陶瓷材料设计基础课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,陶瓷（,ceramics,）是我们日常生活接触较多，在国民经,济中有许多重要应用的无机非金属材料之一。,传统概念的陶瓷是指所有一粘土为主要原料，并与其他,矿物原料经过破碎混和成型烧成等过程而制得的制品,就是常,见的日用陶瓷建筑卫生陶瓷等普通陶瓷,(ordinary ceramics),随着社会的发展，出现了有一类性能特殊，在电子、航空、,生物医学等领域有广泛用途的陶瓷材料，称之为,特种陶瓷,(specieal ceramics),。,陶 瓷,陶瓷（ceramics）是我们日常生活接触较多，在国民经陶,1,陶瓷（材料及其制品）都有特定的性能要求。,日用餐具要有一定的强度（,strength,）、白度（,whiteness,）、抗热冲击性（热稳定性）；,电瓷有强度和介电性能要求；,特种陶瓷对性能及其热稳定性要求更高。,研究表明，,陶瓷的性能,一方面受到其,本征物理量,（如热稳定系数、电阻率、弹性模量等）的影响，同时又与其,显微结构,密切相关。而决定显微结构和本征物理量的是,陶瓷的组成及其加工工艺,过程。,其中 陶瓷组成对显微结构、性能起决定作用。,陶瓷的组成、结构与性能,陶瓷（材料及其制品）都有特定的性能要求。陶瓷的组成、结构与性,2,一、,陶瓷设计阶段（,Development phase in ceramics design,）,1.,天然陶瓷阶段,(Natural ceramics phase),2.,经验性设计阶段,(Empirical design phase),3.,实验性设计阶段（,Experimental phase),4.,理论设计阶段,(Theoretic design phase),一、陶瓷设计阶段（Development phase,3,A,数据积累不足,(Shortage of data accumulation),当前陶瓷学的发展，已经有可能使陶瓷材料的研究,摆脱经验式,的研究方式，而有指导地进行。根据陶瓷材料的使用要求来,设计和确定材料的组成、显微结构和工艺。,但以现在的数据积累还不足以作定量的陶瓷设计，而作定性的预测和改进是可能的。,B,陶瓷材料组分和性能之间关系复杂,(complexity between composition and performance),玻璃是均匀的非晶材料，没有晶界，其组分和性能之间可望具有,近似线性,关系，而陶瓷则是,多晶材料,，晶界的存在影响着某些重要的性能，因而要采用与玻璃不同的更为复杂的材料设计方法。,二、陶瓷设计的现状,A 数据积累不足(Shortage of data accu,4,三、陶瓷设计的范围,材料设计按研究对象的空间尺度不同划分为三个层次：,微观层次,(Microscopic):,空间尺度在,1nm,量级，是原子、电子层次的设计,.,连续模型层次,(Continuum):,在约,1um,量级，材料被看成连续介质，不考虑其中单个原子、分子的行为,.,工程设计层次,(Macroscopic):,尺度对应于宏观材料，涉及大块材料的加工和使用性能的设计研究,.,陶瓷材料是多组分、多相材料，原子、电子层次的设计很少。它的主要设计层次是,连续介质层次,的（我们习惯称显微结构设计）和,工程设计,层次。,目前由于纳米材料的兴起，陶瓷学家也越来越注重微观层次的设计。,三、陶瓷设计的范围材料设计按研究对象的空间尺度不同划分为三个,5,陶瓷材料显微结构,：,主要包括晶相的种类、数量和分布、晶粒大小和形态等、玻璃相的存在和分布、气孔的尺寸、数量和分布以及它们相互之间的关系等。,陶瓷材料显微结构的特点：,即使是同一化学成份，不同的显微结构，材料的性能和使用性能不同，因此研究陶瓷材料的显微结构不仅能判断陶瓷材料性能的好坏，而且分析工艺过程是否合理，提出改进工艺的措施，以达到指导生产的目的。,陶瓷材料显微结构设计的特点：,显微结构设计主要依赖于我们对显微结构与性能之间关系的了解程度，陶瓷材料是多组分、多晶材料，晶界的大量存在影响着材料的某些重要性能，组分和性能之间的关系不象单晶、玻璃等材料那样简单,因而显微结构与性能也十分复杂。,1,、微观层次,(Microscopic),陶瓷材料显微结构：1、微观层次(Microscopic,6,陶瓷材料使用寿命不仅与其组分和显微结构有关，而且与陶瓷材料的,宏观结构,有关，,即外观形状,有关。,陶瓷材料损坏的机理包括两个主要部分：,化学侵蚀,是指熔体、气体、灰尘对陶瓷材料的化学侵蚀及冲刷等。,热机械应力,是指由于,温度,及某些,内在的化学反应,引起的膨胀及,机械负荷,在陶瓷材料内部产生的应力，超过其强度限而导致损坏。,2,、工程设计层次,陶瓷材料使用寿命不仅与其组分和显微结构有关，而且与陶瓷材料的,7,相同的组分和相同显微结构的陶瓷材料，如果外观形状不同，在同一使用条件下，所受的应力也许不同，因而其使用寿命也不尽相同。,有限元法（,Finite element Method)(FEM),可以,计算陶瓷材料的应力分布，改进陶瓷材料的外观形状,，改善材料的应力分布，从而提高陶瓷材料的使用寿命，目前也是一种行之有效的方法。,相同的组分和相同显微结构的陶瓷材料，如果外观形状不同，在同一,8,结构与组分设计是陶瓷材料设计的,核心,，因为成份影响陶瓷材料组织，组织、成份决定陶瓷材料的性质。,陶瓷材料设计的,目的,就是通过控制其成份、结构来制造出一种满足使用性能的材料。,2.,结构与组分（,Structure/Composition,）,结构与组分设计是陶瓷材料设计的核心，因为成份影响陶瓷材料组,9,形状,组成,晶向,粒径大小及分布,晶格结构,对称性,点缺陷,化学键,晶粒晶界,高绝缘性,介电,压电性能,磁性,半导体性能,离子传输性能,高温强度,硬度及耐削性,透明性,注：,代表不重要,；,代表重要,；,代表很重要,陶瓷材料结构对物性重要性一览表,形状组成晶向粒径大小及分布晶格结构对称性点缺陷化学键晶粒晶,10,陶瓷材料的,合成与制备,则是保证陶瓷材料成份与组织的主要手段，是陶瓷材料,设计开发的一个重要环节,，它决定陶瓷材料的产品质量、成品率等，但是制备条件工艺与产品质量等并不是简单的关系，而是多因子的、非线性关系。,Syntheisis/,processing,Relationship,(multi-factor,Nonlinear),Products quality,Final products,Reliability,cost,3.,合成与加工（,Synthesis/processing,）,陶瓷材料的合成与制备则是保证陶瓷材料成份与组织的主要手段,11,陶瓷材料是多组分、多相材料，它的设计有它自身的特点和原则，需要考虑材料的显微结构、不同相之间的化学共存、不同相之间的物理匹配等因素，组分、结构和性能的关系复杂，不是简单的线性关系：,Relationship between structure/composite and performance in Ceramics,Structure/,composite,Relationship,(multi-factor,Nonlinear),Strength,hardness,High temp.performance,Corrosion resistance,Chemical stability,Thermal shock resistance,4.,使用性能（,Performance,）,陶瓷材料是多组分、多相材料，它的设计有它自身的特点和原则，需,12,陶瓷化学组成设计,陶瓷坯料（,body material,）一般是由几种不同的原料配只制而成的。性能不同的陶瓷产品，其所用原料的种类和配比不同，也即,所谓坯料组成或配方不同,。,（,一）,.,成分设计,1,根据科研需要或用户的要求确定产品（,充分考虑产品的物理化学性能和实用性能要求,）；,2,参考前人的经验和数据；,3,了解各种原料对产品性质的影响；,4,应满足生产工艺的要求；,5,了解原料的品位、来源和到厂价格,陶瓷化学组成设计 陶瓷坯料（body mater,13,传统概念的陶瓷是指所有以粘土为主要原料，并与其他矿物原料经过破碎、混合、成形、烧成等过程而制得的制品。,传统概念的陶瓷是指所有以粘土为主,14,（二）,.,工艺设计,（二）.工艺设计,15,2.,烧成制度的制定,烧成制度包括,温度制度、气氛制度和压力制度,。对一个特定的产品而言，制定好温度制度（建立温度与时间的关系）和控制好烧成气氛是关键。压力制度起保证前两个制度顺利实施的作用。三者之间互相协调构成一个合理的烧成制度。,烧成温度曲线的性质决定于下列因素：,（,1,）烧成时坯体中的反应速度。坯体的组成、原料性质以及高温中发生的化学变化均影响反应的速度。,（,2,）坯体的厚度、大小及坯体的热传导能力。,（,3,）窑炉的结构、型式和热容，以及窑具的性质和装窑密度。,1.,根据坯料性质设计成型工艺,2.烧成制度的制定1.根据坯料性质设计成型工艺,16,烧成曲线的制定：根据经验公式计算出最高烧结温度后，,制定烧成曲线。,参考数据如下：,地砖和仿花岗岩玻化砖,T,烧,=,1200,1280,；,釉面砖,T,烧,=,1200,1280,；,低温快烧的釉面砖,T,烧,=,1000,1080,；,耐热瓷,T,烧,=,1280,1320,；,烧成曲线的制定：根据经验公式计算出最高烧结温度后，,17,根据经验参数确定升温速率与保温时间,升温速率,：小于,1000,时，,8,10/,分钟；,大于,1000,时，,5,8/,分钟；,保温与取样,：,当温度为,100,、,200,、,300,、,400,、,500,、,600,、,700,各保温,30min,，取出样品；,当温度为,800,、,900,、,1000 ,时，各保温,60min,，取出样品；,当温度为“,最高烧成温度,”时，保温,60min,，取出样品。,根据经验参数确定升温速率与保温时间,18,(,三,).,陶瓷试样性能测定,1.,试样干燥强度的测定,2.,试样干燥线收缩,3.,试样烧结强度测定,4,试样烧成收缩率的测定,5,试样气孔率的测定,6,试样吸水率的测定,7.,体积密度测定,试样干燥强度的测定,试样吸水率与气孔率的测定,(三).陶瓷试样性能测定1.试样干燥强度的测定试样干燥强,19,（四）、实验结果分析与结论,1,成分设计是否合理,2,原料是否符合要求,3,成形是否良好,4,烧成是否成功,5,制品质量如何,6,实验结论或心得,（四）、实验结果分析与结论,20,