材料科學(xué)與技術(shù)第九

第四章材料概論第三章材料物性：電、磁、熱性質(zhì)及光學(xué)和力學(xué)本章內(nèi)容：陶瓷材料、聚合物材料、復(fù)合材料第一節(jié)功能材料的特點(diǎn)和分類1、功能材料概念出處材料按作用：結(jié)構(gòu)材料、功能材料1965、美國(guó)貝爾所的Morton提出、日本學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的討論、提倡、引起國(guó)際材料界的重視2、功能材料的定義具有優(yōu)良的電、磁、光、熱、聲、力、化學(xué)和生物學(xué)功能及其相互功能轉(zhuǎn)化的、被用作非結(jié)構(gòu)目的的高技術(shù)材料（2）智能部分機(jī)器、裝置、產(chǎn)品可分為：（1）力能部分由結(jié)構(gòu)材料構(gòu)成巨大的機(jī)構(gòu)，如人體的骨骼、承受力量、保持構(gòu)造穩(wěn)定由功能材料構(gòu)成纖細(xì)、敏感的結(jié)構(gòu)、如人體的神經(jīng)系統(tǒng)、保持整體的功能正常材料系統(tǒng)(原子、離子、電子等)外部作用（輸入）材料系統(tǒng)性能變化（輸出）材料與外界的作用3、功能材料的特點(diǎn)常以材料形式為最終產(chǎn)品，并對(duì)材料本身進(jìn)行性能評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)材料：以元件形式對(duì)其物理性能評(píng)價(jià)、材料和元件“一體化”功能材料：具有多功能、高效能、多品種、產(chǎn)量少、附加值高、市場(chǎng)規(guī)模小、產(chǎn)品更新快等功能材料對(duì)產(chǎn)品或系統(tǒng)的功能起決定性的作用特點(diǎn)：4、功能材料的分類功能材料范圍尚無嚴(yán)格的定義、尚無統(tǒng)一的分類法幾種常見分類法單晶、多晶、非晶材料（1）按功能材料的化學(xué)鍵金屬、無機(jī)非金屬、有機(jī)和復(fù)合功能材料有機(jī)：包括聚合物復(fù)合：有機(jī)—有機(jī)；有機(jī)—無機(jī)；有機(jī)—金屬無機(jī)非金屬：陶瓷（2）按功能材料的物化性質(zhì)電性、磁性、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)功能材料（3）按功能材料的應(yīng)用領(lǐng)域電子、軍工、核、信息工業(yè)、能源、醫(yī)療材料等（4）按功能材料的結(jié)晶性第二節(jié)陶瓷材料一、陶瓷材料概述陶瓷材料屬于無機(jī)非金屬材料、不含碳?xì)溲踅Y(jié)合的化合物，主要是金屬氧化物和金屬非氧化物傳統(tǒng)陶瓷的原料：地殼中儲(chǔ)量最多的硅酸鹽礦物制作：高溫?zé)Y(jié)玻璃、水泥、耐火材料也是典型的硅酸鹽陶瓷硅酸鹽陶瓷陶瓷材料是人類應(yīng)用最早的材料。它堅(jiān)硬，穩(wěn)定，可以制造多種器件、工具或用具；在一些特殊的情況下也可以用作結(jié)構(gòu)材料按照成分和用途、工業(yè)陶瓷材料可分為：（1）普通陶瓷（或傳統(tǒng)陶瓷）：主要為硅、鋁氧化物的硅酸鹽材料（2）特種陶瓷（或新型陶瓷、高技術(shù)陶瓷、精細(xì)陶瓷、先進(jìn)陶瓷）主要為高熔點(diǎn)的氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等燒結(jié)材料（3）金屬陶瓷

主要指用陶瓷生產(chǎn)方法制取的金屬與碳化物或其它化合物的粉末制品陶瓷的耐熱性、機(jī)械強(qiáng)度、電磁特性、耐腐特性、尺寸穩(wěn)定性二戰(zhàn)后電子工業(yè)、核能利用工程、空間技術(shù)的興起與發(fā)展要求高性能的陶瓷天然陶瓷的原料成分復(fù)雜難滿足要求新型陶瓷原料：化學(xué)純?cè)匣蚣兌瓤煽氐娜嗽煸希?）產(chǎn)品形態(tài)上新型（功能）陶瓷與傳統(tǒng)的硅酸鹽陶瓷的區(qū)別：（1）材料的組成上除硅酸鹽（氧化物和含氧酸鹽）外,C,N,B,Si

等的單質(zhì)、化合物及金屬（2）應(yīng)用上由材料固有的靜態(tài)物性物理效應(yīng)和微觀機(jī)能（3）制備工藝上突破傳統(tǒng)工藝、采用新工藝技術(shù)除傳統(tǒng)的燒結(jié)體或粉體外，還有薄膜和纖維等功能陶瓷在信息工程、微電子技術(shù)等高新技術(shù)的應(yīng)用單功能或多功能傳感器：電、光、熱、聲、磁、氣氛等功能陶瓷產(chǎn)品：電子陶瓷是最大一類，其次是工具和結(jié)構(gòu)陶瓷高溫結(jié)構(gòu)陶瓷：如渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子、發(fā)動(dòng)機(jī)部件，甚至將來整個(gè)陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)功能陶瓷在許多領(lǐng)域有取代和部分取代金屬的趨勢(shì)如切削工具、熱機(jī)部件、集成電路封裝、極板、及磁性材料等高溫超導(dǎo)陶瓷材料：使超導(dǎo)材料的研究進(jìn)入新的階段二、陶瓷加工工藝陶瓷加工工藝包括：制粉、成型、燒結(jié)陶瓷的微結(jié)構(gòu)：多晶、多相體，宏觀上通常表現(xiàn)為各性同性陶瓷性能不僅取決其成分、還與其加工工藝（微結(jié)構(gòu)）有關(guān)新配方、新工藝、新結(jié)構(gòu)的開發(fā)是提高陶瓷材料及其器件性能的途徑（一）制粉—陶瓷粉料的制備功能陶瓷制粉方法：固相反應(yīng)、液相（溶液）反應(yīng)、溶膠—凝膠法固相反應(yīng)成熟、普遍采用1、固相反應(yīng)法制粉主要步驟：配料、粉碎、混合、預(yù)燒（1）配料根據(jù)陶瓷配方選原料原料：礦物原料和化工產(chǎn)品原料明確：原料的化學(xué)成分、粒度特性、結(jié)構(gòu)和化學(xué)活性等純度要求高的原料：采用煅燒、酸洗等方法提純化學(xué)成分：純度、雜質(zhì)的種類和含量、化學(xué)計(jì)量比等粒度特性：粒度分布、顆粒形狀適宜的粒度范圍：粒度越細(xì)、化學(xué)活性越高、有利于固相反應(yīng)原料的結(jié)構(gòu)：結(jié)晶形態(tài)、致密度、裂紋、氣孔性等不同晶型的原料有不同的燒結(jié)特性：和和成分相同，熔點(diǎn)、燒結(jié)特性不同化學(xué)活性：化學(xué)反應(yīng)的難易程度物理上表現(xiàn)：原料的原子、離子或離子團(tuán)擺脫晶格新生成物具有較大的活性原料原料稱取前要脫水、稱取時(shí)應(yīng)扣除尚存雜質(zhì)結(jié)構(gòu)束縛而擴(kuò)散或揮發(fā)的難易度（2）粉碎、混合目的：使配料充分接觸、均勻混合，預(yù)燒時(shí)固相反應(yīng)充分粉碎、混合在粉碎機(jī)中完成粉碎過程既是粉碎過程又是混合過程常用的粉碎機(jī)：球磨、棒磨、礫磨、振磨和氣流磨普遍采用：球磨、棒磨和振磨圓筒磨罐傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及電機(jī)斷面球磨、棒磨、礫磨結(jié)構(gòu)外形幾乎相同球磨、棒磨、礫磨磨碎介質(zhì)分別為球磨機(jī)磨碎介質(zhì)：鋼球或其它質(zhì)地堅(jiān)硬的球，如、瑪瑙球、氧化鋁球棒磨機(jī)磨碎介質(zhì):

鋼棒等棒狀物礫磨機(jī)磨碎介質(zhì)：形狀不規(guī)則的砂礫球磨、棒磨、礫磨的磨碎原理適中，拋落式磨碎介質(zhì)在離心力和摩擦力的作用下、被帶到一定高度而下落，介質(zhì)下落的沖擊作用擊碎原料顆粒，介質(zhì)、滾筒、原料的相互研磨進(jìn)一步磨細(xì)和混合原料振磨機(jī)電機(jī)支承豎彈簧偏心塊偏心軸橫彈簧外界提供振動(dòng)，在振動(dòng)過程中介質(zhì)與原料及介質(zhì)相互間研磨、混合氣流磨機(jī)原料被高速氣流夾帶和輸運(yùn)，高速運(yùn)動(dòng)的顆粒與彎曲的路徑（磨機(jī)壁）強(qiáng)烈碰撞、粉碎影響磨機(jī)磨碎效率的因素D、破碎方式（干磨、濕磨）A、原料的特性（硬度、粒度、比重）；B、磨機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)（尺寸）、運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)C、

磨碎介質(zhì)的材質(zhì)、填充量、尺寸配比小瀉落式過大離心式（轉(zhuǎn)速或振頻、振幅等）；（如大球和小球的比例），原料填充量如、濕式球磨，球、水、粉料的最佳重量比：球、水、粉料占磨罐的最佳容積：磨碎介質(zhì)的磨損可能會(huì)引起原料的污染磨碎過的細(xì)料需經(jīng)粒度分級(jí)、粗粒部分應(yīng)返回磨機(jī)、重新磨細(xì)粒度分級(jí)方法a、篩分b、空氣分級(jí)c、淘析（使用細(xì)篩）豎直氣流式：細(xì)粒被氣流帶走、收集；粗粒下沉空氣離心機(jī)：借離心力分離、效率高顆粒粒度不同在液體中沉降速度不同有水平式和豎直式（3）預(yù)燒制粉—固相反應(yīng)粉碎、混合后的原料顆粒，預(yù)燒、固相反應(yīng)，形成陶瓷顆粒固相反應(yīng)：顆粒在熔點(diǎn)溫度以下、固相狀態(tài)下的反應(yīng)適當(dāng)加壓有助反應(yīng)迅速、充分地進(jìn)行P加壓顆粒接觸面積增加預(yù)燒溫度和預(yù)燒時(shí)間：保證反應(yīng)充分進(jìn)行、2、溶液反應(yīng)法制粉通過液相反應(yīng)制得較為均勻的陶瓷顆粒制作步驟生成的陶瓷顆粒間無明顯燒結(jié)制作步驟（3）固液分離、低溫煅燒后、生成陶瓷粉料（1）制備所需金屬鹽的水溶液；（2）按配比混合原料液，液相反應(yīng)生成復(fù)鹽溶液；例：