现代陶瓷材料及其先进制备技术

现代陶瓷材料及其先进制备技术中国海洋大学材料科学与工程研究院戴金辉结构陶瓷材料的研究进展陶瓷材料的发展历程及现代陶瓷材料的内涵现代陶瓷材料的特点及其应用现代陶瓷的先进制备方法现代陶瓷材料的研究方向深海浮力材料简介陶瓷材料的发展历程及现代陶瓷材料的内涵陶瓷材料的发展历程古老的文明时代的见证6000年前唐宋元明清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内涵三个特点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。现代陶瓷材料的特点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（Mgl2O4）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按性能和用途分类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基本结构特点金属材料：金属键无方向性陶瓷材料：离子键、共价键很强的方向性及结合强度现代陶瓷材料的特点基本性能特点金属材料—良好的塑性陶瓷材料：1）高硬度—优异的耐磨性2）高强度—优良的机械性能3）高熔点—杰出的耐热性4）高化学稳定性—良好的耐腐蚀性现代陶瓷材料的特点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恢复性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，国家安全的保障现代陶瓷的先进制备方法陶瓷材料的制备过程现代陶瓷的先进制备方法原料制备配料制备坯体成型烧结后处理现代陶瓷的先进制备方法热压注成型陶瓷粉料→石蜡（12.5~13.5%）→热的流动浆料压缩空气模具恒温槽供料管盛浆桶料浆•成型制品尺寸精确•制品表面光洁度高•适合各种复杂形状制品成型•不适合薄壁和大件制品成型现代陶瓷的先进制备方法注凝成型（gel-casting）有机单体溶液+分散剂——浆料浆料+引发剂、催化剂——聚合体工艺及机理以丙烯酰胺体系为例单体：丙烯酰胺（AM）N,N´-亚甲基双丙烯酰胺（MBAM）分散剂：柠檬酸引发剂：过硫酸铵（APS）催化剂：N,N,N´,N´－四甲基乙二胺（TEMED）工艺过程分散剂有机单体水溶液催化剂引发剂注模悬浮体陶瓷粉末干燥排胶脱模凝胶化烧结现代陶瓷的先进制备方法机理H2CCHCNH2O(NH224)SO84NH+22+4SO.-H2CCHCNH2O.OS4+CHCNH2OCH2.4SOH2CCHCNH2O+CHCNH2OCH2.4SOOS4CHCNH2OCH2n][CHCNH2OCH2.CHCNH2OCH2(n+1)现代陶瓷的先进制备方法原位固化现代陶瓷的先进制备方法注凝成型实例•近静尺寸成型•陶瓷坯体密度高•可以机械加工•适合各种复杂形状制品成型•适合大件制品成型现代陶瓷的先进制备方法轧膜成型现代陶瓷的先进制备方法等静压成型利用高压液体传递压力成型湿式等静压、干式等静压湿式等静压现代陶瓷的先进制备方法干式等静压现代陶瓷的先进制备方法•陶瓷坯体密度高且分布均匀•适合简单形状制品成型•不适合大件制品成型流延成型现代陶瓷的先进制备方法陶瓷材料的制备过程原料制备配料制备坯体成型烧结后处理现代陶瓷的先进制备方法陶瓷材料的烧结方法常压烧结（PressurelessSintering）反应烧结（ReactionSintering）热压烧结（HP－HotPressedSintering）高温等静压烧结（HIP－Hotisostaticpressing）气压烧结（GPS－GasPressedSintering）等离子放电烧结（SPS－SparkPlasmaSintering）现代陶瓷的先进制备方法常压烧结在通常的空气条件下对制品进行烧结传统陶瓷的烧结氧化物陶瓷的烧结抗氧化组分材料的烧结最普通、最常用的烧结方法一般得不到完全致密的材料现代陶瓷的先进制备方法反应烧结一般适用于非氧化物陶瓷材料反应烧结碳化硅陶瓷（自结合碳化硅）硅粉α-SiC+石墨1650°CSi+C(石墨)→β-SiC现代陶瓷的先进制备方法反应烧结氮化硅硅粉N23Si+2N2→Si3N41450°C现代陶瓷的先进制备方法热压烧结(HP)适用于难烧结材料的烧结SiC、WC、B4C、TiC、Si3N4、TiN、BN、TiC压力：30MPa温度：～2300°C现代陶瓷的先进制备方法气压烧结（GSP）利用气体的压力烧结压力：10～100MPa温度：～2300ºC高温等静压类似等静压成型，金属薄代替橡胶模具压力：100～300MPa温度：～2300ºC现代陶瓷的先进制备方法等离子放电烧结（SPS）•快速烧结•渴望获得细晶陶瓷•目前仅能做Φ20mm小试样P现代陶瓷的先进制备方法现代陶瓷材料的研究方向现代陶瓷材料的研究方向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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（t）ZrO2（m）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结构陶瓷的强韧化技术自增韧技术结构陶瓷的强韧化技术结构陶瓷的强韧化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2010年11月5日深海浮力材料7000米载人潜水器2010年11月5日深海浮力材料70%30%2010年11月5日深海浮力材料2006年前中国和谐号、蛟龙号2007-20092000m7000m发展动态4500m6500m6500m6000m欧美阿尔文号1964(美国)鹦鹉螺号1984(法国)深海6500号1989(日本)新阿尔文号(美国)和平-I，IIAS-37(俄罗斯)200711000m目前状态全海深潜水器攻关存在的问题•主要原料高强空心玻璃微珠依赖进口•深海浮力材料没有形成生产能力2010年11月5日深海浮力材料浮力材料基本结构空心玻璃微珠添加剂环氧树脂浮力材料填充度60%填充度74%密度：0.6×0.74+1×0.26=0.704g/cm3玻璃微珠——浮力材料的核心2010年11月5日深海浮力材料普通空心玻璃微珠性能指标偏低空心玻璃微珠性能3M玻璃微球普通系列(碱石灰硼硅酸盐玻璃)等级抗压强度(MPa)真实密度平均粒径(mm)K11.720.125110K152.070.15105K203.450.2110K255.170.2595K3720.670.3780K4641.340.4675S60HS124.020.6502010年11月5日深海浮力材料提高浮力材料性能的关键环节深海浮力材料耐高压提高填充骨料强度营造内部空间低密度填充骨料分布控制及颗粒级配设计尺寸形状可控填充骨料制备2010年11月5日深海浮力材料轻质骨料制备技术轻质骨料复配技术浮力材料成型技术浮力材料制备技术7000m高强玻璃微珠制备陶瓷空心球制制备合理级配选选择填充骨料组装复合固化研究工作整体构思及目标玻璃微珠：密度0.5；强度70MPa陶瓷空心球：密度0.5；强度100MPa2010年11月5日深海浮力材料关键技术高强空心玻璃微珠制备轻质骨料复配技术普通玻璃微晶玻璃玻璃强度2010年11月5日深海浮力材料01002003004005000.00.10.20.30.4Thedensetyratio(bm)Thedeamterofhollowmicroball/mmmmmmmmm目前研究进展Synthesisofhollowglass-ceramicsmicrospheresviatemplatemethodMaterialsResearchBulletin，2010.102010年11月5日深海浮力材料0100020003000400050006000700080009000100000.00.10.20.30.4Thedensetyratio(bm)Thedeamterofhollowmicroball/mmmmmmmmmmmm陶瓷空心球制备玻璃微珠100μm密度0.2g/cm3陶瓷球3mm密度0.7g/cm3陶瓷球10mm密度0.2g/cm3300MPa1500MPa强度对比玻璃陶瓷2010年11月5日深海浮力材料工艺设想及实践高温挥发粉体基板球陶瓷粉包覆陶瓷空心球氧化锆空心球2010年11月5日深海浮力材料填充骨料分布控制及颗粒级配设计0.520.680.7474%-0.3树脂50%+玻璃微珠50%-0.880.9%-0.4树脂10%+填充骨料90%-0.5幻想——设想——现实探索之路飞天梦想结束语材料是人类进步的物质基础和根本动力源泉材料工作者肩负着推动社会发展的伟大使命为梦想为进步为美好的未来携手共进勇往直前谢谢大家！