先進(jìn)陶瓷材料講義

先進(jìn)陶瓷材料

Advancedceramicmaterials飛霧流雪20180528第一頁，共27頁。先進(jìn)陶瓷的概念及分類先進(jìn)陶瓷國內(nèi)外研究現(xiàn)狀先進(jìn)陶瓷的制備工藝及分析表征以多孔碳化硅構(gòu)造陶瓷為例目錄第二頁，共27頁。陶瓷陶瓷第三頁，共27頁。陶瓷的概念傳統(tǒng)上，陶瓷的概念是指以粘土及其天然礦物為原料，經(jīng)過粉碎混合、成型、焙燒等工藝過程所制得的各種制品。亦稱為“普通陶瓷”或傳統(tǒng)陶瓷。先進(jìn)陶瓷是“采用高度精選或合成的原料，具有精確控制的化學(xué)組成，按照便于控制的制造技術(shù)加工、便于進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且有優(yōu)異特性的陶瓷?！钡谒捻摚?7頁。功能陶瓷：功能陶瓷是具有電、磁、光、熱、化學(xué)、生物等特性，且具有相互轉(zhuǎn)化功能的一類陶瓷。功能陶瓷在先進(jìn)陶瓷中約占70%的市場份額，其余為結(jié)構(gòu)陶瓷。結(jié)構(gòu)陶瓷：是指能作為工程結(jié)構(gòu)材料使用的陶瓷。它具有高強(qiáng)度、高硬度、高彈性模量、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、抗氧化、抗熱震等特性。先進(jìn)陶瓷按照性能和應(yīng)用可分為構(gòu)造陶瓷和功能陶瓷兩大類。第五頁，共27頁。（1）高熔點(diǎn)氧化物，如Al2O3、ZrO2、MgO、BeO等，它們的熔點(diǎn)一般都在2000攝氏度以上；（2)碳化物，如SiC、WC、TiC、B4C、ZrC等；（3）氮化物，如Si3N4、BN、AlN、TiN等，氮化物常具有很高的硬度；（4）硼化物，如ZrB2等，硼化物具有很強(qiáng)的抗氧化能力；（5）硅化物，如MoSi2、ZrSi等，在高溫使用中具有很強(qiáng)的抗氧化能力。構(gòu)造陶瓷第六頁，共27頁。2003年2月1日美國“哥倫比亞”號航天飛機(jī)外部燃料箱表面泡沫材料安裝過程中存在的缺陷，是造成整起事故的禍?zhǔn)住！案鐐惐葋啞碧柡教祜w機(jī)事故調(diào)查委員會去年公布的調(diào)查報(bào)告稱，外部燃料箱表面脫落的一塊泡沫材料擊中航天飛機(jī)熱保護(hù)系統(tǒng)，是導(dǎo)致事故發(fā)生的主要原因。第七頁，共27頁。8功能陶瓷電功能陶瓷：絕緣陶瓷、介電陶瓷、鐵電陶瓷、壓電陶瓷、半導(dǎo)體陶瓷、快離子導(dǎo)體陶瓷、高溫超導(dǎo)陶瓷磁功能陶瓷：軟磁鐵氧體、硬磁鐵氧體、記憶用鐵電體光功能陶瓷：透明陶瓷、透明鐵電陶瓷敏感陶瓷：熱敏陶瓷、氣敏陶瓷、濕敏陶瓷、壓敏陶瓷、光敏陶瓷生物及化學(xué)功能陶瓷：載體用陶瓷、催化用陶瓷、生物陶瓷功能陶瓷第八頁，共27頁。種類性能應(yīng)用結(jié)構(gòu)陶瓷高溫陶瓷800℃以上長期使用，超高溫短期使用窯爐器件、柴油機(jī)等發(fā)動機(jī)、航空航天、空間技術(shù)等高強(qiáng)陶瓷高韌性、高強(qiáng)度、良好的抗沖擊性機(jī)床主軸軸承、密封環(huán)、模具等超硬陶瓷熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、彈性模量優(yōu)良高速磨削道具、防彈裝備等耐腐蝕陶瓷優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和耐沖刷性能化工設(shè)備、艦船潛艇密封、金屬液體防護(hù)、過濾陶瓷等功能陶瓷電子陶瓷壓電、光電、熱釋電、鐵電、絕緣性電子元器件、超高壓絕緣子等超導(dǎo)陶瓷超導(dǎo)特性、耐低溫超導(dǎo)光纜、空間、電子、生物等光學(xué)陶瓷透波性能、透明性、熒光性基板、天線罩、發(fā)光器、陶瓷傳感器、激光器件等生物陶瓷與血液、器官良好的生物相容性陶瓷關(guān)節(jié)、骨骼、牙齒等磁性陶瓷磁導(dǎo)率、矯頑力大、硬度高微波器件、量子無線電等儲能陶瓷能量轉(zhuǎn)換與存儲特性熱、電、光、氫儲能等力學(xué)性能物理、化學(xué)性能先進(jìn)陶瓷應(yīng)用性能分析第九頁，共27頁。先進(jìn)陶瓷材料國防冶金電子化工機(jī)械航空航天生物醫(yī)學(xué)第十頁，共27頁。美國日本歐盟全球第二大先進(jìn)陶瓷材料消費(fèi)基地；國家航空和宇航局對構(gòu)造陶瓷的大規(guī)模研究與開發(fā)；業(yè)內(nèi)知名企業(yè)：格魯曼、杜邦、賽瑞丹全球最大先進(jìn)陶瓷材料消費(fèi)基地；功能陶瓷領(lǐng)域壟斷國際市場；業(yè)內(nèi)知名企業(yè)：京瓷、東芝、旭硝子、住友、村田、東陶市場份額僅次于日本和美國；德國、法國在構(gòu)造陶瓷領(lǐng)域重點(diǎn)研發(fā)；國內(nèi)外研究開展情況中國市場份額穩(wěn)步增長；第十一頁，共27頁。

1）

技術(shù)及新產(chǎn)品工程轉(zhuǎn)化極度匱乏雖然我國同樣能制備出性能良好的陶瓷材料，但絕大部分仍停留在實(shí)驗(yàn)室樣品上，有的產(chǎn)品由于成本高及可靠性等問題，市場還不能接受，所以產(chǎn)品的銷售額與發(fā)達(dá)國家相比相差甚遠(yuǎn)。2）高端粉體制備及分散技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后我國對陶瓷粉料的制備仍未引起足夠的重視，多種陶瓷粉料尚無專業(yè)化生產(chǎn)企業(yè)，許多企業(yè)不得不“自產(chǎn)自銷”。受部分發(fā)達(dá)國家限制，國內(nèi)企業(yè)在粉料質(zhì)量上仍存在較大的波動；同時(shí)，粉體的高效分散技術(shù)也存在較大差距。3）分析測試儀器及制造裝備加工技術(shù)落后雖然我國引進(jìn)了國外先進(jìn)的工藝裝備，像氣壓燒結(jié)爐、熱等靜壓、注射成型機(jī)、流延機(jī)等來提高我國的技術(shù)裝備水平，但因投資大，在經(jīng)濟(jì)上給企業(yè)造成了很大壓力，從而限制了先進(jìn)陶瓷的發(fā)展。而國內(nèi)仿制設(shè)備因加工水平差距，可靠性和穩(wěn)定性暫時(shí)無法與國外產(chǎn)品相比。我國先進(jìn)陶瓷產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀第十二頁，共27頁。坯體成型坯體燒結(jié)精細(xì)加工粉體制備先進(jìn)陶瓷制備工藝及分析表征分析測試第十三頁，共27頁。液相法氣相法固相法電阻加熱法化學(xué)火焰法等離子法激光法溶液法乳液法溶膠-凝膠法熔鹽合成法噴霧干燥法熱分解法燒結(jié)法還原-化合法機(jī)械化學(xué)法機(jī)械粉碎法粉體制備活性高

純度高粒徑小第十四頁，共27頁。坯體成型成型技術(shù)干法壓制成型塑性成型干壓成型冷等靜壓成型擠壓成型注射成型熱蠟鑄成型扎膜成型漿料成型固體無模成型注漿成型流延成型凝膠注模成型原位凝固成型熔融沉積成型三維打印成型分層實(shí)體成型立體光刻成型激光選取燒結(jié)成型第十五頁，共27頁。坯體燒結(jié)坯體燒結(jié)

是指把成型坯體轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅荏w的工藝過程。燒結(jié)狀態(tài)燒結(jié)壓力特殊加熱原理固態(tài)燒結(jié)液相燒結(jié)常壓燒結(jié)無壓燒結(jié)真空燒結(jié)熱壓燒結(jié)熱等靜壓燒結(jié)氣氛燒結(jié)微波燒結(jié)放電等離子燒結(jié)自蔓延燒結(jié)坯體燒結(jié)技術(shù)第十六頁，共27頁。精細(xì)加工陶瓷球閥磨削加工激光切割機(jī)激光打孔機(jī)超聲波打孔機(jī)第十七頁，共27頁。分析測試常用儀器激光粒度儀差示掃描熱分析（DSC）同步熱分析（TGA/DSC）比表面積分析儀（BET）X射線熒光光譜（XRF）X射線衍射儀

（XRD）3D激光顯微鏡掃描電鏡(SEM)原子力顯微鏡(AFM)透射電鏡（TEM）X射線光電子能譜（XPS）拉曼光譜紅外光譜儀第十八頁，共27頁。多孔碳化硅陶瓷制備流程簡圖舉例第十九頁，共27頁。碳化硅、層析氧化鋁、石墨原料的微觀構(gòu)造第二十頁，共27頁。碳化硅和石墨的TGA-DSC曲線〔10°C/min,空氣氣氛中〕第二十一頁，共27頁。不同燒結(jié)溫度〔1300-1500°C〕一樣保溫時(shí)間〔3h〕制得的樣品XRD圖譜〔A代表氧化鋁，C代表方石英，M代表莫來石，S代表碳化硅〕第二十二頁，共27頁。在空氣氣氛中燒成溫度為1450°〔3h〕制得的二氧化硅結(jié)合碳化硅多孔陶瓷〔a〕和莫來石結(jié)合碳化硅多孔陶瓷的場發(fā)射電子顯微鏡圖；〔a〕、〔b〕的內(nèi)置圖分別為他們的頸部的能譜圖第二十三頁，共27頁。石墨的含量對在空氣氣氛中燒成溫度為1450°〔3h〕制得的莫來石結(jié)合碳化硅多孔陶瓷氣孔率和抗彎強(qiáng)度的影響第二十四頁，共27頁。粒徑及氧化鋁對多孔碳化硅陶瓷的高溫氧化性能影響粒徑對