無機非金屬專業(yè)導論-先進陶瓷材料ppt課件

1、11無機非金屬材料工程無機非金屬材料工程 先進陶瓷材料先進陶瓷材料22陶瓷制品是人類在征服自然過程中所獲得的第一種經化學變化而制成的產品。陶瓷制品是人類在征服自然過程中所獲得的第一種經化學變化而制成的產品。特點：熔點高、硬度大、化學穩(wěn)定性好、耐高溫、耐磨損、耐氧化、耐腐蝕、重量輕、特點：熔點高、硬度大、化學穩(wěn)定性好、耐高溫、耐磨損、耐氧化、耐腐蝕、重量輕、彈性模量大、強度高等優(yōu)良性能，可在高溫、腐蝕、輻照等環(huán)境工作。彈性模量大、強度高等優(yōu)良性能，可在高溫、腐蝕、輻照等環(huán)境工作。 先進陶瓷先進陶瓷33陶瓷的定義陶瓷的定義 什么是陶瓷什么是陶瓷(Ceramics)？傳統(tǒng)陶瓷是傳統(tǒng)陶瓷是“由粘土或主

2、要含粘土（有長石、石英等）的混合物，經成形、干燥、燒由粘土或主要含粘土（有長石、石英等）的混合物，經成形、干燥、燒結而成的制品結而成的制品”。美國陶瓷學會給陶瓷下的定義：美國陶瓷學會給陶瓷下的定義：“在高溫下形成及使用的無機非金屬材料在高溫下形成及使用的無機非金屬材料”先進陶瓷先進陶瓷44 Ceramicsthe making of pots, tiles, etc., by shaping pieces of clay and baking them until they are hard; articles produced in this way.55Ceramics來自希臘字來自希臘字

3、Keramic ，意為，意為“an art of potter”;而而Keramic來自希臘字來自希臘字Keramos，意為，意為“Burnt stuff” 用火燒成的制品，多指粘土燒成的用火燒成的制品，多指粘土燒成的陶器。陶器。后經長期演變，含義進一步延伸，凡屬粘土燒成的制品都屬于后經長期演變，含義進一步延伸，凡屬粘土燒成的制品都屬于Ceramics，如陶瓷、磚瓦、，如陶瓷、磚瓦、耐火材料等。耐火材料等。 先進陶瓷先進陶瓷6陶瓷的定義：無機非金屬粉末經成型后在低于熔點的高溫下燒結而制成的固體材料陶瓷的定義：無機非金屬粉末經成型后在低于熔點的高溫下燒結而制成的固體材料。（狹義的，由工藝而來）。

4、（狹義的，由工藝而來）“傳統(tǒng)陶瓷傳統(tǒng)陶瓷” 主要以天然的硅酸鹽為原料，因此又被稱為主要以天然的硅酸鹽為原料，因此又被稱為“硅酸鹽材料硅酸鹽材料”。由于陶瓷的化學組成是以離子鍵和共價鍵為主要鍵的無機非金屬化合物，故又稱陶由于陶瓷的化學組成是以離子鍵和共價鍵為主要鍵的無機非金屬化合物，故又稱陶瓷為瓷為“無機非金屬材料無機非金屬材料”、“無機絕緣材料無機絕緣材料”、“無機介電材料無機介電材料”。先進陶瓷先進陶瓷7隨著新型材料的發(fā)展，陶瓷概念擴展到整個無機非金屬固體材料或無機化合固隨著新型材料的發(fā)展，陶瓷概念擴展到整個無機非金屬固體材料或無機化合固體材料，除了一般的多晶燒結體外，還包括單晶、玻璃、薄膜

5、、纖維、粉體等體材料，除了一般的多晶燒結體外，還包括單晶、玻璃、薄膜、纖維、粉體等，其制備方法也不再局限于常規(guī)燒結法，因此是，其制備方法也不再局限于常規(guī)燒結法，因此是“廣義陶瓷廣義陶瓷”。先進陶瓷先進陶瓷88國際上對陶瓷的廣義的定義與上述定義類似。國際上對陶瓷的廣義的定義與上述定義類似。W.D.Kingery現(xiàn)代陶瓷工程之父，在現(xiàn)代陶瓷工程之父，在 “Introduction to Ceramics”中把陶瓷定義為中把陶瓷定義為:“the art and science of making and using solid articles which have as their essenti

6、ally component, and are composed in large part of, inorganic nonmetallic materials”“制造和應用固體制品的技藝和科學，這種固體制品主要是由無機非金屬材料作為基本制造和應用固體制品的技藝和科學，這種固體制品主要是由無機非金屬材料作為基本組分組成的組分組成的”。先進陶瓷先進陶瓷99 這一定義不僅包括陶器、瓷器、耐火材料、建筑粘土制品、磨料、搪瓷、水泥和玻璃這一定義不僅包括陶器、瓷器、耐火材料、建筑粘土制品、磨料、搪瓷、水泥和玻璃等材料，而且還包括非金屬磁性材料、鐵電體、人造單晶、特種陶瓷、以及各種各樣等材料，而且還包

7、括非金屬磁性材料、鐵電體、人造單晶、特種陶瓷、以及各種各樣的其他制品。的其他制品。This definition essentially says that a ceramic is anything that is not an organic material or a metal.先進陶瓷先進陶瓷1010隨著時代的進步，原料或產品中雖然不含硅酸鹽組分，然而用陶瓷工藝方法隨著時代的進步，原料或產品中雖然不含硅酸鹽組分，然而用陶瓷工藝方法（Ceramic Process）生產的制品也稱）生產的制品也稱Ceramics。目前這類材料還在不斷發(fā)展，新型材料不斷出現(xiàn)。它和金屬材料、有機高分子材料并

8、目前這類材料還在不斷發(fā)展，新型材料不斷出現(xiàn)。它和金屬材料、有機高分子材料并列為當代三大固體材料。列為當代三大固體材料。It suggests three categories of materials: ceramics, organics and metals先進陶瓷先進陶瓷1111我國的陶瓷一詞和英文中的我國的陶瓷一詞和英文中的Ceramics一樣一樣具有狹義（陶瓷、瓷器）和廣義兩重含具有狹義（陶瓷、瓷器）和廣義兩重含意：意：廣義的陶瓷工業(yè)是陶瓷、玻璃、耐火材廣義的陶瓷工業(yè)是陶瓷、玻璃、耐火材料、搪瓷、磨料、水泥等無機非金屬材料工業(yè)的泛稱。料、搪瓷、磨料、水泥等無機非金屬材料工業(yè)的泛稱。先

9、進陶瓷先進陶瓷1212隨著工業(yè)的發(fā)展，陶瓷制品廣泛地應用于隨著工業(yè)的發(fā)展，陶瓷制品廣泛地應用于社會各行各業(yè)，采用了更多、更復雜的工社會各行各業(yè)，采用了更多、更復雜的工業(yè)原料。業(yè)原料。先進陶瓷的廣義的定義為：先進陶瓷的廣義的定義為：“用粘土以外的用粘土以外的其他原料，依陶瓷制造的工藝方法制成的其他原料，依陶瓷制造的工藝方法制成的制品制品”先進陶瓷先進陶瓷1313 如壓電陶瓷、電容器陶瓷、微波陶瓷、磁性陶瓷、高溫陶瓷等如壓電陶瓷、電容器陶瓷、微波陶瓷、磁性陶瓷、高溫陶瓷等 可廣泛應用于電子、原子能、宇航、半導體等工業(yè)。可廣泛應用于電子、原子能、宇航、半導體等工業(yè)。1414陶瓷的分類陶瓷的分類 現(xiàn)代

10、陶瓷傳統(tǒng)陶瓷陶瓷制品先進陶瓷先進陶瓷1515工藝陶瓷化工陶瓷電器絕緣陶瓷衛(wèi)生陶瓷建筑陶瓷日用陶瓷傳統(tǒng)陶瓷1616防輻射陶瓷高溫陶瓷結構陶瓷敏感陶瓷磁性陶瓷鐵電陶瓷微波陶瓷壓電陶瓷電容器陶瓷功能陶瓷先進陶瓷1717氧化鋁陶瓷氮化鋁陶瓷1818生 物 陶 瓷1919多孔陶瓷保 健 陶 瓷 2020建 筑 衛(wèi) 生 陶 瓷2121耐 高 溫 陶 瓷 刀 具2222高溫結構陶瓷零部件耐酸陶瓷風機適用于輸送或抽吸各種腐蝕性氣體 2323陶 瓷 裝 甲 車2424航航 天天 飛飛 機機 騰騰 空空 而而 起起2525“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機腹部的絕熱瓦“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機2626航天飛機的防熱盔甲以純度99.7%、

11、直徑為11.5m的石英纖維加水混合成漿狀，倒入模具中脫水加壓成型，然后浸膠體石英，干燥后在1290的電爐中燒成。再按要求切成外形不同、大小不等的“磚塊”，最后粘貼到航天飛機的鋁合金蒙皮上，把外表嚴嚴實實地封蓋起來，就象給航天飛機穿上了一身防熱盔甲。2727 航天飛機 2828 航天飛機的機頭 2929 航天飛機的防熱瓦3030 航天飛機熱分布示意圖 3131“哥倫比亞”號航天飛機爆炸，原因是這架航天飛機左翼在起飛時遭到從燃料箱上脫落的泡沫絕緣材料撞擊，結果造成機體表面隔熱保護層出現(xiàn)了大面積松動和破損，形成了可讓“熱氣進入的洞”，在返航途中因超高溫空氣入侵而徹底解體。3232 與傳統(tǒng)陶瓷比較，先

12、進陶瓷的化學組成、顯微結構都有極大的不同，其性能可滿與傳統(tǒng)陶瓷比較，先進陶瓷的化學組成、顯微結構都有極大的不同，其性能可滿足工業(yè)和國防中各種特殊的需要。足工業(yè)和國防中各種特殊的需要。先進陶瓷先進陶瓷幾個有用的名詞：幾個有用的名詞：特種陶瓷特種陶瓷 special ceramics先進陶瓷先進陶瓷 advanced ceramics精細陶瓷精細陶瓷 fine ceramics高性能陶瓷高性能陶瓷 high performance ceramics新型陶瓷新型陶瓷 new ceramics近代陶瓷近代陶瓷 modern ceramics3333幾個有用的名詞：幾個有用的名詞：特種陶瓷特種陶瓷 sp

13、ecial ceramics先進陶瓷先進陶瓷 advanced ceramics精細陶瓷精細陶瓷 fine ceramics高性能陶瓷高性能陶瓷 high performance ceramics新型陶瓷新型陶瓷 new ceramics近代陶瓷近代陶瓷 modern ceramics先進陶瓷先進陶瓷3434陶瓷發(fā)展的重要階段陶瓷發(fā)展的重要階段廣義的陶瓷包括了陶器、彩色釉器、瓷器、玻璃、水泥、晶體等的發(fā)展廣義的陶瓷包括了陶器、彩色釉器、瓷器、玻璃、水泥、晶體等的發(fā)展David W. Richerson 在其著作中在其著作中Modern Ceramic Engineering(Taylor &a

14、mp; Francis Group, New York, 2006 )給出了廣義的陶瓷的簡要發(fā)展的里程碑給出了廣義的陶瓷的簡要發(fā)展的里程碑先進陶瓷先進陶瓷35Key Milestones in the Evolution of Ceramics Time Description of Milestone 24000 B.C. Clay mixed with water, molded into a shape, dried, and fired to produce the first man-made ceramic” earthenware”10000 B.C.Early use of e

15、arthenware for useful article such as containers.7000-6000 B.C. Lime mortar(石灰砂漿石灰砂漿) used for filling spaces between stones in construction and also for making thick-walled containers.36Key Milestones in the Evolution of CeramicsTime Description of Milestone7000-5000 B.C. Widespread use of earthenw

16、are for food storage and cooling 70005000 B.C.Widespread use of plaster-like cementitious ceramics for in floor construction and as decorated interior wall coatings. 4500 B.C. Ceramics used to line crude kilns（窯爐）（窯爐） to smelt copper from its ores and make possible the Chalcolithic（紅銅）（紅銅）, Bronze a

17、nd Iron Ages.37Key Milestones in the Evolution of Ceramics Time Description of Milestone 45003500 B.C. Fired brick shown to be more durable than dried mud bricks 45003500 B.C.Development of early faience（彩陶）（彩陶） to produced white ceramics with bright blue glassy coatings: precursor to development of

18、 glass and glazes（釉）（釉）. 35002800 B.C.Evolution of first writing consisting of pictographs（象形文字）（象形文字） and “cuneiform（楔形文字）（楔形文字）” symbols inscribed in clay tablets. 38Key Milestones in the Evolution of Ceramics Time Description of Milestone3300 B.C. Potters wheel invented, making earthenware potter

19、y available and affordable for just about everyone 25001600 B.C.From early isolated examples of glass to well-established craft. 17501150 B.C. Variety of glaze developed in- cluded lead glazes and colored glazes.39Key Milestones in the Evolution of Ceramics Time Description of Milestone1025750 B.C.

20、Early developments in China of stoneware, which was lighter in color, stronger, and less porous than earthenware 500100 B.C.High-strength concrete（混凝土）（混凝土） developed by Greeks and Romans and used widely in construction especially by the Romans. 10050 B.C. Glass blowing invented, making glass items

21、available to others than royalty and aristocrats.40Key Milestones in the Evolution of CeramicsTime Description of Milestone600-800 A.D. Evolution of high-quality porcelain（瓷）（瓷） in China 800900 A.D.Islamic refinements of the use of white tin-based glazes and lustrous overglazes. 1740s “Transfer prin

22、ting” invented to greatly increased the rate of production of tiles（瓷磚）（瓷磚）. 41Key Milestones in the Evolution of CeramicsTime Description of Milestone 1840s “Dust pressing” invented to further dramatically increase rate of production of tiles and eventually become the uniaxial pressing process and

23、workhorse of modern high-volume production of polycrystalline ceramicsLate 1800sDemonstration of successful laboratory synthesis of single crystals of ruby and sapphire.42Key Milestones in the Evolution of CeramicsTime Description of Milestone Early 1900s Increase in temperature capability of produc

24、tion kilns to greater than 1400C and late to 1600C. Mid-1900sEstablishment of alumina-based ceramics and introduction of a wide range of new engineered ceramics.Late 1900sDevelopment of ultra-high-temperature, high-strength, and high-toughness ceramics and ceramic matrix composites4343 陶瓷的發(fā)展大致經歷了陶器、

25、瓷器、現(xiàn)代先進陶瓷三個發(fā)展階段。陶瓷的發(fā)展大致經歷了陶器、瓷器、現(xiàn)代先進陶瓷三個發(fā)展階段。 從二十世紀九十年代開始，陶瓷進入了納米陶瓷發(fā)展階段。從二十世紀九十年代開始，陶瓷進入了納米陶瓷發(fā)展階段。先進陶瓷先進陶瓷4444陶器陶器(從公元前從公元前24000年開始年開始)瓷器瓷器 (從公元從公元250年開始年開始)現(xiàn)代先進陶瓷現(xiàn)代先進陶瓷 (從從20世紀世紀40年代開始年代開始)納米陶瓷納米陶瓷 (從從20世紀世紀90年代開始年代開始)45451、陶器階段、陶器階段 用黏土制成毛坯，經過高溫用黏土制成毛坯，經過高溫(1000 C) 燒結而成，是原始人類制成的最重要的物品之一燒結而成，是原始人類制

26、成的最重要的物品之一 2、瓷器階段、瓷器階段發(fā)明了釉、發(fā)現(xiàn)并使用高鋁質瓷土、高溫技術的發(fā)展（發(fā)明了釉、發(fā)現(xiàn)并使用高鋁質瓷土、高溫技術的發(fā)展（1200 C ）先進陶瓷先進陶瓷46463、現(xiàn)代先進陶瓷階段、現(xiàn)代先進陶瓷階段原料純化原料純化從天然礦物原料為主發(fā)展到高純人工合成原料為主從天然礦物原料為主發(fā)展到高純人工合成原料為主新工藝層出不窮新工藝層出不窮 成型新工藝：成型新工藝：等靜壓成型、熱壓成型、離心注漿成型、壓力注漿成型、流延成型等等靜壓成型、熱壓成型、離心注漿成型、壓力注漿成型、流延成型等先進陶瓷先進陶瓷4747 燒結新工藝：熱壓燒結、熱壓等靜壓燒結、反應燒結、快速燒結、微波燒結、等離燒結新

27、工藝：熱壓燒結、熱壓等靜壓燒結、反應燒結、快速燒結、微波燒結、等離子體燒結、自蔓燃燒結等子體燒結、自蔓燃燒結等 理論日趨成熟理論日趨成熟從經驗操作發(fā)展到科學控制、特定材料設計、工藝從經驗操作發(fā)展到科學控制、特定材料設計、工藝結構結構性性質質使用性能使用性能 分析技術進步分析技術進步顯微結構分析技術如顯微結構分析技術如X射線衍射儀、電子顯微鏡、原子力顯微鏡、射線衍射儀、電子顯微鏡、原子力顯微鏡、特殊性能測試儀器等特殊性能測試儀器等先進陶瓷先進陶瓷4848相鄰學科發(fā)展相鄰學科發(fā)展量子力學、固體物理、固體化學、配位化學、量子力學、固體物理、固體化學、配位化學、結晶化學、量子化學、半導體、微電子等結晶

28、化學、量子化學、半導體、微電子等4、納米陶瓷階段、納米陶瓷階段原料納米化、陶瓷內部晶粒納米化、性能高原料納米化、陶瓷內部晶粒納米化、性能高度優(yōu)化、正在深入研究，預期將引起重要度優(yōu)化、正在深入研究，預期將引起重要變化。變化。先進陶瓷先進陶瓷494949 功能陶瓷是指在微電子、光電子信息和自動化技術以及生物醫(yī)學、能源和環(huán)保工程等基功能陶瓷是指在微電子、光電子信息和自動化技術以及生物醫(yī)學、能源和環(huán)保工程等基礎產品領域中所用的陶瓷材料。礎產品領域中所用的陶瓷材料。p如制造電子線路中的電容器用的電介質瓷，制造集成電路基片和管殼用的高頻絕緣如制造電子線路中的電容器用的電介質瓷，制造集成電路基片和管殼用的高

29、頻絕緣瓷等。瓷等。p功能陶瓷以其獨特的聲、光、熱、電、磁等物理特性和生物、化學以及適當?shù)牧W功能陶瓷以其獨特的聲、光、熱、電、磁等物理特性和生物、化學以及適當?shù)牧W等特性，在相應的工程和技術中起關鍵作用等特性，在相應的工程和技術中起關鍵作用。o大部分為電子陶瓷大部分為電子陶瓷 （electroceramicselectroceramics）先進陶瓷先進陶瓷50 從使用功能分類：從使用功能分類：（a）結構陶瓷：）結構陶瓷：Al2O3、AlN、BeO(集成電路襯底、微波大功率器件散熱支集成電路襯底、微波大功率器件散熱支撐件、撐件、MCM用基片）；用基片）；（b）功能陶瓷：電容器陶瓷、微波陶瓷、壓電陶瓷、熱釋電陶瓷、透明電光）功能陶瓷：電容器陶瓷、微波陶瓷、壓電陶瓷、熱釋電陶瓷、透明電光陶瓷，半導體陶瓷；陶瓷，半導體陶瓷； 按照工作頻率分：低頻瓷（按照工作頻率分：低頻瓷（1kHz）、高頻瓷（）、高頻瓷（1MHz）、微波瓷（）、微波瓷（300MHz300GHz）。）。 先進陶瓷先進陶瓷5151功能陶瓷的分類：功能陶瓷的分類：o高頻絕緣零件瓷高頻絕緣零件瓷o電阻基體和電感基