無機(jī)非金屬材料工藝學(xué)非陶瓷工藝

1、無機(jī)非金屬材料工藝學(xué) 主講： 郝繼功 Technology of Inorganic Non-Metallic Materials 陶器時(shí)代 特種陶瓷先進(jìn)功能陶瓷及結(jié)構(gòu)陶瓷材料的發(fā)展歷程先進(jìn)材料、電子信息技術(shù)、生物技術(shù)美國(guó)國(guó)會(huì)技術(shù)評(píng)價(jià)辦公室的備忘錄；美國(guó)化學(xué)會(huì)召開的Chemrawn會(huì)議 在先進(jìn)材料、電子信息技術(shù)、生物技術(shù)三大未來高技術(shù)領(lǐng)域中，先進(jìn)材料中的先進(jìn)陶瓷和高分子基質(zhì)材料將于今后25年內(nèi)在世界上發(fā)揮重大作用，并可能是一個(gè)國(guó)家在國(guó)際生產(chǎn)和技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)中保持強(qiáng)力地位的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域。美國(guó)先進(jìn)陶瓷工業(yè)市場(chǎng) 電子陶瓷元器件仍為市場(chǎng)主流，復(fù)合陶瓷、防彈陶瓷、壓電陶瓷等也繼續(xù)保持最佳商機(jī)。 Freedon

2、ia集團(tuán)公布了美國(guó)陶瓷市場(chǎng)的預(yù)測(cè)報(bào)告，先進(jìn)陶瓷的需求量按7%/年的速度增長(zhǎng)。百萬美元日本先進(jìn)陶瓷工業(yè)市場(chǎng)億日元我國(guó)特種陶瓷工業(yè)市場(chǎng)結(jié)構(gòu)陶瓷:1/3功能陶瓷:2/35.8 特種陶瓷近年來，由于科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是電子技術(shù)、空間技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特種陶瓷得到了迅速的發(fā)展。特種陶瓷無論從原料、工藝或性能上均與傳統(tǒng)陶瓷有很大差異。一般來說，通常認(rèn)為特種陶瓷是“采用高度精選的原料，具有能精確控制的化學(xué)組成，按照便于控制的制造技術(shù)加工的，便于進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并具有優(yōu)異特性的陶瓷”。 1. 特種陶瓷名稱5.8.1 特種陶瓷簡(jiǎn)介特種陶瓷（Special ceramics） 先進(jìn)陶瓷（Advanced

3、 ceramics）精細(xì)陶瓷（Fine ceramics）工程陶瓷（Engineering ceramics）新型陶瓷（New ceramics）近代陶瓷（Modern ceramics）高技術(shù)陶瓷（High Technology ceramics）高性能陶瓷（High Performance ceramics） 2. 特種陶瓷和傳統(tǒng)陶瓷的主要區(qū)別 3. 特種陶瓷的種類結(jié)構(gòu)陶瓷主要利用其熱、機(jī)械、化學(xué)功能，有耐磨損材料、高強(qiáng)度材料、耐熱材料，硬質(zhì)材料、耐沖擊材料、低膨脹材料、隔熱材料等結(jié)構(gòu)材料。功能陶瓷是指具有特殊的電學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)性能，以及在機(jī)、電、聲、光、熱、磁之間的耦合功能，主要用

4、作能量轉(zhuǎn)換、信息傳遞和環(huán)境敏感的特種陶瓷。 特陶可以“上天入地”，“上天”指特種陶瓷應(yīng)用于航天科技行業(yè)，“入地”指特種陶瓷可以應(yīng)用于汽車等行業(yè)。 超高溫陶瓷在航空航天領(lǐng)域還可以用在超音速飛機(jī)的耐熱保護(hù)材料、火箭和各種高速飛行器的燃料噴嘴。 陶瓷剎車盤 4. 特種陶瓷的應(yīng)用結(jié)構(gòu)陶瓷功能陶瓷 1). 結(jié)構(gòu)陶瓷 分類氧化物陶瓷: 氧化鋁、氧化鋯、莫來石陶瓷等；非氧化物陶瓷玻璃陶瓷氮化物陶瓷(氮化硅、氮化鋁、氮化硼)；碳化物陶瓷(碳化硅、碳化鈦、碳化硼)；硼化物陶瓷(硼化鈦、硼化鋯)。 氧化鋁陶瓷耐磨、抗沖擊、耐高溫氧化鋁陶瓷襯片、襯板、襯塊。廣泛適用于礦山、水泥、熱電等行業(yè)的物料輸送。耐磨抗沖擊氧化

5、鋁陶瓷襯片耐高溫氧化鋁陶瓷坩堝 人造寶石紅寶石和藍(lán)寶石的主要成分都是Al2O3。紅寶石呈現(xiàn)紅色是由于其中混有少量含鉻化合物；而藍(lán)寶石呈藍(lán)色則是由于其中混有少量含鈦化合物。碳化硅SiC，俗稱金剛砂。Si-C為很強(qiáng)的共價(jià)鍵，故SiC屬原子晶體，熔點(diǎn)高(2450)，硬度大(9.2)，是重要的工業(yè)磨料。如其中摻入某些雜質(zhì)，會(huì)使之出現(xiàn)半導(dǎo)體，作為高溫半導(dǎo)體，用于電熱元件。 碳化硅結(jié)構(gòu)陶瓷碳化硅制成的渦輪葉片 氮化硅結(jié)構(gòu)陶瓷氮化硅陶瓷是一種超硬物質(zhì)，密度小、本身具有潤(rùn)滑性，并且耐磨損，抗腐蝕能力強(qiáng)；正是氮化硅具有如此良好的特性，人們常常用它來制造軸承、汽輪機(jī)葉片、機(jī)械密封環(huán)、永久性模具等機(jī)械構(gòu)件。身邊的結(jié)

6、構(gòu)陶瓷 2). 功能陶瓷 分類電功能陶瓷：電介質(zhì)陶瓷(電絕緣陶瓷、介電/壓電/熱釋電/鐵電陶瓷)、導(dǎo)電陶瓷(YSZ)、陶瓷超導(dǎo)材料光功能陶瓷：透明Al2O3、MgO陶瓷、透明鐵電陶瓷、電光陶瓷磁功能陶瓷：鐵氧體、 尖晶石型(MgFe2O4)、鈣鈦礦型、鈦鐵石型、氯化鈉型、金紅石型生物及化學(xué)功能陶瓷：生物陶瓷(牙齒、人造骨骼等)，濕敏/氣敏陶瓷。按功能和主要用途:生活中的功能陶瓷壓電陶瓷熱敏陶瓷氣敏陶瓷 介電陶瓷電介質(zhì)陶瓷是指電阻率大于108m的陶瓷材料，能承受較強(qiáng)電場(chǎng)而不被擊穿。按其在電場(chǎng)中的極化特性，可分為電絕緣陶瓷和電容器陶瓷。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，在這類材料中又相繼發(fā)現(xiàn)壓電、熱釋電和鐵電等

7、性能。鐵電晶體介電晶體壓電晶體熱釋電晶體電容器陶瓷多層陶瓷電容器陶瓷濾波器 壓電陶瓷壓電效應(yīng)：電介質(zhì)材料中一種機(jī)械能與電能互換的現(xiàn)象。 極化：是指電介質(zhì)陶瓷中的分子正負(fù)電荷移動(dòng)，造成正負(fù)電荷中心不重合，在電介質(zhì)陶瓷內(nèi)部形成偶極矩。 壓電陶瓷：經(jīng)過人工極化處理具有壓電效應(yīng)的陶瓷制品。信息：鐵電存儲(chǔ)器工業(yè): 氣敏傳感器生醫(yī)：超聲換能器國(guó)防：艦艇的聲納應(yīng)用和市場(chǎng) 在國(guó)家基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮著不可替代重要作用。 壓電功能器件國(guó)際市場(chǎng)龐大， 3000億美元/年 應(yīng)用領(lǐng)域舉 例 電 源雷達(dá)，電視顯像管，高壓電源，點(diǎn)火裝置信號(hào)轉(zhuǎn)換振蕩器，音叉，送話器，蜂鳴器，超聲換能器發(fā)射接收超聲探測(cè)，聲納，水下導(dǎo)航，無損檢測(cè)

8、，醫(yī)療信號(hào)處理濾波器，放大器，振蕩器，混頻器傳感計(jì)測(cè)加速度計(jì)，壓力計(jì)，角速度計(jì)，紅外探測(cè)器存貯顯示電光、聲光調(diào)制器，光存貯器，聲光顯示器其 它非線性元件，壓電繼電器等 磁性陶瓷 具有強(qiáng)磁性的材料稱為磁性材料。 磁性陶瓷(magnetic ceramics)分為含鐵的鐵氧體陶瓷和不含鐵的磁性陶瓷。抗磁性：在外加磁場(chǎng)H的作用下，材料內(nèi)部感生一個(gè)與外磁場(chǎng)H方向相反的感生磁場(chǎng)(抵抗外磁場(chǎng))。順磁性：未滿電子殼層結(jié)構(gòu)的材料在外磁場(chǎng)作用下，未成對(duì)電子產(chǎn)生的磁矩會(huì)順著磁場(chǎng)方向定向排列而產(chǎn)生宏觀的凈磁矩（在外磁場(chǎng)中顯磁性）順磁共振波譜儀陶瓷所具有的磁性強(qiáng)度是別的材料所難以比擬的，因此大量的被用在制作電感或變壓

9、器的磁蕊，磁性記憶材料(如軟硬碟或磁帶上的涂膜)，各種微波元件、揚(yáng)聲器、馬達(dá)等等。 敏感陶瓷敏感陶瓷用于制造敏感元件，是根據(jù)某些陶瓷的電阻率、電動(dòng)勢(shì)等物理量對(duì)熱、濕、光、電壓及某種氣體、某種離子的變化特別敏感的特性而制得的。按其相應(yīng)的特性，可把這些材料分別稱作熱敏、濕敏、光敏、壓敏、氣敏及離子敏感陶瓷。 這些敏感陶瓷已廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測(cè)、控制儀器、交通運(yùn)輸系統(tǒng)、汽車、機(jī)器人、防止公害、防災(zāi)、公安及家用電器等領(lǐng)域。 紅外感應(yīng)出水器熱敏陶瓷元器件氣體檢測(cè)器濕度檢測(cè)器 超導(dǎo)陶瓷 具有超導(dǎo)性的陶瓷材料。主要特性是在一定臨界溫度下電阻為零即所謂零阻現(xiàn)象。應(yīng)用：電力方面 超導(dǎo)發(fā)電機(jī) 由于超導(dǎo)陶瓷的電阻為零

10、，因而沒有熱損耗，可以制造大容量、高效率的超導(dǎo)發(fā)電機(jī)等。超導(dǎo)發(fā)電機(jī)，擁有兩萬千瓦的功率 交通方面 磁懸浮列車 制造超導(dǎo)磁懸浮列車由于超導(dǎo)陶瓷的強(qiáng)抗磁性，磁懸浮列車沒有車輪，靠磁力在鐵軌上“漂浮”滑行。環(huán)保和醫(yī)學(xué)方面 廢水處理 核磁共振MRI掃描儀西門子超導(dǎo)Avanto 1.5T高端磁共振掃描儀 光學(xué)陶瓷 具有一定透光性或具有光性能與其他性能相互轉(zhuǎn)換效應(yīng)(如電光效應(yīng)、磁光效應(yīng)等)的陶瓷材料。 生物陶瓷 用作特定的生物或生理功能的一類陶瓷材料。 廣義講，凡屬生物工程的陶瓷材料統(tǒng)稱為生物陶瓷。5.8.2 特種陶瓷制備工藝特種陶瓷制備工藝流程圖：成型排膠燒結(jié)機(jī)械加工粉料加工配料計(jì)算 原料準(zhǔn)備 1. 原

11、料準(zhǔn)備 特種陶瓷用的原料有天然原料和化工原料。 天然原料含雜質(zhì)較多，但價(jià)格便宜，因此只要產(chǎn)品性能符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和使用要求，生產(chǎn)中往往挑選和使用純度盡可能高的天然原料，以降低生產(chǎn)成本。天然原料在加工前需經(jīng)人工揀選和淘洗，盡量去掉有害雜質(zhì)?；ぴ洗蠖喾墙饘傺趸锘蛱妓猁}等，是特種陶瓷生產(chǎn)中最常用的原料，其純度和物理特性可控制。 2. 配料計(jì)算 電子陶瓷研究和生產(chǎn)中的配料計(jì)算，主要是根據(jù)欲合成的化合物的化學(xué)分子式計(jì)算原料配比，如合成BaTiO3、PbTiO3、(Pb, La)(Zr,Ti)O3等。 已知其化學(xué)式為：Pb(Mg1/3Nb2/3)O3+0.14PbTiO3+0.04Bi2O3 。所用原料純度為：鉛丹含Pb3O4 (98%)；Bi2O3 (98%)；Nb2O5 (99.5%)試計(jì)算配制500g時(shí)各種原料所需的重量。 (1)計(jì)算各原料的摩爾數(shù)比例：原料Pb3O4MgCO3TiO2Bi2O3Nb2O5摩爾比(1+0.14)1/31/3 0.140.04 (2)按原料純度進(jìn)行修正：將各原料的摩爾數(shù)比例除以該原料的純度，得到原料的摩爾數(shù)修正值。 原料Pb3O4MgCO3TiO2Bi2O3Nb2O5摩爾比0.38780.3401014290.04080.3350 (3) 計(jì)算各原料的重量： 原料Pb