先進(jìn)陶瓷概論P(yáng)PT課件

1、Introduction to Advanced Ceramics (Technical Ceramics, Fine Ceramics etc.) 先進(jìn)陶瓷概論先進(jìn)陶瓷概論 (高技術(shù)陶瓷、精細(xì)陶瓷高技術(shù)陶瓷、精細(xì)陶瓷) 陶瓷材料分類與區(qū)別 先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷的特征與制備方法 先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷的應(yīng)用舉例 提綱 陶瓷材料分類與區(qū)別 工程材料的分類工程材料的分類 Metals Ceramics Glasses Polymers Elastomers Hybirds 無(wú)機(jī)非金屬材料 可以統(tǒng)稱為可以統(tǒng)稱為“陶瓷陶瓷” 有機(jī)材料 Aerospace materials: C-C composites, SiO2,

2、 Amorphous silicon, Al-alloys, Superalloys Biomedical materials: Titanium alloys, Stainless steels, Shape-memory alloys, Plastics, PZT Electronic materials: Si, GaAs, Ge, BaTiO3, PZT, YBa2Cu3O7-x, Conducting polymers Energy technology and environmental technology: UO2, Ni-Cd, ZrO2, LiCoO2, Amorphous

3、 Si: H, TiO2 nanomaterials Magnetic materials: Fe, Fe-Si, NiZn, Co-Pt-Ta-Cr, Fe2O3, Tb0.23Dy0.77Fe2, LaCaMnO3 film Photonic or optical materials: SiO2, GaAs, Glasses, Al2O3, YAG, LiNbO3 Smart materials: PZT, Ni-Ti shape memory alloys, MR fluids, polymer gels Structural materials: Steels, Aluminum al

4、loys, Concrete, Fiberglass, Plastics, Wood 材料的功能性分類材料的功能性分類 陶瓷是材料，尤其是新材料的重要組成部分。 陶瓷材料分類 p 傳統(tǒng)陶瓷 Traditional Ceramics 陶器 Potty 瓷器 Porcelain, China 炻器 Stone Ware p 先進(jìn)陶瓷 Advanced Ceramics 結(jié)構(gòu)陶瓷 Structural Ceramics 功能陶瓷 Functional Ceramics 陶瓷基復(fù)合材料 Ceramic Matrix Composite 廣義的陶瓷：由無(wú)機(jī)非金屬材料經(jīng)高溫處理而獲得的各種材 料及其制品。

5、 無(wú)機(jī)非金屬材料：除金屬材料和有機(jī)高分子材料之外的 一切材料，包括各種單質(zhì)、氧化物、碳化物、氮化物、硼 化物、硅化物等。 制品：粉體、纖維、薄膜、塊體。 由硅酸鹽礦物原料經(jīng)過(guò)細(xì)碎、 混合、成型、燒成、才會(huì)等工 序而獲得的具有堅(jiān)硬結(jié)構(gòu)的硅 酸鹽制品。 伴隨現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展而出 現(xiàn)的各種新型陶瓷的總稱。 傳統(tǒng)陶瓷 p 按材質(zhì)分 陶器：燒成溫度9001200 oC，吸水率2% 炻器：燒成溫度11501280 oC，吸水率0.52% 瓷器：燒成溫度9001200 oC，吸水率0.5% p 按應(yīng)用分 日用陶瓷：杯、碟、碗、盆、勺、壺 藝術(shù)陶瓷：花瓶、陶塑、瓷塑 建筑陶瓷：內(nèi)墻磚、外墻磚、地板磚、衛(wèi)生潔

6、具、廣場(chǎng)磚 工業(yè)陶瓷：電瓷、化工陶瓷 p 按裝飾特征分 有釉，無(wú)釉 黑陶、彩陶、青花、釉下彩、釉上彩、釉中彩、唐三彩 傳統(tǒng)陶瓷 傳統(tǒng)陶瓷 先進(jìn)陶瓷 p 按用途分 結(jié)構(gòu)陶瓷：主要利用陶瓷材料的耐高溫、耐腐蝕、耐磨 損、強(qiáng)度高及化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)。 功能陶瓷：主要利用陶瓷材料所具有的的特殊電、磁、熱、 光、生物等性能。 陶瓷基復(fù)合材料：通過(guò)材料設(shè)計(jì)方法改善單組份陶瓷的性 能或取得多組分性能的互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。 p 按材質(zhì)分 氧化物陶瓷：Al2O3, ZrO2, SiO2, TiO2, ZnO 氮化物陶瓷：Si3N4, AlN, BN 硼化物陶瓷：TiB2, ZrB2 硅化物陶瓷：MoS2

7、先進(jìn)陶瓷 p 按性質(zhì)分 電子陶瓷：陶瓷電容、電阻、電感、基板等，超導(dǎo)陶瓷 熱陶瓷：發(fā)熱陶瓷、導(dǎo)熱陶瓷、隔熱陶瓷 耐磨陶瓷：陶瓷軸承、密封件、研磨體、內(nèi)襯 光陶瓷：透明陶瓷、光導(dǎo)陶瓷、激光陶瓷 敏感陶瓷：熱敏、壓敏、氣敏、光敏陶瓷 核陶瓷：核燃料(UO2)、核保護(hù)(含硼陶瓷) 化學(xué)陶瓷：耐酸陶瓷、耐堿陶瓷、過(guò)濾陶瓷、催化陶瓷 先進(jìn)陶瓷 普通陶瓷與先進(jìn)陶瓷的主要區(qū)別 區(qū)別區(qū)別普通陶瓷普通陶瓷先進(jìn)陶瓷先進(jìn)陶瓷 原料原料 天然礦物原料人工精制合成原料 成型成型 以注漿、可塑成型為主模壓、等靜壓、流延、注射成 型為主 燒成燒成 燒成溫度一般在1350oC 以下，燃料以煤-油-氣為 主 結(jié)構(gòu)陶瓷燒成溫度在

8、1600oC左 右，功能陶瓷需要精確控制燒 成溫度 加工加工 一般不需要加工需要切割、打孔、研磨和拋光 性能性能 以外觀效果為主以內(nèi)在質(zhì)量為主，表現(xiàn)出特定 的物理化學(xué)性能 用途用途 炊具、餐具、陳設(shè)品和 墻地磚、衛(wèi)生潔具 主要應(yīng)用于航空航天、能源、 冶金機(jī)械、交通和家電等行業(yè) 先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷的特征與制備 方法 先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷的定義與分類 p 結(jié)構(gòu)陶瓷是指具有特殊力學(xué)或機(jī)械性能，以及部分 熱學(xué)或化學(xué)性能的先進(jìn)陶瓷。 p 功能陶瓷是指那些利用電、磁、聲、光、力等直接 效應(yīng)及其耦合效應(yīng)所提供的一種或多種性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)某 種使用功能的先進(jìn)陶瓷。 高溫結(jié)構(gòu)陶瓷：發(fā)動(dòng)機(jī)用陶瓷、高級(jí)耐火材料、噴嘴、陶瓷換熱 器 高

9、硬耐磨陶瓷：陶瓷刀具、磨料磨具、陶瓷密封件、陶瓷軸承、 研磨體 生物結(jié)構(gòu)陶瓷：人工齒、人工骨 陶瓷基復(fù)合材料：復(fù)合陶瓷、Cf/SiC、C/C等 先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷的分類 p 按材質(zhì)分 氧化物陶瓷：Al2O3, ZrO2, SiO2, TiO2, ZnO 氮化物陶瓷：Si3N4, AlN, BN 硼化物陶瓷：TiB2, ZrB2 硫化物陶瓷：MoS2 。 p 其他 低膨脹陶瓷：鈦酸鋁陶瓷、熔融石英陶瓷、鋰質(zhì)陶瓷等 可加工陶瓷：Ti3SiC2系MAX陶瓷、云母玻璃陶瓷、BN復(fù)合 陶瓷、稀土磷酸鹽氧化物復(fù)合陶瓷等 透明陶瓷：Al2O3、AlN、Y3Al5O12、MgAl2O4、MgO、AlON 等透明陶瓷

10、 超高溫陶瓷 ：HfB2、ZrB2等 先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷的發(fā)展歷程 p 1971年：美國(guó)“脆性材料計(jì)劃”：陶瓷渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，工作溫 度提高200 oC，功率提高30%，燃料消耗降低7%。 p 1979年：美國(guó)能源部“先進(jìn)燃汽輪機(jī)計(jì)劃”，AGT101發(fā)動(dòng)機(jī)， 渦輪入口溫度1371 oC，轉(zhuǎn)速達(dá)10萬(wàn)rpm。 p 1974年：德國(guó)BMET計(jì)劃，1350 oC，轉(zhuǎn)速5萬(wàn)rpm，在Benz- 2000上運(yùn)行724 km。 p 1978年：日本“月光計(jì)劃”，磁流體發(fā)電，先進(jìn)燃汽輪機(jī)。 p 1984年：日本全陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)問(wèn)世，熱效率達(dá)48%，節(jié)約燃料 50%，功率提高30%，質(zhì)量減輕30%。 p 1983年：美國(guó)能

11、源部“陶瓷技術(shù)計(jì)劃”。 p 1993年：美國(guó)能源部“熱機(jī)用低成本陶瓷計(jì)劃”。 p 1996年：美國(guó)能源部“發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)材料計(jì)劃”。 p 1986年：中國(guó)863計(jì)劃中“陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)用關(guān)鍵材料”。 AGT101 Engine Nissan Ceramic turbocharger made of silicon nitride 美國(guó)先進(jìn)陶瓷的市場(chǎng)規(guī)模 產(chǎn)品類型1980年1985年1990年2000年 電子陶瓷534170819903485 切削刀具35160 耐磨零件2045180540 發(fā)動(dòng)機(jī)零件2156840 生物陶瓷1030 其他21570 合計(jì)556117421965125 (單位：百萬(wàn)美元)

12、 日本先進(jìn)陶瓷的市場(chǎng)規(guī)模 產(chǎn)品類型1983年1985年1990年1995年2000年 電磁陶瓷57378586168982626537669 機(jī)械陶瓷390580102016452082 熱陶瓷266468277162359019 生化陶瓷298437191229103959 光陶瓷173229167246926342 核陶瓷8617599014892190 合計(jì)695010475252634324661261 (單位：億日元) 先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷的發(fā)展趨勢(shì) 結(jié)構(gòu)微細(xì)化、納米化 結(jié)構(gòu)-功能一體化 組成可設(shè)計(jì)、復(fù)合化 制備低成本化 性能挖掘潛力大，發(fā)現(xiàn)新材料幾率高 先進(jìn)陶瓷的制備工藝 粉體制備 成 型

13、 燒 結(jié) 精 加 工 成 品 陶瓷粉體的制備 p 固相法 高溫固相反應(yīng)法 碳熱還原反應(yīng)法 鹽類分解法 高溫自蔓延合成法 機(jī)械破碎法 p 液相法 化學(xué)沉淀法 溶膠-凝膠法 醇鹽水解法 水熱法 溶劑蒸發(fā)法 p 氣相法 化學(xué)氣相沉積 物理氣相沉積 u 優(yōu)點(diǎn) 燒結(jié)溫度低 致密度高 超塑性 耐磨性 可加工性 u 缺點(diǎn) 制備成本高 技術(shù)難度大 重要趨勢(shì)：納米粉體納米粉體 陶瓷成型技術(shù) p 固態(tài)成型 模壓、冷等靜壓、熱壓、熱等靜壓、激光選區(qū)燒結(jié)、 三維打印成型、分層實(shí)體成型等 p 液態(tài)成型（漿料成型） 注漿成型、流延成型、熱壓鑄、注射成型、凝膠注模 成型、熔鑄等 p 氣相法 氣相沉積 陶瓷成型技術(shù)凝膠注模

14、陶瓷成型技術(shù)凝膠注模(Gel casting) 陶瓷成型技術(shù)流延成型(Tape casting) 料漿制備薄膜制備加工處理 陶瓷成型技術(shù)流延成型(Tape casting) 陶瓷成型技術(shù)注射成型(Injection Molding, CIE) 陶瓷注射成型工藝示意圖 通過(guò)陶瓷注射成型方法制備的WC+Co鉆頭 陶瓷燒結(jié)技術(shù) 陶瓷粉末燒結(jié)過(guò)程示意圖 陶瓷粉末燒結(jié)致密化過(guò)程的顯微圖片 陶瓷燒結(jié)技術(shù)常壓燒結(jié) 馬弗爐 管式爐 p 常壓燒結(jié) 燒結(jié)坯體在無(wú)外加壓力、只 在常壓下，即大氣條件下，置 于窯爐中，進(jìn)行燒結(jié)。 p 特點(diǎn) 最便宜 最傳統(tǒng) 最簡(jiǎn)便 最廣泛 陶瓷燒結(jié)技術(shù)熱壓燒結(jié) 熱壓燒結(jié)爐 p 熱壓燒結(jié)

15、在燒結(jié)過(guò)程中同時(shí)施加壓力， 加速了致密化的過(guò)程。 p 優(yōu)點(diǎn) 燒結(jié)溫度低 燒結(jié)時(shí)間段 制品密度高 p 缺點(diǎn) 成本高 生產(chǎn)率低 陶瓷燒結(jié)技術(shù)氣壓燒結(jié) 氣壓燒結(jié)爐 p 氣壓燒結(jié) 在陶瓷的高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中， 施加一定的氣體壓力，通常 是N2，壓力范圍是110 MPa, 以便抑制在高溫下陶瓷材料 的氧化、分解和失重，從而 可提高燒結(jié)溫度，進(jìn)一步促 進(jìn)材料的致密化，獲得高密 度的陶瓷制品。 p 對(duì)象 Si3N4 SiC SiAlON AlN 陶瓷燒結(jié)技術(shù)放電等離子燒結(jié) 放電等離子燒結(jié)爐 p 放電等離子燒結(jié) 該技術(shù)在模具或樣品中直 接施加大的脈沖電流，通過(guò) 熱效應(yīng)或者其他場(chǎng)效應(yīng)，有 效地利用粉體顆粒之間放電

16、所產(chǎn)生的自發(fā)熱作用，實(shí)現(xiàn) 陶瓷粉體的快速致密化。 p 機(jī)制 產(chǎn)生放電等離子 放電產(chǎn)生瞬間高溫(104oC) 施加壓力 陶瓷精加工技術(shù) p 陶瓷的特點(diǎn) 高硬度 高強(qiáng)度 低韌性 難加工 陶瓷精加工種類 力學(xué)的 化學(xué)的 光化學(xué)的 電化學(xué)的 電學(xué)的 光學(xué)的 磨料加工：磨削、研磨、拋光等 刀具加工：切割 蝕刻 化學(xué)拋光 光刻 電解拋光 電火花加工 、電子束加工 離子束加工、等離子束加工 激光加工 陶瓷精加工技術(shù) 先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷的應(yīng)用舉例 刀具 p 刀具材料的發(fā)展是人類文明發(fā)展和歷史進(jìn)程的縮影。 刀具工業(yè)革命的新發(fā)展 1898年，高速工具鋼 1923年，德國(guó)研制成功WC-Co硬質(zhì)合金 金屬切削加工中的實(shí)際需

17、求 p 金屬切削的要求 要求刀具材料具備高硬度、高耐磨性、高強(qiáng)度和高斷裂 韌性、高熱硬度、良好的抗熱震性、抗侵蝕、抗粘著性等。 切削加工的精度 工件的表面粗糙度 切削加工的效率 陶瓷刀具是以陶瓷材料為基礎(chǔ)制作的用于金屬切削的刀具， 能在高速切削條件下保持高強(qiáng)度、硬度和耐磨性，并具有長(zhǎng) 的使用壽命。 陶瓷刀具的發(fā)展歷史 1905年，德國(guó)人開始Al2O3陶瓷刀具的研究；1912年英國(guó)人 首獲Al2O3陶瓷刀具的專利；直至1950s陶瓷刀具才真正實(shí)用化； 1970s研制成功Al2O3+TiO2復(fù)合陶瓷刀具，部分解決了超硬材 料冷加工的問(wèn)題。 1970s，美國(guó)生產(chǎn)多晶金剛石刀具和多晶立方氮化硼刀具，

18、但是成本高。 1980s，清華大學(xué)熱壓Si3N4，英國(guó)Lucas公司SiAlON陶瓷刀具。 具有較高的強(qiáng)度、硬度和斷裂韌性，良好的耐磨性、紅硬性 和抗熱沖擊性，以及較小的線膨脹系數(shù)。 1990s，納米顆粒和晶須增強(qiáng)的陶瓷刀具、陶瓷涂層刀具、 梯度功能陶瓷刀具、超硬刀具等。 近二十年來(lái)，發(fā)達(dá)國(guó)家陶瓷刀具的應(yīng)用已超過(guò)10%。 陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī) p 金屬發(fā)動(dòng)機(jī)的問(wèn)題 19世紀(jì)后期，德國(guó)的Otto和Diesel先后發(fā)明汽油機(jī)和柴油 機(jī)。金屬發(fā)動(dòng)機(jī) 導(dǎo)熱性好，耐熱、耐腐蝕性能差，極易氧化和變形。 氣缸必須有水冷或者風(fēng)冷 大量的熱被冷卻介質(zhì)帶走：1/3成為有效功率，1/3被冷 卻劑帶走，1/3隨廢氣排出 p 解

19、決方案 取消或者部分取消冷卻系統(tǒng) 使用耐高溫隔熱材料減少燃燒室的熱量損失，使發(fā)動(dòng)機(jī) 在更高溫度下工作 鋁合金的耐熱極限：350oC 剛和鑄鐵：450oC 超級(jí)耐熱合金：1093oC 陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī) p 陶瓷: 低密度、低熱導(dǎo)率、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕 提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率 取消冷卻系統(tǒng)，降低熱量損失，升高 了循環(huán)平均溫度 減少輔助功率消耗，簡(jiǎn)化了發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu) 擺脫了冷卻系 統(tǒng)，不受惡劣氣候影響，有重要的軍事用途 適應(yīng)多種燃料的燃燒 陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室溫度高，有利 于不同燃料的蒸發(fā)、著火和燃燒。陶瓷材料的抗化學(xué)腐蝕 性強(qiáng)，可使用質(zhì)量較差的燃油 降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲，減少了排氣污染 取消了發(fā)動(dòng)機(jī) 的冷卻系統(tǒng)，降低

20、了風(fēng)扇噪聲；燃燒溫度高，燃料燃燒完 全，減少污染 減輕質(zhì)量 陶瓷比金屬輕60%左右 資源豐富 可減少對(duì)Co、Ni、Cr等戰(zhàn)略物資的依賴 陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī) p 瓶頸: 高脆性高脆性、低韌性、抗熱震性差 1940s1950s開始了陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)的研究 1970s，美國(guó)Cummins提出陶瓷隔熱渦輪復(fù)合發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)想 p 解決: 貝殼仿生材料貝殼仿生材料 (英國(guó)帝國(guó)化學(xué)工業(yè)公司 威廉 克萊格博士) 貝殼 由有機(jī)質(zhì)粘在一起的層狀碳酸鈣結(jié)構(gòu) SiC+石墨層狀結(jié)構(gòu) 提供了裂紋偏轉(zhuǎn)和應(yīng)力釋放的途徑 即使在沖擊力的作用下，也只有表層的SiC片脫落，避 免了整個(gè)零件的失效 陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī) 1990年，英國(guó)帝國(guó)化學(xué)工業(yè)公司制造了耐

21、高溫不需冷卻系 統(tǒng)的陶瓷汽車發(fā)動(dòng)機(jī) 1991年，中國(guó)陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)作動(dòng)力的大客車，行駛3500 km 美國(guó)、德國(guó)、日本 p 問(wèn)題: 高成本高成本、低可靠性 當(dāng)前的重點(diǎn)：發(fā)展常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)用陶瓷部件，以替代金屬部件 常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)用陶瓷部件 使用范圍陶瓷零件材 料陶瓷化的效果 配氣系統(tǒng)氣門，氣門導(dǎo)管 氣門座 凸輪 挺柱 Si3N4 Cr3C2 SiC, PSZ Si3N4 提高了耐磨性、耐久性 和疲勞強(qiáng)度 燃燒室氣缸蓋底面 活塞頂 汽缸套 活塞環(huán) Si3N4, 噴涂PSZ Si3N4, 噴涂PSZ Si3N4, 硅鋁纖維 減少了顆粒排放物，提 高了耐磨性，耐久性 啟動(dòng)裝置電熱塞 熱型火花塞 Si3N4 Si

22、3N4 縮短了啟動(dòng)預(yù)熱時(shí)間， 提高了功率 轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)徑向密封片 側(cè)蓋板 鋁轉(zhuǎn)子加強(qiáng)部 纖維增強(qiáng)陶瓷 噴涂Cr3C2 纖維增強(qiáng)陶瓷 提高了耐磨性、耐久性 其他排氣口鑲套 渦輪增壓器渦殼 活塞銷 噴油嘴 噴涂PSZ,鋁基鈦酸鹽, Si3N4, SiC 鋰基鈦酸鹽, Si3N4 Si3N4 減少排放物，降低冷卻 損失 清除渦輪滯后性 提高耐磨性 提高耐磨性 常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)用陶瓷部件 p 柴油機(jī)啟動(dòng)用陶瓷電熱塞 常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)用陶瓷部件 陶瓷渦流室 Si3N4陶瓷搖臂鑲塊 Si3N4氣門和挺柱 陶瓷制動(dòng)片 陶瓷絕熱發(fā)動(dòng)機(jī) 采用陶瓷絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)的步兵戰(zhàn)車，用于防止戰(zhàn)場(chǎng)紅 外線探測(cè)和紅外制導(dǎo)武器的攻擊 結(jié)構(gòu)陶瓷在航

23、空航天領(lǐng)域的應(yīng)用 航天飛機(jī)返回大氣層時(shí)，因摩擦在飛機(jī)表面產(chǎn)生1400 oC高溫 在航天飛機(jī)的鋁合金機(jī)身外表面披掛3萬(wàn)片隔熱瓦 結(jié)構(gòu)陶瓷在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用 隔熱瓦材料：直徑為1.5微米的SiO2纖維壓制而成的1520cm 的正方形 隔熱瓦上：覆蓋一層黑色的含硼硅鈹鹽，表面覆蓋白色陶瓷 隔熱瓦與機(jī)身之間的緩沖材料：聚芳酞胺纖維和毛氈，用有 機(jī)硅膠粘接 結(jié)構(gòu)陶瓷在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用 奮進(jìn)號(hào)軌道器因太空垃圾 碰撞導(dǎo)致的隔熱瓦受損的 照片 2003.1美國(guó)哥倫比亞航天飛機(jī)失事。 原因：升空時(shí)外部燃料箱脫落導(dǎo)致左 翼前部隔熱瓦部分脫落。返回大氣層 時(shí)，機(jī)翼溫度升高導(dǎo)致飛機(jī)爆炸解體。 結(jié)構(gòu)陶瓷在航空航天領(lǐng)

24、域的應(yīng)用 2005.7.268.9 美國(guó)發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)。隔熱瓦被撞失效，宇 航員通過(guò)太空行走修復(fù)，發(fā)現(xiàn)后最終安全著陸。 結(jié)構(gòu)陶瓷在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管： 耐高溫 耐高壓 耐熱流和氣體沖刷 耐化學(xué)腐蝕 質(zhì)量輕、抗熱振、可靠性高、加工性好 MAX相概述 pMn+1AXn相（即MAX相）是一類具有層狀結(jié)構(gòu)的三元碳化物或氮化物 陶瓷材料，其中，M為過(guò)渡族金屬，A主要為和族元素，X為C和 N，n=1，2，3。當(dāng)n=3時(shí)，稱為413相；當(dāng)n=2時(shí)，簡(jiǎn)稱為312相；當(dāng) n=1時(shí)，簡(jiǎn)稱為211相，又稱為H相。 211相Ti2AlCTi2AlNHf2PbCCr2GaCV2AsCTi2InN N

25、b2AlC(Nb,Ti)2AlCTi2AlC0.5N0.5Nb2GaCNb2AsCZr2InN Ti2GeCCr2AlCZr2SCMo2GaCTi2CdCHf2InC Zr2SnCTa2AlCTi2SCTa2GaCSc2InCHf2SnN Hf2SnCV2AlCNb2SCTi2GaCTi2InCTi2TlC Ti2SnCV2PCHf2SCCr2GaNZr2InCZr2TlC Nb2SnCNb2PCTi2GaCV2GaNNb2InCHf2TlC Zr2PbCTi2PbCV2GaCV2GaCHf2InCZr2TlN 312相Ti3AlC2Ti3SiC2Ti3GeC2Ti3SnC2 413相Ti4A

26、lN3V4AlC3Nb4AlC3Ta4AlC3Ti4SiC3 MAX相的結(jié)構(gòu)與制備方法 p制備方法： n熱等靜壓(HIP)方法 n熱壓(HP)方法 n高溫自蔓延(SHS)方法 n放電等離子燒結(jié)(SPS)方法 n機(jī)械合金化(MA)方法 n化學(xué)氣相沉積(CVD)方法 211相 312相 413相 MAX相的性質(zhì) p綜合性質(zhì)： nMAX相材料兼具有金屬和陶瓷 的性能。和金屬一樣，在常溫 下，MAX相具有很好的導(dǎo)熱性 能和導(dǎo)電性能，有較低的 Vickers硬度，能夠像金屬和石 墨一樣采用高速刀具進(jìn)行機(jī)械 加工，并在高溫下具有塑性； n與陶瓷類似，它們具有高的屈 服強(qiáng)度，高熔點(diǎn)，高彈性模量， 高熱穩(wěn)定性

27、和良好的抗氧化性 能； n它們有甚至優(yōu)于石墨和MoS2的 自潤(rùn)滑性能。 PropertiesTi3SiC2Ti3AlC2 Compressive strength (MPa) 720-1050 854 52020 764 785 Flexural strength (MPa) 480 410 420 37515 340 350 Fracture toughness (MPam1/2) 9.5-16 11.2 5.8 7.2 9.10.3 5.3 Vickers hardness (GPa) 4 3.3-5.5 3.5 2.7 3.54.6 Youngs modulus (GPa) 283 32

28、0 297 289 Conductivity (106 Sm- 1) 4.7 (25 C) 1.10 (800 C) 4.3 (25 C) 1.0 (800 C) 2.9 (25 C) 0.85 (800 C) 3.09 (25 C) 0.98 (800 C) Temperature coefficient of resistance (TCR) (10-3 K-1) 4.23 4.19 3.1 2.80 Coefficient of thermal expansion (10-6 K-1) 9.2 9.0 8.7 Thermal capacity (Jmol- 1K-1) 115.04 12

29、6 125.4 Thermal conductivity (Wm-1K-1) 37 (25 C) 33.97 (25 C) 350.2 (1200 C) 27.5(25 C) 32.5(900 C) 報(bào)告主題報(bào)告主題 p 陶瓷材料的微觀破壞機(jī)制 p 陶瓷材料的成型方法 p 陶瓷材料的燒結(jié)原理與過(guò)程 p 導(dǎo)電陶瓷 p 壓電和鐵電陶瓷 p 生物陶瓷 p 敏感陶瓷 p 超導(dǎo)陶瓷 p 功能陶瓷的光學(xué)性質(zhì) p 功能陶瓷的耦合效應(yīng) p 復(fù)合陶瓷的力學(xué)性質(zhì) 要求要求 p 基本概念 p 物理描述 p 代表性材料/現(xiàn)象/方法（24種） p 應(yīng)用領(lǐng)域 u 40 min左右的ppt 謝謝！ 陶瓷材料分類 p 傳統(tǒng)陶

30、瓷 Traditional Ceramics 陶器 Potty 瓷器 Porcelain, China 炻器 Stone Ware p 先進(jìn)陶瓷 Advanced Ceramics 結(jié)構(gòu)陶瓷 Structural Ceramics 功能陶瓷 Functional Ceramics 陶瓷基復(fù)合材料 Ceramic Matrix Composite 廣義的陶瓷：由無(wú)機(jī)非金屬材料經(jīng)高溫處理而獲得的各種材 料及其制品。 無(wú)機(jī)非金屬材料：除金屬材料和有機(jī)高分子材料之外的 一切材料，包括各種單質(zhì)、氧化物、碳化物、氮化物、硼 化物、硅化物等。 制品：粉體、纖維、薄膜、塊體。 由硅酸鹽礦物原料經(jīng)過(guò)細(xì)碎、 混合

31、、成型、燒成、才會(huì)等工 序而獲得的具有堅(jiān)硬結(jié)構(gòu)的硅 酸鹽制品。 伴隨現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展而出 現(xiàn)的各種新型陶瓷的總稱。 先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷的發(fā)展趨勢(shì) 結(jié)構(gòu)微細(xì)化、納米化 結(jié)構(gòu)-功能一體化 組成可設(shè)計(jì)、復(fù)合化 制備低成本化 性能挖掘潛力大，發(fā)現(xiàn)新材料幾率高 陶瓷刀具的發(fā)展歷史 1905年，德國(guó)人開始Al2O3陶瓷刀具的研究；1912年英國(guó)人 首獲Al2O3陶瓷刀具的專利；直至1950s陶瓷刀具才真正實(shí)用化； 1970s研制成功Al2O3+TiO2復(fù)合陶瓷刀具，部分解決了超硬材 料冷加工的問(wèn)題。 1970s，美國(guó)生產(chǎn)多晶金剛石刀具和多晶立方氮化硼刀具， 但是成本高。 1980s，清華大學(xué)熱壓Si3N4，英國(guó)Lucas公司SiAlON陶瓷刀具。 具有較高的強(qiáng)度、硬度和斷裂韌性，良好的耐磨性、紅硬性 和抗熱沖擊性，以及較小的線膨脹系數(shù)。 1990s，納米顆粒和晶須增強(qiáng)的陶瓷刀具、陶瓷涂層刀具、 梯度功能陶瓷刀具、超硬刀具等。 近二十年來(lái)，發(fā)達(dá)國(guó)家陶瓷刀具的應(yīng)用已超過(guò)10%。 常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)