《先进陶瓷材料及进展》第一章概述

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先进陶瓷材料及进展尹奇异 第一章　概述 教学基本要求了解陶瓷的定义和发展历史。掌握陶瓷的分类、特性及用途。理解陶瓷的特点。了解先进陶瓷的发展前景。1.0教学基本要求第一章概述 1.1陶瓷的定义和发展历史第一章概述约50万年前，人类学会了用火，慢慢知道黏土成型经火烧制后可变成坚硬耐用的器物。“黏土经成型后高温烧制而得的坚硬的、遇水不会分散的致密材料”成为陶瓷最早的定义。 早期的陶瓷由于烧制温度不高、有一定吸水率、断面粗糙无光、不透明，被称为陶器。瓷是在陶的制作工艺基础上，对工艺条件和原料控制更严格、烧制温度更高所得材料。1.1陶瓷的定义和发展历史第一章概述 汉代柿蒂云纹红陶器汉代盾牌武士佣汉代陶器男欢女爱汉代陶狗1.1陶瓷的定义和发展历史第一章概述 景　德　镇　陶　器1.1陶瓷的定义和发展历史第一章概述 希　腊　陶　器1.1陶瓷的定义和发展历史第一章概述 制陶原料——高岭土是江西省景德镇东郊高岭村所产，景德镇也就成了瓷都。明代以后瓷器传出海外，中国亦被海外人士以“瓷”（china）作为国名。1.1陶瓷的定义和发展历史第一章概述 陶瓷在人类文明史上功不可没。人类最早使用的工具——石器，可以说就是一种最早的天然陶瓷材料。1.1陶瓷的定义和发展历史第一章概述 仙人洞旧石器时代遗址1.1陶瓷的定义和发展历史第一章概述 石斧1.1陶瓷的定义和发展历史第一章概述 陶瓷既是我国最杰出的科学成就之一，又是中华文明伟大象征之一。就陶瓷研究历史进程看，可简单概括为三个发展阶段，如图1-1所示。1.1陶瓷的定义和发展历史第一章概述 陶器釉的发明瓷器(传统陶瓷)高温技术的发展高铝土黏土和瓷土应用原料纯化工艺与理论的发展显微结构分析的进步性能研究的深入先进陶瓷(微米级)纳米陶瓷无损评估的成就相邻学科的推动图1-1陶瓷研究发展的三个阶段1.1陶瓷的定义和发展历史第一章概述 新石器时代，我们的祖先就会制作陶器。然而陶器仅是一种含有较多气孔、质地较松的未完全烧结制品。东汉晚期，陶器步入了瓷器阶段，这是陶瓷技术发展史上十分重要的里程碑。1.1陶瓷的定义和发展历史第一章概述 汉　代　瓷　器1.1陶瓷的定义和发展历史第一章概述 随着科学技术的进步与发展，由瓷器又衍生出许多种类的陶瓷。日用陶瓷、工业陶瓷与水泥、玻璃、耐火材料、搪瓷、磨料制品等统称为硅酸盐制品。人们一般将这一类陶瓷制品成为传统陶瓷或普通陶瓷。1.1陶瓷的定义和发展历史第一章概述 20世纪以来，特别是第二次世界大战之后，随着宇宙开发、原子能工业的兴起和电子工业的迅速发展，陶瓷研究的发展则从传统陶瓷跃入第二阶段——先进陶瓷阶段。先进陶瓷（AdvancedCeramics）是为了有别于传统陶瓷而言的。1.1陶瓷的定义和发展历史第一章概述 先进陶瓷是在传统硅酸盐陶瓷的基础上，吸收了相邻学科的先进技术而发展起来的一门综合而又相对独立的学科。这一阶段先进陶瓷被称为微米级先进陶瓷。1.1陶瓷的定义和发展历史第一章概述 小影霸显示卡使用先进纳米陶瓷风扇1.1陶瓷的定义和发展历史第一章概述 20世纪90年代，陶瓷的研究进入了第三个阶段——纳米陶瓷阶段。所谓纳米陶瓷，是指显微结构中物相具有纳米（nm）级尺度的陶瓷材料，它包括晶粒尺寸、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上。1.1陶瓷的定义和发展历史第一章概述 TiO2陶瓷薄膜AFM照片1.1陶瓷的定义和发展历史第一章概述 纳米陶瓷是当前陶瓷材料研究中的一个十分重要发展趋向，它将促使陶瓷材料从工艺到理论、从性能到应用提高到一个崭新阶段。1.1陶瓷的定义和发展历史第一章概述 一按化学成分分类氧化物陶瓷。碳化物陶瓷。氮化物陶瓷。硼化物陶瓷。1.2陶瓷的分类、特性及用途第一章概述 氧化物SiO2MgOMgAl2O4BeOTiO2V2O5B2O3MgO·Al2O3Y2O5Al2O3CaOZrO23Al2O3·2SiO2Cr2O3CeO2ZrSiO4CaSiO3PbZrTiO3BaTiO3碳化物WCB4CTiCZrCHfCTaCBe2CUCVCNbCMo2CMoC表1.1陶瓷按化学成分分类表1.2陶瓷的分类、特性及用途第一章概述 氮化物Si3N4TiNBNAlNC3N4ZrNVNTaNNbNScN硼化物TiB2ZrB2Mo2BWB6LaB6HfBWBZrB表1.1陶瓷按化学成分分类表(续,完)1.2陶瓷的分类、特性及用途第一章概述 二按陶瓷的概念与用途分类传统陶瓷,又称普通陶瓷。根据其使用领域的不同，又可分为日用陶瓷、艺术陈设陶瓷、建筑卫生陶瓷、化学化工陶瓷、电瓷等。传统陶瓷以外的广义陶瓷概念中所涉及的陶瓷材料和制品即为先进陶瓷。1.2陶瓷的分类、特性及用途第一章概述 中国传统的陶瓷建筑构件1.2陶瓷的分类、特性及用途第一章概述 先进陶瓷(结构陶瓷与功能陶瓷)1.2陶瓷的分类、特性及用途第一章概述 生产工序传统陶瓷先进陶瓷原料天然矿物原料（黏土、长石、石英等）人工精制合成原料（氧化物和非氧化物两大类）成型可塑、注浆、压制压制、热压铸、注射、轧膜、流延、等静压为主表1.2传统陶瓷与先进陶瓷的分类比较(续1)1.2陶瓷的分类、特性及用途第一章概述 生产工序传统陶瓷先进陶瓷烧成温度在1300℃以下，燃料以煤、油、气为主结构陶瓷常需1600℃，功能陶瓷需精确控制温度，以电、气、油加热为主加工一般不需加工常需切割、打孔、研磨和抛光等用途日用、艺术陈设、建筑卫生、化学化工、电瓷结构陶瓷、功能陶瓷表1.2传统陶瓷与先进陶瓷的分类比较(续2,完)1.2陶瓷的分类、特性及用途第一章概述 三传统陶瓷的分类传统陶瓷按所用原料及坯体致密度分为两大类：陶器和瓷器。根据性能和特征的差别，陶器和瓷器可分成几个小类，具体分类见表1-3。1.2陶瓷的分类、特性及用途第一章概述 汉代陶器景德镇陶器1.2陶瓷的分类、特性及用途第一章概述 1.2陶瓷的分类、特性及用途第一章概述瓷器 类别陶器瓷器粗陶器普通陶器精陶器炻器普通瓷细瓷器特征坯体未烧结，粗松多孔，吸水性大，有色，不施釉坯体未烧结，粗松多孔，但较土器致密，有色，施釉或不施釉坯体未烧结或只部分烧结，有孔隙，一般呈白色，施釉烧结，致密，接近瓷器，多呈色，施釉或不施釉，不受酸侵蚀介于精陶器和瓷器，仍有一定吸水率完全烧结，有半透明性，致密，贝壳状，色白，施釉，耐酸碱表1.3传统陶瓷按所用原料及坯体致密程度分类(续1)1.2陶瓷的分类、特性及用途第一章概述 类别陶器瓷器粗陶普通陶精陶器炻器普通瓷细瓷器使用原料易熔黏土可塑性高的难熔黏土、石英、熟料等可塑性高的难熔黏土、石英、熟料等可塑性高的难熔黏土、石英、熟料等高岭土、瓷石、可塑性高的难熔黏土、石英、长石等高岭土、瓷石、可塑性高的难熔黏土、石英、长石等表1.3传统陶瓷按所用原料及坯体致密程度分类(续2)1.2陶瓷的分类、特性及用途第一章概述 类别陶器瓷器粗陶普通陶精陶器炻器普通瓷细瓷器烧成温度/℃850~1100900~1200素烧1100~1300釉烧1000~12001200~13001250~13201320~14501250~13201120~12501200~1300表1.3传统陶瓷按所用原料及坯体致密程度分类(续3)1.2陶瓷的分类、特性及用途第一章概述 类别陶器瓷器粗陶器普通陶精陶炻器普通瓷细瓷颜色黄色,红色,青色,黑色黄色红色灰色白色浅色乳黄,浅褐,灰,紫白色白色表1.3传统陶瓷按所用原料及坯体致密程度分类(续4)1.2陶瓷的分类、特性及用途第一章概述 类别陶器瓷器粗陶普通陶精陶炻器普通瓷细瓷吸水率/%>15<15<12<3<1<0.5表1.3传统陶瓷按所用原料及坯体致密程度分类(续5)1.2陶瓷的分类、特性及用途第一章概述 类别陶器瓷器粗陶器普通陶精陶器炻器普通瓷细瓷器用途砖,瓦,盆,罐日用器皿,美术陶,紫砂陶日用器皿,建筑制品日用器皿,艺术瓷,电瓷,化学瓷表1.3传统陶瓷按所用原料及坯体致密程度分类(续6,完)1.2陶瓷的分类、特性及用途第一章概述 四先进陶瓷的分类、特性及用途先进陶瓷按其特性和用途,可分为两大类:结构陶瓷和功能陶瓷。所谓结构陶瓷，是指能作为工程结构材料使用的陶瓷。其分类、特性及用途见表1-4。1.2陶瓷的分类、特性及用途第一章概述 半导体精密结构陶瓷1.2陶瓷的分类、特性及用途第一章概述 陶瓷椅1.2陶瓷的分类、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,莫来石等高强度,高硬度,高韧性,高导热性,耐磨性各种受力构件,汽车,车床,机床零件,拉丝模具,刀具,测量工具,研磨介质表1.4结构陶瓷的分类、特性和用途(续1)1.2陶瓷的分类、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等耐高温,超硬性,抗热震,抗氧化汽车发动机零件,燃气轮机叶片,高温润滑材料,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结构陶瓷的分类、特性和用途(续2)1.2陶瓷的分类、特性及用途第一章概述 系列材料特性用途纳米陶瓷纳米氧化物、非氧化物超塑性、高韧性各种高性能结构零件低膨胀陶瓷堇青石、锂辉石、钛酸铝α<2×10-6℃-1耐急冷急热结构零件表1.4结构陶瓷的分类、特性和用途(续3)1.2陶瓷的分类、特性及用途第一章概述 系列材料特性用途复合材料Cf/SiO2、SiCw/ZrO2高温力学性能优良火箭头罩、飞行器表面瓦、发动机零部件表1.4结构陶瓷的分类、特性和用途(续4,完)注：f——纤维；w——晶须，原子排列极为有序，结构十分完整的单晶纤维，强度接近原子间的理论强度，直径在纳米级，长度在几十微米，可用作良好的补强材料。1.2陶瓷的分类、特性及用途第一章概述 所谓功能陶瓷，是指具有电、磁、光、声、超导、化学、生物等特性，且具有相互转化功能的一类陶瓷。功能陶瓷的分类、特性和用途见表1-5。有关先进陶瓷的分类，也可以参见表1-6。1.2陶瓷的分类、特性及用途第一章概述 雷达表(多功能陶瓷)1.2陶瓷的分类、特性及用途第一章概述 功能系列材料特性用途电子陶瓷绝缘陶瓷Al2O3,BN,AlN,BeO,MgO,SiC高绝缘性集成电路基片,装置瓷,真空瓷,高频绝缘瓷介电陶瓷TiO2,La2Ti2O7,MgTiO3介电性陶瓷电容器,微波陶瓷表1.5功能陶瓷的分类、特性和用途(续1)1.2陶瓷的分类、特性及用途第一章概述 功能系列材料特性用途电子陶瓷铁电陶瓷BaTiO3,SrTiO3铁电性陶瓷电容器压电陶瓷PZT,PT,LNN,(PbBa)NaNb5O15压电性换能器,谐震器,滤波器,压电变压器,声纳、热释电瓷PbTiO3,PZT热电性探测红外辐射计数和温度测定表1.5功能陶瓷的分类、特性和用途(续2)1.2陶瓷的分类、特性及用途第一章概述 功能系列材料特性用途电子陶瓷敏感陶瓷热敏PTC,NTC半导性,传感性热敏电阻,过热保护器气敏SnO2,ZnO,ZrO2传感性气体传感器,氧探头,气体报警器湿敏Si-Na2O-V2O5系传感性湿度测量仪,湿度传感器表1.5功能陶瓷的分类、特性和用途(续3)1.2陶瓷的分类、特性及用途第一章概述 功能系列材料特性用途电子陶瓷敏感陶瓷光敏CdS,CdSe传感性光敏电阻,光传感器,红外光敏元件压敏ZnO,SiC传感性压力传感器磁性软磁Mn-Zn铁氧体软磁性记录磁头,瓷芯,电波吸收体硬磁Ba,Sr铁氧体硬磁性铁氧体磁石表1.5功能陶瓷的分类、特性和用途(续4)1.2陶瓷的分类、特性及用途第一章概述 功能系列材料特性用途电子陶瓷导电陶瓷LaCrO3,ZrO2,SiC,Na-β-Al2O3,MoSi2离子导电性钠硫电池固体电介质、氧传感器超导陶瓷Re-Ba-Cu-O系超导性电力系统,磁悬浮,选矿,探矿,电子表1.5功能陶瓷的分类、特性和用途(续5)1.2陶瓷的分类、特性及用途第一章概述 功能系列材料特性用途热学、光学功能陶瓷耐热陶瓷Al2O3,ZrO2,MgO,SiC,Si3N4耐热性耐火材料隔热陶瓷氧化物纤维,空心球隔热性隔热材料表1.5功能陶瓷的分类、特性和用途(续6)1.2陶瓷的分类、特性及用途第一章概述 功能系列材料特性用途热、光学功能陶瓷导热陶瓷BeO,AlN,SiC导热性基板透明陶瓷Al2O3,MgO,BeO,Y2O3,ThO2,PLZT透光性高压钠灯,红外输出窗材料,激光元件,光存储元件,光开关表1.5功能陶瓷的分类、特性和用途(续7)1.2陶瓷的分类、特性及用途第一章概述 功能系列材料特性用途光学功能陶瓷红外辐射陶瓷SiC、Zr-Ti-Re、Fe-Mn-Co-Cu系放射性SiC红外辐射器,保暖内衣,红外医疗仪,水活化器,生物助长器发光陶瓷ZnS:Ag/Cu/Mn光致发光、电致发光路标标记牌,显示器标记,装饰,电子工业,国防工业表1.5功能陶瓷的分类、特性和用途(续8)1.2陶瓷的分类、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、单晶、微晶生物相容性人工关节生物活性HAP、TCP生物吸收性人工骨材料医用陶瓷压电、磁性、光纤诊断传感性用于内科,外科,妇产科,皮肤科的诊断仪器,超声波治疗,诊断,检测器表1.5功能陶瓷的分类、特性和用途(续9)1.2陶瓷的分类、特性及用途第一章概述 功能系列材料特性用途生物,抗菌陶瓷银系沸石载银、磷酸锆载银抑制和杀灭细菌抗菌日用瓷、抗菌建筑卫生瓷钛系TiO2+Re光催化杀菌抗菌陶瓷制品、抗菌涂料表1.5功能陶瓷的分类、特性和用途(续10)1.2陶瓷的分类、特性及用途第一章概述 功能系列材料特性用途多孔化学陶瓷化学载体γ-Al2O3、堇青石吸附载体性固定酶载体、催化剂载体、生物化学反应控制装置蜂窝堇青石、钛酸铝催化载体性汽车尾气净化器用催化载体、热交换器泡沫高铝、低膨胀材料过滤用网络多孔性金属铝液、镁合金液体过滤、轻质隔热材料表1.5功能陶瓷的分类、特性和用途(续11,完)1.2陶瓷的分类、特性及用途第一章概述 大类系列细类结构陶瓷氧化物氧化铝,氧化镁,氧化锆,氧化铀,氧化铍等非氧化物碳化物,氮化物,硼化物,硅化物等表1.6先进陶瓷的分类(续1)1.2陶瓷的分类、特性及用途第一章概述 大类系列细类功能陶瓷电功能陶瓷绝缘陶瓷,介电陶瓷,铁电陶瓷,压电陶瓷,半导体陶瓷磁功能陶瓷铁氧体光功能陶瓷透明陶瓷、透明铁电陶瓷生物与化学功能陶瓷湿敏陶瓷,气敏陶瓷,载体用陶瓷,生物陶瓷表1.6先进陶瓷的分类(续2,完)1.2陶瓷的分类、特性及用途第一章概述 必须指出,上述分类并非绝对。结构陶瓷和功能陶瓷有时并无严格界限,某些陶瓷，二者兼而有之。1.2陶瓷的分类、特性及用途第一章概述 负离子远红外多功能生态抗菌保健陶瓷装饰材料1.2陶瓷的分类、特性及用途第一章概述 一陶瓷材料的性能特点高硬度，决定了它具有优异的耐磨性。高熔点，决定了它具有杰出的耐热性。高化学稳定性，决定了它具有良好的耐蚀性。致命弱点——脆性，限制了特性发挥和应用。1.3陶瓷的特点第一章概述 1.3陶瓷的特点第一章概述 二先进陶瓷与传统陶瓷的比较先进陶瓷与传统陶瓷在原料组成、制备工艺、组织结构及性能方面均有显著区别。参见表1-7。陶瓷韧化成为世界瞩目的陶瓷研究领域中的核心课题。1.3陶瓷的特点第一章概述 化学成分组织结构烧结温度力学性能传统陶瓷多元化合物复合物、天然矿物多孔体表面上釉≤1300℃强度韧性低先进陶瓷人工提纯或合成高纯组元致密无孔不上釉>1300℃高强高韧表1.7传统陶瓷与先进陶瓷的对比1.3陶瓷的特点第一章概述 信息、能源、新材料被誉为当代科学技术的三大支柱。先进陶瓷作为一种新材料，以其优异的性能在材料领域独树一帜，受到人们的高度重视，在未来的社会中将发挥显著的作用。1.4先进陶瓷的发展前景第一章概述 随着世界科技的不断进步，可以预见，先进陶瓷材料在21世纪必将获得惊人的发展。纳米陶瓷将在下列几个方面获得重大突破。1.4先进陶瓷的发展前景第一章概述 气相凝聚法制备纳米粉体将成为先进陶瓷粉体研究发展的重点。快速原型制造技术（RPM）和胶态成型将向传统成型技术挑战。1.4先进陶瓷的发展前景第一章概述 微波烧结和放电等离子烧结（SPS）是获得纳米块状陶瓷材料的有效烧结方法。纳米材料的应用将为先进陶瓷带来新活力。1.4先进陶瓷的发展前景第一章概述