功能陶瓷的制备方法性能及应用1.pptx

目录2.陶瓷陶瓷研究的发展历程研究的发展历程1.功能陶瓷的功能陶瓷的定义定义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、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材料。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、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陶瓷发展的三阶段:(1)(1)远古时的新石器时代，出现陶器，东汉晚期，出现瓷器远古时的新石器时代，出现陶器，东汉晚期，出现瓷器.隋隋唐时代是我国封建社会经济、文化突出发展唐时代是我国封建社会经济、文化突出发展的的 时期。唐三彩时期。唐三彩是一种低温铅釉陶器，因经是一种低温铅釉陶器，因经常使用黄、绿、褐三种色彩得名，一般作为常使用黄、绿、褐三种色彩得名，一般作为陪葬陪葬品，分为器皿、人物、动物，是我国古代陶品，分为器皿、人物、动物，是我国古代陶器工艺的精品器工艺的精品。宋代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。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。所谓五大名窑所谓五大名窑定、汝、官、哥、钧就是其中的典型代表定、汝、官、哥、钧就是其中的典型代表2.陶瓷研究的发展历程(2)2)近代起，出现先进陶瓷近代起，出现先进陶瓷又称为精细陶瓷、新型陶瓷、特种陶瓷、高技术陶瓷又称为精细陶瓷、新型陶瓷、特种陶瓷、高技术陶瓷。现代陶瓷现代陶瓷2020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、金属陶瓷等各如氧化物陶瓷、压电陶瓷、金属陶瓷等各种高温和功能陶瓷。种高温和功能陶瓷。这时这时，陶瓷研究进入第二个阶段，陶瓷研究进入第二个阶段先进陶瓷阶段。先进陶瓷阶段。2.陶瓷研究的发展历程(3)(3)第三阶段第三阶段-纳米陶瓷纳米陶瓷-20-20世纪世纪9090年代年代 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一一、功能陶瓷制备、功能陶瓷制备的一般工艺及要求的一般工艺及要求 大多数功能陶瓷的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：制备工艺步骤基本相似，一般包括以下步骤：配料配料混合混合预烧预烧粉碎粉碎成型成型排塑排塑烧结烧结后处理（极化、后处理（极化、磁化等磁化等）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：、配料：根根据据配配方方（化化学学反反应应的的配配比比）和和生生产产需需要要的的数数量量计计算算出出各各种种原原料料所所需需的的质量。质量。用天平称取各原料。用天平称取各原料。为为使使后后面面的的化化学学反反应应顺顺利利进进行行，原原料料的的颗颗粒粒尽尽量量小小些些（不不要要超超过过2 m，最好为纳米粉），纯度要高。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：、混合：通通常常使使用用转转动动球球磨磨机机或或振振动动球球磨磨机机进进行行，有有用用干干法法的的，也也有有用用湿湿法法的的，所所用的球大多是玛瑙球。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。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。球球磨磨要要足足够够长长时时间间以以使使各各成成分分原原料料均均匀匀混混合合，最最大大限限度度地地彼彼此此接接触触，以以利于后面的化学反应。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。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：、预烧：混合好的料进行预烧，混合好的料进行预烧，目的是让各成分间进行化学反应，生目的是让各成分间进行化学反应，生成目标化合物。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（烧条件，例如可以用差热分析法（DTA）和热重分析法（）和热重分析法（TGA）来判断特定的化学反应是否进行。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：、粉碎、成型：将将预预烧烧后后的的材材料料粉粉碎碎是是为为了了成成型型。成成型型是是按按使使用用要要求求将将材材料料做做成成某某种种特特定定形形状状的的坯坯体体。成成型型根根据据不不同同要要求求可可以以采采用用模模压压、轧轧膜膜等等方方式式。为便于成型，成型前通常要在粉碎的料中加入某种粘合剂。为便于成型，成型前通常要在粉碎的料中加入某种粘合剂。常常用用粘粘合合剂剂的的配配方方及及重重量量比比为为：聚聚乙乙烯烯醇醇15%，甘甘油油7%，酒酒精精3%，蒸馏水，蒸馏水75%；在；在90下搅拌溶化。下搅拌溶化。对对模模压压、粘粘合合剂剂一一般般是是料料粉粉重重量量的的5%，而而对对轧轧膜膜，则则粘粘合合剂剂要要达达料粉重量的料粉重量的1520%。3.功能陶瓷的制备方法5、排塑：、排塑：去去除除成成型型坯坯体体中中的的水水分分、粘粘合合剂剂的的过过程程称称排排塑塑或或排排胶胶，一一般般采采取取加温办法。加温办法。在在粘粘合合剂剂中中，聚聚乙乙烯烯醇醇的的挥挥发发温温度度最最高高（200500），为为使使排排塑彻底，要达到合适的排塑温度，并保温一定时间。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：、烧结：这一过程是晶体结构形成和扩大的过程，可称为这一过程是晶体结构形成和扩大的过程，可称为晶化过程。晶化过程。在在预预烧烧后后粉粉碎碎成成型型的的坯坯体体中中，已已经经存存在在着着许许多多细细小小的的晶晶粒粒，在在一定的高温下，通过原子的扩散运动实现材料的晶化过程：一定的高温下，通过原子的扩散运动实现材料的晶化过程：一一方方面面，在在晶晶粒粒内内部部自自由由能能较较高高的的区区域域和和晶晶界界处处生生成成新新的的晶晶核核，不不断断长长大大；另另一一方方面面，由由于于晶晶粒粒表表面面张张力力的的作作用用，一一部部分分晶晶粒粒依依靠靠“吞吞噬噬”另另一一部部分分晶晶粒粒而而长长大大，这这种种长长大大常常通通过过晶晶界界的的移移动动实实现。现。3.功能陶瓷的制备方法7、后处理：、后处理：极极化化、磁磁化化等等后后处处理理是是一一些些专专用用功功能能陶陶瓷瓷烧烧成成后后的的必必要要处处理理过过程程，目目的的是是使使各各晶晶粒粒中中的的某某性性能能尽尽可可能能按按同同一一方方向向排排列列，以达到块材整体具有较强的性能。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化学法制备陶瓷粉料共沉淀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。的某些其它组分一起带着沉淀下去的现象。吸附吸附共沉淀：共沉淀：特征是主沉淀成分表面积大吸附力强，故吸附和富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。集效率高。混晶共沉淀：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。如晶体，称为混晶。如PbSO4-SrSO4混晶。混晶。3.功能陶瓷的制备方法PZT粉料的共沉淀法制备PZT：压电陶瓷压电陶瓷(锆钛酸铅锆钛酸铅)3.功能陶瓷的制备方法2、SolGel法法金属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（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的材料3.功能陶瓷的制备方法YSZ粉的粉的SolGel法制备法制备YSZ：钇稳定氧化锆：钇稳定氧化锆SolGel：溶胶：溶胶-凝胶法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：一些特殊的烧结方法：1、热压、热压烧结烧结2、气氛、气氛烧结烧结3、微波烧结、微波烧结微波微波烧结的机理：烧结的机理：微波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。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。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，且相界面堆积堆积的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，导致极化弛豫弛豫此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。陶瓷的烧结方法陶瓷的烧结方法烧结方法烧结方法特点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。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性能能：耐耐高高温温、耐耐磨磨、耐耐腐腐蚀蚀、高高硬硬度度、高高强强度度及及其它特殊性能其它特殊性能(压电性、压电性、磁性磁性和光学性能和光学性能)，但脆性大，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结构陶瓷的主要性能 功能陶瓷特特 是指以电、磁、光、声、是指以电、磁、光、声、热力化学和生物学信息热力、化学和生物学信息的检测、转换、耦合、传的检测、转换、耦合、传输及存储功能为主要特征，输及存储功能为主要特征，这类介质材料通常具有一这类介质材料通常具有一种或多种功能种或多种功能。结构结构陶瓷陶瓷 结构结构陶瓷主要是用陶瓷主要是用于耐磨损、高强度、耐于耐磨损、高强度、耐热、耐热冲击、硬质、热、耐热冲击、硬质、高刚性、低热膨胀性和高刚性、低热膨胀性和隔热等结构陶瓷材料隔热等结构陶瓷材料三、功能陶瓷的应用实例目前，功能陶瓷功能陶瓷主要用于电、磁、光、声、热和化学等信息的检测信息的检测、转换转换、传输传输、处理处理和存储存储等，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。生物陶瓷生物陶瓷 用于用于人体组织人体组织和和器官的修复器官的修复并代行其并代行其功能的人造材料称为生物材料或生物医功能的人造材料称为生物材料或生物医学学材料。材料。