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1、1无机非金属材料工程无机非金属材料工程 专业导论专业导论先进陶瓷材料先进陶瓷材料概述概述概述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。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。温、腐蚀、辐照等环境工作。 先进陶瓷先进陶瓷陶瓷的定义陶瓷的定义 什么是陶瓷什么是陶瓷(Ceramics)？传传统统陶
2、陶瓷瓷是是“由由粘粘土土或或主主要要含含粘粘土土（有有长长石石、石石英英等等）的的混混合合物物，经成形、干燥、烧结而成的制品经成形、干燥、烧结而成的制品”。美美国国陶陶瓷瓷学学会会给给陶陶瓷瓷下下的的定定义义：“在在高高温温下下形形成成及及使使用用的的无无机机非非金金属材料属材料”先进陶瓷先进陶瓷 Ceramicsthe making of pots, tiles, etc., by shaping pieces of clay and baking them until they are hard; articles produced in this way.Ceramics来自希腊字来自希
3、腊字Keramic ，意为，意为“an art of potter”;而而Keramic来自希腊字来自希腊字Keramos，意为，意为“Burnt stuff” 用火烧成的制品，多指粘土烧成的陶器。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。，如陶瓷、砖瓦、耐火材料等。 先进陶瓷先进陶瓷陶陶瓷瓷的的定定义：无无机机非非金金属属粉粉末末经成成型型后后在在低低于于熔熔点点的的高高温温下下烧结而而制制成成的的固体材料。（狭固体材料。（狭义的，由工的，由工艺而
4、来）而来）“传统陶瓷陶瓷” 主要以天然的硅酸主要以天然的硅酸盐为原料，因此又被称原料，因此又被称为“硅酸硅酸盐材料材料”。由于陶瓷的化学由于陶瓷的化学组成是以离子成是以离子键和共价和共价键为主要主要键的无机非金属化合物，故的无机非金属化合物，故又称陶瓷又称陶瓷为“无机非金属材料无机非金属材料”、“无机无机绝缘材料材料”、“无机介无机介电材料材料”。先进陶瓷先进陶瓷随随着着新新型型材材料料的的发展展，陶陶瓷瓷概概念念扩展展到到整整个个无无机机非非金金属属固固体体材材料料或或无无机机化化合合固固体体材材料料，除除了了一一般般的的多多晶晶烧结体体外外，还包包括括单晶晶、玻玻璃璃、薄薄膜膜、纤维、粉粉
5、体体等等，其其制制备方方法法也也不不再再局局限限于于常常规烧结法法，因因此此是是“广广义陶瓷陶瓷”。先进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。国际上对陶瓷的广义的定义与上述定义类似。W.D.Kingery现现 代代 陶陶 瓷瓷 工工 程程 之之 父父 ， 在在 “Introduction to Ceramics”中把中把陶瓷陶瓷定义为定义为:“the art and science of making and using solid articles which have as their essentially component, and are composed in la
6、rge part of, inorganic nonmetallic materials”“制制造造和和应应用用固固体体制制品品的的技技艺艺和和科科学学，这这种种固固体体制制品品主主要要是是由由无无机机非金属材料作为基本组分组成的非金属材料作为基本组分组成的”。先进陶瓷先进陶瓷 这一定义不仅包括这一定义不仅包括陶器、瓷器、耐火材料、建筑粘土制品、磨料、陶器、瓷器、耐火材料、建筑粘土制品、磨料、搪瓷、水泥和玻璃等搪瓷、水泥和玻璃等材料，而且还包括材料，而且还包括非金属磁性材料、铁电体、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人造单晶、特种陶瓷、以及各种各样的其他制品。T
7、his definition essentially says that a ceramic is anything that is not an organic material or a metal.先进陶瓷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（瓷工艺方法（Ceramic Process）生产的制品也称）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、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。有机高分子
8、材料并列为当代三大固体材料。It suggests three categories of materials: ceramics, organics and metals先进陶瓷先进陶瓷我国的陶瓷一词和英文中的我国的陶瓷一词和英文中的Ceramics一样一样具有狭义（陶瓷、瓷器）和广义两重含具有狭义（陶瓷、瓷器）和广义两重含意：意：广义广义的陶瓷工业是陶瓷、玻璃、耐火材的陶瓷工业是陶瓷、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。料、搪瓷、磨料、水泥等无机非金属材料工业的泛称。先进陶瓷先进陶瓷随着工业的发展，陶瓷制品广泛地应用于随着工业的发展，陶瓷制品广泛地应用于社会各行各业
9、，采用了更多、更复杂的工社会各行各业，采用了更多、更复杂的工业原料。业原料。先进陶瓷的广义的定义为：先进陶瓷的广义的定义为：“用粘土以外的用粘土以外的其他原料，依陶瓷制造的工艺方法制成的其他原料，依陶瓷制造的工艺方法制成的制品制品”先进陶瓷先进陶瓷 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。可广泛应用于电子、原子能、宇航、半导体等工业。陶瓷的分类陶瓷的分类 先进陶瓷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
10、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 车航航 天天 飞飞 机机 腾腾 空空 而而 起起“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
11、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。能可满足工业和国防中各种特殊的需要。先进陶瓷先进陶瓷几个有用的名几个有用的名词：特种陶瓷特种陶瓷 special ceramics先先进陶瓷陶瓷 advanced ceramics精精细陶瓷陶瓷 fine ceramics高性能陶瓷高性能陶瓷 high performance ceramics新型陶
12、瓷新型陶瓷 new ceramics近代陶瓷近代陶瓷 modern ceramics几个有用的名几个有用的名词：特种陶瓷特种陶瓷 special ceramics先先进陶瓷陶瓷 advanced ceramics精精细陶瓷陶瓷 fine ceramics高性能陶瓷高性能陶瓷 high performance ceramics新型陶瓷新型陶瓷 new ceramics近代陶瓷近代陶瓷 modern ceramics先进陶瓷先进陶瓷陶瓷发展的重要阶段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Davi
13、d W. Richerson 在其著作中在其著作中Modern Ceramic Engineering(Taylor & Francis Group, New York, 2006 )给出了广义的陶瓷的简要发展的给出了广义的陶瓷的简要发展的里程碑里程碑先进陶瓷先进陶瓷Key Milestones in the Evolution of Ceramics Time Description of Milestone 24000 B.C. Clay mixed with water, molded into a shape, dried, and fired to produce the first
14、 man-made ceramic” earthenware”10000 B.C.Early use of earthenware for useful article such as containers.7000-6000 B.C. Lime mortar(石灰砂浆石灰砂浆) used for filling spaces between stones in construction and also for making thick-walled containers.Key Milestones in the Evolution of CeramicsTime Description
15、of Milestone7000-5000 B.C. Widespread use of earthenware for food storage and cooling 70005000 B.C.Widespread use of plaster-like cementitious ceramics for in floor construction and as decorated interior wall coatings. 4500 B.C. Ceramics used to line crude kilns（窑炉）（窑炉） to smelt copper from its ores
16、 and make possible the Chalcolithic（红铜）（红铜）, Bronze and Iron Ages.Key Milestones in the Evolution of Ceramics Time Description of Milestone 45003500 B.C. Fired brick shown to be more durable than dried mud bricks 45003500 B.C.Development of early faience（彩彩陶陶） to produced white ceramics with bright
17、blue glassy coatings: precursor to development of glass and glazes（釉）（釉）. 35002800 B.C.Evolution of first writing consisting of pictographs（象形文字）（象形文字） and “cuneiform（楔形文字）（楔形文字）” symbols inscribed in clay tablets. Key Milestones in the Evolution of Ceramics Time Description of Milestone3300 B.C. Po
18、tters wheel invented, making earthenware pottery available and affordable for just about everyone 25001600 B.C.From early isolated examples of glass to well-established craft. 17501150 B.C. Variety of glaze developed in- cluded lead glazes and colored glazes.Key Milestones in the Evolution of Cerami
19、cs Time Description of Milestone1025750 B.C. Early developments in China of stoneware, which was lighter in color, stronger, and less porous than earthenware 500100 B.C.High-strength concrete（混混凝凝土土） developed by Greeks and Romans and used widely in construction especially by the Romans. 10050 B.C.
20、Glass blowing invented, making glass items available to others than royalty and aristocrats.Key Milestones in the Evolution of CeramicsTime Description of Milestone600-800 A.D. Evolution of high-quality porcelain（瓷）（瓷） in China 800900 A.D.Islamic refinements of the use of white tin-based glazes and
21、lustrous overglazes. 1740s “Transfer printing” invented to greatly increased the rate of production of tiles（瓷砖）（瓷砖）. Key Milestones in the Evolution of CeramicsTime Description of Milestone 1840s “Dust pressing” invented to further dramatically increase rate of production of tiles and eventually be
22、come the uniaxial pressing process and workhorse of modern high-volume production of polycrystalline ceramicsLate 1800sDemonstration of successful laboratory synthesis of single crystals of ruby and sapphire.Key Milestones in the Evolution of CeramicsTime Description of Milestone Early 1900s Increas
23、e in temperature capability of production kilns to greater than 1400C and late to 1600C. Mid-1900sEstablishment of alumina-based ceramics and introduction of a wide range of new engineered ceramics.Late 1900sDevelopment of ultra-high-temperature, high-strength, and high-toughness ceramics and cerami
24、c matrix composites 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。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，陶瓷进入了纳米陶瓷发展阶段。从二十世纪九十年代开始，陶瓷进入了纳米陶瓷发展阶段。先进陶瓷先进陶瓷陶器陶器(从公元前从公元前24000年开始年开始)瓷器瓷器 (从公元从公元250年开始年开始)现代先进陶瓷现代先进陶瓷 (从从20世纪世纪40年代开始年代开始)纳米陶瓷纳米陶瓷 (从从20世纪世纪90年代开始年代开始)1、陶器阶段、陶器阶段 用黏土制成毛坯，经过高温用黏土制成毛坯，经过高温(1000 C) 烧结而成，是原
25、始人类制成的最重要的物品之一烧结而成，是原始人类制成的最重要的物品之一 2、瓷器阶段、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（发明了釉、发现并使用高铝质瓷土、高温技术的发展（1200 C ）先进陶瓷先进陶瓷3、现代先进陶瓷阶段、现代先进陶瓷阶段原料纯化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新工艺层出不穷层出不穷 成型新工艺成型新工艺：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先进陶瓷 烧结新工艺烧结新工艺：热压烧结、热压等静压烧结
26、、反应烧结、快速烧结、微波烧结、等离子体烧结、自蔓：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、自蔓燃烧结等燃烧结等 理论理论日趋成熟日趋成熟从经验操作发展到科学控制、特定材料设计、工艺从经验操作发展到科学控制、特定材料设计、工艺结构结构性质性质使用性能使用性能 分析技术分析技术进步进步显微结构分析技术如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仪器等先进陶瓷先进陶瓷相邻相邻学科发展学科发展量子力学、固体物理、固体化学、配位化学、量子力学、固体物理、固体化学、配位化学、结晶化学、量子化
27、学、半导体、微电子等结晶化学、量子化学、半导体、微电子等4、纳米陶瓷阶段、纳米陶瓷阶段原料纳米化、陶瓷内部晶粒纳米化、性能高原料纳米化、陶瓷内部晶粒纳米化、性能高度优化、正在深入研究，预期将引起重要度优化、正在深入研究，预期将引起重要变化。变化。先进陶瓷先进陶瓷49 功能陶瓷功能陶瓷是指在微是指在微电子、光子、光电子信息和自子信息和自动化技化技术以及生物医学、能源和以及生物医学、能源和环保工保工程等基程等基础产品品领域中所用的陶瓷材料。域中所用的陶瓷材料。p如制造如制造电子子线路中的路中的电容器用的容器用的电介介质瓷，制造集成瓷，制造集成电路基片和管壳用的高路基片和管壳用的高频绝缘瓷等。瓷等。
28、p功能陶瓷以其独特的声、光、功能陶瓷以其独特的声、光、热、电、磁等物理特性和生物、化学以及适当、磁等物理特性和生物、化学以及适当的力学等特性，在相的力学等特性，在相应的工程和技的工程和技术中起关中起关键作用作用。大部分大部分为电子陶瓷子陶瓷 （electroceramics）先进陶瓷先进陶瓷二、二、二、二、电电子陶瓷的分子陶瓷的分子陶瓷的分子陶瓷的分类类 从使用功能分从使用功能分类：（a）结构陶瓷：构陶瓷：Al2O3、AlN、BeO(集成集成电路路衬底、微波大功率器件底、微波大功率器件散散热支撑件、支撑件、MCM用基片）；用基片）；（b）功能陶瓷：）功能陶瓷：电容器陶瓷、微波陶瓷、容器陶瓷、微
29、波陶瓷、压电陶瓷、陶瓷、热释电陶瓷、陶瓷、透明透明电光陶瓷，半光陶瓷，半导体陶瓷；体陶瓷； 按照工作按照工作频率分：低率分：低频瓷（瓷（1kHz）、高）、高频瓷（瓷（1MHz）、微波瓷）、微波瓷（300MHz300GHz）。）。 先进陶瓷先进陶瓷功能陶瓷的分类：功能陶瓷的分类：高频绝缘零件瓷高频绝缘零件瓷电阻基体和电感基体瓷电阻基体和电感基体瓷电真空瓷电真空瓷电容器瓷电容器瓷铁电陶瓷铁电陶瓷压电陶瓷压电陶瓷半导体陶瓷半导体陶瓷导电陶瓷导电陶瓷超导陶瓷超导陶瓷磁性瓷磁性瓷光电子材料光电子材料生物陶瓷生物陶瓷环境保护用陶瓷环境保护用陶瓷环境协调型陶瓷材料和技术环境协调型陶瓷材料和技术电子陶瓷分子陶
30、瓷分类图功能陶瓷的生产工艺功能陶瓷的生产工艺功能陶瓷的生产工艺过程功能陶瓷的生产工艺过程原料处理和原料处理和原料处理和原料处理和加工加工加工加工备料备料备料备料成型成型成型成型电极制备电极制备烧成烧成元件元件性能检测性能检测Processing of Ceramics成型 Shaping 功能陶瓷常用的成型方法有功能陶瓷常用的成型方法有挤制成型挤制成型干压成型干压成型热压铸成型热压铸成型注浆成型注浆成型轧膜成型轧膜成型等静压成型等静压成型热压成型热压成型流延成型流延成型干压成型热压铸成型p利用压缩空气使加热熔化利用压缩空气使加热熔化的含蜡配料的含蜡配料(铸浆铸浆)充满模充满模具，冷却后凝固成需
31、要形具，冷却后凝固成需要形状坯件。状坯件。6162轧膜机轧膜机 64实验用脱泡机实验用脱泡机大型流延机大型流延机实验用流延机实验用流延机65丝网印刷机丝网印刷机注浆成型注浆成型slip-castingp注注浆成型可分成型可分为实心注心注浆成型和空心注成型和空心注浆成型，是在石膏模中成型，是在石膏模中进行的。行的。p由于石膏模具有多孔性，吸水性由于石膏模具有多孔性，吸水性强，能很快吸收瓷，能很快吸收瓷浆中的水分，达到成型的中的水分，达到成型的目的目的。烧成烧成常常压烧结、气氛、气氛烧结、热压烧结、热等静等静压反反应热压烧结利用高温下配料的化学反利用高温下配料的化学反应进行的行的烧结工工艺。常常见的反的反应热压烧结有：有：分解分解热压烧结相相变热压烧结分解合成分解合成热压烧结。其他其他烧结工工艺方法方法超高超高压和超高温和超高温烧结电火花火花烧结化学气相沉化学气相沉积法法反反应烧结微波微波烧结
