先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷的基本概念、結(jié)構(gòu)和性能課件

先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷的基本概念、結(jié)構(gòu)和性能第一章緒論材料

Materials金屬材料Metal無機(jī)非金屬材料：CeramicsInorganicnon-metallicmaterials高分子材料Polymer復(fù)合材料Composite1.1陶瓷的分類陶瓷Ceramics傳統(tǒng)陶瓷:Traditionalceramics

陶器Pottery

炻器Stoneware

瓷器Porcelain,China先進(jìn)陶瓷：Advancedceramics

結(jié)構(gòu)陶瓷：Structuralceramics

功能陶瓷：Functionalceramics

陶瓷基復(fù)合材料：Ceramicmatrixcomposite

廣義的陶瓷：是指由無機(jī)非金屬材料經(jīng)高溫處理而獲得的各種材料及其制品。

無機(jī)非金屬材料：除金屬材料和有機(jī)高分子材料之外的一切材料，包括各種無機(jī)非金屬單質(zhì)（C，S、Si）、氧化物（Al2O3、SiO2）、碳化物（SiC、TiC）、氮化物（Si3N4、BN）、硼化物（TiB2、ZrB2）、硅化物（MoSi2）等。

材料及其制品：粉體、纖維、薄膜、塊體。HunanUniversity

傳統(tǒng)的陶瓷：是指由硅酸鹽礦物原料經(jīng)細(xì)碎、混合、成型、燒成、彩繪等工序而獲得的具有堅(jiān)硬結(jié)構(gòu)的硅酸鹽制品。

陶瓷：ceramics,

陶：pottery,炻：stoneware,

瓷：porcelain,chinaHunanUniversity1.2傳統(tǒng)的陶瓷按材質(zhì)分：陶器：燒成溫度900~1200℃，吸水率＞2%

炻器：燒成溫度1150~1280℃，吸水率0.5~2%

瓷器：燒成溫度1250~1400℃，吸水率＜0.5%按應(yīng)用分：

日用陶瓷：杯、碟、碗、盆、勺、壺……

藝術(shù)陶瓷：花瓶、掛盤、瓷板畫、陶塑、瓷塑建筑陶瓷：內(nèi)墻磚、外墻磚、地板磚、衛(wèi)生潔具、廣場(chǎng)磚工業(yè)陶瓷：電瓷、化工陶瓷按裝飾特征分：有釉、無釉；黑陶、彩陶、青花、釉下彩、釉中彩、釉上彩釉下五彩、青花玲瓏、唐三彩、1.2.1傳統(tǒng)陶瓷的分類HunanUniversity1.2.2新石器時(shí)代的陶瓷

約8000年前：河南裴李崗遺址（公元前5935±480年）：中原地區(qū)新石器時(shí)代，粗陶，出土陶器有壺HunanUniversity1.2.2新石器時(shí)代的陶瓷

約7000年前：淅江河姆渡遺址（公元前5005±130年）：出土陶器有釜、罐、盆、盤缽HunanUniversity1.2.2新石器時(shí)代的陶瓷

約6000年前：西安半坡遺址（仰韶文化時(shí)期）：彩陶HunanUniversity1.2.2新石器時(shí)代的陶瓷

約4500年前：甘肅馬家窯（馬家窯，公元前2550±100年）：彩陶、黑陶HunanUniversity1.2.2新石器時(shí)代的陶瓷

約4000年前：中原地區(qū)（龍山文化，公元前2000前后）：彩陶、黑陶HunanUniversity1.2.3夏商周時(shí)期的陶瓷

約4000~3000年前：夏商周時(shí)期的陶瓷：彩陶、白陶、釉陶HunanUniversity1.2.4秦漢時(shí)期的陶瓷

秦漢時(shí)期：瓦當(dāng)、漢磚、兵馬俑、鉛釉陶HunanUniversity1.2.5唐宋時(shí)期的陶瓷隋唐時(shí)期

：彩陶、白陶→原始瓷器發(fā)展，越窯瓷HunanUniversity1.2.5唐宋時(shí)期的陶瓷隋唐時(shí)期

：邢窯瓷HunanUniversity1.2.5唐宋時(shí)期的陶瓷隋唐時(shí)期

：唐三彩HunanUniversity1.2.5唐宋時(shí)期的陶瓷

宋朝：中國(guó)瓷器的鼎盛時(shí)期：定窯HunanUniversity1.2.5唐宋時(shí)期的陶瓷宋朝：汝窯HunanUniversity1.2.5唐宋時(shí)期的陶瓷宋朝：鈞窯HunanUniversity1.2.5唐宋時(shí)期的陶瓷宋朝：官窯、哥窯HunanUniversity1.2.5唐宋時(shí)期的陶瓷宋朝：景德鎮(zhèn)瓷器HunanUniversity1.2.5唐宋時(shí)期的陶瓷宋朝：唐宋長(zhǎng)沙窯HunanUniversity1.2.6近代的瓷器景德鎮(zhèn)陶瓷：青花玲瓏、青花釉里紅、斗彩、薄胎HunanUniversity1.2.6近代的瓷器醴陵：釉下五彩、紅官窯、炻瓷HunanUniversity1.2.6近代的瓷器長(zhǎng)沙：中國(guó)紅瓷HunanUniversity1.2.6近代的瓷器骨瓷：英國(guó)、韓國(guó)、唐山HunanUniversity1.3先進(jìn)陶瓷

先進(jìn)陶瓷：是伴隨現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的各種新型陶瓷的總稱。先進(jìn)陶瓷的種類繁多，其應(yīng)用領(lǐng)域幾乎涉及工業(yè)技術(shù)的各個(gè)方面，尤其對(duì)電子技術(shù)、航天航空、通訊技術(shù)的進(jìn)步發(fā)揮了重要作用。先進(jìn)陶瓷也被稱之為“特種陶瓷”、“工業(yè)陶瓷”、“工程陶瓷”、“現(xiàn)代陶瓷”、“精細(xì)陶瓷”、“高技術(shù)陶瓷”、“高性能陶瓷”等1.3.1先進(jìn)陶瓷的分類按特性分：結(jié)構(gòu)陶瓷：主要利用陶瓷材料的耐高溫、耐腐蝕、耐磨損及化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)。功能陶瓷：利用某些陶瓷材料所具有的特殊電、磁、熱、光、生物等性能。陶瓷基復(fù)合材料：通過材料設(shè)計(jì)的方法來改善單組份陶瓷的性能或取得多組份材料性能互補(bǔ)的優(yōu)勢(shì)，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。按材質(zhì)分：氧化物陶瓷：氧化鋁、氧化鋯、氧化硅、氧化鈦、氧化鋅氮化物陶瓷：氮化硅、氮化鋁、氮化硼、硼化物陶瓷：二硼化鈦、二硼化鋯硅化物陶瓷：二硅化鉬HunanUniversity1.3.1先進(jìn)陶瓷的分類按用途分：電子陶瓷：陶瓷電容、電阻、電感、基板、封裝用陶瓷，超導(dǎo)陶瓷、絕緣陶瓷熱陶瓷：發(fā)熱陶瓷、導(dǎo)熱陶瓷、隔熱陶瓷耐磨陶瓷：陶瓷軸承、密封件、研磨體、內(nèi)襯光陶瓷：透明陶瓷、光導(dǎo)纖維、激光陶瓷敏感陶瓷：熱敏、壓敏、氣敏、光敏陶瓷核陶瓷：核燃料（氧化鈾）、核保護(hù)（含硼陶瓷）化學(xué)陶瓷：耐酸陶瓷、耐堿陶瓷、過濾、催化用陶瓷HunanUniversity1.3.2先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷高溫結(jié)構(gòu)陶瓷：發(fā)動(dòng)機(jī)用陶瓷、高級(jí)耐火材料、噴嘴、陶瓷換熱器高硬耐磨陶瓷：陶瓷刀具、磨料磨具、陶瓷密封件、陶瓷軸承、研磨體生物結(jié)構(gòu)陶瓷：人工齒、人工骨陶瓷基復(fù)合材料：復(fù)相陶瓷、Cf/SiC、C/C火箭噴管C/C剎車盤1.3.3先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷的掘起1971：美國(guó)“脆性材料計(jì)劃”，陶瓷渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，工作溫度提高200℃，功率提高30%，燃料消耗降低7%。1979：美國(guó)能源部“先進(jìn)的燃汽輪機(jī)計(jì)劃”，AGT101發(fā)動(dòng)機(jī)，渦輪入口溫度1371℃，轉(zhuǎn)速達(dá)10萬rpm1974：德國(guó)BMET計(jì)劃，1350℃轉(zhuǎn)速5萬rpm，在奔馳2000車上運(yùn)行724km1978：日本“月光計(jì)劃”，磁流體發(fā)電，先進(jìn)燃汽輪機(jī)，1984：日本全陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)問世，熱效率達(dá)48%，節(jié)約燃料50%，功率提高30%，質(zhì)量減輕30%1983：美國(guó)能源部“陶瓷技術(shù)計(jì)劃”1993：美國(guó)能源部“熱機(jī)用低成本陶瓷計(jì)劃”1996：美國(guó)能源部“發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)材料計(jì)劃”1986：我國(guó)“863”計(jì)劃中“陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)用關(guān)鍵材料”專題發(fā)動(dòng)機(jī)用陶瓷部件美國(guó)先進(jìn)陶瓷市場(chǎng)規(guī)模

單位：百萬美元產(chǎn)品類型1980年1985年1990年2000年電子陶瓷534170819903485切削刀具35160耐磨零件2045180540發(fā)動(dòng)機(jī)零件2156840生物陶瓷1030其它21570合計(jì)556177421965125日本先進(jìn)陶瓷市場(chǎng)規(guī)模

單位：億日元產(chǎn)品類型1983年1985年1990年1995年2000年電磁陶瓷57378586168982626537669機(jī)械陶瓷390580102016452082熱陶瓷266468277162359019生化陶瓷298437191229203959光陶瓷173229167246926342核陶瓷8617599014892190總計(jì)6950104752526343246612611.3.4先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷的發(fā)展趨勢(shì)結(jié)構(gòu)微細(xì)化、納米化結(jié)構(gòu)—功能一體化組成可設(shè)計(jì)、復(fù)合化制備低成本化性能挖掘潛力大，發(fā)現(xiàn)新材料幾率高1.5先進(jìn)陶瓷結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)1.5.1晶體的結(jié)構(gòu)特征空間點(diǎn)陣：構(gòu)成材料的質(zhì)點(diǎn)（分子、原子、原子團(tuán)、離子）在三維空間的排列方式晶體：空間點(diǎn)陣的排列有規(guī)律地重復(fù)出現(xiàn)晶胞：空間點(diǎn)陣重復(fù)出現(xiàn)的最小單元晶格常數(shù)：a,b,c,a,b,g晶面指數(shù)：(abc)→（100）

14種布喇菲格子與7個(gè)晶系三斜：a≠b≠c,

a≠b≠g

單斜：a≠b≠c,

a＝g＝90°b≠90°正交：a≠b≠c,

a＝b＝g＝90°六方：a＝b≠c,

a＝b＝90°，g＝120°三方：a＝b＝c,

a＝b＝g≠90°四方：a＝b≠c,

a＝b＝g＝90°立方：a＝b＝c,

a＝b＝g＝90°1.5.2化學(xué)鍵與晶體離子鍵與離子晶體離子鍵：正、負(fù)離子間的靜電引力特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，結(jié)合能大，導(dǎo)電差，熔點(diǎn)高，硬度高共價(jià)鍵與原子晶體共價(jià)鍵：原子共用電子對(duì)，方向性，飽和性特點(diǎn)：很高的熔點(diǎn)和硬度，導(dǎo)電性弱金屬鍵與金屬晶體金屬鍵：自由電子，為晶體所共有特點(diǎn)：導(dǎo)電導(dǎo)熱性，延展性，金屬光澤分子間力與分子晶體范德華力：作用力弱，源于分子的極性或表面電荷不平衡特點(diǎn)：熔點(diǎn)很低（如惰性元素晶體），不具方向性和飽和性1.5.3晶體結(jié)構(gòu)

晶體的基本結(jié)構(gòu)等徑球的密堆積四面體、八面體、配位數(shù)陰離子堆積陽離子填隙立方密堆積六方密堆積等徑球的密堆積四面體和八面體晶體缺陷點(diǎn)缺陷：空位，間隙原子，雜質(zhì)原子晶體缺陷線缺陷：

刃型位錯(cuò)

螺型位錯(cuò)晶體缺陷面缺陷：表面、界面、堆垛層錯(cuò)SP3雜化psSP2雜化SP雜化sppzpysppz碳的結(jié)構(gòu)籠碳的結(jié)構(gòu)

C60

由12個(gè)五邊形和20個(gè)六邊形的球形三十二面體構(gòu)成,呈中空籠式結(jié)構(gòu)，分子直徑約7.1埃。C60的結(jié)構(gòu)也可以看作是在正二十面體每條邊的約1/3處平截12個(gè)頂角后在新的頂角位置放上60個(gè)碳原子形成的類似足球的球形三十二面體。

C70

由12個(gè)五邊形和25個(gè)六邊形構(gòu)成，呈橄欖球形。70個(gè)碳原子可以分成不等價(jià)的5組。納米碳管的結(jié)構(gòu)

納米碳管又叫巴基管(buckytube)，是由若干同軸的圓柱形管狀碳原子層疊套而成，原子層的數(shù)目從一到幾十不等，直徑在幾納米到幾十納米之間。如果管狀分子上全是六邊形的碳環(huán)，碳管不會(huì)封閉，可向兩邊繼續(xù)生長(zhǎng)。如果在管子兩端包含有五邊形、六邊形或七邊形的碳環(huán)，納米碳管將被封閉，并按正反兩個(gè)方向扭曲或呈同心的巴基套管。封閉后的納米碳管不能再繼續(xù)生長(zhǎng)。第一章復(fù)習(xí)思考題1

請(qǐng)說出如何區(qū)別陶、炻、瓷？2傳統(tǒng)陶瓷與先進(jìn)陶瓷如何劃分？它們的發(fā)展過程有何特點(diǎn)？3高性能結(jié)構(gòu)陶瓷的特點(diǎn)有哪些？4與金屬比，陶瓷的結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)？5為什么陶瓷一般具有高強(qiáng)度和高硬度？6如何區(qū)分結(jié)構(gòu)陶瓷與功能陶瓷？7如何評(píng)價(jià)陶瓷材料的力學(xué)性能？8影響陶瓷抗熱震性的因素主要有哪些？9影響陶瓷材料摩擦磨損性能的因素有哪些？如何提高陶瓷材料的耐磨性？10目前先進(jìn)陶瓷的發(fā)展趨勢(shì)和研究熱點(diǎn)有哪些？第二章結(jié)構(gòu)陶瓷的先進(jìn)成型技術(shù)2.1結(jié)構(gòu)陶瓷成型方法概述從氣態(tài)成型：氣相沉積（PVD、CVD）從液態(tài)成型：漿料成型（注漿、熱壓鑄、凝膠注模、熔鑄、流延等從固態(tài)成型：模壓、等靜壓、熱壓、熱等靜壓、激光選區(qū)燒結(jié)（SLS）2.3凝膠注漿成型2.2流延成型水基凝膠流延機(jī)陶瓷基板2.4注射成型注射成形過程示意圖2.5納米陶瓷粉體制備技術(shù)納米是一個(gè)尺度概念，1納米＝10－9米，可排列約10個(gè)原子，并非高新技術(shù)的代名詞。納米材料是指其組織尺寸在1~100nm之間并具有高性能的一類材料。

納米技術(shù)是指進(jìn)行納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、合成、組裝、制備和應(yīng)用中形成的相關(guān)工藝和技術(shù)。

納米粒子效應(yīng)：小尺寸效應(yīng)，表面效應(yīng)，量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)。

納米材料特性：強(qiáng)度、韌性、超塑性顯著提高，光、電、磁、聲、熱、敏感性能出現(xiàn)異常。納米陶瓷的重要特性優(yōu)點(diǎn)：燒結(jié)溫度低，致密化程度高，強(qiáng)度和韌性大幅提高，具有超塑性、優(yōu)異的耐磨性和良好的可機(jī)加工性。缺點(diǎn)：制備成本高，技術(shù)難度大。物理方法：機(jī)械粉碎法：輥輾磨，高速旋轉(zhuǎn)磨，球磨，介質(zhì)攪拌磨，氣流粉碎，用此方法很難達(dá)到納米級(jí)粒徑，易帶入雜質(zhì)，粒徑分布范圍寬。蒸發(fā)－冷凝（PVD）法：在真空或低壓惰性氣體中，用電阻、等離子體、電子束、激光、高頻感應(yīng)等加熱源，使原料氣化或形成等離子體，與惰性氣體原子碰撞而失去能量后，冷凝成納米級(jí)顆粒。化學(xué)方法：

沉淀法：金屬鹽溶液與沉淀劑中的OH反應(yīng)生成氫氧化物沉淀，分離脫水后可獲得納米級(jí)氧化物陶瓷粉末。分為直接沉淀法、均勻沉淀法和共沉淀法，是制備氧化物陶瓷納米粉末的常用方法。溶膠－凝膠法：金屬有機(jī)或無機(jī)化合物經(jīng)過溶液－溶膠－凝膠過程，再將凝膠干燥后進(jìn)行煅燒，獲得氧化物或非氧化物超細(xì)粉末的方法。按產(chǎn)生溶膠－凝膠過程的機(jī)制，可分為傳統(tǒng)膠體型、無機(jī)聚合物型和絡(luò)合物型水熱法：在高溫、高壓水(