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专业导论先进陶瓷材料2概述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。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、强度高等优良性能，可在高温、腐蚀、辐照等环境工作。先进陶瓷3陶瓷的定义什么是陶瓷(Ceramics)？传统陶瓷是“由粘土或主要含粘土（有长石、石英等）的混合物，经成形、干燥、烧结而成的制品”。美国陶瓷学会给陶瓷下的定义：“在高温下形成及使用的无机非金属材料”先进陶瓷4Ceramics——themakingofpots,tiles,etc.,byshapingpiecesofclayandbakingthemuntiltheyarehard;articlesproducedinthisway.5Ceramics来自希腊字Keramic，意为“anartofpotter”;而Keramic来自希腊字Keramos，意为“Burntstuff”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，凡属粘土烧成的制品都属于Ceramics，如陶瓷、砖瓦、耐火材料等。先进陶瓷6陶瓷的定义：无机非金属粉末经成型后在低于熔点的高温下烧结而制成的固体材料。（狭义的，由工艺而来）“传统陶瓷”主要以天然的硅酸盐为原料，因此又被称为“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机非金属化合物，故又称陶瓷为“无机非金属材料”、“无机绝缘材料”、“无机介电材料”。先进陶瓷7随着新型材料的发展，陶瓷概念扩展到整个无机非金属固体材料或无机化合固体材料，除了一般的多晶烧结体外，还包括单晶、玻璃、薄膜、纤维、粉体等，其制备方法也不再局限于常规烧结法，因此是“广义陶瓷”。先进陶瓷8国际上对陶瓷的广义的定义与上述定义类似。W.D.Kingery—现代陶瓷工程之父，在“IntroductiontoCeramics”中把陶瓷定义为:“theartandscienceofmakingandusingsolidarticleswhichhaveastheiressentiallycomponent,andarecomposedinlargepartof,inorganicnonmetallicmaterials”“制造和应用固体制品的技艺和科学，这种固体制品主要是由无机非金属材料作为基本组分组成的”。先进陶瓷9这一定义不仅包括陶器、瓷器、耐火材料、建筑粘土制品、磨料、搪瓷、水泥和玻璃等材料，而且还包括非金属磁性材料、铁电体、人造单晶、特种陶瓷、以及各种各样的其他制品。Thisdefinitionessentiallysaysthataceramicisanythingthatisnotanorganicmaterialorametal.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组分，然而用陶瓷工艺方法（CeramicProcess）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。它和金属材料、有机高分子材料并列为当代三大固体材料。Itsuggeststhreecategoriesofmaterials:ceramics,organicsandmetals先进陶瓷11我国的陶瓷一词和英文中的Ceramics一样具有狭义（陶瓷、瓷器）和广义两重含意：广义的陶瓷工业是陶瓷、玻璃、耐火材料、搪瓷、磨料、水泥等无机非金属材料工业的泛称。先进陶瓷12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、更复杂的工业原料。先进陶瓷的广义的定义为：“用粘土以外的其他原料，依陶瓷制造的工艺方法制成的制品”先进陶瓷13如压电陶瓷、电容器陶瓷、微波陶瓷、磁性陶瓷、高温陶瓷等可广泛应用于电子、原子能、宇航、半导体等工业。14陶瓷的分类现代陶瓷传统陶瓷陶瓷制品先进陶瓷15工艺陶瓷化工陶瓷电器绝缘陶瓷卫生陶瓷建筑陶瓷日用陶瓷传统陶瓷16防辐射陶瓷高温陶瓷结构陶瓷敏感陶瓷磁性陶瓷铁电陶瓷微波陶瓷压电陶瓷电容器陶瓷功能陶瓷先进陶瓷17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航天飞机腾空而起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1~1.5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。先进陶瓷几个有用的名词：特种陶瓷specialceramics先进陶瓷advancedceramics精细陶瓷fineceramics高性能陶瓷highperformanceceramics新型陶瓷newceramics近代陶瓷modernceramics33几个有用的名词：特种陶瓷specialceramics先进陶瓷advancedceramics精细陶瓷fineceramics高性能陶瓷highperformanceceramics新型陶瓷newceramics近代陶瓷modernceramics先进陶瓷34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、玻璃、水泥、晶体等的发展DavidW.Richerson在其著作中《ModernCeramicEngineering》(Taylor&FrancisGroup,NewYork,2006)给出了广义的陶瓷的简要发展的里程碑先进陶瓷35KeyMilestonesintheEvolutionofCeramicsTimeDescriptionofMilestone24000B.C.Claymixedwithwater,moldedintoashape,dried,andfiredtoproducethefirstman-madeceramic”earthenware”10000B.C.Earlyuseofearthenwareforusefularticlesuchascontainers.7000-6000B.C.Limemortar(石灰砂浆)usedforfillingspacesbetweenstonesinconstructionandalsoformakingthick-walledcontainers.36KeyMilestonesintheEvolutionofCeramicsTimeDescriptionofMilestone7000-5000B.C.Widespreaduseofearthenwareforfoodstorageandcooling7000~5000B.C.Widespreaduseofplaster-likecementitiousceramicsforinfloorconstructionandasdecoratedinteriorwallcoatings.4500B.C.Ceramicsusedtolinecrudekilns（窑炉）tosmeltcopperfromitsoresandmakepossibletheChalcolithic（红铜）,BronzeandIronAges.37KeyMilestonesintheEvolutionofCeramicsTimeDescriptionofMilestone4500~3500B.C.Firedbrickshowntobemoredurablethandriedmudbricks4500~3500B.C.Developmentofearlyfaience（彩陶）toproducedwhiteceramicswithbrightblueglassycoatings:precursortodevelopmentofglassandglazes（釉）.3500~2800B.C.Evolutionoffirstwritingconsistingofpictographs（象形文字）and“cuneiform（楔形文字）”symbolsinscribedinclaytablets.38KeyMilestonesintheEvolutionofCeramicsTimeDescriptionofMilestone3300B.C.Potter’swheelinvented,makingearthenwarepotteryavailableandaffordableforjustabouteveryone2500~1600B.C.Fromearlyisolatedexamplesofglasstowell-establishedcraft.1750~1150B.C.Varietyofglazedevelopedin-cludedleadglazesandcoloredglazes.39KeyMilestonesintheEvolutionofCeramicsTimeDescriptionofMilestone1025~750B.C.EarlydevelopmentsinChinaofstoneware,whichwaslighterincolor,stronger,andlessporousthanearthenware500~100B.C.High-strengthconcrete（混凝土）developedbyGreeksandRomansandusedwidelyinconstructionespeciallybytheRomans.100~50B.C.Glassblowinginvented,makingglassitemsavailabletoothersthanroyaltyandaristocrats.40KeyMilestonesintheEvolutionofCeramicsTimeDescriptionofMilestone600-800A.D.Evolutionofhigh-qualityporcelain（瓷）inChina800~900A.D.Islamicrefinementsoftheuseofwhitetin-basedglazesandlustrousoverglazes.1740s“Transferprinting”inventedtogreatlyincreasedtherateofproductionoftiles（瓷砖）.41KeyMilestonesintheEvolutionofCeramicsTimeDescriptionofMilestone1840s“Dustpressing”inventedtofurtherdramaticallyincreaserateofproductionoftilesandeventuallybecometheuniaxialpressingprocessandworkhorseofmodernhigh-volumeproductionofpolycrystallineceramicsLate1800sDemonstrationofsuccessfullaboratorysynthesisofsinglecrystalsofrubyandsapph