1、新型陶瓷的成型及应用一、新型陶瓷的定义 以精致的高纯天然无机物或人工以精致的高纯天然无机物或人工合成的无机化合物为原料，采用精密合成的无机化合物为原料，采用精密控制的加工工艺烧结，具有高强度、控制的加工工艺烧结，具有高强度、高硬度、高韧性、耐腐蚀、导电、绝高硬度、高韧性、耐腐蚀、导电、绝缘、磁性、透光、半导体以及压电、缘、磁性、透光、半导体以及压电、光电、电光、声光、磁光等优异的性光电、电光、声光、磁光等优异的性能。能。二、新型陶瓷的分类分类分类氧化物陶瓷氧化物陶瓷非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷定义定义用高纯天然原料经化学用高纯天然原料经化学方法处理后制取方法处理后制取用产量少的天然原料或自然界没有
2、的用产量少的天然原料或自然界没有的新的无机人工合成的，其中不少能克新的无机人工合成的，其中不少能克服陶瓷固有脆性，作为超越金属功能服陶瓷固有脆性，作为超越金属功能界限的王牌新材料。界限的王牌新材料。种类种类氧化铝、氧化锆、氧化氧化铝、氧化锆、氧化铍铍（BeOBeO）、氧化钍）、氧化钍TbOTbO2 2 、氧化铀（氧化铀（UOUO2 2）碳化硅（碳化硅（SiCSiC）、氮化硅（）、氮化硅（Si3N4Si3N4）、）、碳化锆（碳化锆（ZrOZrO）、硼化物）、硼化物用途用途集成电路基板和封装等集成电路基板和封装等电电子领域子领域高温结构材料高温结构材料特性特性烧结性能好，但热强性烧结性能好，但热强
3、性（蠕变抗力）较差（蠕变抗力）较差高温强度高、抗氧化、抗热腐蚀的性高温强度高、抗氧化、抗热腐蚀的性能能按化学组成分按化学组成分分类分类结构陶瓷结构陶瓷功能陶瓷功能陶瓷定义定义以强度、刚性、韧性、耐磨性、以强度、刚性、韧性、耐磨性、硬度、疲劳强度等力学性能为特硬度、疲劳强度等力学性能为特征的材料征的材料以声、光、电、磁、热等物以声、光、电、磁、热等物理性能为特征理性能为特征种类种类高温高强陶瓷、工模具陶瓷、耐高温高强陶瓷、工模具陶瓷、耐磨陶瓷，特种耐火陶瓷等磨陶瓷，特种耐火陶瓷等集成电路封装材料集成电路封装材料（Al2O3）、敏感陶瓷）、敏感陶瓷（热、气敏、湿敏、压敏、（热、气敏、湿敏、压敏、色
4、敏）色敏）用途用途发动机、热交换器、密封件、切发动机、热交换器、密封件、切削刀具等削刀具等微电子、信息、自动控制和微电子、信息、自动控制和智能机械，生物功能智能机械，生物功能特性特性优良的力学性能（高强、高硬、优良的力学性能（高强、高硬、耐磨损），热学性能（抗热冲耐磨损），热学性能（抗热冲击、抗蠕变），化学性能（抗氧击、抗蠕变），化学性能（抗氧化，抗腐蚀）化，抗腐蚀）依据功能材料依据功能材料三、新型陶瓷的优缺点优点优点：熔点高、密度小。熔点高、密度小。化学稳定性好、抗腐蚀、抗氧化。化学稳定性好、抗腐蚀、抗氧化。高强度、高硬度、高刚度、耐磨损。高强度、高硬度、高刚度、耐磨损。具有一定的热强性（抗
5、蠕变）。具有一定的热强性（抗蠕变）。绝缘性、压电性、半导体性、磁性、电特性。绝缘性、压电性、半导体性、磁性、电特性。生物体适应性，催化剂等生物化学的功能。生物体适应性，催化剂等生物化学的功能。光学功能及其他一些特殊功能。光学功能及其他一些特殊功能。缺点缺点：韧性、塑性很小、塑性变形能力差、易发生脆性破坏。韧性、塑性很小、塑性变形能力差、易发生脆性破坏。加工成型性较差加工成型性较差 四、新型陶瓷的制备技术五、新型陶瓷的成型 成型是制备高性能陶瓷及其部件的关成型是制备高性能陶瓷及其部件的关键，其过程中造成的缺陷往往是陶瓷制品的键，其过程中造成的缺陷往往是陶瓷制品的主要缺陷，且难在烧结过程中去除。主
6、要缺陷，且难在烧结过程中去除。 新型陶瓷成型需对其进行预处理，成型新型陶瓷成型需对其进行预处理，成型技术中有常规的挤压成型、模压成型和可塑技术中有常规的挤压成型、模压成型和可塑成型（挤塑成型）；先进的注凝成型、直接成型（挤塑成型）；先进的注凝成型、直接凝固注膜成型技术等。凝固注膜成型技术等。1、预处理 （1）原料预处理：原料预处理： 煅烧：去除杂质，去除化学及物理吸附的水分、气煅烧：去除杂质，去除化学及物理吸附的水分、气分、有机物等，分、有机物等，从而提高纯度、减少烧结收缩，提高合格率，同时形从而提高纯度、减少烧结收缩，提高合格率，同时形成稳定结晶相。成稳定结晶相。如如-Al2O3- Al2O
7、3。 混合：分为干混和湿混。可在球磨机、混合：分为干混和湿混。可在球磨机、V形混料形混料机、锥形混料机、酒桶式混料机、螺旋混料机等中进机、锥形混料机、酒桶式混料机、螺旋混料机等中进行。行。 塑化：在物料中加入塑化剂使物料具有可塑性。塑化：在物料中加入塑化剂使物料具有可塑性。 制粒：粉末过细时，流动性差，装模容积大，不易压制粒：粉末过细时，流动性差，装模容积大，不易压制和充模，需制粒。分为普通制粒、压块制粒和喷雾制粒法。制和充模，需制粒。分为普通制粒、压块制粒和喷雾制粒法。 悬浮：通过控制浆料的悬浮：通过控制浆料的PH值或通过有机表面活性物质值或通过有机表面活性物质（阿拉伯树胶、明胶、羧甲基纤维
8、素等）吸附的方法使瘠（阿拉伯树胶、明胶、羧甲基纤维素等）吸附的方法使瘠性料浆具有悬浮性。性料浆具有悬浮性。（2）塑化剂选择：）塑化剂选择： 根据成型方法、物料性质、制品性能根据成型方法、物料性质、制品性能 要求、价格及烧结时塑化剂能否排除及其温度范围要求、价格及烧结时塑化剂能否排除及其温度范围等考虑。等考虑。2、注凝成型传统注浆成型传统注浆成型+有机化学理有机化学理论论 将陶瓷粉料分散于含有有机单将陶瓷粉料分散于含有有机单体的溶液中，制备成高固相体积体的溶液中，制备成高固相体积分数的悬浮体（大于分数的悬浮体（大于50%），然），然后注入一定形状的模具中，通过后注入一定形状的模具中，通过大分子原
9、位网状聚合，粉体颗粒大分子原位网状聚合，粉体颗粒聚集，使单体形成负载陶瓷粉体聚集，使单体形成负载陶瓷粉体的低粘度载体，通过交联作用形的低粘度载体，通过交联作用形成凝胶。成凝胶。优点：适合于大多数粉体，便优点：适合于大多数粉体，便于操作，成本低。于操作，成本低。注凝成型流程注凝成型流程3、其它成型技术 直接凝固注模成型：采用生物酶催化陶瓷浆料的化学反应，直接凝固注模成型：采用生物酶催化陶瓷浆料的化学反应，使浇注到模具中的高固相含量、低粘度的浆料靠范德华力产生使浇注到模具中的高固相含量、低粘度的浆料靠范德华力产生原位凝，凝固的坯体有足够强度可脱模。原位凝，凝固的坯体有足够强度可脱模。 干压成型（模
10、压成型）：通过粒径配合提高堆积密度，缩干压成型（模压成型）：通过粒径配合提高堆积密度，缩小孔隙率。效率高，利于连续生产，尺寸精度高，收缩小，性小孔隙率。效率高，利于连续生产，尺寸精度高，收缩小，性能好；但是模具磨损大、成本高、坯体密度不均匀，易开裂等。能好；但是模具磨损大、成本高、坯体密度不均匀，易开裂等。 冷等静压成型：坯体致密均匀，不易变形开裂。冷等静压成型：坯体致密均匀，不易变形开裂。 压滤成型：比注浆法有所进步，但仍然强度较低，易变形，压滤成型：比注浆法有所进步，但仍然强度较低，易变形，干燥周期长。干燥周期长。 塑性成型：加入塑性成型：加入25-50%（体积分数）的塑化剂，（体积分数）
11、的塑化剂，普遍用于传统陶瓷。普遍用于传统陶瓷。 挤压成型：污染小，效率高，易于自动化连续生产，挤压成型：污染小，效率高，易于自动化连续生产，广泛用于管、棒、片、蜂窝、筛格状等制品。广泛用于管、棒、片、蜂窝、筛格状等制品。 注射成型：尺寸精度高，制品形状复杂，适合大批注射成型：尺寸精度高，制品形状复杂，适合大批量生产，但应控制成型工艺和脱排树脂过程。量生产，但应控制成型工艺和脱排树脂过程。 流延成型：可制备具有一定柔韧性的生坯带。可以流延成型：可制备具有一定柔韧性的生坯带。可以制备极为米至几毫米的陶瓷薄片，且可以印刷各种图案制备极为米至几毫米的陶瓷薄片，且可以印刷各种图案并烧结，自动化程度高。但
12、要避免产生厚度不均、易弯并烧结，自动化程度高。但要避免产生厚度不均、易弯曲等缺陷。曲等缺陷。六、新型陶瓷的烧结方法低温烧结热压烧结气氛烧结微波烧结脉冲激光沉积成瓷磁控溅射沉积成瓷1 1、低温烧结、低温烧结引入添加剂烧结压力烧结分类使用易于烧结的粉料溶入主晶相，增加空位溶入主晶相，增加空位较低温度下生成液相、较低温度下生成液相、增加粘性流动增加粘性流动2 2、热压烧结、热压烧结间歇热压烧结连续热压烧结分类等静压热压烧结超高热压烧结高温烧结过程中对工件件施加足够机械力高温烧结过程中对工件件施加足够机械力3、微波烧结、微波烧结优点优点内部加热快内部加热快快速加热快速加热快速烧结快速烧结细化材料组织细
13、化材料组织 ，99%高效节能高效节能300/分钟分钟缺陷：缺陷：硬度降低硬度降低4、磁控溅射、磁控溅射基本原理：基本原理：电场加速电子运动，磁场改变电子的运动方向并电场加速电子运动，磁场改变电子的运动方向并束缚和延长电子的运动轨迹束缚和延长电子的运动轨迹优点：优点：1、增加电子对工作气体的电离率，有效利用电、增加电子对工作气体的电离率，有效利用电子能量子能量2、受正交电磁场束缚的电子只能在能量耗尽时才、受正交电磁场束缚的电子只能在能量耗尽时才沉积在基片上沉积在基片上低温高速低温高速5、脉冲激光沉积成瓷、脉冲激光沉积成瓷基本原理图基本原理图七、新型陶瓷的应用七、新型陶瓷的应用耐磨性优良的硬质特种
14、陶瓷用途广泛，目前的工作主要是集中在轴承、切削刀具方面。 生物陶瓷方面目前正在进行将氧化铝、磷石炭等用作人工牙齿、人工骨、人工关节等研究，这方面的应用引起人们极大关注。 生物陶瓷骨骼生物陶瓷骨骼生物陶瓷牙齿生物陶瓷牙齿导热性优良的特种陶瓷极有希望用作内部装有大规模集成电路和超大规模集成电路电子器件的散热片。 陶瓷制作散热片陶瓷制作散热片高强度的陶瓷可用于燃气轮机的燃烧器、叶片、涡轮、套管等；在加工机械上可用于机床身、轴承、燃烧喷嘴等。 陶瓷轴承陶瓷轴承 耐热性能优良的特种陶瓷可望作为超高温材料用于原子能有关的高温结构材料、高温电极材料等。 隔热性优良的特种陶瓷可作为新的高温隔热材料，用于高温加热炉、热处理炉、高温反应容器、核反应堆等。 具有润滑性的陶瓷如六方晶型氮化硼极为引人注目，目前国外正在加紧研究 高温氧化物结构陶瓷高温氧化物结构陶瓷
