《先進陶瓷材料及進展》第一章概述課件

先進陶瓷材料及進展

第一章概述教學(xué)基本要求了解陶瓷的定義和發(fā)展歷史。掌握陶瓷的分類、特性及用途。理解陶瓷的特點。了解先進陶瓷的發(fā)展前景。1.0教學(xué)基本要求第一章概述早期的陶瓷由于燒制溫度不高、有一定吸水率、斷面粗糙無光、不透明，被稱為陶器。瓷是在陶的制作工藝基礎(chǔ)上，對工藝條件和原料控制更嚴格、燒制溫度更高所得材料。1.1陶瓷的定義和發(fā)展歷史第一章概述漢代柿蒂云紋紅陶器漢代盾牌武士傭漢代陶器男歡女愛漢代陶狗1.1陶瓷的定義和發(fā)展歷史第一章概述景德鎮(zhèn)陶器1.1陶瓷的定義和發(fā)展歷史第一章概述制陶原料——高嶺土是江西省景德鎮(zhèn)東郊高嶺村所產(chǎn)，景德鎮(zhèn)也就成了瓷都。明代以后瓷器傳出海外，中國亦被海外人士以“瓷”（china）作為國名。1.1陶瓷的定義和發(fā)展歷史第一章概述陶瓷在人類文明史上功不可沒。人類最早使用的工具——石器，可以說就是一種最早的天然陶瓷材料。1.1陶瓷的定義和發(fā)展歷史第一章概述仙人洞舊石器時代遺址

1.1陶瓷的定義和發(fā)展歷史第一章概述陶瓷既是我國最杰出的科學(xué)成就之一，又是中華文明偉大象征之一。就陶瓷研究歷史進程看，可簡單概括為三個發(fā)展階段，如圖1-1所示。1.1陶瓷的定義和發(fā)展歷史第一章概述陶器釉的發(fā)明瓷器(傳統(tǒng)陶瓷)高溫技術(shù)的發(fā)展高鋁土黏土和瓷土應(yīng)用原料純化工藝與理論的發(fā)展顯微結(jié)構(gòu)分析的進步性能研究的深入先進陶瓷(微米級)納米陶瓷無損評估的成就相鄰學(xué)科的推動圖1-1陶瓷研究發(fā)展的三個階段

1.1陶瓷的定義和發(fā)展歷史第一章概述新石器時代，我們的祖先就會制作陶器。然而陶器僅是一種含有較多氣孔、質(zhì)地較松的未完全燒結(jié)制品。東漢晚期，陶器步入了瓷器階段，這是陶瓷技術(shù)發(fā)展史上十分重要的里程碑。1.1陶瓷的定義和發(fā)展歷史第一章概述隨著科學(xué)技術(shù)的進步與發(fā)展，由瓷器又衍生出許多種類的陶瓷。日用陶瓷、工業(yè)陶瓷與水泥、玻璃、耐火材料、搪瓷、磨料制品等統(tǒng)稱為硅酸鹽制品。人們一般將這一類陶瓷制品成為傳統(tǒng)陶瓷或普通陶瓷。1.1陶瓷的定義和發(fā)展歷史第一章概述20世紀以來，特別是第二次世界大戰(zhàn)之后，隨著宇宙開發(fā)、原子能工業(yè)的興起和電子工業(yè)的迅速發(fā)展，陶瓷研究的發(fā)展則從傳統(tǒng)陶瓷躍入第二階段——先進陶瓷階段。先進陶瓷（AdvancedCeramics）是為了有別于傳統(tǒng)陶瓷而言的。1.1陶瓷的定義和發(fā)展歷史第一章概述先進陶瓷是在傳統(tǒng)硅酸鹽陶瓷的基礎(chǔ)上，吸收了相鄰學(xué)科的先進技術(shù)而發(fā)展起來的一門綜合而又相對獨立的學(xué)科。這一階段先進陶瓷被稱為微米級先進陶瓷。1.1陶瓷的定義和發(fā)展歷史第一章概述20世紀90年代，陶瓷的研究進入了第三個階段——納米陶瓷階段。所謂納米陶瓷，是指顯微結(jié)構(gòu)中物相具有納米（nm）級尺度的陶瓷材料，它包括晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、氣孔尺寸、缺陷尺寸等均在納米量級的尺度上。1.1陶瓷的定義和發(fā)展歷史第一章概述TiO2陶瓷薄膜AFM照片

1.1陶瓷的定義和發(fā)展歷史第一章概述納米陶瓷是當(dāng)前陶瓷材料研究中的一個十分重要發(fā)展趨向，它將促使陶瓷材料從工藝到理論、從性能到應(yīng)用提高到一個嶄新階段。1.1陶瓷的定義和發(fā)展歷史第一章概述氧化物SiO2MgOMgAl2O4BeOTiO2V2O5B2O3MgO·Al2O3Y2O5Al2O3CaOZrO23Al2O3·2SiO2Cr2O3CeO2ZrSiO4CaSiO3PbZrTiO3BaTiO3碳化物WCB4CTiCZrCHfCTaCBe2CUCVCNbCMo2CMoC表1.1陶瓷按化學(xué)成分分類表1.2陶瓷的分類、特性及用途第一章概述氮化物Si3N4TiNBNAlNC3N4ZrNVNTaNNbNScN硼化物TiB2ZrB2Mo2BWB6LaB6HfBWBZrB表1.1陶瓷按化學(xué)成分分類表(續(xù),完)1.2陶瓷的分類、特性及用途第一章概述先進陶瓷(結(jié)構(gòu)陶瓷與功能陶瓷)1.2陶瓷的分類、特性及用途第一章概述生產(chǎn)工序傳統(tǒng)陶瓷先進陶瓷原料天然礦物原料（黏土、長石、石英等）人工精制合成原料（氧化物和非氧化物兩大類）成型可塑、注漿、壓制壓制、熱壓鑄、注射、軋膜、流延、等靜壓為主表1.2傳統(tǒng)陶瓷與先進陶瓷的分類比較(續(xù)1)1.2陶瓷的分類、特性及用途第一章概述生產(chǎn)工序傳統(tǒng)陶瓷先進陶瓷燒成溫度在1300℃以下，燃料以煤、油、氣為主結(jié)構(gòu)陶瓷常需1600℃，功能陶瓷需精確控制溫度，以電、氣、油加熱為主加工一般不需加工常需切割、打孔、研磨和拋光等用途日用、藝術(shù)陳設(shè)、建筑衛(wèi)生、化學(xué)化工、電瓷結(jié)構(gòu)陶瓷、功能陶瓷表1.2傳統(tǒng)陶瓷與先進陶瓷的分類比較(續(xù)2,完)1.2陶瓷的分類、特性及用途第一章概述三傳統(tǒng)陶瓷的分類傳統(tǒng)陶瓷按所用原料及坯體致密度分為兩大類：陶器和瓷器。根據(jù)性能和特征的差別，陶器和瓷器可分成幾個小類，具體分類見表1-3。1.2陶瓷的分類、特性及用途第一章概述漢代陶器景德鎮(zhèn)陶器1.2陶瓷的分類、特性及用途第一章概述1.2陶瓷的分類、特性及用途第一章概述瓷器類別陶器瓷器粗陶器普通陶器精陶器炻器普通瓷細瓷器特征坯體未燒結(jié)，粗松多孔，吸水性大，有色，不施釉坯體未燒結(jié)，粗松多孔，但較土器致密，有色，施釉或不施釉坯體未燒結(jié)或只部分燒結(jié)，有孔隙，一般呈白色，施釉燒結(jié)，致密，接近瓷器，多呈色，施釉或不施釉，不受酸侵蝕介于精陶器和瓷器，仍有一定吸水率完全燒結(jié)，有半透明性，致密，貝殼狀，色白，施釉，耐酸堿表1.3傳統(tǒng)陶瓷按所用原料及坯體致密程度分類(續(xù)1)1.2陶瓷的分類、特性及用途第一章概述類別陶器瓷器粗陶普通陶精陶器炻器普通瓷細瓷器使用原料易熔黏土可塑性高的難熔黏土、石英、熟料等可塑性高的難熔黏土、石英、熟料等可塑性高的難熔黏土、石英、熟料等高嶺土、瓷石、可塑性高的難熔黏土、石英、長石等高嶺土、瓷石、可塑性高的難熔黏土、石英、長石等表1.3傳統(tǒng)陶瓷按所用原料及坯體致密程度分類(續(xù)2)1.2陶瓷的分類、特性及用途第一章概述類別陶器瓷器粗陶普通陶精陶器炻器普通瓷細瓷器燒成溫度/℃850~1100900~1200素?zé)?100~1300釉燒1000~12001200~13001250~13201320~14501250~13201120~12501200~1300表1.3傳統(tǒng)陶瓷按所用原料及坯體致密程度分類(續(xù)3)1.2陶瓷的分類、特性及用途第一章概述類別陶器瓷器粗陶器普通陶精陶炻器普通瓷細瓷顏色黃色,紅色,青色,黑色黃色紅色灰色白色淺色乳黃,淺褐,灰,紫白色白色表1.3傳統(tǒng)陶瓷按所用原料及坯體致密程度分類(續(xù)4)1.2陶瓷的分類、特性及用途第一章概述類別陶器瓷器粗陶普通陶精陶炻器普通瓷細瓷吸水率/%>15<15<12<3<1<0.5表1.3傳統(tǒng)陶瓷按所用原料及坯體致密程度分類(續(xù)5)1.2陶瓷的分類、特性及用途第一章概述類別陶器瓷器粗陶器普通陶精陶器炻器普通瓷細瓷器用途磚,瓦,盆,罐日用器皿,美術(shù)陶,紫砂陶日用器皿,建筑制品日用器皿,藝術(shù)瓷,電瓷,化學(xué)瓷表1.3傳統(tǒng)陶瓷按所用原料及坯體致密程度分類(續(xù)6,完)1.2陶瓷的分類、特性及用途第一章概述四先進陶瓷的分類、特性及用途先進陶瓷按其特性和用途,可分為兩大類:結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷。所謂結(jié)構(gòu)陶瓷，是指能作為工程結(jié)構(gòu)材料使用的陶瓷。其分類、特性及用途見表1-4。1.2陶瓷的分類、特性及用途第一章概述半導(dǎo)體精密結(jié)構(gòu)陶瓷1.2陶瓷的分類、特性及用途第一章概述陶瓷椅1.2陶瓷的分類、特性及用途第一章概述系列材料特性用途氧化物Al2O3,SiO2,MgO,ZrO2,BeO,莫來石等高強度,高硬度,高韌性,高導(dǎo)熱性,耐磨性各種受力構(gòu)件,汽車,車床,機床零件,拉絲模具,刀具,測量工具,研磨介質(zhì)表1.4結(jié)構(gòu)陶瓷的分類、特性和用途(續(xù)1)1.2陶瓷的分類、特性及用途第一章概述系列材料特性用途非氧化物碳化物SiC,B4C,TiC等耐高溫,超硬性,抗熱震,抗氧化汽車發(fā)動機零件,燃氣輪機葉片,高溫潤滑材料,耐磨材料,耐火材料氮化物Si3N4,BN,AlN等硅化物MoSi2,TiSi2等硼化物TiB2,ZrB2等表1.4結(jié)構(gòu)陶瓷的分類、特性和用途(續(xù)2)1.2陶瓷的分類、特性及用途第一章概述系列材料特性用途納米陶瓷納米氧化物、非氧化物超塑性、高韌性各種高性能結(jié)構(gòu)零件低膨脹陶瓷堇青石、鋰輝石、鈦酸鋁α<2×10-6℃-1耐急冷急熱結(jié)構(gòu)零件表1.4結(jié)構(gòu)陶瓷的分類、特性和用途(續(xù)3)1.2陶瓷的分類、特性及用途第一章概述系列材料特性用途復(fù)合材料Cf/SiO2、SiCw/ZrO2高溫力學(xué)性能優(yōu)良火箭頭罩、飛行器表面瓦、發(fā)動機零部件表1.4結(jié)構(gòu)陶瓷的分類、特性和用途(續(xù)4,完)注：f——纖維；w——晶須，原子排列極為有序，結(jié)構(gòu)十分完整的單晶纖維，強度接近原子間的理論強度，直徑在納米級，長度在幾十微米，可用作良好的補強材料。1.2陶瓷的分類、特性及用途第一章概述所謂功能陶瓷，是指具有電、磁、光、聲、超導(dǎo)、化學(xué)、生物等特性，且具有相互轉(zhuǎn)化功能的一類陶瓷。功能陶瓷的分類、特性和用途見表1-5。有關(guān)先進陶瓷的分類，也可以參見表1-6。1.2陶瓷的分類、特性及用途第一章概述雷達表(多功能陶瓷)1.2陶瓷的分類、特性及用途第一章概述功能系列材料特性用途電子陶瓷絕緣陶瓷Al2O3,BN,AlN,BeO,MgO,SiC高絕緣性集成電路基片,裝置瓷,真空瓷,高頻絕緣瓷介電陶瓷TiO2,La2Ti2O7,MgTiO3介電性陶瓷電容器,微波陶瓷表1.5功能陶瓷的分類、特性和用途(續(xù)1)1.2陶瓷的分類、特性及用途第一章概述功能系列材料特性用途電子陶瓷鐵電陶瓷BaTiO3,SrTiO3鐵電性陶瓷電容器壓電陶瓷PZT,PT,LNN,(PbBa)NaNb5O15壓電性換能器,諧震器,濾波器,壓電變壓器,聲納、熱釋電瓷PbTiO3,PZT熱電性探測紅外輻射計數(shù)和溫度測定表1.5功能陶瓷的分類、特性和用途(續(xù)2)1.2陶瓷的分類、特性及用途第一章概述功能系列材料特性用途電子陶瓷敏感陶瓷熱敏PTC,NTC半導(dǎo)性,傳感性熱敏電阻,過熱保護器氣敏SnO2,ZnO,ZrO2傳感性氣體傳感器,氧探頭,氣體報警器濕敏Si-Na2O-V2O5系傳感性濕度測量儀,濕度傳感器表1.5功能陶瓷的分類、特性和用途(續(xù)3)1.2陶瓷的分類、特性及用途第一章概述功能系列材料特性用途電子陶瓷敏感陶瓷光敏CdS,CdSe傳感性光敏電阻,光傳感器,紅外光敏元件壓敏ZnO,SiC傳感性壓力傳感器磁性軟磁Mn-Zn鐵氧體軟磁性記錄磁頭,瓷芯,電波吸收體硬磁Ba,Sr鐵氧體硬磁性鐵氧體磁石表1.5功能陶瓷的分類、特性和用途(續(xù)4)1.2陶瓷的分類、特性及用途第一章概述功能系列材料特性用途電子陶瓷導(dǎo)電陶瓷LaCrO3,ZrO2,SiC,Na-β-Al2O3,MoSi2離子導(dǎo)電性鈉硫電池固體電介質(zhì)、氧傳感器超導(dǎo)陶瓷Re-Ba-Cu-O系超導(dǎo)性電力系統(tǒng),磁懸浮,選礦,探礦,電子表1.5功能陶瓷的分類、特性和用途(續(xù)5)1.2陶瓷的分類、特性及用途第一章概述功能系列材料特性用途熱學(xué)、光學(xué)功能陶瓷耐熱陶瓷Al2O3,ZrO2,MgO,SiC,Si3N4耐熱性耐火材料隔熱陶瓷氧化物纖維,空心球隔熱性隔熱材料表1.5功能陶瓷的分類、特性和用途(續(xù)6)1.2陶瓷的分類、特性及用途第一章概述功能系列材料特性用途熱、光學(xué)功能陶瓷導(dǎo)熱陶瓷BeO,AlN,SiC導(dǎo)熱性基板透明陶瓷Al2O3,MgO,BeO,Y2O3,ThO2,PLZT透光性高壓鈉燈,紅外輸出窗材料,激光元件,光存儲元件,光開關(guān)表1.5功能陶瓷的分類、特性和用途(續(xù)7)1.2陶瓷的分類、特性及用途第一章概述功能系列材料特性用途光學(xué)功能陶瓷紅外輻射陶瓷SiC、Zr-Ti-Re、Fe-Mn-Co-Cu系放射性SiC紅外輻射器,保暖內(nèi)衣,紅外醫(yī)療儀,水活化器,生物助長器發(fā)光陶瓷ZnS:Ag/Cu/Mn光致發(fā)光、電致發(fā)光路標標記牌,顯示器標記,裝飾,電子工業(yè),國防工業(yè)表1.5功能陶瓷的分類、特性和用途(續(xù)8)1.2陶瓷的分類、特性及用途第一章概述功能系列材料特性用途生物、抗菌陶瓷生物惰性Al2O3、單晶、微晶生物相容性人工關(guān)節(jié)生物活性HAP、TCP生物吸收性人工骨材料醫(yī)用陶瓷壓電、磁性、光纖診斷傳感性用于內(nèi)科,外科,婦產(chǎn)科,皮膚科的診斷儀器,超聲波治療,診斷,檢測器表1.5功能陶瓷的分類、特性和用途(續(xù)9)1.2陶瓷的分類、特性及用途第一章概述功能系列材料特性用途生物,抗菌陶瓷銀系沸石載銀、磷酸鋯載銀抑制和殺滅細菌抗菌日用瓷、抗菌建筑衛(wèi)生瓷鈦系TiO2+Re光催化殺菌抗菌陶瓷制品、抗菌涂料表1.5功能陶瓷的分類、特性和用途(續(xù)10)1.2陶瓷的分類、特性及用途第一章概述功能系列材料特性用途多孔化學(xué)陶瓷化學(xué)載體γ-Al2O3、堇青石吸附載體性固定酶載體、催化劑載體、生物化學(xué)反應(yīng)控制裝置蜂窩堇青石、鈦酸鋁催化載體性汽車尾氣凈化器用催化載體、熱交換器泡沫高鋁、低膨脹材料過濾用網(wǎng)絡(luò)多孔性金屬鋁液、鎂合金液體過濾、輕質(zhì)隔熱材料表1.5功能陶瓷的分類、特性和用途(續(xù)11,完)1.2陶瓷的分類、特性及用途第一章概述大類系列細類結(jié)構(gòu)陶瓷氧化物氧化鋁,氧化鎂,氧化鋯,氧化鈾,氧化鈹?shù)确茄趸锾蓟?氮化物,硼化物,硅化物等表1.6先進陶瓷的分類(續(xù)1)1.2陶瓷的分類、特性及用途第一章概述大類系列細類功能陶瓷電功能陶瓷絕緣陶瓷,介電陶瓷,鐵電陶瓷,壓電陶瓷,半導(dǎo)體陶瓷磁功能陶瓷鐵氧體光功能陶瓷透明陶瓷、透明鐵電陶瓷生物與化學(xué)功能陶瓷濕敏陶瓷,氣敏陶瓷,載體用陶瓷,生物陶瓷表1.6先進陶瓷的分類(續(xù)2,完)1.2陶瓷的分類、特性及用途第一章概述必須指出,上述分類并非絕對。

結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷有時并無嚴格界限,某些陶瓷，二者兼而有之。1.2陶瓷的分類、特性及用途第一章概述負離子遠紅外多功能生態(tài)抗菌保健陶瓷裝飾材料1.2陶瓷的分類、特性及用途第一章概述一陶瓷材料的性能特點高硬度，決定了它具有優(yōu)異的耐磨性。高熔點，決定了它具有杰出的耐熱性。高化學(xué)穩(wěn)定性，決定了它具有良好的耐蝕性。致命弱點——脆性，限制了特性發(fā)揮和應(yīng)用。1.3陶瓷的特點