陶瓷材料的应用.ppt

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,*,(,一,),、材料分类,材料是多种多样的，分类方法也并没有一个统一的标准。,按主要的使用性能分类，可以把材料分为,:,结构材料,以力学性能为基础，用以制,造以受力为主的构件。,功能材料,以材料独特的物理性能、化学,性能等为基础而形成的一类材,料。,1,金属材料,无机非金属材料,高分子材料,复合材料,从物理化学属性来分，可分为,:,2,陶瓷材料,是除,金属和高聚物以外,的,无机非金属材料通称。,工业上应用的典型的传统陶瓷产品如,陶瓷器、玻璃、水泥,等。随着现代科技的发展，出现了许多性能优良的,新型陶瓷,。,3二、陶瓷材料的发展历程,陶瓷,是最古老的一种材料，是人类征服自然,中获得的第一种经化学变化而制成的产品。,它的发展经历了从,简单,复杂,，从,粗糙精,细,，从,无釉施釉,，从,低温高温,的过程。,4,三、传统陶瓷与先进陶瓷,传统陶瓷,其,原料,主要是石英、长石和粘土等自然界中存在的矿物，归属于,硅酸盐类材料,；,先进陶瓷,其,原料,一般经一系列,人工合成,或,提炼处理,过的化工原料，超出了传统陶瓷的概念和范畴，是高新技术的产物,。,先进陶瓷,普通陶瓷,5,普通陶瓷与先进陶瓷的主要区别,区别,普通陶瓷,先进陶瓷,原料,天然矿物原料,人工精制合成原料,成型,以注浆、可塑成型为主,模压、等静压、流延、注射成型为主,烧结,烧结温度一般在,1350,以下，以煤,-,油,-,气为燃料,结构陶瓷烧成温度在,1600,左右，功能陶瓷需要精确控制烧成温度,加工,一般不需要加工,需要切割、打孔、研磨和抛光等,性能,以外观效果为主,以内在质量为主，,表现出特定的物理化学性能,用途,炊具、餐具、陈设品和墙地砖、卫生洁具,主要应用于航空、能源、冶金机械、交通、家电等行业,6,四、陶瓷材料的特点,陶瓷材料通常由,三种,不同的相组成,:,晶相,、,玻璃相,和,气相,。,1.,陶瓷材料的相组成,7,晶相,是陶瓷材料中主要的组成相，决定,陶瓷材料物理化学性质,的主要是晶相,;,玻璃相,的作用是,充填晶粒间隙、粘结晶粒、提高材,料致密度、降低烧结温度和控制晶粒的生长；,气相,是在工艺过程中形成并保留下来的。,先进陶瓷材料中的残留气孔难以避免,。,8,2,、陶瓷材料的结合键特点,陶瓷材料的主要成分是,氧化物,(,ZrO,2,等,),、,碳化物,(,SiC,等,),、,氮化物,(,BN,等,),、,硅化物,(,MoSi,2,),等，因而其,结合键,以,离子键,(,如,Al,2,O,3,),、,共价键,(,如,Si,3,N,4,),及,两者的混合键,为主。,9,高硬度,优异的耐磨性,高熔点,杰出的耐热性,高的化学稳定性,良好的耐蚀性,高的强度,良好的物理性能,(,电、磁、声、光、热等）,脆性大、塑韧性低,3.陶瓷材料的性能特点,10,4,、陶瓷材料的工艺特点,陶瓷是,脆性材料,，大部分陶瓷是通过,粉体成型和高温烧结,来成形的，因此陶瓷是烧结体。,烧结体也是晶粒的聚集体，有,晶粒,和,晶界,，所存在的问题是其存在一定的,气孔率,。,11,晶体结构,：,显微结构,：,金属材料,:,原子间结合力为金属键,良好的塑变能力,陶瓷材料,:,原子间结合力为离子键、共价键或离子,/,共,价混合键，具有强的方向性及高的结合能,难以塑变,。,金属材料,:,一般由均匀液相凝固而成，可通过冷加工,手段改善其显微结构使其均匀化，一般不含,或含极少气孔；,陶瓷材料,:,一般由粉体,烧结而成，存在一定的气孔，存,在显微结构的不均匀性,和,复杂性,。,5.,陶瓷材料与金属材料的结构特点比较,12,五、陶瓷材料的分类,1.,按化学成分分类：,氧化物陶瓷,:,Al,2,O,3,ZrO,2,SiO,2,.,碳化物陶瓷,:,SiC,WC,TiC.,氮化物陶瓷,:,Si,3,N,4,BN,AlN.,硼化物陶瓷,:,TiB,2,ZrB,2,13,2.,按使用的原材料分类,:,可将陶瓷材料分为,普通陶瓷,和,特种陶瓷,。,普通陶瓷,以天然的岩石、矿石、黏土等材料作,原料。,特种陶瓷,采用人工合成的材料作原料。,14,3.,按性能和用途分类：,结构陶瓷,功能陶瓷,结构,/,功能一体化,陶瓷材料,对力学和物理性能均有要求,a.,主要用于制造结构零部件；,b.,力学性能要求,:,强度、韧性、硬度、模量、耐磨性及高,温性能等。,a.,主要用于制造功能器件；,b.,物理性能要求,:,电、磁、热、光及生物等物理性能。,陶瓷球阀,透明陶瓷灯,15,功能陶瓷,电子陶瓷,：,如绝缘陶瓷、介电陶瓷、铁电陶瓷、压电陶瓷、磁性陶瓷、导电陶瓷、超导陶瓷等；,热学陶瓷,：,如耐热陶瓷、隔热陶瓷、导热陶瓷等；,光学陶瓷,：,如透明陶瓷、红外辐射陶瓷、发光陶瓷等；,生物陶瓷,：,如生物活性陶瓷、医用陶瓷等。,按特性分类，功能陶瓷可分为：,稀土发光陶瓷,16,六 陶瓷材料的制备工艺简介,陶瓷烧结炉,胚体成型,胚体烧结,精加工,粉体制备,17,粉体制备,是指将各种原料通过,物理机械,或,化学方法,，制成所需的粉体。,物理粉碎法,化学合成法,粉体制备方法,1,、粉体制备,18,物理粉碎法,物料粉碎法,分为：,机械粉碎,和,气流粉碎,。,机械粉碎,优点,：,设备成本低，过程简单，易操作。,缺点,：,杂质多，粉体粒度一般在1m以上。,气体粉碎,19,优点,：,高纯度、粒度可控，均匀性好，颗粒微细；,缺点,：过程复杂，不易操作,。,通过从,固相,到,固相,的化学反应，来制备粉体。,热分解反应法,：,A(s)B(s)十C(g),化合反应法,：,A(s)+B(s)C(s)+D(g),氧化还原法或还原碳化、还原氮化,如：,3SiO,2,+6C+2N,2Si,3,N,4,+6CO,化学合成法一：,固相法,化学合成法,包括,：,固相法、液相法,和,气相法。,化学合成法,20,以,均相的溶液,为出发点，通过各种方法使溶质与溶剂分离，溶质形成一定大小和形状的颗粒，得到所需粉末的前躯体，热解后得到粉体。以,ZrO,2,陶瓷粉体,为例：,ZrSiO,4,+NaOHZrO,2,+Na,2,SiO,3,（1）,水热法,：,化学合成法二：,液相法,21,（2）,水解法,：,四氧化锆,氯化钇,循环加水分解,水合氧化锆,氧化锆纳米粉,焙烧,（3）,喷雾法,：,氧化锆粉+分散剂+粘结剂,氧化锆粉体,22,直接利用,气体,或,通过某种手段将物质变为气体,，使之在气体状态下发生,物理化学反应,，最后在冷却过程中凝聚长大形成,纳米微粒,。,化学气相沉积法,化学合成法三：,气相法,23,2,、胚体成型,注浆成型,模压成型,等静压成型,流延成型,挤压成型,注射成型,其它,胚体成型方法,24,对注浆成型所用的,浆料,，必须具,备以下性能：,流动性好,稳定性好（不易沉淀和分层）,脱模性好,缺点：,劳动强度大,不易自动化,收缩形变大,注浆成型（传统成型）,25,四柱式液压成型机,模压受力分布,优点,：,工艺简单、易自动化生产。,缺点,：,胚体有明显的各向异性，不适用形状复杂的制品。,模压成型,26,等静压成型,；,又称,静水压成型,，利用,液体介质,不可压缩性和均匀传递压力性的一种成型方法。,胚体密度高,制品密度接近理论密度,不易变形,优点,设备投资成本高,不易自动化,生产效率不高,缺点,等静压成型,27,（专用于制作陶瓷薄膜）,料浆,薄膜,基带,刮刀,流延成型薄膜制备过程,成品（陶瓷电容器,）,优点,：工艺稳定，生产效率高，自动化程度高，可制备厚度为10-1000m的高质量陶瓷薄膜。,缺点：,胚体粘结剂含量高，胚体密度小，烧成收缩率高达20-21%。,流延成型,薄膜制备,加工处理,料浆制备,工艺,：,28,挤压成型,：适用于连续化批量生产管、棒状制品，易自动化。,注射成型,：间歇式的操作过程，可生产结构复杂的制品。,挤压成型,注射成型,其它成型方法,29,宏观变化,：,体积收缩、致密度提高、强度增加。,微观变化,：,晶粒长大，气孔减少。,胚体烧结：,是指把成型胚体转变为致密体的工艺过程。,3,、胚体烧结,30,常压烧结：,烧结胚体在无外加压力、只在常压下，即自然 大气条件下，置于窑炉中，进行烧结,。,优点：,设备简单便宜，最传统、最简便、最广泛的一种方法。,常压烧结（普通烧结）,31,热压烧结：,在烧结过程中同时对坯料施加压力，加速了致密化的过程。,烧结温度低,烧结时间短,制品密度高,优点,设备价格成本高,生产率低,缺点,热压烧结,32,对于空气中很难烧结的制品，为防止其氧化等，研究了气氛烧结方法。即在炉膛中通入一定的气体（惰性气体），在此气氛下进行烧结。,如Si,3,N,4,、SiC等非氧化物，在高温下易被氧化，因而需要在惰性气体中进行烧结。,气氛烧结,33,陶瓷材料属于硬脆材料，,其特点是：硬度大，,质脆，不变形。,与金属加工不同，,陶瓷加工一般是很难的。,先进陶瓷的精细加工已经成为一门专门技术。,4,、陶瓷材料及构件的精加工,34,力学的,化学的,光化学的,光刻,电化学的,电解抛光,电学的,光学的,激光加工,磨料加工：磨削、研磨、抛光等,刀具加工：切割,蚀刻：磨削、研磨、抛光等,化学抛光,电火花加工,电子束加工,离子束加工,等离子束加工,陶瓷精加工种类,以力学加工为主,35,磨削加工设备：,外圆磨床,：磨削各种圆柱体、外圆锥体的外圆。,平面磨床,：加工工件的平面、斜面、成型面。,抛光机,：使陶瓷件形成光滑的表面。,磨削加工,36,工业上，最常用的是,磨料切割,，其多数采用金刚石砂轮进行切割，可以得到精度相当高的切割面。,切割机,金刚石砂轮,切割加工,37,对直径在一定范围的孔，广泛采用金刚石钻头（空心钻头）进行圆孔加工。,陶瓷打孔机,金刚石钻头,打孔加工,38,激光切割机 激光打孔机 超声波打孔机,激光、超声波加工,39,七、陶瓷材料的应用,40,民用陶瓷,41,电子元器件,IC,基板,42,軸受特徴：,耐食耐薬品性、耐熱性、,高剛性、軽量、高速回転、,非磁性、無発塵,www.ntn.co.jp/,陶瓷轴承,43,44,耐磨器件,45,半导体相关部件,46,精密测量用部件,47,医疗、食品机械,48,日用陶瓷制品,49,尖晶石透明陶瓷,光学石英玻璃,光学陶瓷制品,50,航空航天应用,51,氧化铝陶瓷,绝缘材料,高压钠灯,常见先进陶瓷的应用,热学,：熔点很高，可作高级,耐火材料,，如坩埚、高温炉管等。,力学,：硬度大，可以制造实验室使用的,刚玉磨球机,。,光学,：用高纯度的原料，使用先进工艺，还可以使氧化铝陶瓷变得透明，可制作,高压钠灯,的灯管。,电学,：目前国内外常用的,电子绝缘材料,是都是,Al,2,O,3,陶瓷。,52,人造宝石,红宝石和蓝宝石的主要成分都是,Al,2,O,3,。,红宝石呈现红色是由于其中混有少量含,铬化合物,；,蓝宝石呈蓝色则是由于其中混有少量含,钛化合物,。,53,氧化锆陶瓷,结构陶瓷方面,：由于其,高韧性,、,高抗弯强度,、,高耐磨性,，,优异的隔热性能、热膨胀系数接近于钢,等优点，因此被广泛应用于结构陶瓷领域。,轴承,瓷球,刀具,陶瓷球阀,高尔夫球的轻型击球棒,54,功能陶瓷方面：,优异的耐高温性能：感应加热管、耐火材料、发热元件等。,敏感的电性能参数：氧传感器、固体氧化物燃料电池和高温,发热体等。,超高温氧化锆,窑具,（耐火材料）,汽车用,氧传感器,氧化锆陶瓷管,55,特性：,密度小、本身具有润滑性，耐磨损，抗腐蚀能力强,（除氢氟酸外，不与其他无机酸反应）；高温时也能抗氧化，抵抗冷热冲击性能强，在空气中加热到,1000,以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂。,正是Si,3,N,4,陶瓷具有如此良好的特性，人们常常用它来制造轴承、汽轮机叶片、机械密封环、永久性模具等机械构件。,氮化硅陶瓷,56,SiC,陶瓷,：除了具有优良的常温力学性能，还具有优良的,高温力学性能,。,SiC,陶瓷是已知陶瓷材料中高温力学性能(强度、抗蠕变性等)最佳的。,高温轴承（1300）,高温防腐换热器,缺点是,脆性较大,，为此近几年以,SiC,陶瓷为基的复相陶瓷，如纤维补强、异相颗粒弥散强化材料相继出现，改善了单体材料的韧性和强度。,碳化硅陶瓷,57,钛酸钡陶瓷,BaTiO,3,陶瓷,是一种介电材料，其介电常数高，介电损耗低，用钛酸钡陶瓷制成的多层陶瓷电容器，最小尺寸可达,0.2mm0.1mm2m，,其电容值却可达,250F,。,电容示意图,多层陶瓷电容器,电路板,58,七、陶瓷,科学,与,工程,的研究内涵,材料科学的主要任务：,研究材料的,成分,(,Composition,),、,结构,(,Microstructure,),和,性能,(,Properties,）,之间的关系。,陶瓷材料学,是材料科学与工程的一部分，亦是研究材料的,合成与制备,、,组成与结构,、,性能与使用效能,四者关系与规律的科学；,59,陶瓷科学与陶瓷工程,陶瓷科学,偏重于研究材料的合成与制备,组成,性,能与使用效能本身及相互关系的规律；,陶瓷工程,着重利用这些规律，研制、开发新材料、,新产品。,60,八、陶瓷材料的研究方法,基本思路：,化学组成,结构,性能,决定,决定,优化,优化,61,62,63,64,