现代陶瓷材料及技术-第一讲-09.07

现代陶瓷材料及技术许昌学院新材料与能源学院朱聪旭授课方式：集中上课、自学学时：36授课地点：C101授课时间：周一下午6-7节考试方式：平时成绩30分包括课外学习、考勤、完成作业情况考试成绩70分期末*70%授课教师：朱聪旭，[e-mail];qq:759226472,A4楼二楼教师办公室18837467929（手机）第一章绪论绪论陶瓷材料的发展历程及现代陶瓷材料的基本性质现代陶瓷材料的分类及其应用现代陶瓷的发展陶瓷材料的发展历程及现代陶瓷材料的基本性质陶瓷材料的发展历程陶瓷材料的发展历程陶器炻器瓷器技术进步推动材料优化陶瓷材料的发展历程科技进步的标志国家实力的象征陶瓷材料的发展历程古代日用陶瓷为主（杯盘碗罐）近代日用陶瓷建筑陶瓷卫生陶瓷电瓷工艺陶瓷现代传统陶瓷（日用、建筑、卫生陶瓷等）现代陶瓷结构陶瓷（发挥其力学特性）高强、超硬、耐高温等功能陶瓷（发挥其物力性能）电容器介质陶瓷、压电陶瓷、敏感陶瓷、磁性陶瓷、生物陶瓷、超导陶瓷、陶瓷基功能复合材料材料有机材料无机非金属材料金属材料玻璃陶瓷水泥耐火材料其他无机矿物材料复合材料陶瓷材料陶瓷材料的发展历程陶瓷材料的发展历程品种传统陶瓷现代材料原料天然矿物人工合成高纯度原料制备工艺矿物加工—成型—烧结组分多样化性能多元化应用广泛化现代陶瓷材料——高新技术现代陶瓷材料的基本性质三个特点1.属于高新技术产品；2.技术经济密集型产品；3.具有优异的和特殊的性能。现代陶瓷材料的分类及其应用现代陶瓷材料分类按化学成分分类氧化物陶瓷单一氧化物陶瓷Al2O3、ZrO2等复合氧化物陶瓷莫来石（3Al2O3•2SiO2）尖晶石（MgAl2O4）硅酸盐（ZrSiO4、CaSiO3）BaTiO3、CaTiO3等碳化物陶瓷SiC、WC、B4C、TiC氮化物陶瓷Si3N4、TiN、BN、TiC硼化物陶瓷TiB2、ZrB2现代陶瓷材料的分类氧化物Al2O3SiO2MgOCr2O3BeOZrO2TiO2V2O5B2O3MgO•Al2O3Y2O3CaOCeO23Al2O3•2SiO2BaTiO3CaTiO3PbZrTiO3ZrSiO4碳化物SiCTiCWCZrCB4CHfCTaCBe2CUCVCNbCMo2CMoC氮化物Si3N4TiNBNAlNC3N4ZrNVNTaNNbNScN硼化物TiB2ZrB2Mo2BWB6LaB6HfBWBZrB陶瓷按化学成分分类表陶瓷按坯体物理性能分类陶器瓷器陶瓷组成——晶相、玻璃相和气相玻璃相的作用——粘结分散的晶相，降低烧结温度。抑制晶粒长大和填充气孔，其热稳定性差，强度较晶相低，所以不能多。气相——指陶瓷孔隙，是陶瓷生产过程中形成并保留下来的，气孔对陶瓷性能的影响：有利——使陶瓷密度减少，并能吸收震动；不利——使陶瓷强度降低，电击穿强度下降，绝缘性下降，结论：生产中对陶瓷中的气孔数量、形状、大小和分布有所控制。现代陶瓷材料的组成陶瓷的性能特点（机械性能）①高硬度大多数陶瓷材料的硬度比金属高得多，故其耐磨性好（它的硬度仅次于金刚石）。②高弹性模量与高脆性陶瓷拉伸时几乎没有塑性变形，在拉应力作用下产生一定弹性变形后直接脆断，弹性模量比金属高。③低抗拉强度和较高的抗压强度陶瓷属于脆性材料。④优良的高温强度和低的抗热震性陶瓷的熔点高于金属，高温时强度优于金属。多数金属在1000℃以上就丧失强度，而陶瓷在高温下基本保持其室温下的强度和硬度，具有高的蠕变抗力，同时抗氧化的性能好，广泛用作高温材料。缺点：但陶瓷承受温度急剧变化的能力差（热震性差）当温度剧烈变化时易裂。陶瓷材料的缺点现代陶瓷材料的特点脆性断裂和失效方式不可加工性安全和可靠性强韧化技术可加工陶瓷超塑性陶瓷现代陶瓷材料的应用陶瓷材料科技进步的先导，国家安全的保障陶瓷按其概念和用途不同，可分为普通陶瓷和特种陶瓷两大类。根据陶瓷坯体结构及其基本物理性能的差异，陶瓷制品可分为陶器和瓷器。陶器包括粗陶器、普陶器和细陶器。陶器的坯体结构较疏松，致密度较低，有一定吸水率，断口粗糙无光，没有半透明性，断面成面状或贝壳状。现代陶瓷材料的分类普通工业陶瓷有炻器和精陶。建筑卫生瓷——装饰板、卫生间装置及器具等；电工瓷——电器绝缘用瓷，也叫高压陶瓷化学化工瓷——化工、制药、食品等工业及实验室中的管道设备、耐蚀容器及实验器皿特种陶瓷结构陶瓷：用作结构材料，制造结构零部件，主要使用其力学性能。（强度、韧性、硬度、耐磨性及耐高温性等）功能陶瓷：用作功能材料，制造功能器件，主要使用其物理性能。（电、磁、声、光、热及生物性能）现代陶瓷材料的分类氧化物陶瓷（Al2O3、ZrO2、MgO等）碳化物陶瓷（SiC、B4C、WC等）氮化物陶瓷（Si3N4、TiN、BN等）新型碳化物陶瓷（C3N4等）硼化物陶瓷（TiB2、ZrB2等）复合陶瓷（3Al2O3·2SiO2(莫来石)等）高温结构陶瓷——高熔点氧化物、碳化物、硼化物、氮化物、硅化物。例1：硼化物陶瓷（硼化铬、硼化钼、硼化钛、硼化钨和硼化锆）特点：高硬度,耐化学侵蚀，熔点1800℃～2500℃。应用：用于高温轴承、内燃机喷嘴，各种高温器件、处理熔融非铁金属的器件等。例2：氮化硅陶瓷——键能高而稳定的共价键晶体。特点：1、硬度高而摩擦系数低，有自润滑作用，是优良的耐磨减摩材料；2、氮化硅的耐热温度比氧化铝低，而抗氧化温度高于碳化物和硼化物，1200℃以下具有较高的机械性能和化学稳定性，且热膨胀系数小、抗热冲击。用途：可做优良的高温结构材料，耐各种无机酸（氢氟酸除外）和碱溶液浸蚀，优良的耐腐蚀材料。例3：氧化铝陶瓷（Al2O3＋少量SiO2）根据Al2O3含量可分为刚玉-莫来瓷（75瓷，wAl2O3=75%）刚玉瓷（95瓷，99瓷）氧化铝常见的晶体结构有三种：α-Al2O3、β-Al2O3、γ-Al2O3γ-Al2O3属于尖晶石型（立方）结构，高温时不稳定，在1600℃转变为α-Al2O3，同时体积收缩13~14.5%。α-Al2O3属于六方系，稳定性好，在熔点2050℃之前不发生晶型转变。1）高强度、高温稳定性：装饰瓷，喷嘴、火箭、导弹的导流罩；2）高硬度、高耐磨性：切削工具，模具，磨料，轴承，人造宝石；3）低的介电损耗、高电阻率、高绝缘性：火花塞，电路基板，管座；4）熔点高、抗腐蚀：耐火材料，坩埚，炉管，热电偶保护套等；5）离子导电性：太阳能电池材料和蓄电池材料等。6）生物相容性：还可用于制作人工骨骼和人造关节等。氧化铝陶瓷的性能与应用例4：碳化硅陶瓷——以SiC为主要成分的陶瓷特点：很高的高温强度，1400℃时抗弯强度仍在500～600MPa，工作温度可达1700℃；好的热稳定性、抗蠕变性、耐磨性、耐蚀性，良好的导热性、耐辐射性。应用：制作火箭尾喷管喷嘴、浇注金属的浇道口、轴承、轴套、密封阀片、轧钢用导轮、内燃机器件、热电偶保护套管、炉管、核燃料包封材料等。例5：氮化硅陶瓷——以Si3N4为主要成分特点：很高的硬度，摩擦系数小，耐磨性好，抗热振性大大高于其它陶瓷。化学稳定性好，能耐除氢氟酸、氢氧化钠外的其他酸和碱，以及抗熔融金属的侵蚀。还具有优良的绝缘性能。应用：用于制造切削刀具、高温轴承、泵密封环、热电偶保护套、缸套、活塞顶、电磁泵管道和阀门等。绝缘结构陶瓷-装置零部件、电阻基体、集成电路基片电容器陶瓷-高频稳定型、热补偿型压电陶瓷-换能器、微位移器件、滤波器半导体陶瓷-敏感元器件、传感器导电陶瓷-大功率电阻器、显示器件、微波衰减器超导陶瓷-超导量子干涉计、超导计算机、超导电缆磁性陶瓷-电感器、磁性天线、磁头、雷达、遥感生物陶瓷-人工牙、人工骨、人工关节超硬陶瓷-磨削加工工具现代特种陶瓷材料的分类现代陶瓷材料的发展现代陶瓷材料的发展材料发展的根本动力——技术发展的需求研究热点的形成——宏观经济、科技政策引导——传统理论、技术的缺陷——人们认识世界、改造世界的需求材料研究热点问题现代陶瓷材料的研究方向发展结构陶瓷材料的强韧化结构功能一体化陶瓷材料新功能开发及应用新材料、新结构的制备及性能陶瓷材料的纳米化技术及其应用相变增韧技术ZrO2（单斜）ZrO2（四方）1170℃马氏体相变带有5％的体积膨胀增韧机理：应力诱导相变韧化微裂纹韧化结构陶瓷的强韧化技术950℃结构陶瓷的强韧化技术颗粒弥散增韧技术颗粒增韧第二相引入陶瓷基体中，使其成弥散分布并起增强陶瓷基体作用。裂纹偏转，增加裂纹扩展路径结构陶瓷的强韧化技术纤维和晶须增韧技术陶瓷材料的纳米化及潜在应用陶瓷材料的纳米化及潜在应用陶瓷材料的纳米化及潜在应用纳米发电技术幻想——设想——现实探索之路飞天梦想坯料原料：主要为天然黏土、长石、石英。坯料选择：根据产品的性能要求、工艺性能及经济指标，确定配方及成型方法是常用的配料方法。坯料配方试验方法：三轴图法、孤立变量法、示性分析法及综合变量法(正交试验法)。坯料计算：从化学物质的量计算实验式、由实验式计算坯料的化学组成、由配料量计算实验式。能否照搬各地文献资料所载成功的经验配方？我三姑(孤)是(示)政(正)法的从化学物质的量计算实验式若知道了坯料的化学物质的量，可按下列步骤，计算成为实验式：(1)若坯料中的化学物质的量包含灼减量成分，首先应将其换算成不含灼减量的化学物质的量；(2)以各氧化物的摩尔质量，分别除各该项氧化物的质量分数，得到各氧化物的物质的量(mol);(3)算出R2O3的物质的量总和，分别出各氧化物的物质的量，即得到一套以R2O3系数为1的各氧化物的系数；(4)将上述各氧化物的物质的量值按ROR2O3RO2的顺序排列为实验式。从化学物质的量计算实验式例1某瓷坯的化学组成如下表所示，求该瓷坯的实验式。某瓷坯的化学组成单位：%组成SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOK2ONa2O灼减合计含量63.3724.870.811.150.322.051.895.54100由实验式计算坯料的化学组成若知道了坯料的实验式，可通过下列步骤的计算，得到坯料的化学组成。(1)用实验式中的各氧化物的物质的量分别乘以各该氧化物的摩尔质量，得到各氧化物的质量；(2)算出各氧化物质量之总和;(3)分别用各氧化物的质量除以各氧化物质量之总和，可获得各氧化物所占质量的分数。从化学物质的量计算实验式例2我国雍正薄胎粉彩碟的瓷胎实验式如下所示，求该瓷坯的化学组成。0.088CaO0.010MgO0.077Na2O0.120K2O0.982Al2O30.018Fe2O34.033SiO2常用原料及其处理与基本生产工艺第二章常用原料及其处理与基本生产工艺常用矿物原料常用化工原料原料处理基本生产工艺常用矿物原料黏土：高岭土(A2S),S:40-60%,A:34-40%膨润土:微晶高岭石型矿物；吸水性强；V：10-30倍；含量5%滑石:单斜晶系；片状或粒状；理论组成：MgO-31.82%，SiO2-63.44%，H2O-4.74%菱镁矿：MgCO3；350-850℃分解方解石：三方晶系；CaCO3；350-850℃分解；~5%线膨胀石英：多种变体(单、多、非晶)；常用多晶体；T↑，V↑大，裂。萤石：氟石；CaF2；等轴晶系，立方体或八面体，无色、浅绿色或浅黄色，透明或半透明长石：碱长石(钠长石和钾长石)，碱土长石(钙长石和钡长石)白云石：碳酸钙和碳酸镁的固溶体，灰白色或浅红色常用化工原料二氧化钛：三种晶型(金红石、板钛矿和锐钛矿)工业氧化铝氧化锆碱土金属碳酸盐稀有及稀土金属氧化物氧化锌氧化锡铅丹复合氧化物原料处理配料计算干燥处理拣选处理过筛处理预先合成或煅烧处理陶瓷材料的基本生产工艺流程现代陶瓷的基本生产工艺粉料制备除铁、压滤及造粒成型烧成后处理粉料的制备球磨振动磨行星磨砂磨气流粉碎化学方法基本生产工艺除铁、压滤、困料和真空练泥坯料除铁浆料压滤困料练泥基本生产工艺陶瓷材料的成型工艺挤制成型干压成型热压铸成型轧膜成型流延成型印刷成型等静压成型注浆成型车