无机非金属专业导论-先进陶瓷材料

11无机非金属材料工程无机非金属材料工程 专业导论专业导论先进陶瓷材料先进陶瓷材料2概述概述概述概述陶瓷制品是人类在征服自然过程中所获得的第一陶瓷制品是人类在征服自然过程中所获得的第一种经化学变化而制成的产品。种经化学变化而制成的产品。特点：熔点高、硬度大、化学稳定性好、耐高温、特点：熔点高、硬度大、化学稳定性好、耐高温、耐磨损、耐氧化、耐腐蚀、重量轻、弹性模量大、耐磨损、耐氧化、耐腐蚀、重量轻、弹性模量大、强度高等优良性能，可在高温、腐蚀、辐照等环强度高等优良性能，可在高温、腐蚀、辐照等环境工作。境工作。先进陶瓷先进陶瓷3陶瓷的定义陶瓷的定义 什么是陶瓷什么是陶瓷(Ceramics)？传传统统陶陶瓷瓷是是“由由粘粘土土或或主主要要含含粘粘土土（有有长长石石、石石英英等等）的的混混合合物物，经经成成形形、干干燥燥、烧烧结结而而成成的的制制品品”。美美国国陶陶瓷瓷学学会会给给陶陶瓷瓷下下的的定定义义：“在在高高温温下下形形成成及使用的无机非金属材料及使用的无机非金属材料”先进陶瓷先进陶瓷4 Ceramicsthe making of pots,tiles,etc.,by shaping pieces of clay and baking them until they are hard;articles produced in this way.5Ceramics来自希腊字来自希腊字Keramic，意为，意为“an art of potter”;而而Keramic来自希腊字来自希腊字Keramos，意为，意为“Burnt stuff”用火烧成的制品，多指粘土烧成的陶器。用火烧成的制品，多指粘土烧成的陶器。后经长期演变，含义进一步延伸，凡属粘土烧后经长期演变，含义进一步延伸，凡属粘土烧成的制品都属于成的制品都属于Ceramics，如陶瓷、砖瓦、耐，如陶瓷、砖瓦、耐火材料等。火材料等。先进陶瓷先进陶瓷6陶陶瓷瓷的的定定义义：无无机机非非金金属属粉粉末末经经成成型型后后在在低低于于熔熔点点的的高高温下烧结温下烧结而制成的固体材料。（狭义的，由工艺而来）而制成的固体材料。（狭义的，由工艺而来）“传传统统陶陶瓷瓷”主主要要以以天天然然的的硅硅酸酸盐盐为为原原料料，因因此此又又被被称称为为“硅酸盐材料硅酸盐材料”。由于陶瓷的化学组成是以离子键和共价键为主要键的无由于陶瓷的化学组成是以离子键和共价键为主要键的无机非金属化合物，故又称陶瓷为机非金属化合物，故又称陶瓷为“无机非金属材料无机非金属材料”、“无机绝缘材料无机绝缘材料”、“无机介电材料无机介电材料”。先进陶瓷先进陶瓷7随随着着新新型型材材料料的的发发展展，陶陶瓷瓷概概念念扩扩展展到到整整个个无无机机非非金金属属固固体体材材料料或或无无机机化化合合固固体体材材料料，除除了了一一般般的的多多晶晶烧烧结结体体外外，还还包包括括单单晶晶、玻玻璃璃、薄薄膜膜、纤纤维维、粉粉体体等等，其其制制备备方方法法也也不不再再局局限限于于常常规规烧烧结结法法，因因此此是是“广义陶瓷广义陶瓷”。先进陶瓷先进陶瓷8国际上对陶瓷的广义的定义与上述定义类似。国际上对陶瓷的广义的定义与上述定义类似。W.D.Kingery现现 代代 陶陶 瓷瓷 工工 程程 之之 父父，在在 “Introduction to Ceramics”中把中把陶瓷陶瓷定义为定义为:“the art and science of making and using solid articles which have as their essentially component,and are composed in large part of,inorganic nonmetallic materials”“制制造造和和应应用用固固体体制制品品的的技技艺艺和和科科学学，这这种种固固体体制制品品主主要要是是由由无无机机非非金金属属材材料料作作为为基基本本组组分分组组成成的的”。先进陶瓷先进陶瓷9 这一定义不仅包括这一定义不仅包括陶器、瓷器、耐火材料、建筑陶器、瓷器、耐火材料、建筑粘土制品、磨料、搪瓷、水泥和玻璃等粘土制品、磨料、搪瓷、水泥和玻璃等材料，材料，而且还包括而且还包括非金属磁性材料、铁电体、人造单非金属磁性材料、铁电体、人造单晶、特种陶瓷、以及各种各样的其他制品晶、特种陶瓷、以及各种各样的其他制品。This definition essentially says that a ceramic is anything that is not an organic material or a metal.先进陶瓷先进陶瓷10随着时代的进步，原料或产品中虽然不含硅酸盐随着时代的进步，原料或产品中虽然不含硅酸盐组分，然而用陶瓷工艺方法（组分，然而用陶瓷工艺方法（Ceramic Process）生产的制品也称）生产的制品也称Ceramics。目前这类材料还在不断发展，新型材料不断出现。目前这类材料还在不断发展，新型材料不断出现。它和金属材料、有机高分子材料并列为当代三它和金属材料、有机高分子材料并列为当代三大固体材料。大固体材料。It suggests three categories of materials:ceramics,organics and metals先进陶瓷先进陶瓷11我国的陶瓷一词和英文中的我国的陶瓷一词和英文中的Ceramics一样一样具有狭义（陶瓷、瓷器）和广义两重含具有狭义（陶瓷、瓷器）和广义两重含意：意：广义广义的陶瓷工业是陶瓷、玻璃、耐火材的陶瓷工业是陶瓷、玻璃、耐火材料、搪瓷、磨料、水泥等无机非金属材料工料、搪瓷、磨料、水泥等无机非金属材料工业的泛称。业的泛称。先进陶瓷先进陶瓷12随着工业的发展，陶瓷制品广泛地应用于随着工业的发展，陶瓷制品广泛地应用于社会各行各业，采用了更多、更复杂的工社会各行各业，采用了更多、更复杂的工业原料。业原料。先进陶瓷的广义的定义为：先进陶瓷的广义的定义为：“用粘土以外的用粘土以外的其他原料，依陶瓷制造的工艺方法制成的其他原料，依陶瓷制造的工艺方法制成的制品制品”先进陶瓷先进陶瓷13 如压电陶瓷、电容器陶瓷、微波陶瓷、如压电陶瓷、电容器陶瓷、微波陶瓷、磁性陶瓷、高温陶瓷等磁性陶瓷、高温陶瓷等 可广泛应用于电子、原子能、宇航、半可广泛应用于电子、原子能、宇航、半导体等工业。导体等工业。14陶瓷的分类陶瓷的分类 先进陶瓷先进陶瓷151617氧化铝陶瓷氮化铝陶瓷18生 物 陶 瓷19多孔陶瓷保 健 陶 瓷 20建 筑 卫 生 陶 瓷21耐 高 温 陶 瓷 刀 具22高温结构陶瓷零部件耐酸陶瓷风机适用于输送或抽吸各种腐蚀性气体 23陶 瓷 装 甲 车24航航 天天 飞飞 机机 腾腾 空空 而而 起起25“发现号”航天飞机腹部的绝热瓦“发现号”航天飞机26 航天飞机的防热盔甲以纯度99.7%、直径为m的石英纤维加水混合成浆状，倒入模具中脱水加压成型，然后浸胶体石英，干燥后在1290的电炉中烧成。再按要求切成外形不同、大小不等的“砖块”，最后粘贴到航天飞机的铝合金蒙皮上，把外表严严实实地封盖起来，就象给航天飞机穿上了一身防热盔甲。27 航天飞机 28 航天飞机的机头 29 航天飞机的防热瓦30 航天飞机热分布示意图 31 “哥伦比亚”号航天飞机爆炸，原因是这架航天飞机左翼在起飞时遭到从燃料箱上脱落的泡沫绝缘材料撞击，结果造成机体表面隔热保护层出现了大面积松动和破损，形成了可让“热气进入的洞”，在返航途中因超高温空气入侵而彻底解体。32 与传统陶瓷比较，先进陶瓷的化学组成、显微结构都与传统陶瓷比较，先进陶瓷的化学组成、显微结构都有极大的不同，其性能可满足工业和国防中各种特殊的需有极大的不同，其性能可满足工业和国防中各种特殊的需要。要。先进陶瓷先进陶瓷几个有用的名词：几个有用的名词：特种陶瓷特种陶瓷 special ceramics先进陶瓷先进陶瓷 advanced ceramics精细陶瓷精细陶瓷 fine ceramics高性能陶瓷高性能陶瓷 high performance ceramics新型陶瓷新型陶瓷 new ceramics近代陶瓷近代陶瓷 modern ceramics33几个有用的名词：几个有用的名词：特种陶瓷特种陶瓷 special ceramics先进陶瓷先进陶瓷 advanced ceramics精细陶瓷精细陶瓷 fine ceramics高性能陶瓷高性能陶瓷 high performance ceramics新型陶瓷新型陶瓷 new ceramics近代陶瓷近代陶瓷 modern ceramics先进陶瓷先进陶瓷34陶瓷发展的重要阶段陶瓷发展的重要阶段广义的陶瓷包括了陶器、彩色釉器、瓷器、玻广义的陶瓷包括了陶器、彩色釉器、瓷器、玻璃、水泥、晶体等的发展璃、水泥、晶体等的发展David W.Richerson 在其著作中在其著作中Modern Ceramic Engineering(Taylor&Francis Group,New York,2006)给出了广义的陶瓷的给出了广义的陶瓷的简要发展的简要发展的里程碑里程碑先进陶瓷先进陶瓷35Key Milestones in the Evolution of Ceramics Time Description of Milestone 24000 B.C.Clay mixed with water,molded into a shape,dried,and fired to produce the first man-made ceramic”earthenware”10000 B.C.Early use of earthenware for useful article such as containers.7000-6000 B.C.Lime mortar(石灰砂浆石灰砂浆)used for filling spaces between stones in construction and also for making thick-walled containers.36Key Milestones in the Evolution of CeramicsTime Description of Milestone7000-5000 B.C.Widespread use of earthenware for food storage and cooling 70005000 B.C.Widespread use of plaster-like cementitious ceramics for in floor construction and as decorated interior wall coatings.4500 B.C.Ceramics used to line crude kilns（窑炉）（窑炉）to smelt copper from its ores and make possible the Chalcolithic（红铜）（红铜）,Bronze and Iron Ages.37Key Milestones in the Evolution of Ceramics Time Description of Milestone 45003500 B.C.Fired brick shown to be more durable than dried mud bricks 45003500 B.C.Development of early faience（彩彩 陶陶）to produced white ceramics with bright blue glassy coatings:precursor to development of glass and glazes（釉）（釉）.35002800 B.C.Evolution of first writing consisting of pictographs（象形文字）（象形文字）and“cuneiform（楔（楔形文字）形文字）”symbols inscribed in clay tablets.38Key Milestones in the Evolution of Ceramics Time Description of Milestone3300 B.C.Potters wheel invented,making earthenware pottery available and affordable for just about everyone 25001600 B.C.From early isolated examples of glass to well-established craft.17501150 B.C.Variety of glaze developed in-cluded lead glazes and colored glazes.39Key Milestones in the Evolution of Ceramics Time Description of Milestone1025750 B.C.Early developments in China of stoneware,which was lighter in color,stronger,and less porous than earthenware 500100 B.C.High-strength concrete（混混 凝凝 土土）developed by Greeks and Romans and used widely in construction especially by the Romans.10050 B.C.Glass blowing invented,making glass items available to others than royalty and aristocrats.40Key Milestones in the Evolution of CeramicsTime Description of Milestone600-800 A.D.Evolution of high-quality porcelain（瓷瓷）in China 800900 A.D.Islamic refinements of the use of white tin-based glazes and lustrous overglazes.1740s“Transfer printing”invented to greatly increased the rate of production of tiles（瓷（瓷砖）砖）.41Key Milestones in the Evolution of CeramicsTime Description of Milestone 1840s “Dust pressing”invented to further dramatically increase rate of production of tiles and eventually become the uniaxial pressing process and workhorse of modern high-volume production of polycrystalline ceramicsLate 1800sDemonstration of successful laboratory synthesis of single crystals of ruby and sapphire.42Key Milestones in the Evolution of CeramicsTime Description of Milestone Early 1900s Increase in temperature capability of production kilns to greater than 1400C and late to 1600C.Mid-1900sEstablishment of alumina-based ceramics and introduction of a wide range of new engineered ceramics.Late 1900sDevelopment of ultra-high-temperature,high-strength,and high-toughness ceramics and ceramic matrix composites43 陶瓷的发展大致经历了陶器、瓷器、现陶瓷的发展大致经历了陶器、瓷器、现代先进陶瓷三个发展阶段。代先进陶瓷三个发展阶段。从二十世纪九十年代开始，陶瓷进入了从二十世纪九十年代开始，陶瓷进入了纳米陶瓷发展阶段。纳米陶瓷发展阶段。先进陶瓷先进陶瓷44陶器陶器(从公元前从公元前24000年开始年开始)瓷器瓷器 (从公元从公元250年开始年开始)现代先进陶瓷现代先进陶瓷(从从20世纪世纪40年代开始年代开始)纳米陶瓷纳米陶瓷 (从从20世纪世纪90年代开始年代开始)451、陶器阶段、陶器阶段 用黏土制成毛坯，经过高温用黏土制成毛坯，经过高温(1000 C)烧结而烧结而成，是原始人类制成的最重要的物品之一成，是原始人类制成的最重要的物品之一 2、瓷器阶段、瓷器阶段发明了釉、发现并使用高铝质瓷土、高温技术的发明了釉、发现并使用高铝质瓷土、高温技术的发展（发展（1200 C）先进陶瓷先进陶瓷463、现代先进陶瓷阶段、现代先进陶瓷阶段原料纯化原料纯化从天然矿物原料为主发展到高从天然矿物原料为主发展到高纯人工合成原料为主纯人工合成原料为主新工艺新工艺层出不穷层出不穷 成型新工艺成型新工艺：等静压成型、热压成型、离心注浆成型、压等静压成型、热压成型、离心注浆成型、压力注浆成型、流延成型等力注浆成型、流延成型等先进陶瓷先进陶瓷47 烧结新工艺烧结新工艺：热压烧结、热压等静压烧结、：热压烧结、热压等静压烧结、反应烧结、快速烧结、微波烧结、等离子反应烧结、快速烧结、微波烧结、等离子体烧结、自蔓燃烧结等体烧结、自蔓燃烧结等 理论理论日趋成熟日趋成熟从经验操作发展到科学控从经验操作发展到科学控制、特定材料设计、工艺制、特定材料设计、工艺结构结构性质性质使用性能使用性能 分析技术分析技术进步进步显微结构分析技术如显微结构分析技术如X射射线衍射仪、电子显微镜、原子力显微镜、线衍射仪、电子显微镜、原子力显微镜、特殊性能测试仪器等特殊性能测试仪器等先进陶瓷先进陶瓷48相邻相邻学科发展学科发展量子力学、固体物理、固体化学、配位化学、量子力学、固体物理、固体化学、配位化学、结晶化学、量子化学、半导体、微电子等结晶化学、量子化学、半导体、微电子等4、纳米陶瓷阶段、纳米陶瓷阶段原料纳米化、陶瓷内部晶粒纳米化、性能高原料纳米化、陶瓷内部晶粒纳米化、性能高度优化、正在深入研究，预期将引起重要度优化、正在深入研究，预期将引起重要变化。变化。先进陶瓷先进陶瓷4949 功能陶瓷功能陶瓷是指在微电子、光电子信息和自动化技术以及生物是指在微电子、光电子信息和自动化技术以及生物医学、能源和环保工程等基础产品领域中所用的陶瓷材医学、能源和环保工程等基础产品领域中所用的陶瓷材料。料。p如制造电子线路中的电容器用的电介质瓷，制造集成电如制造电子线路中的电容器用的电介质瓷，制造集成电路基片和管壳用的高频绝缘瓷等。路基片和管壳用的高频绝缘瓷等。p功能陶瓷以其独特的声、光、热、电、磁等物理特性和功能陶瓷以其独特的声、光、热、电、磁等物理特性和生物、化学以及适当的力学等特性，在相应的工程和技生物、化学以及适当的力学等特性，在相应的工程和技术中起关键作用术中起关键作用。o大部分为大部分为电子陶瓷电子陶瓷 （electroceramicselectroceramics）先进陶瓷先进陶瓷50二、电子陶瓷的分类二、电子陶瓷的分类二、电子陶瓷的分类二、电子陶瓷的分类 从使用功能分类：从使用功能分类：（a）结构陶瓷：）结构陶瓷：Al2O3、AlN、BeO(集成电路衬底、集成电路衬底、微波大功率器件散热支撑件、微波大功率器件散热支撑件、MCM用基片）；用基片）；（b）功能陶瓷：电容器陶瓷、微波陶瓷、压电陶）功能陶瓷：电容器陶瓷、微波陶瓷、压电陶瓷、热释电陶瓷、透明电光陶瓷，半导体陶瓷；瓷、热释电陶瓷、透明电光陶瓷，半导体陶瓷；按照工作频率分：低频瓷（按照工作频率分：低频瓷（1kHz）、高频瓷）、高频瓷（1MHz）、微波瓷（）、微波瓷（300MHz300GHz）。）。先进陶瓷先进陶瓷51功能陶瓷的分类：功能陶瓷的分类：o高频绝缘零件瓷高频绝缘零件瓷o电阻基体和电感基体瓷电阻基体和电感基体瓷o电真空瓷电真空瓷o电容器瓷电容器瓷o铁电陶瓷铁电陶瓷o压电陶瓷压电陶瓷o半导体陶瓷半导体陶瓷o导电陶瓷导电陶瓷o超导陶瓷超导陶瓷o磁性瓷磁性瓷o光电子材料光电子材料o生物陶瓷生物陶瓷o环境保护用陶瓷环境保护用陶瓷o环境协调型陶瓷材料和技术环境协调型陶瓷材料和技术52电子陶瓷分类图电子陶瓷分类图53功能陶瓷的生产工艺功能陶瓷的生产工艺功能陶瓷的生产工艺过程功能陶瓷的生产工艺过程原料处理原料处理原料处理原料处理和加工和加工和加工和加工备料备料备料备料成型成型成型成型电极制备电极制备烧成烧成元件元件性能检测性能检测Processing of Ceramics54555657成型 Shaping 功能陶瓷常用的成型方法有功能陶瓷常用的成型方法有o挤制成型挤制成型o干压成型干压成型o热压铸成型热压铸成型o注浆成型注浆成型o轧膜成型轧膜成型o等静压成型等静压成型o热压成型热压成型o流延成型流延成型58干压成型5960热压铸成型p利用压缩空气使利用压缩空气使加热熔化的含蜡加热熔化的含蜡配料配料(铸浆铸浆)充满充满模具，冷却后凝模具，冷却后凝固成需要形状坯固成需要形状坯件。件。61616262轧膜机轧膜机 636464实验用脱泡机实验用脱泡机大型流延机大型流延机实验用流延机实验用流延机6565丝网印刷机丝网印刷机666768注浆成型注浆成型slip-castingp注浆成型可分为实心注浆成型和空心注浆成型，是在石注浆成型可分为实心注浆成型和空心注浆成型，是在石膏模中进行的。膏模中进行的。p由于石膏模具有多孔性，吸水性强，能很快吸收瓷浆中由于石膏模具有多孔性，吸水性强，能很快吸收瓷浆中的水分，达到成型的目的的水分，达到成型的目的。697071烧成烧成常压烧结、气氛烧结、热压烧结、热等静压常压烧结、气氛烧结、热压烧结、热等静压反应热压烧结反应热压烧结利用高温下配料的化学反应进行的烧结工艺。利用高温下配料的化学反应进行的烧结工艺。常见的反应热压烧结有：常见的反应热压烧结有：分解热压烧结分解热压烧结相变热压烧结相变热压烧结分解合成热压烧结。分解合成热压烧结。其他烧结工艺方法其他烧结工艺方法超高压和超高温烧结超高压和超高温烧结电火花烧结电火花烧结化学气相沉积法化学气相沉积法反应烧结反应烧结微波烧结微波烧结7273