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1、中国先进陶瓷研究及其展望暨 南 大 学本科生课程论文论文题目： 中国先进陶瓷研究及其展望 学 院： xxxxx 学 系： xxx 专 业： xxxx 课程名称： 材料与现代社会 学生姓名： 邓夹心 学 号： xxxxxxxxxx 指导教师： xxx 2015年 06 月 07 日1中国先进陶瓷研究及其展望中国先进陶瓷的研究及其展望 摘 要 综述了先进陶瓷的研究现状,介绍了目前先进陶瓷材料的分类、特点以及制备工程中的材料设计，未来研究方向。本文还简要评述了我国与外国关于先进陶瓷材料方面研究的对比现状并展望了先进陶瓷的研究开发趋势。关键词 先进陶瓷；结构陶瓷；功能陶瓷；纳米陶瓷；陶瓷基复合材料；研
2、究方向；未来展望； 1. 绪论1.1文献综述陶瓷在人类历史的进程中，一直伴随着人类社会的进步发展至今天。作为中华民族的一个骄傲已素为人知中国的陶器可追溯到九干年前，而瓷器也早在四千年前出现中国漫长的陶瓷发展历史也在一个方面标志着华夏文化的进步。我国是最早制造瓷器的国家，因此英文瓷器China与“中国”是同意词。陶瓷，作为人类生活、现代科技发展和经济建设中不可缺少的材料，和金属材料、高分子材料并列为当代三大固体材料。第二次世界大战以后，随着空间技术、原子能工业和电子工业的迅速发展，迫切需要优良的材料。对材料的耐热性、耐蚀性、机械强度、电磁特性和尺寸精度方面提出了更高要求，陶瓷研究进入了一个的新阶
3、段，于是就出现了我们现在要讨论的先进陶瓷。先进陶瓷材料是现代材料科学的一个重要组成部分。其优异的力学性能和电学、光学、磁学、声学等特性，一直受到材料科学工作者的极大重视，不仅被用于航天、航空、核能、电子等尖端技术领域，而且在各个工业化生产领域也极具广阔的商业化应用前景。接下来我们就详细说明一下关于中国先进陶瓷的研究以及其未来展望。1.2 研究框架本文研究的目标通过具体内容来说明展示中国的先进陶瓷材料的现状及其未来展望，通过了解不同的先进的陶瓷材料及其运用领域并且还会提及与外国的区别，以此提出先进陶瓷材料未来应该要改进及学习之处，总结出中国先进陶瓷材料的未来走向。此项研究首先通过简单介绍先进材料
4、及代表，之后对比中外研究现状，最后提出关于中国先进陶瓷的未来展望。2先进陶瓷材料的特点先进陶瓷又称特种陶瓷或高技术陶瓷，是指采用高度精选的原料，按照便于操作的结构设计及便于控制的制备方法加工、制造而得到的具有优异特性的陶瓷。先进陶瓷与传统陶瓷材料的差别主要体现在以下几个方面:(1)原材料的不同。传统陶瓷以天然矿物,如粘土、石英和长石等不加处理直接使用;而先进陶瓷则使用经人工合成的高质量的粉体作起始材料。(2)结构的不同。由于原料的不同导致传统陶瓷材料中化学和相组成的复杂多样,杂质成份和杂质相众多而不易控制,显微结构粗劣而不够均匀,多气孔;先进陶瓷则一般化学和相组成较简单明晰,纯度高,即使是复相
5、材料,也是人为调控设计添加的,所以先进陶瓷材料的显微结构一般均匀而细密。(3)制备工艺的不同。传统陶瓷用的矿物经混合可直接用于湿法成型,如泥料的塑性成型和浆料的注浆成型,材料的烧结温度较低,一般为900到1400,烧成后一般不需加工;而先进陶瓷用高纯度粉体一般添加有机的添加剂才能适合于干法或湿法成型,材料的烧结温度较高,根据材料不同从1200到2200,烧成后一般尚需加工。(4)性能上的不同。传统陶瓷材料一般限于日用和建筑使用,而先进陶瓷,基于其优异的力学性能特别是高温力学性质和各种光、热、电、声、磁的功能,可以在工业各个领域,如石油、化工、钢铁、电子、纺织和汽车等行业中,以及在很多的尖端技术
6、领域如航天、核工业和军事工业中有着广泛的应用价值和潜力【1】叶宏明叶国珍. 先进陶瓷材料研究现状.中国陶瓷工艺. 2002.9(1).1。3先进陶瓷材料的分类及研究方向先进陶瓷可以分为先进结构陶瓷和先进功能陶瓷两大类。先进结构陶瓷是以利用力学和热学性能为主，以发挥其机械、热、化学和生物等功能的材料，又可称为高温结构陶瓷；先进功能陶瓷是以利用电、磁、光、铁电、压电等性能及其或其耦合效应为主的材料，随着科学技术的发展，新材料的不断出现，先进结构陶瓷与先进功能陶瓷的界限也逐渐淡化，有些材料同时具备优越的结构性能与优良的功能。为了突出研究动向本文将插入对纳米材料及陶瓷基复合材料这两类也加以表述。图1-
7、13.1先进结构陶瓷指利用陶瓷机械、化学、热功能，使它具有耐高温、冲刷、腐蚀、磨损和高硬度、强度以及低蠕变等优异的性能，已逐步成为冶金、宇航、能源、机械、光学以及尖端技术不可缺少的关键材料。由于它具有优异的物理和化学性质, 常在高温环境下使用, 故又称为高温陶瓷, 它分为两类: 一是大热流, 1500 下短时间使用的高温陶瓷, 如洲际导弹端头、火箭尾喷管等; 二是中热流, 1200以上长时间使用的高温陶瓷, 如各类热机的高温部件。先进结构陶瓷主要有：切削工具、模具、耐磨零件、泵和阀部件、发动机部件、热交换器、生物部件和装甲等。主要材料有：氮化硅、碳化硅、二氧化锆、碳化硼、二硼化钛、氧化铝、和赛
8、隆等。对于结构陶瓷来说，主要是力学性能，通常所说的力学性能主要是指强度、硬度和韧性。而韧性差是陶瓷材料的致命弱点，大大限制了使用范围。提高陶瓷材料韧性的途径有复合和掺杂。具体可以分为：纤维（或晶须）补强陶瓷复合材料、两相颗粒弥散多相复合陶瓷、自补强多相复合陶瓷、表面梯度多相复合陶瓷等。这些途径对陶瓷的增韧效果显著，如碳化硅纤维及其复合材料。用碳化硅纤维增韧的氧化铝陶瓷刀具在80年代已经被研究使用；碳化硅纤维补强锂铝硅酸盐（LAS） 复合材料的强度已接近1000Mpa，断裂韧性达到20.1Mpam1/2；碳化硅表面梯度复相陶瓷的强度可达到1Gpa，断裂韧性接近10Mpam1/2，而且能够维持到1
9、400。用碳化硅颗粒弥散在氮化硅基体中，可以获得较高强度和断裂韧性的氮化硅基复相陶瓷。因为碳化硅颗粒在一定程度上抑制氮化硅晶粒的生长，从而可以获得细晶粒的显微结构，同时由于第二相的存在而促使裂纹的偏转和分支【2】曾令可，王慧，张海文 等. 高性能陶瓷材料的发展现状及展望. 2002（63）：1-7。3.1.1先进结构陶瓷未来研究方向未来的研究趋势:研究复合材料表面、界面的连接度和相容性;研制新的梯度材料和原位生长复相材料; 研究开发“结构陶瓷 功能陶瓷” 一体化新材料; 研究智能化结构陶瓷材料, 裂纹自愈合,损伤自恢复, 延长高温陶瓷使用寿命;新型结构陶瓷的研制及其与环境作用的评估系统。3.2
10、先进功能陶瓷指利用陶瓷的单一或耦合物理性质实现其使用功能。功能陶瓷与传统的陶瓷相比在原料及工艺等方面有很大的区别，是知识和技术密集型产品。功能材料之所以具有卓越的功能及特性，不仅与材料的化学组成有关，而且很大程度上决定其微观结构。功能材料的开发首先依赖于新材料的发现和人工合成。在功能陶瓷材料重大发现中，人们先后发现了氧化物导体，固体电解质，压电、非线性光学材料，铁氧体、记忆材料，太阳能电池，高温氧化物超导体等。随着电子产品向轻薄短小、多功能、高可靠性和高密度表面、高集成化的发展，功能材料也有着不断的发展。功能陶瓷的品种繁多，这类材料具有微波介电性能、气敏性能、超导性能、电阻梯度性能、铁电性能及
11、其相变行为、多层驱动性、弛豫性能等多种优良的功能，应用十分广泛。例如电子绝缘材料、电介质材料、压电陶瓷材料、超导陶瓷材料等。目前已发现了一大批具有优异性能或特殊功能的功能陶瓷, 诸如热敏、气敏、光敏、湿敏陶瓷;磁电、铁电、压电、热释电导电、超导陶瓷; 透明陶瓷、变色陶瓷、红外陶瓷、磁记录陶瓷、离子导体等等。近几年致力于: 超细粉制备, 烧结新工艺的应用, 制备工艺的净化以提高材料的性能。3.2.1先进功能陶瓷未来研究方向今后的研究方向: 功能复合材料的研究即除力学性质外其它几种物理性质复合的功能陶瓷, 通过对复合陶瓷的复合度、连接方式和对称性3 个复合结构因素进行定向化调整, 获得最高的优值;
12、 利用复合效应设计功能复合材料;机敏陶瓷材料研究与开发, 智能材料具有感知、反馈和响应3 个要素, 利用复合、集成化和细微加工等新技术来发展智能材料;3.3纳米陶瓷指晶粒、气孔、缺陷尺寸, 晶界宽度、第二相分布等都处于纳米级的陶瓷, 称为纳米陶瓷。它是当前陶瓷材料研究的3 大趋势之一。纳米技术是一门新兴的高新科技。当物质颗粒细小到纳米数量级后，材料会产生物理性质的改变、化学及生物效应的变化。对于纳米陶瓷材料也是如此。与此同时纳米技术也给我们提出了一系列的问题，需要我们去解决。如制备纳米陶瓷的原料问题，纳米粉体在制造过程中的最大困难是如何解决团聚问题，纳米粉体的成型工艺问题，如何表征纳米粉体，如
13、何确认它是高纯的问题都是我们需要研究的问题。我国已经研制出尺寸较大的可供检测的纳米氧化锆和氮化硅陶瓷试样。而用氧化锆纳米粉体（十几个纳米），在1200-1300烧结可以得到理论密度98%以上的陶瓷体。但是最终由于粉体晶粒的重结晶加速，所得陶瓷的晶粒尺寸约为100nm(。虽然目前还没有真正意义上的纳米陶瓷材料，但是，纳米技术的前景非常广阔，据报道到2005年广州纳米产业值要达50亿以上，到2010年，纳米技术研究、应用及产业化总体水平处于国内先进行列【3】郭景坤.材料研究学报,1997.6:594-600。3.3.1纳米陶瓷未来研究方向跨世纪的研究方向为纳米陶瓷材料制备技术及其化学和物理问题研究
14、以及纳米精细复合仍应不失为功能陶瓷的研究趋向。3.4陶瓷基复合材料以陶瓷为基体分别与有机、无机或金属几类不同材料, 通过复合工艺组合成新的材料, 称为陶瓷基复合材料。它可分为结构复合陶瓷材料和功能陶瓷复合材料。其发展方向是结构陶瓷材料和功能陶瓷材料复合获得“ 一体化新型陶瓷材料”。3.4.1陶瓷基复合材料研究方向陶瓷材料中多相复合陶瓷, 诸如纤维、晶须增韧补强复合材料，异相颗粒弥散补强复合陶瓷材料; 原位生长复相自补强陶瓷材料; 纳米级复相陶瓷材料。梯度功能复合材料,重点研究其化学和物理相容性, 以解决关于陶瓷材料中几种材料的膨胀系数和弹性模量相匹配, 且在使用过程中不发生化学反应而引起性能衰
15、退。跨世纪的研究课体是“ 结构一功能” 一体化复合陶瓷新型材料。4国内外关于先进陶瓷材料的研究现状4.1国外研发现状由于先进陶瓷已被广泛应用于交通运输、化工冶金、电子通讯、医疗卫生、广播电视、海洋开发、能源环保及航空航天等工业领域，因此，世界各国，尤其是西方发达国家争相研究、开发和生产先进陶瓷，无论从新品的开发研制还是到市场占领，均展开了异常激烈的竞争。从目前情况看，先进陶瓷元件的研制与生产主要集中在美国和日本这两个工业发达国家。美国的专利倾向于在基础知识上的创新，日本专利则倾向于在现有技术基础上的改进以期有更多的工程应用前景。美国和日本竞相把先进陶瓷作为新型工程材料来发展，目标是把陶瓷的特性如高硬度、高耐磨性、耐高温性于抗腐蚀性和钢的延展性结合起来。其中美国在发展先进陶瓷材料方面更是蓝图宏伟、雄心勃勃。由于宇航技术发展的需要，美国国家航空和宇航局在结构陶瓷的开发应用和加工技术方面正在实施大规模的研究与发展计划【4】范培德. 先
