功能陶瓷的制备方法、性能及应用1.pptx

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,5/29/2014,#,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,2014/5/29,#,功能陶瓷,的制备方法、性能及应用举例,目录,2.,陶瓷,研究的发展历程,1.,功能陶瓷的,定义,4.,功能陶瓷的性能,3.,功能陶瓷的制备方法,5.,功能陶瓷的应用,1.,功能陶瓷的定义,功能陶瓷,指具有优异的物理性能、化学性能及生物学性能，如电、光、磁、热、声、化学、生物医学，且各种功能之间可以相互转换的陶瓷,材料。,应用主要取决于电绝缘性、半导体性、导电性、压电性、铁电性、磁性及生物适应性、化学吸附性等,2.,陶瓷,研究的发展历程,陶瓷发展的三阶段,:,远古时的新石器时代，出现陶器，东汉晚期，出现瓷器,.,隋,唐时代是我国封建社会经济、文化突出发展,的 时期。唐三彩,是一种低温铅釉陶器，因经常使用黄、绿、褐三种色彩得名，一般作为,陪葬,品，分为器皿、人物、动物，是我国古代陶器工艺的精品,。,宋代,是中国制瓷业极其辉煌的历史時期，各地新兴窑场不断，涌现出不少驰名中外的瓷窑。所谓五大名窑,定、汝、官、哥、钧就是其中的典型代表,2.,陶瓷,研究的发展历程,(,2),近代起，出现先进陶瓷,又称为精细陶瓷、新型陶瓷、特种陶瓷、高技术陶瓷,。,现代陶瓷,20,世纪以来，随着人类对宇宙的探索、原子能工业的兴起和电子工业的迅速发展，从性质、品种到质量等方面，对陶瓷材料均提出越来越高的要求。从而，促使陶瓷材料发展成为一系列具有特殊功能的无机非金属材料,。,如氧化物陶瓷、压电陶瓷、金属陶瓷等各种高温和功能陶瓷。,这时,，陶瓷研究进入第二个阶段,先进陶瓷阶段。,2.,陶瓷研究的发展历程,(3),第三阶段,-,纳米陶瓷,-20,世纪,90,年代,纳米陶瓷，是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的陶瓷材料，主要包括晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔尺寸、缺陷尺寸等均在纳米量级的尺度上,纳米陶瓷是当前陶瓷材料研究中一个重要的发展方向，将促使陶瓷材料研究从工艺到理论、从性能到应用都提高到一个崭新阶段,3.,功能陶瓷的制备方法,一,、功能陶瓷制备,的一般工艺及要求,大多数功能陶瓷的,制备工艺步骤基本相似，一般包括以下步骤：,配料,混合预烧粉碎成型排塑烧结,后处理（极化、磁化等,）,原料,配料混合,干燥粉碎,成型,制品,后处理,烧结,.,镇压成型,等静压成型,热压铸成型,挤压成型,常压烧结,热压烧结,反应烧结,hip,切削,磨削研磨,旋釉金属化,接合封接,现代陶瓷制造工艺图,（烧结陶瓷）,3.,功能陶瓷的制备方法,1,、配料：,根据配方（,化学反应的配比,）和生产需要的数量计算出各种原料所需的质量。,用天平称取各原料。,为使后面的化学反应顺利进行，原料的颗粒尽量小些（不要超过2,m,，最好为纳米粉），纯度要高。,对于配料中用量多的原料，最好先清除其中的有害杂质,3.,功能陶瓷的制备方法,2,、混合：,通常使用转动球磨机或振动球磨机进行，有用干法的，也有用湿法的，所用的球大多是玛瑙球。,用球磨法不但可以混合，同时还可以使原料颗粒进一步被粉碎。,球磨要足够长时间以使各成分原料均匀混合，最大限度地彼此接触，以利于后面的化学反应。,当然，混合也可以采用其它方法，只要达到各原料的均匀混合就行。,3.,功能陶瓷的制备方法,3,、预烧：,混合好的料进行预烧，,目的是让各成分间进行化学反应，生成目标化合物。,不同的化学反应有不同的条件（温度、压力、气氛等,）,如果无法知道这些条件，必须借助一系列分析手段来确定预烧条件，例如可以用差热分析法（,DTA,）和热重分析法（,TGA,）来判断特定的化学反应是否进行。,3.,功能陶瓷的制备方法,4,、粉碎、成型：,将预烧后的材料粉碎是为了成型。成型是按使用要求将材料做成某种特定形状的坯体。成型根据不同要求可以采用模压、轧膜等方式。为便于成型，成型前通常要在粉碎的料中加入某种粘合剂。,常用粘合剂的配方及重量比为：聚乙烯醇,15%,，甘油,7%,，酒精,3%,，蒸馏水,75%,；在,90,下搅拌溶化。,对,模压、粘合剂一般是料粉重量的,5%,，而对轧膜，则粘合剂要达料粉重量的,15,20%,。,3.,功能陶瓷的制备方法,5,、排塑去除成型坯体中的水分、粘合剂的过程称排塑或排胶，一般采取加温办法。,在粘合剂中，聚乙烯醇的挥发温度最高（,200,500,），为使排塑彻底，要达到合适的排塑温度，并保温一定时间。,在排塑的升降温中，速度不要太快，一般小于,100/h.,3.,功能陶瓷的制备方法,6,、烧结：,这一过程是晶体结构形成和扩大的过程，可称为,晶化过程。,在预烧后粉碎成型的坯体中，已经存在着许多细小的晶粒，在一定的高温下，通过原子的扩散运动实现材料的晶化过程：,一方面,，在晶粒内部自由能较高的区域和晶界处生成新的晶核，不断长大,；另一方面,，由于晶粒表面张力的作用，一部分晶粒依靠“吞噬”另一部分晶粒而长大，这种长大常通过晶界的移动实现。,3.,功能陶瓷的制备方法,7,、后处理：,极化,、磁化等后处理是一些专用功能陶瓷烧成后的必要处理过程，目的是使各晶粒中的某性能尽可能按同一方向排列，以达到块材整体具有较强的性能。,3.,功能陶瓷的制备方法,化学法制备陶瓷粉料,共沉淀,是指溶液中一种不溶或难溶成分在形成沉淀过程中，将共存的某些其它组分一起带着沉淀下去的现象。,吸附,共沉淀：,特征是主沉淀成分表面积大、吸附力强，故吸附和富集效率高。,混晶共沉淀：,两种金属离子和一种沉淀剂形成的晶形、晶核相似的晶体，称为混晶。如,PbSO,4,-SrSO,4,混晶。,3.,功能陶瓷的制备方法,PZT,粉料的共沉淀法制备,PZT,：,压电陶瓷,(,锆钛酸铅,),3.,功能陶瓷的制备方法,2,、,Sol,Gel,法,金属,醇盐或其它盐类通常溶解在醇、醚等有机溶剂中形成均匀的溶液,(Solution),溶液通过水解和缩聚反应形成溶胶，进一步的聚合反应经过溶胶,-,凝胶转变形成凝胶（,Gelation,）。,再经过热处理，除去凝胶中的剩余有机物和水分，最后形成所需的材料,3.,功能陶瓷的制备方法,YSZ,粉的,Sol,Gel,法制备,YSZ,：钇稳定氧化锆,Sol,Gel,：溶胶,-,凝胶法,刚玉陶瓷制备工艺流程示意图,3.,功能陶瓷的制备方法,一些特殊的烧结方法：,1,、热压,烧结,2,、气氛,烧结,3,、微波烧结,微波,烧结的机理：,微波,烧结基于微波与物质的相互作用，包括介质吸收微波后所产生的电导损耗和极化损耗。,在导电材料中，电磁能量损耗以电导损耗为主。且高温下电导损耗将占主要地位。,而,在介电材料（如陶瓷）中，由于大量的空间电荷能形成的电偶极子产生取向极化，且相界面,堆积,的,电荷产生界面极化，在交变电场中，其极化响应会明显落后于迅速变化的外电场，导致极化,弛豫,此,过程中微观粒子之间的能量交换，在宏观上就表现为能量损耗,。,陶瓷的烧结方法,烧结方法,特点,常压烧结,该法在原料成型后只进行烧结,便可成为制成品,因此,经济有效,因应用广泛。,热压烧结,是将粉末填充于模型内,在高温下加压结烧的方法,但成本高。,反应烧结,通过化学反应面的烧结的方法,如,Si2N4,、采用该法。,二次反应烧结,是最新烧结的方法，当硅粉末成型体氮化之前或后，使他浸渍、等，通过反应烧结后的添加剂，来实现致密烧结的方法。,其他,超高压烧结，微波烧结工艺等。,二,、,功能陶瓷的性能,功能陶瓷中包括电磁功能、光学功能和生物,-,化学功能等陶瓷制品和材料，此外还有核能陶瓷和其它功能材料等。,日用陶瓷餐具,建筑陶瓷地砖,电瓷,性能,：耐高温、耐磨、耐腐蚀、高硬度、高强度及其它特殊性能,(,压电性、,磁性,和光学性能,),，但脆性大,功能陶瓷性能的举例,电绝缘陶瓷,介电常数小,介电损耗要,小,介电强度,体积电阻率要大,陶瓷电容器,介电常数高,稳定性要好,介质损耗要小,体积电阻率要大,具有较高的介电强度,小结：功能陶瓷,和,结构陶瓷,的主要性能,功能陶瓷,特,是指以电、磁、光、声、热力、化学和生物学信息的检测、转换、耦合、传输及存储功能为主要特征，这类介质材料通常具有一种或多种功能,。,结构,陶瓷,结构,陶瓷主要是用于耐磨损、高强度、耐热、耐热冲击、硬质、高刚性、低热膨胀性和隔热等结构陶瓷材料,三、功能陶瓷的应用实例,目前，,功能陶瓷,主要用于,电、磁、光、声、热和化学,等,信息的检测,、,转换,、,传输,、,处理,和,存储,等，并已在,电子信息、集成电路、计算机、能源工程、超声换能、人工智能、生物工程,等众多近代科技领域显示出广阔的应用前景,。,根据功能陶瓷,能量转换,和,耦合特性,，可以制备,压电,、,光电,、,热电,、,磁电,和,铁电,等陶瓷,根据,功能陶瓷组成结构的,易调性,和,可控性,，可以制备,超高绝缘性,、,绝缘性,、,半导性,、,导电性,和,超导电性,陶瓷,根据,功能陶瓷对,外场条件的敏感效应,，则可制备,热敏,、,气敏,、,湿敏,、,压敏,、,磁敏,和,光敏,等敏感陶瓷。,SnO2,气敏陶瓷是目前应用最广泛的材料，可掺杂,Pd,、,In,、,Ga,、,CeO2,等活性物质提高其灵敏度。,SnO2,气敏陶瓷对,可燃性气体,，如,氢、甲烷、丙烷、乙醇、丙酮、一氧化碳、城市煤气、天然气,都有较高的灵敏度。,生物陶瓷,用于,人体组织,和,器官的修复,并代行其功能的人造材料称为生物材料或生物医学,材料。,