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1、(一)、材料分类,材料是多种多样的，分类方法也并没有一个统一的标准。 按主要的使用性能分类，可以把材料分为: 结构材料以力学性能为基础，用以制 造以受力为主的构件。 功能材料以材料独特的物理性能、化学 性能等为基础而形成的一类材 料。,金属材料 无机非金属材料 高分子材料 复合材料,从物理化学属性来分，可分为:,陶瓷材料是除金属和高聚物以外的无机非金属材料通称。 工业上应用的典型的传统陶瓷产品如陶瓷器、玻璃、水泥等。随着现代科技的发展，出现了许多性能优良的新型陶瓷。,二、陶瓷材料的发展历程,陶瓷是最古老的一种材料，是人类征服自然 中获得的第一种经化学变化而制成的产品。 它的发展经历了从简单复杂
2、，从粗糙精 细，从无釉施釉，从低温高温的过程。,三、传统陶瓷与先进陶瓷,传统陶瓷 其原料主要是石英、长石和粘土等自然界中存在的矿物，归属于硅酸盐类材料； 先进陶瓷 其原料一般经一系列人工合成或提炼处理过的化工原料，超出了传统陶瓷的概念和范畴，是高新技术的产物。,先进陶瓷,普通陶瓷,普通陶瓷与先进陶瓷的主要区别,四、陶瓷材料的特点,陶瓷材料通常由三种不同的相组成: 晶相、玻璃相和气相。,1. 陶瓷材料的相组成,晶相是陶瓷材料中主要的组成相，决定陶瓷材料物理化学性质的主要是晶相; 玻璃相的作用是充填晶粒间隙、粘结晶粒、提高材料致密度、降低烧结温度和控制晶粒的生长； 气相是在工艺过程中形成并保留下来
3、的。先进陶瓷材料中的残留气孔难以避免。,2、陶瓷材料的结合键特点 陶瓷材料的主要成分是氧化物(ZrO2等)、碳化物(SiC等)、氮化物(BN等)、硅化物(MoSi2)等，因而其结合键以离子键(如Al2O3)、共价键(如Si3N4)及两者的混合键为主。, 高硬度优异的耐磨性 高熔点杰出的耐热性 高的化学稳定性良好的耐蚀性 高的强度 良好的物理性能(电、磁、声、光、热等） 脆性大、塑韧性低,3. 陶瓷材料的性能特点,4、陶瓷材料的工艺特点 陶瓷是脆性材料，大部分陶瓷是通过粉体成型和高温烧结来成形的，因此陶瓷是烧结体。 烧结体也是晶粒的聚集体，有晶粒和晶界，所存在的问题是其存在一定的气孔率。,晶体结
4、构： 显微结构：,5.陶瓷材料与金属材料的结构特点比较,五、陶瓷材料的分类,1. 按化学成分分类： 氧化物陶瓷: Al2O3, ZrO2, SiO2. 碳化物陶瓷: SiC, WC, TiC. 氮化物陶瓷: Si3N4, BN, AlN. 硼化物陶瓷: TiB2, ZrB2, ,2. 按使用的原材料分类:,可将陶瓷材料分为普通陶瓷和特种陶瓷。 普通陶瓷以天然的岩石、矿石、黏土等材料作 原料。 特种陶瓷采用人工合成的材料作原料。,3. 按性能和用途分类： 结构陶瓷 功能陶瓷 结构/功能一体化陶瓷材料 对力学和物理性能均有要求,a.主要用于制造结构零部件； b.力学性能要求:强度、韧性、硬度、模量
5、、耐磨性及高 温性能等。,陶瓷球阀,透明陶瓷灯,功能陶瓷,电子陶瓷：如绝缘陶瓷、介电陶瓷、铁电陶瓷、压电陶瓷、磁性陶瓷、导电陶瓷、超导陶瓷等； 热学陶瓷：如耐热陶瓷、隔热陶瓷、导热陶瓷等； 光学陶瓷：如透明陶瓷、红外辐射陶瓷、发光陶瓷等； 生物陶瓷：如生物活性陶瓷、医用陶瓷等。,按特性分类，功能陶瓷可分为：,稀土发光陶瓷,六 陶瓷材料的制备工艺简介,陶瓷烧结炉,粉体制备是指将各种原料通过物理机械或化学方法，制成所需的粉体。,1、粉体制备, 物理粉碎法,物料粉碎法分为：机械粉碎和气流粉碎。,机械粉碎, 优点：设备成本低，过程简单，易操作。 缺点：杂质多，粉体粒度一般在1m以上。,气体粉碎, 优点
6、：高纯度、粒度可控，均匀性好，颗粒微细； 缺点：过程复杂，不易操作。,通过从固相到固相的化学反应，来制备粉体。 热分解反应法：A(s)B(s)十C(g) 化合反应法： A(s)+B(s)C(s)+D(g) 氧化还原法或还原碳化、还原氮化 如：3SiO2+6C+2N2 Si3N4+6CO, 化学合成法一：固相法,化学合成法包括：固相法、液相法和气相法。, 化学合成法,以均相的溶液为出发点，通过各种方法使溶质与溶剂分离，溶质形成一定大小和形状的颗粒，得到所需粉末的前躯体，热解后得到粉体。以ZrO2陶瓷粉体为例：,ZrSiO4+NaOHZrO2+Na2SiO3,（1）水热法：, 化学合成法二：液相法
7、,（2）水解法：,（3）喷雾法：,直接利用气体或通过某种手段将物质变为气体，使之在气体状态下发生物理化学反应，最后在冷却过程中凝聚长大形成纳米微粒。,化学气相沉积法, 化学合成法三：气相法,2、胚体成型,注浆成型 模压成型 等静压成型 流延成型 挤压成型 注射成型 其它,胚体成型方法,对注浆成型所用的浆料，必须具 备以下性能： 流动性好 稳定性好（不易沉淀和分层） 脱模性好,缺点： 劳动强度大 不易自动化 收缩形变大, 注浆成型（传统成型）,四柱式液压成型机,模压受力分布,优点：工艺简单、易自动化生产。 缺点：胚体有明显的各向异性，不适用形状复杂的制品。, 模压成型,等静压成型；又称静水压成型
8、，利用液体介质不可压缩性和均匀传递压力性的一种成型方法。,胚体密度高 制品密度接近理论密度 不易变形,优点,设备投资成本高 不易自动化 生产效率不高,缺点, 等静压成型,（专用于制作陶瓷薄膜）,流延成型薄膜制备过程,成品（陶瓷电容器）,优点：工艺稳定，生产效率高，自动化程度高，可制备厚度为10-1000m的高质量陶瓷薄膜。 缺点：胚体粘结剂含量高，胚体密度小，烧成收缩率高达20-21%。,流延成型,挤压成型：适用于连续化批量生产管、棒状制品，易自动化。 注射成型：间歇式的操作过程，可生产结构复杂的制品。,其它成型方法,宏观变化：体积收缩、致密度提高、强度增加。 微观变化：晶粒长大，气孔减少。,
9、胚体烧结：是指把成型胚体转变为致密体的工艺过程。,3、胚体烧结,常压烧结：烧结胚体在无外加压力、只在常压下，即自然 大气条件下，置于窑炉中，进行烧结。,优点：设备简单便宜，最传统、最简便、最广泛的一种方法。, 常压烧结（普通烧结）,热压烧结：在烧结过程中同时对坯料施加压力，加速了致密化的过程。,烧结温度低 烧结时间短 制品密度高,优点,设备价格成本高 生产率低,缺点, 热压烧结,对于空气中很难烧结的制品，为防止其氧化等，研究了气氛烧结方法。即在炉膛中通入一定的气体（惰性气体），在此气氛下进行烧结。 如Si3N4、SiC等非氧化物，在高温下易被氧化，因而需要在惰性气体中进行烧结。, 气氛烧结,先
10、进陶瓷的精细加工已经成为一门专门技术。,4、陶瓷材料及构件的精加工,力学的 化学的 光化学的 光刻 电化学的 电解抛光 电学的 光学的 激光加工,陶瓷精加工种类,以力学加工为主,磨削加工设备： 外圆磨床：磨削各种圆柱体、外圆锥体的外圆。 平面磨床：加工工件的平面、斜面、成型面。 抛光机：使陶瓷件形成光滑的表面。,磨削加工,工业上，最常用的是磨料切割，其多数采用金刚石砂轮进行切割，可以得到精度相当高的切割面。,切割加工,对直径在一定范围的孔，广泛采用金刚石钻头（空心钻头）进行圆孔加工。,打孔加工,激光切割机 激光打孔机 超声波打孔机,激光、超声波加工,七、陶瓷材料的应用,民用陶瓷,电子元器件IC
11、基板,軸受特徴： 耐食耐薬品性、耐熱性、 高剛性、軽量、高速回転、 非磁性、無発塵 , http:/www.ntn.co.jp/,陶瓷轴承,耐磨器件,半导体相关部件,精密测量用部件,医疗、食品机械,日用陶瓷制品,尖晶石透明陶瓷,光学石英玻璃,光学陶瓷制品,航空航天应用, 氧化铝陶瓷,绝缘材料,高压钠灯,常见先进陶瓷的应用,热学：熔点很高，可作高级耐火材料，如坩埚、高温炉管等。 力学：硬度大，可以制造实验室使用的刚玉磨球机。 光学：用高纯度的原料，使用先进工艺，还可以使氧化铝陶瓷变得透明，可制作高压钠灯的灯管。 电学：目前国内外常用的电子绝缘材料是都是Al2O3陶瓷。,人造宝石 红宝石和蓝宝石的
12、主要成分都是Al2O3。 红宝石呈现红色是由于其中混有少量含铬化合物； 蓝宝石呈蓝色则是由于其中混有少量含钛化合物。, 氧化锆陶瓷,结构陶瓷方面：由于其高韧性、高抗弯强度、高耐磨性，优异的隔热性能、热膨胀系数接近于钢等优点，因此被广泛应用于结构陶瓷领域。,轴承,瓷球,刀具,陶瓷球阀,高尔夫球的轻型击球棒,功能陶瓷方面： 优异的耐高温性能：感应加热管、耐火材料、发热元件等。 敏感的电性能参数：氧传感器、固体氧化物燃料电池和高温 发热体等。,超高温氧化锆窑具（耐火材料）,汽车用氧传感器氧化锆陶瓷管,特性：密度小、本身具有润滑性，耐磨损，抗腐蚀能力强 （除氢氟酸外，不与其他无机酸反应）；高温时也能抗
13、氧化，抵抗冷热冲击性能强，在空气中加热到1000以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂。 正是Si3N4陶瓷具有如此良好的特性，人们常常用它来制造轴承、汽轮机叶片、机械密封环、永久性模具等机械构件。, 氮化硅陶瓷,SiC陶瓷：除了具有优良的常温力学性能，还具有优良的高温力学性能。SiC陶瓷是已知陶瓷材料中高温力学性能(强度、抗蠕变性等)最佳的。,高温轴承（1300）,高温防腐换热器,缺点是脆性较大，为此近几年以SiC陶瓷为基的复相陶瓷，如纤维补强、异相颗粒弥散强化材料相继出现，改善了单体材料的韧性和强度。, 碳化硅陶瓷, 钛酸钡陶瓷,BaTiO3陶瓷 是一种介电材料，其介电常数高，介电损耗低，用
14、钛酸钡陶瓷制成的多层陶瓷电容器，最小尺寸可达0.2mm0.1mm2m，其电容值却可达250F。,电容示意图,多层陶瓷电容器,电路板,七、陶瓷科学与工程的研究内涵,材料科学的主要任务： 研究材料的成分(Composition)、结构(Microstructure)和性能(Properties）之间的关系。,陶瓷材料学是材料科学与工程的一部分，亦是研究材料的合成与制备、组成与结构、性能与使用效能四者关系与规律的科学；,陶瓷科学与陶瓷工程 陶瓷科学 偏重于研究材料的合成与制备组成性 能与使用效能本身及相互关系的规律； 陶瓷工程 着重利用这些规律，研制、开发新材料、 新产品。,八、陶瓷材料的研究方法,基本思路：,