陶瓷材料的应用全解课件.ppt

1、(一一)、材料分类、材料分类 材料是多种多样的，分类方法也并没有一材料是多种多样的，分类方法也并没有一个统一的标准。个统一的标准。按主要的使用性能分类，可以把材料分为按主要的使用性能分类，可以把材料分为:结构材料结构材料以力学性能为基础，用以制以力学性能为基础，用以制 造以受力为主的构件。造以受力为主的构件。功能材料功能材料以材料独特的物理性能、化学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性能等为基础而形成的一类材 料。料。金属材料金属材料 无机非金属材料无机非金属材料 高分子材料高分子材料 复合材料复合材料从物理化学属性来分，可分为从物理化学属性来分，可分为:.3l陶瓷材料陶瓷

2、材料是除是除金属和高聚物以外金属和高聚物以外的的无机非无机非金属材料通称。金属材料通称。l工业上应用的典型的传统陶瓷产品如工业上应用的典型的传统陶瓷产品如陶瓷陶瓷器、玻璃、水泥器、玻璃、水泥等。随着现代科技的发展，等。随着现代科技的发展，出现了许多性能优良的出现了许多性能优良的新型陶瓷新型陶瓷。.4二、陶瓷材料的发展历程二、陶瓷材料的发展历程陶瓷陶瓷是最古老的一种材料，是人类征服自然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。中获得的第一种经化学变化而制成的产品。它的发展经历了从它的发展经历了从简单简单复杂复杂，从，从粗糙粗糙精精 细细，从，从无釉无釉施釉施釉，从

3、，从低温低温高温高温的过程。的过程。.5三、传统陶瓷与先进陶瓷三、传统陶瓷与先进陶瓷 传统陶瓷传统陶瓷 其其原料原料主要是石英、主要是石英、长石和粘土等自然界中存长石和粘土等自然界中存在的矿物，归属于在的矿物，归属于硅酸盐硅酸盐类材料类材料；先进陶瓷先进陶瓷 其其原料原料一般经一系列一般经一系列人工合成人工合成或或提炼处理提炼处理过的过的化工原料，超出了传统陶化工原料，超出了传统陶瓷的概念和范畴，是高新瓷的概念和范畴，是高新技术的产物技术的产物。先进陶瓷先进陶瓷普通陶瓷普通陶瓷.6普通陶瓷与先进陶瓷的主要区别普通陶瓷与先进陶瓷的主要区别.7四、陶瓷材料的特点四、陶瓷材料的特点 陶瓷材料通常由陶

4、瓷材料通常由三种三种不同的相组成不同的相组成:晶相晶相、玻璃相玻璃相和和气相气相。1.陶瓷材料的相组成陶瓷材料的相组成.8u晶相晶相是陶瓷材料中主要的组成相，决定是陶瓷材料中主要的组成相，决定陶瓷陶瓷材料物理化学性质材料物理化学性质的主要是晶相的主要是晶相;u玻璃相玻璃相的作用是的作用是充填晶粒间隙、粘结晶粒、充填晶粒间隙、粘结晶粒、提高材提高材料致密度、降低烧结温度和控制晶粒料致密度、降低烧结温度和控制晶粒的生长；的生长；u气相气相是在工艺过程中形成并保留下来的。是在工艺过程中形成并保留下来的。先先进陶瓷材料中的残留气孔难以避免进陶瓷材料中的残留气孔难以避免。.92、陶瓷材料的结合键特点、陶

5、瓷材料的结合键特点 陶瓷材料的主要成分是陶瓷材料的主要成分是氧化物氧化物(ZrO2等等)、碳碳化物化物(SiC等等)、氮化物氮化物(BN等等)、硅化物硅化物(MoSi2)等，等，因而其因而其结合键结合键以以离子键离子键(如如Al2O3)、共价键共价键(如如Si3N4)及及两者的混合键两者的混合键为主。为主。.10 高硬度高硬度优异的耐磨性优异的耐磨性 高熔点高熔点杰出的耐热性杰出的耐热性 高的化学稳定性高的化学稳定性良好的耐蚀性良好的耐蚀性 高的强度高的强度 良好的物理性能良好的物理性能(电、磁、声、光、热等）电、磁、声、光、热等）脆性大、塑韧性低脆性大、塑韧性低3.陶瓷材料的性能特点陶瓷材料

6、的性能特点.114、陶瓷材料的工艺特点、陶瓷材料的工艺特点u陶瓷是陶瓷是脆性材料脆性材料，大部分陶瓷是通过，大部分陶瓷是通过粉体成型粉体成型和高温烧结和高温烧结来成形的，因此陶瓷是烧结体。来成形的，因此陶瓷是烧结体。u烧结体也是晶粒的聚集体，有烧结体也是晶粒的聚集体，有晶粒晶粒和和晶界晶界，所，所存在的问题是其存在一定的存在的问题是其存在一定的气孔率气孔率。.12 晶体结构：显微结构：金属材料金属材料:原子间结合力为金属键原子间结合力为金属键良好的塑变能力良好的塑变能力陶瓷材料陶瓷材料:原子间结合力为离子键、共价键或离子原子间结合力为离子键、共价键或离子/共共 价混合键，具有强的方向性及高的结

7、合能价混合键，具有强的方向性及高的结合能 难以塑变难以塑变。金属材料金属材料:一般由均匀液相凝固而成，可通过冷加工一般由均匀液相凝固而成，可通过冷加工 手段改善其显微结构使其均匀化，一般不含手段改善其显微结构使其均匀化，一般不含 或含极少气孔；或含极少气孔；陶瓷材料陶瓷材料:一般由粉体一般由粉体烧结而成，存在一定的气孔，存烧结而成，存在一定的气孔，存 在显微结构的在显微结构的不均匀性不均匀性和和复杂性复杂性。5.陶瓷材料与金属材料的结构特点比较陶瓷材料与金属材料的结构特点比较.13五、陶瓷材料的分类五、陶瓷材料的分类1.按化学成分分类：按化学成分分类：氧化物陶瓷氧化物陶瓷:Al2O3,ZrO2

8、,SiO2.碳化物陶瓷碳化物陶瓷:SiC,WC,TiC.氮化物陶瓷氮化物陶瓷:Si3N4,BN,AlN.硼化物陶瓷硼化物陶瓷:TiB2,ZrB2 .14u2.按使用的原材料分类按使用的原材料分类:可将陶瓷材料分为可将陶瓷材料分为普通陶瓷普通陶瓷和和特种陶瓷特种陶瓷。普通陶瓷普通陶瓷以天然的岩石、矿石、黏土等材料作以天然的岩石、矿石、黏土等材料作 原料。原料。特种陶瓷特种陶瓷采用人工合成的材料作原料。采用人工合成的材料作原料。.153.按性能和用途分类：按性能和用途分类：结构陶瓷结构陶瓷 功能陶瓷功能陶瓷 结构结构/功能一体化功能一体化陶瓷材料陶瓷材料 对力学和物理性能均有要求对力学和物理性能均

9、有要求a.主要用于制造结构零部件；主要用于制造结构零部件；b.b.力学性能要求力学性能要求:强度、韧性、硬度、模量、耐磨性及高强度、韧性、硬度、模量、耐磨性及高 温性能等。温性能等。a.主要用于制造功能器件；主要用于制造功能器件；b.b.物理性能要求物理性能要求:电、磁、热、光及生物等物理性能。电、磁、热、光及生物等物理性能。陶瓷球阀陶瓷球阀透明陶瓷灯透明陶瓷灯.16功能陶瓷功能陶瓷l 电子陶瓷电子陶瓷：如绝缘陶瓷、介电陶如绝缘陶瓷、介电陶瓷、铁电陶瓷、压电陶瓷、磁性瓷、铁电陶瓷、压电陶瓷、磁性陶瓷、导电陶瓷、超导陶瓷等；陶瓷、导电陶瓷、超导陶瓷等；l 热学陶瓷热学陶瓷：如耐热陶瓷、隔热陶如耐

10、热陶瓷、隔热陶瓷、导热陶瓷等；瓷、导热陶瓷等；l 光学陶瓷光学陶瓷：如透明陶瓷、红外辐如透明陶瓷、红外辐射陶瓷、发光陶瓷等；射陶瓷、发光陶瓷等；l 生物陶瓷生物陶瓷：如生物活性陶瓷、医如生物活性陶瓷、医用陶瓷等。用陶瓷等。按特性分类，功能陶瓷可分为：按特性分类，功能陶瓷可分为：稀土发光陶瓷.17六六 陶瓷材料的制备工艺简介陶瓷材料的制备工艺简介陶陶瓷瓷烧烧结结炉炉胚体成型胚体成型胚体烧结胚体烧结精加工精加工粉体制备粉体制备.18粉体制备粉体制备是指将各种原料通过是指将各种原料通过物理机械物理机械或或化学方法化学方法，制成所需的粉体。，制成所需的粉体。物理粉碎法物理粉碎法化学合成法化学合成法粉体

11、制备方法粉体制备方法1、粉体制备、粉体制备.19 物理粉碎法物理粉碎法物料粉碎法物料粉碎法分为：分为：机械粉碎机械粉碎和和气流粉碎气流粉碎。机械粉碎机械粉碎 优点优点：设备成本低，过程简单，易操作。设备成本低，过程简单，易操作。缺点缺点：杂质多，粉体粒度一般在杂质多，粉体粒度一般在1m以上。以上。气体粉碎气体粉碎.20 优点优点：高纯度、粒度可控，均匀性好，颗粒微细；高纯度、粒度可控，均匀性好，颗粒微细；缺点缺点：过程复杂，不易操作：过程复杂，不易操作。通过从通过从固相固相到到固相固相的化学反应，来制备粉体。的化学反应，来制备粉体。热分解反应法热分解反应法：A(s)B(s)十十C(g)化合反应

12、法化合反应法：A(s)+B(s)C(s)+D(g)氧化还原法或还原碳化、还原氮化氧化还原法或还原碳化、还原氮化 如：如：3SiO2+6C+2N2 Si3N4+6CO 化学合成法一：固相法化学合成法化学合成法包括包括：固相法、液相法固相法、液相法和和气相法。气相法。化学合成法化学合成法.21以以均相的溶液均相的溶液为出发点，通过各种方法使溶质与溶剂为出发点，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。以前躯体，热解后得到粉体。以ZrO2陶瓷粉体陶瓷粉体为例：为例：ZrSiO4+NaOHZrO2

13、+Na2SiO3（1）水热法水热法：化学合成法二：液相法.22（2）水解法水解法：四氧化锆四氧化锆氯化钇氯化钇循环加水分解循环加水分解水合氧化锆水合氧化锆氧化锆纳米粉氧化锆纳米粉焙烧焙烧（3）喷雾法喷雾法：氧化锆粉氧化锆粉+分散剂分散剂+粘结剂粘结剂氧化锆粉体氧化锆粉体.23 直接利用直接利用气体气体或或通过某种手段将物质变为气体通过某种手段将物质变为气体，使之，使之在气体状态下发生在气体状态下发生物理化学反应物理化学反应，最后在冷却过程中凝，最后在冷却过程中凝聚长大形成聚长大形成纳米微粒纳米微粒。化学气相沉积法化学气相沉积法 化学合成法三：气相法.242、胚体成型、胚体成型注浆成型模压成型等

14、静压成型流延成型挤压成型注射成型其它胚体成型方法胚体成型方法.25 对注浆成型所用的对注浆成型所用的浆料浆料，必须具，必须具备以下性能：备以下性能：流动性好流动性好 稳定性好（不易沉淀和分层）稳定性好（不易沉淀和分层）脱模性好脱模性好缺点：劳动强度大劳动强度大不易自动化不易自动化收缩形变大收缩形变大 注浆成型（传统成型）注浆成型（传统成型）.26四柱式液压成型机四柱式液压成型机模压受力分布模压受力分布 优点优点：工艺简单、易自动化生产。工艺简单、易自动化生产。缺点缺点：胚体有明显的各向异性，不适用形状复杂的制品。胚体有明显的各向异性，不适用形状复杂的制品。模压成型模压成型 .27等静压成型等静

15、压成型；又称又称静水压成静水压成型型，利用，利用液体介质液体介质不可压缩不可压缩性和均匀传递压力性的一种性和均匀传递压力性的一种成型方法。成型方法。胚体密度高胚体密度高制品密度接近理论密度制品密度接近理论密度不易变形不易变形优点优点设备投资成本高设备投资成本高不易自动化不易自动化生产效率不高生产效率不高缺点缺点 等静压成型等静压成型 .28（专用于制作陶瓷薄膜）（专用于制作陶瓷薄膜）料浆料浆薄膜薄膜基带基带刮刀刮刀流延成型薄膜制备过程流延成型薄膜制备过程成品（陶瓷电容器成品（陶瓷电容器）优点优点：工艺稳定，生产效率高，自动化程度高，可制备：工艺稳定，生产效率高，自动化程度高，可制备厚度为厚度为

16、10-1000m的高质量陶瓷薄膜。的高质量陶瓷薄膜。缺点：缺点：胚体粘结剂含量高，胚体密度小，烧成收缩率高胚体粘结剂含量高，胚体密度小，烧成收缩率高达达20-21%。流延成型流延成型 薄膜制备薄膜制备加工处理加工处理料浆制备料浆制备工艺工艺：.29 挤压成型挤压成型：适用于连续化批量生产管、棒状制品，：适用于连续化批量生产管、棒状制品，易自动化。易自动化。注射成型注射成型：间歇式的操作过程，可生产结构复杂的：间歇式的操作过程，可生产结构复杂的制品。制品。挤压成型挤压成型注射成型注射成型其它成型方法其它成型方法.30宏观变化宏观变化：体积收缩、致密度提高、强度增加。体积收缩、致密度提高、强度增加

17、。微观变化微观变化：晶粒长大，气孔减少。晶粒长大，气孔减少。胚体烧结：胚体烧结：是指把成型胚体转变为致密体的工艺过程。是指把成型胚体转变为致密体的工艺过程。3、胚体烧结、胚体烧结.31常压烧结：常压烧结：烧结胚体在无外加压力、只在常压下，烧结胚体在无外加压力、只在常压下，即自然即自然 大气条件下，置于窑炉中，进行烧结大气条件下，置于窑炉中，进行烧结。优点：优点：设备简单便宜，最传统、最简便、最广泛的一设备简单便宜，最传统、最简便、最广泛的一种方法。种方法。常压烧结（普通烧结）常压烧结（普通烧结）.32热压烧结：热压烧结：在烧结过程中同时在烧结过程中同时对坯料施加压力，加速了致密对坯料施加压力，

18、加速了致密化的过程。化的过程。烧结温度低烧结温度低烧结时间短烧结时间短制品密度高制品密度高优点优点设备价格成本高设备价格成本高生产率低生产率低缺点缺点 热压烧结热压烧结 .33 对于空气中很难烧结的制品，对于空气中很难烧结的制品，为防止其氧化等，研究了气为防止其氧化等，研究了气氛烧结方法。即在炉膛中通氛烧结方法。即在炉膛中通入一定的气体（惰性气体），入一定的气体（惰性气体），在此气氛下进行烧结。在此气氛下进行烧结。如如Si3N4、SiC等非氧化物，等非氧化物，在高温下易被氧化，因而需在高温下易被氧化，因而需要在惰性气体中进行烧结。要在惰性气体中进行烧结。气氛烧结气氛烧结.34陶瓷材料属于硬脆材

19、料，陶瓷材料属于硬脆材料，其特点是：硬度大，其特点是：硬度大，质脆，不变形。质脆，不变形。与金属加工不同，与金属加工不同，陶瓷加工一般是很难的。陶瓷加工一般是很难的。先进陶瓷的精细加工已经成为一门专门技术。先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、陶瓷材料及构件的精加工.35力学的力学的 化学的化学的 光化学的光化学的 光刻光刻电化学的电化学的 电解抛光电解抛光电学的电学的 光学的光学的 激光加工激光加工磨料加工：磨削、研磨、抛光等磨料加工：磨削、研磨、抛光等刀具加工：切割刀具加工：切割蚀刻：磨削、研磨、抛光等蚀刻：磨削、研磨、抛光等化学抛光化学抛光电火花加工电火花加

20、工电子束加工电子束加工离子束加工离子束加工等离子束加工等离子束加工陶陶瓷瓷精精加加工工种种类类以力学加工为主以力学加工为主.36 磨削加工设备：磨削加工设备：l 外圆磨床外圆磨床：磨削各种圆柱体、外圆锥体的外圆。：磨削各种圆柱体、外圆锥体的外圆。l 平面磨床平面磨床：加工工件的平面、斜面、成型面。：加工工件的平面、斜面、成型面。l 抛光机抛光机：使陶瓷件形成光滑的表面。：使陶瓷件形成光滑的表面。磨削加工磨削加工.37 工业上，最常用的是工业上，最常用的是磨料切割磨料切割，其多数采用金刚石，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。砂轮进行切割，可以得到精度相当高的切割面。切割机

21、切割机金刚石砂轮金刚石砂轮 切割加工切割加工.38 对直径在一定范围的孔，广泛采用金刚石钻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。头（空心钻头）进行圆孔加工。陶瓷打孔机陶瓷打孔机金刚石钻头金刚石钻头 打孔加工打孔加工.39激光切割机激光切割机 激光打孔机激光打孔机 超声波打孔机超声波打孔机 激光、超声波加工激光、超声波加工七、陶瓷材料的应用七、陶瓷材料的应用.41民用陶瓷民用陶瓷.42电子元器件电子元器件 IC基板基板.43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/陶瓷轴承陶瓷轴承.44.45耐磨

22、器件耐磨器件.46半导体相关部件半导体相关部件.47精密测量用部件.48医疗、食品机械.49日用陶瓷制品.50尖晶石透明陶瓷光学石英玻璃光学陶瓷制品.51航空航天应用.52 氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷绝缘材料绝缘材料高压钠灯高压钠灯常见先进陶瓷的应用常见先进陶瓷的应用 热学热学：熔点很高，可作高级：熔点很高，可作高级耐耐火材料火材料，如坩埚、高温炉管等。，如坩埚、高温炉管等。力学力学：硬度大，可以制造实验：硬度大，可以制造实验室使用的室使用的刚玉磨球机刚玉磨球机。光学光学：用高纯度的原料，使用：用高纯度的原料，使用先进工艺，还可以使氧化铝陶瓷变先进工艺，还可以使氧化铝陶瓷变得透明，可制作得透明，可制

23、作高压钠灯高压钠灯的灯管。的灯管。电学电学：目前国内外常用的：目前国内外常用的电子电子绝缘材料绝缘材料是都是是都是AlAl2 2O O3 3陶瓷。陶瓷。.53人造宝石人造宝石 红宝石和蓝宝石的主要成分都是红宝石和蓝宝石的主要成分都是AlAl2 2O O3 3。红宝石呈现红色是由于其中混有少量含红宝石呈现红色是由于其中混有少量含铬化合物铬化合物；蓝宝石呈蓝色则是由于其中混有少量含蓝宝石呈蓝色则是由于其中混有少量含钛化合物钛化合物。.54 氧化锆陶瓷氧化锆陶瓷结构陶瓷方面结构陶瓷方面：由于其：由于其高韧性高韧性、高抗弯强度高抗弯强度、高耐磨性高耐磨性，优异优异的隔热性能、热膨胀系数接近于钢的隔热性

24、能、热膨胀系数接近于钢等优点，因此被广泛应用于等优点，因此被广泛应用于结构陶瓷领域。结构陶瓷领域。轴承轴承瓷球瓷球刀具刀具陶瓷球阀陶瓷球阀高尔夫球的轻型击球棒高尔夫球的轻型击球棒.55功能陶瓷方面：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。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。发热体等。超高温氧化锆超高温氧化锆窑具窑具（耐火材料）（耐火材料）汽车用汽车用氧传感器氧传感器氧化锆陶瓷管氧化锆陶瓷管.56 特性：特性：密度小、本身具有润滑性，耐磨损

25、，抗腐蚀能力强密度小、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）；高温时也能抗氧化，（除氢氟酸外，不与其他无机酸反应）；高温时也能抗氧化，抵抗冷热冲击性能强，在空气中加热到抵抗冷热冲击性能强，在空气中加热到10001000以上，急剧冷以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂。却再急剧加热，也不会碎裂。正是正是SiSi3 3N N4 4陶瓷具有如此良好的特性，人们常常用它来制造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。轴承、汽轮机叶片、机械密封环、永久性模具等机械构件。氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷.57SiCSiC陶瓷陶瓷：除

26、了具有优良的常温力学性能，还具有优良的：除了具有优良的常温力学性能，还具有优良的高高温力学性能温力学性能。SiCSiC陶瓷是已知陶瓷材料中高温力学性能陶瓷是已知陶瓷材料中高温力学性能(强度、强度、抗蠕变性等抗蠕变性等)最佳的。最佳的。高温轴承（1300）高温防腐换热器高温防腐换热器 缺点是缺点是脆性较大脆性较大，为此近几年以，为此近几年以SiCSiC陶瓷为基的复相陶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。了单体材料的韧性和强度。碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷.58 钛酸钡陶瓷钛酸钡陶瓷BaTiO3陶瓷陶瓷

27、 是一种介电材料，其介电常数高，介电损耗是一种介电材料，其介电常数高，介电损耗低，用钛酸钡陶瓷制成的多层陶瓷电容器，最小尺寸可低，用钛酸钡陶瓷制成的多层陶瓷电容器，最小尺寸可达达0.2mm0.1mm2m，其电容值却可达其电容值却可达250F。电容示意图电容示意图多层陶瓷电容器多层陶瓷电容器电路板电路板.59七、陶瓷七、陶瓷科学科学与与工程工程的研究内涵的研究内涵 材料科学的主要任务：材料科学的主要任务：研究材料的研究材料的成分成分(Composition)、结构结构(Microstructure)和和性能性能(Properties）之间的关之间的关系。系。陶瓷材料学陶瓷材料学是材料科学与工程的

28、一部分，亦是研究材是材料科学与工程的一部分，亦是研究材料的料的合成与制备合成与制备、组成与结构组成与结构、性能与使用效能性能与使用效能四者四者关系与规律的科学；关系与规律的科学；.60n陶瓷科学与陶瓷工程陶瓷科学与陶瓷工程 陶瓷科学陶瓷科学 偏重于研究材料的合成与制备偏重于研究材料的合成与制备组成组成性性 能与使用效能本身及相互关系的规律；能与使用效能本身及相互关系的规律；陶瓷工程陶瓷工程 着重利用这些规律，研制、开发新材料、着重利用这些规律，研制、开发新材料、新产品。新产品。八、陶瓷材料的研究方法八、陶瓷材料的研究方法基本思路：基本思路：化学组成化学组成结构结构性能性能决定决定决定决定优化优化优化优化