新型陶瓷

1新型陶瓷新型陶瓷2新型陶瓷（newceramics）不同国家和专业领域又称：高技术陶瓷（hightechnologyceramics）；先进陶瓷（advancedceramics）；精细陶瓷（fineceramics）；近代陶瓷（modernceramics）；高性能陶瓷（highperformanceceramics）；特种陶瓷（specialceramics）；工程陶瓷（engineeringceramics）。新型陶瓷3定义：新型陶瓷——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，采用精密控制的加工工艺烧结，具有优异的性能。传统陶瓷——是用天然或人工合成的粉状化合物，经过成型和高温烧结制成的，由无机化合物构成的多相固体材料。新型陶瓷4新型陶瓷5传统陶瓷(China)1、主要原料：粘土，石英，长石，高龄土，绢云母，滑石，石灰等天然材料。加入（MgO，ZnO，BaO，Cr2O3等）提高强度；加入（Al2O3，ZrO2等）提高强度和热稳定性；加入（SiC等）提高导热性。2、传统生产过程：混和、成型、干燥、烧结、冷却3、反应原理：复杂的物理、化学变化4、主要成分：硅酸盐5、主要特性：抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型等优点。新型陶瓷6陶瓷一般由晶相、玻璃相和气相组成。陶瓷显微组织示意图新型陶瓷7晶相是陶瓷材料的主要组成相，是化合物或固溶体。晶相主要有硅酸盐、氧化物、非氧化物三种。玻璃相是一种低熔点的非晶态固相。它粘接非晶态晶相，填充晶相间的空隙，提高致密度，降低烧结温度，抑制晶粒长大等。玻璃相会降低陶瓷的强度、耐热耐火性和绝缘性。故陶瓷中玻璃相的体积分数一般为20%～40%。气相（气孔）是指陶瓷孔隙中的气体。陶瓷的性能受气孔的含量、形状、分布等的影响，气孔会降低陶瓷的强度，增大介电损耗，降低致密度，提高绝热性和抗振性。普通陶瓷的气孔率为体积的5%～10%，特种陶瓷和为功能陶瓷5%以下。新型陶瓷8性能特点：(1)硬度:是各类材料中最高的(高聚物20HV，淬火钢500-800HV，陶瓷1000-5000HV）；(2)刚度:是各类材料中最高的；(3)强度:理论强度很高（E/10--E/5）；由于晶界的存在，实际强度比理论值低的多。（E/1000--E/100）。耐压（抗压强度高），抗弯（抗弯强度高），不耐拉（抗拉强度很低，比抗压强度低一个数量级）较高的高温强度；(4)塑性：在室温几乎没有塑性；(5)韧性差，脆性大，是陶瓷的最大缺点。新型陶瓷9(6)热膨胀性低，导热性差，多为较好的绝热材料（λ=10-2～10-5w/m﹒K）；(7)热稳定性—抗热振性（在不同温度范围波动时的寿命）急冷到水中不破裂所能承受的最高温度。陶瓷的抗热振性很低（比金属低的多，日用陶瓷220℃）；(8)化学稳定性：耐高温，耐火，不可燃烧，抗蚀（抗液体金属、酸、碱、盐）；(9)导电性：大多数是良好的绝缘体，同时也有不少半导体（NiO，Fe3O4等）；(10)其它：不可燃烧，高耐热，不老化，温度急变抗力低。新型陶瓷10新型陶瓷新型陶瓷的地位和作用新型陶瓷的分类新型陶瓷特点新型陶瓷的制备过程几种新型陶瓷新型陶瓷的发展动态新型陶瓷11一、新型陶瓷的地位和作用是许多新兴科学技术的先导。许多新兴科技都是在划时代的新材料出现后产生的，如半导体材料、激光晶体、光导纤维、超导材料等。是许多现代科技和现代工业发展的基础。科技的发展对材料提出苛刻的要求，如航天航空要求高强度、耐高温、耐烧蚀；原子能工业要求耐辐射和腐蚀；电子工业要求超纯、特薄、特细且均匀的电子材料；信息技术要求高灵敏、大容量材料等等。巩固国防、发展军用技术的作用。国防工业、军用技术历来是新材料、新技术的主要推动者和应用者。新型陶瓷12新型陶瓷13二、新型陶瓷的分类按照化学组成可分为：分类氧化物陶瓷非氧化物陶瓷定义用高纯天然原料经化学方法处理后制取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，其中不少能克服陶瓷固有脆性，作为超越金属功能界限的王牌新材料。种类氧化铝、氧化锆、氧化铍（BeO）、氧化钍TbO2、氧化铀（UO2）碳化硅（SiC）、氮化硅（Si3N4）、碳化锆（ZrO）、硼化物用途集成电路基板和封装等电子领域高温结构材料特性烧结性能好，但热强性（蠕变抗力）较差高温强度高、抗氧化、抗热腐蚀的性能新型陶瓷14依据材料功能可分为：分类结构陶瓷功能陶瓷定义以强度、刚性、韧性、耐磨性、硬度、疲劳强度等力学性能为特征的材料以声、光、电、磁、热等物理性能为特征种类高温高强陶瓷、工模具陶瓷、耐磨陶瓷，特种耐火陶瓷等集成电路封装材料（Al2O3）、敏感陶瓷（热、气敏、湿敏、压敏、色敏）用途发动机、热交换器、密封件、切削刀具等微电子、信息、自动控制和智能机械，生物功能特性优良的力学性能（高强、高硬、耐磨损），热学性能（抗热冲击、抗蠕变），化学性能（抗氧化，抗腐蚀）新型陶瓷15新型陶瓷功能与用途新型陶瓷16新型陶瓷17三、新型陶瓷的特点1.新型陶瓷与传统陶瓷的区别原料使用上：突破传统陶瓷以黏土为主，使用精选或提纯的氧化物、硅化物、氮化物、硼化物等原料。成分上：传统陶瓷的组成与黏土的成分相关，不同产地料对产品组成与结构影响很大；新型陶瓷原料是提纯化合物，性质由原料的纯度和制备工艺决定，与产地原料无关。新型陶瓷18在制备工艺上：传统陶瓷以窑炉为主；新型陶瓷用真空烧结、气氛烧结、热压、热静压等手段实现。在性能与用途上：传统陶瓷体现日常应用；新型陶瓷具有高强度、高硬度、耐磨、耐蚀、感应性等特殊性能、使用在特殊场合,在高温,机械电子计算机航天医学工程广泛应用。新型陶瓷192.新型陶瓷的结构与性能特点结构特点：1、结合键一般为强的离子键和共价键；2、显微组织的不均匀性和复杂性：显微组织由晶体相、玻璃相和气相组成，各相量变化很大分布不均，陶瓷材料一旦烧结成型，无法用冷热加工工艺改变其显微组织和结构。新型陶瓷20性能特点：熔点高、密度小。化学稳定性好、抗腐蚀、抗氧化。高强度、高硬度、高刚度、耐磨损。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。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。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。新型陶瓷21四、新型陶瓷的制备技术新型陶瓷221.粉体制备原料粉体性能对陶瓷的成型烧结和显微结构有很大影响，进而对陶瓷性能产生决定性的作用。新型陶瓷与传统陶瓷的最大区别之一就是它对原料粉体的纯度、细度、颗粒分布、晶形、反应活性，团聚性等都提出了更高的要求。新型陶瓷23（1）新型陶瓷对粉体的具体要求高纯：杂质会大大影响制品性能。超细：烧结的推动力是颗粒的表面能，因此粉末粒度对烧结过程和制品性能有很大影响。颗粒尺寸与烧结时间关系如下（n=3~4）：但要防止颗粒过细带来的麻烦——杂质、团聚以及成型困难。形貌：采用球型或等轴状且粒径分布范围窄的陶瓷粉体。结晶形态：不同结晶形态的粉体致密化行为不同；烧结后陶瓷材料结晶形态要求不同，所以要求粉体具有某种特定结晶形态。无严重团聚：因为团聚导致不均匀，因此要求粉体不含或少含团聚体，特别是硬团聚体。nrrtt2121新型陶瓷24选择粉体制备方法应当满足：制备粉末的性能好；制备工艺可控性好；成本低；适合大规模生产。新型陶瓷25粉体制备方法机械法合成法定义采用机械粉碎方法将机械能转化为颗粒的表面能，使粗颗粒破碎为细粉由离子、原子、分子通过反应、成核和成长、收集、后处理等手段获取微细粉末特点工艺简单、成本低；但杂质易混入、难制取超微细粉末(＜1μm)纯度、粒度可控，均匀性好，可实现颗粒在分子级水平上复合、均化分类滚动、振动、搅动、球磨和气流粉碎固相、液相和气相法（2）制备粉体的方法新型陶瓷26研磨体的运动轨迹（3）机械法制备粉体新型陶瓷27球磨粉碎应选择适当装球量、球料比、填充量、球磨介质，达到：提高分散度、减小粒度。球磨混合使各组分混合均匀，用强力研磨可得局部合金化粉，利用多种化合物可得复杂化合物粉。粉末粒度变细，杂质暴露，有利净化。球磨过程是一个复杂的物理化学过程：使粉末变细，改变粉末物理、化学性质，增加表面能，增加晶格不完整性，形成表面无定形层，从而增加整个粒子的能量，使成型和烧结性能得到改善。（机械力化学）最大缺点：球-球，球-料，球-筒，料-筒相互撞击，磨损，耗能，引入杂质。新型陶瓷28超细气流粉碎分级机物料经高压空气通过超音速喷嘴向粉碎室高速喷射，物料被加速、在喷嘴交汇处反复冲击、碰撞、达到粉碎、粒度分布较窄、可获得97%小于5μm超细粉粒。Superfinepulverizinggrader新型陶瓷29连续式搅拌研磨机特点：连续生产和快速研磨大量物料，粒度分布曲线窄。新型陶瓷30新型陶瓷31（4）合成法制备粉体新型陶瓷32气相法：化学气相沉积法(CVD)：可生成薄膜、晶须、晶粒、颗粒、超细颗粒等。热分解法：可制取Ni粉、Fe粉及化合物粉末SiH4600–800℃Si2＋H2蒸发-凝聚法:将原料用电孤或等离子流等加热至高温(活化反应物系的分子)，使之气化，接着利用较大温度梯度条件急冷，凝聚成微粒。化学合成法(CCVD):SiCL4＋2H21150-1200℃Si＋4HCl等离子体增强反应沉积(PECVD):SiH4＋xNH3约350℃SiOx(或SiOxHy)＋····新型陶瓷33液相法:反应沉淀法：在某种金属盐溶液中添加沉淀剂制成一种盐或氢氧化物，然后经热分解而得该金属的氧化物（溶液内部自己产生沉淀剂，称为均匀沉淀法）。若使两种金属的盐同时沉淀，可得复合金属氧化物粉末，这种方法称为共沉淀法。这种方法生产的粉末纯度高，组分均匀，可直接制备复杂陶瓷。溶胶-凝胶法：借助胶体分散体系的制粉方法，可制取超细陶瓷粉末。胶体稳定，可使金属离子均匀分布其中，胶体脱水后的凝胶可获取高活性粉体。新型陶瓷34固相法：化合或还原-化合法：生产碳化物、硅化物、氮化物或氧化物粉末。碳化硼法：制取金属硼化物的主要工业方法。Cr2O3＋4B＝2CrB＋B2O3氧化硼溶于热水，可从产物中去除。固相热分解法：硫酸铝铵在空气中热分解可获得的Al2O3粉末。新型陶瓷35自蔓延高温合成法：(又称SHS技术)粉末混合物点燃，靠强烈的放热反应的感应和传播，使燃烧波推移前进，反应物便转化生成物，控制燃烧波面的传播速度及燃波后部所形的高温区，能形成高纯化合物。如超导化合物合成：3Cu＋2BaO2＋1／2Y2O3－O2→YBa2Cu3O7-x反应温度约2000-4000K；反应速度约0.1-15cm／s；反应中有液相，能促进原子的扩散。SHS反应模型新型陶瓷36（5）几种粉末的制备金属（非金属）直接氮化的工艺氧化物与碳、氮反应的工艺新型陶瓷37气相沉积氮化物的条件新型陶瓷38还原-化合法、化合法制取碳化物的工艺条件新型陶瓷39碳化物的气相沉积工艺条件新型陶瓷40碳化硼法制备硼化物的工艺条件化学气相沉积硼化物的条件新型陶瓷412.新型陶瓷的成型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主要缺陷，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、直接凝固注膜成型技术等。新型陶瓷42（1）原料预处理煅烧：去除杂质，去除化学及物理吸附的水分、气分、有机物等，从而提高纯度、减少烧结收缩，提高合格率，同时形成稳定结晶相。如β-Al2O3→α-Al2O3。混合：分为干混和湿混。可在球磨机、V形混料机、锥形混料机、酒桶式混料机、螺旋混料机等中进行。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PH值或通过有机表面活性物质（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。新型陶瓷43塑化剂组成组成部分组成