化。 球磨过程是一个复杂的物理化学过程：使粉末变细，改变粉末物理、化学性质，增加表面能，增加晶格不完整性，形成表面无定形层，从而增加整个粒子的能量，使成型和烧结性能得到改善。（机械力化学） 最大缺点：球-球，球-料，球-筒，料-筒相互撞击，磨损，耗能，引入杂质。,28,超细气流粉碎分级机 物料经高压空气通过超 音速喷嘴向粉碎室高速喷射， 物料被加速、在喷嘴交汇处 反复冲击、碰撞、达到粉碎、 粒度分布较窄、可获得97% 小于5m超细粉粒。,Superfine pulverizing g

11、rader,29,连续式搅拌研磨机 特点：连续生产和快速研磨大量物料，粒度分布曲线窄。,30,31,（4）合成法 制备粉体,32,气相法： 化学气相沉积法(CVD)：可生成薄膜、晶须、晶粒、颗粒、超细颗粒等。 热分解法：可制取Ni粉、Fe粉及化合物粉末 SiH4 600 800 Si2H2 蒸发-凝聚法:将原料用电孤或等离子流等加热至高温(活化反应物系的分子)，使之气化，接着利用较大温度梯度条件急冷，凝聚成微粒。 化学合成法(CCVD):SiCL42H2 1150-1200 Si4HCl 等离子体增强反应沉积(PECVD): SiH4xNH3 约350 SiOx(或SiOxHy),33,液相法

12、:,反应沉淀法：在某种金属盐溶液中添加沉淀剂制成一种盐或氢氧化物，然后经热分解而得该金属的氧化物（溶液内部自己产生沉淀剂，称为均匀沉淀法）。若使两种金属的盐同时沉淀，可得复合金属氧化物粉末，这种方法称为共沉淀法。这种方法生产的粉末纯度高，组分均匀，可直接制备复杂陶瓷。 溶胶-凝胶法：借助胶体分散体系的制粉方法，可制取超细陶瓷粉末。胶体稳定，可使金属离子均匀分布其中，胶体脱水后的凝胶可获取高活性粉体。,34,固相法：,化合或还原-化合法：生产碳化物、硅化物、氮化物或氧化物粉末。 碳化硼法：制取金属硼化物的主要工业方法。 Cr2O34B2CrBB2O3 氧化硼溶于热水，可从产物中去除。 固相热分解

13、法：硫酸铝铵在空气中热分解可获得的Al2O3粉末。,35,自蔓延高温合成法：(又称SHS技术) 粉末混合物点燃，靠强烈的放 热反应的感应和传播，使燃烧波推 移前进，反应物便转化生成物，控 制燃烧波面的传播速度及燃波后部 所形的高温区，能形成高纯化合物。 如超导化合物合成： 3Cu2BaO212Y2O3O2YBa2Cu3O7-x,反应温度约2000-4000K； 反应速度约0.1-15cms； 反应中有液相，能促进原子 的扩散。,SHS反应模型,36,（5）几种粉末的制备,金属（非金属）直接氮化的工艺,氧化物与碳、氮反应的工艺,37,气相沉积氮化物的条件,38,还原-化合法、化合法制取碳化物的工

14、艺条件,39,碳化物的气相沉积工艺条件,40,碳化硼法制备硼化物的工艺条件,化学气相沉积硼化物的条件,41,2. 新型陶瓷的成型,成型是制备高性能陶瓷及其部件的关 键，其过程中造成的缺陷往往是陶瓷制品的 主要缺陷，且难在烧结过程中去除。 新型陶瓷成型需对其进行预处理，成型 技术中有常规的挤压成型、模压成型和可塑 成型（挤塑成型）；先进的注凝成型、直接 凝固注膜成型技术等。,42,（1）原料预处理,煅烧：去除杂质，去除化学及物理吸附的水分、气分、有机物等，从而提高纯度、减少烧结收缩，提高合格率，同时形成稳定结晶相。如-Al2O3- Al2O3。 混合：分为干混和湿混。可在球磨机、V形混料机、锥形

15、混料机、酒桶式混料机、螺旋混料机等中进行。 塑化：在物料中加入塑化剂使物料具有可塑性。 制粒：粉末过细时，流动性差，装模容积大，不易压制和充模，需制粒。分为普通制粒、压块制粒和喷雾制粒法。 悬浮：通过控制浆料的PH值或通过有机表面活性物质（阿拉伯树胶、明胶、羧甲基纤维素等）吸附的方法使瘠性料浆具有悬浮性。,43,塑化剂组成,塑化剂选择方针：根据成型方法、物料性质、制品性能 要求、价格及烧结时塑化剂能否排除及其温度范围等考虑。,44,（2）注凝成型（gel-casting）,传统注浆成型+有机化学理论 将陶瓷粉料分散于含有有机单体的溶液中，制备成高固相体积分数的悬浮体（大于50%），然后注入一定

16、形状的模具中，通过大分子原位网状聚合，粉体颗粒聚集，使单体形成负载陶瓷粉体的低粘度载体，通过交联作用形成凝胶。 优点：适合于大多数粉体，便 于操作，成本低。,注凝成型工艺流程,45,Al2O3注浆成型工艺条件,影响注凝成型主要因素：催化剂、引发剂用量；泥浆制备时的分散剂和PH值。 注凝成型凝胶时间的决定因素：引发剂、催化剂用量以及制备过程的温度。 缺点：脱模工艺复杂，不适宜制作大尺寸部件。,46,（3）直接凝固注膜成型 (Direct coagulation casting)DCC,由瑞士苏黎世联邦高等工业学院L.J.小组提出。 采用生物酶催化陶瓷浆料的化学反应，使浇注到模具中的高固相含量、低粘度的浆料靠范德华力产生原位凝，凝固的坯体有足够强度可脱模。,47,DCC原理,陶瓷微粒在浆料中存在着两种相互作用力：颗粒之间的范德华吸引力和由双电层引起的斥力。 受控的酶催化反应来调节陶瓷浆料的PH值以及增加电解质浓度使双电层电位接近于零，从而使高固相