陶瓷材料的应用

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(一)、材料分类材料是多种多样的，分类方法也并没有一个统一的标准。按主要的使用性能分类，可以把材料分为:结构材料—以力学性能为基础，用以制造以受力为主的构件。功能材料—以材料独特的物理性能、化学性能等为基础而形成的一类材料。 金属材料无机非金属材料高分子材料复合材料从物理化学属性来分，可分为: 陶瓷材料是除金属和高聚物以外的无机非金属材料通称。工业上应用的典型的传统陶瓷产品如陶瓷器、玻璃、水泥等。随着现代科技的发展，出现了许多性能优良的新型陶瓷。 二、陶瓷材料的发展历程陶瓷是最古老的一种材料，是人类征服自然中获得的第一种经化学变化而制成的产品。它的发展经历了从简单复杂，从粗糙精细，从无釉施釉，从低温高温的过程。 三、传统陶瓷与先进陶瓷传统陶瓷其原料主要是石英、长石和粘土等自然界中存在的矿物，归属于硅酸盐类材料；先进陶瓷其原料一般经一系列人工合成或提炼处理过的化工原料，超出了传统陶瓷的概念和范畴，是高新技术的产物。先进陶瓷普通陶瓷 普通陶瓷与先进陶瓷的主要区别区别普通陶瓷先进陶瓷原料天然矿物原料人工精制合成原料成型以注浆、可塑成型为主模压、等静压、流延、注射成型为主烧结烧结温度一般在1350℃以下，以煤-油-气为燃料结构陶瓷烧成温度在1600℃左右，功能陶瓷需要精确控制烧成温度加工一般不需要加工需要切割、打孔、研磨和抛光等性能以外观效果为主以内在质量为主，表现出特定的物理化学性能用途炊具、餐具、陈设品和墙地砖、卫生洁具主要应用于航空、能源、冶金机械、交通、家电等行业 四、陶瓷材料的特点陶瓷材料通常由三种不同的相组成:晶相、玻璃相和气相。1.陶瓷材料的相组成 晶相是陶瓷材料中主要的组成相，决定陶瓷材料物理化学性质的主要是晶相;玻璃相的作用是充填晶粒间隙、粘结晶粒、提高材料致密度、降低烧结温度和控制晶粒的生长；气相是在工艺过程中形成并保留下来的。先进陶瓷材料中的残留气孔难以避免。 2、陶瓷材料的结合键特点陶瓷材料的主要成分是氧化物(ZrO2等)、碳化物(SiC等)、氮化物(BN等)、硅化物(MoSi2)等，因而其结合键以离子键(如Al2O3)、共价键(如Si3N4)及两者的混合键为主。 高硬度优异的耐磨性高熔点杰出的耐热性高的化学稳定性良好的耐蚀性高的强度良好的物理性能(电、磁、声、光、热等）脆性大、塑韧性低3.陶瓷材料的性能特点 4、陶瓷材料的工艺特点陶瓷是脆性材料，大部分陶瓷是通过粉体成型和高温烧结来成形的，因此陶瓷是烧结体。烧结体也是晶粒的聚集体，有晶粒和晶界，所存在的问题是其存在一定的气孔率。 晶体结构：显微结构：金属材料:原子间结合力为金属键良好的塑变能力陶瓷材料:原子间结合力为离子键、共价键或离子/共价混合键，具有强的方向性及高的结合能难以塑变。金属材料:一般由均匀液相凝固而成，可通过冷加工手段改善其显微结构使其均匀化，一般不含或含极少气孔；陶瓷材料:一般由粉体烧结而成，存在一定的气孔，存在显微结构的不均匀性和复杂性。5.陶瓷材料与金属材料的结构特点比较 五、陶瓷材料的分类1.按化学成分分类：氧化物陶瓷:Al2O3,ZrO2,SiO2….碳化物陶瓷:SiC,WC,TiC…..氮化物陶瓷:Si3N4,BN,AlN….硼化物陶瓷:TiB2,ZrB2•••••• 2.按使用的原材料分类:可将陶瓷材料分为普通陶瓷和特种陶瓷。普通陶瓷以天然的岩石、矿石、黏土等材料作原料。特种陶瓷采用人工合成的材料作原料。 3.按性能和用途分类：结构陶瓷功能陶瓷结构/功能一体化陶瓷材料对力学和物理性能均有要求a.主要用于制造结构零部件；b.力学性能要求:强度、韧性、硬度、模量、耐磨性及高温性能等。a.主要用于制造功能器件；b.物理性能要求:电、磁、热、光及生物等物理性能。陶瓷球阀透明陶瓷灯 功能陶瓷电子陶瓷：如绝缘陶瓷、介电陶瓷、铁电陶瓷、压电陶瓷、磁性陶瓷、导电陶瓷、超导陶瓷等；热学陶瓷：如耐热陶瓷、隔热陶瓷、导热陶瓷等；光学陶瓷：如透明陶瓷、红外辐射陶瓷、发光陶瓷等；生物陶瓷：如生物活性陶瓷、医用陶瓷等。按特性分类，功能陶瓷可分为：稀土发光陶瓷 六陶瓷材料的制备工艺简介陶瓷烧结炉胚体成型胚体烧结精加工粉体制备 粉体制备是指将各种原料通过物理机械或化学方法，制成所需的粉体。物理粉碎法化学合成法粉体制备方法1、粉体制备 物理粉碎法物料粉碎法分为：机械粉碎和气流粉碎。机械粉碎优点：设备成本低，过程简单，易操作。缺点：杂质多，粉体粒度一般在1μm以上。气体粉碎 优点：高纯度、粒度可控，均匀性好，颗粒微细；缺点：过程复杂，不易操作。通过从固相到固相的化学反应，来制备粉体。热分解反应法：A(s)→B(s)十C(g)化合反应法：A(s)+B(s)→C(s)+D(g)氧化还原法或还原碳化、还原氮化如：3SiO2+6C+2N2→Si3N4+6CO化学合成法一：固相法化学合成法包括：固相法、液相法和气相法。化学合成法 以均相的溶液为出发点，通过各种方法使溶质与溶剂分离，溶质形成一定大小和形状的颗粒，得到所需粉末的前躯体，热解后得到粉体。以ZrO2陶瓷粉体为例：ZrSiO4+NaOH—ZrO2+Na2SiO3（1）水热法：化学合成法二：液相法 （2）水解法：四氧化锆氯化钇循环加水分解水合氧化锆氧化锆纳米粉焙烧（3）喷雾法：氧化锆粉+分散剂+粘结剂氧化锆粉体 直接利用气体或通过某种手段将物质变为气体，使之在气体状态下发生物理化学反应，最后在冷却过程中凝聚长大形成纳米微粒。化学气相沉积法化学合成法三：气相法 2、胚体成型注浆成型模压成型等静压成型流延成型挤压成型注射成型其它胚体成型方法 对注浆成型所用的浆料，必须具备以下性能：流动性好稳定性好（不易沉淀和分层）脱模性好缺点：劳动强度大不易自动化收缩形变大注浆成型（传统成型） 四柱式液压成型机模压受力分布优点：工艺简单、易自动化生产。缺点：胚体有明显的各向异性，不适用形状复杂的制品。模压成型 等静压成型；又称静水压成型，利用液体介质不可压缩性和均匀传递压力性的一种成型方法。胚体密度高制品密度接近理论密度不易变形优点设备投资成本高不易自动化生产效率不高缺点等静压成型 （专用于制作陶瓷薄膜）料浆薄膜基带刮刀流延成型薄膜制备过程成品（陶瓷电容器）优点：工艺稳定，生产效率高，自动化程度高，可制备厚度为10-1000μm的高质量陶瓷薄膜。缺点：胚体粘结剂含量高，胚体密度小，烧成收缩率高达20-21%。流延成型薄膜制备加工处理料浆制备工艺： 挤压成型：适用于连续化批量生产管、棒状制品，易自动化。注射成型：间歇式的操作过程，可生产结构复杂的制品。挤压成型注射成型其它成型方法 宏观变化：体积收缩、致密度提高、强度增加。微观变化：晶粒长大，气孔减少。胚体烧结：是指把成型胚体转变为致密体的工艺过程。3、胚体烧结 常压烧结：烧结胚体在无外加压力、只在常压下，即自然大气条件下，置于窑炉中，进行烧结。优点：设备简单便宜，最传统、最简便、最广泛的一种方法。常压烧结（普通烧结） 热压烧结：在烧结过程中同时对坯料施加压力，加速了致密化的过程。烧结温度低烧结时间短制品密度高优点设备价格成本高生产率低缺点热压烧结 对于空气中很难烧结的制品，为防止其氧化等，研究了气氛烧结方法。即在炉膛中通入一定的气体（惰性气体），在此气氛下进行烧结。如Si3N4、SiC等非氧化物，在高温下易被氧化，因而需要在惰性气体中进行烧结。气氛烧结 陶瓷材料属于硬脆材料，其特点是：硬度大，质脆，不变形。与金属加工不同，陶瓷加工一般是很难的。先进陶瓷的精细加工已经成为一门专门技术。4、陶瓷材料及构件的精加工 力学的——化学的——光化学的——光刻电化学的——电解抛光电学的——————光学的——激光加工磨料加工：磨削、研磨、抛光等刀具加工：切割蚀刻：磨削、研磨、抛光等化学抛光电火花加工电子束加工离子束加工等离子束加工陶瓷精加工种类以力学加工为主 磨削加工设备：外圆磨床：磨削各种圆柱体、外圆锥体的外圆。平面磨床：加工工件的平面、斜面、成型面。抛光机：使陶瓷件形成光滑的表面。磨削加工 工业上，最常用的是磨料切割，其多数采用金刚石砂轮进行切割，可以得到精度相当高的切割面。切割机金刚石砂轮切割加工 对直径在一定范围的孔，广泛采用金刚石钻头（空心钻头）进行圆孔加工。陶瓷打孔机金刚石钻头打孔加工 激光切割机激光打孔机超声波打孔机激光、超声波加工 七、陶瓷材料的应用 民用陶瓷 电子元器件･IC基板 セラミック軸受の特徴：耐食･耐薬品性、耐熱性、高剛性、軽量、高速回転、非磁性、無発塵ＮＴＮ㈱,http://www.ntn.co.jp/陶瓷轴承 耐磨器件 半导体相关部件 精密测量用部件 医疗、食品机械 日用陶瓷制品 尖晶石透明陶瓷光学石英玻璃光学陶瓷制品 航空航天应用 氧化铝陶瓷绝缘材料高压钠灯常见先进陶瓷的应用热学：熔点很高，可作高级耐火材料，如坩埚、高温炉管等。力学：硬度大，可以制造实验室使用的刚玉磨球机。光学：用高纯度的原料，使用先进工艺，还可以使氧化铝陶瓷变得透明，可制作高压钠灯的灯管。电学：目前国内外常用的电子绝缘材料是都是Al2O3陶瓷。 人造宝石红宝石和蓝宝石的主要成分都是Al2O3。红宝石呈现红色是由于其中混有少量含铬化合物；蓝宝石呈蓝色则是由于其中混有少量含钛化合物。 氧化锆陶瓷结构陶瓷方面：由于其高韧性、高抗弯强度、高耐磨性，优异的隔热性能、热膨胀系数接近于钢等优点，因此被广泛应用于结构陶瓷领域。轴承瓷球刀具陶瓷球阀高尔夫球的轻型击球棒 功能陶瓷方面：优异的耐高温性能：感应加热管、耐火材料、发热元件等。敏感的电性能参数：氧传感器、固体氧化物燃料电池和高温发热体等。超高温氧化锆窑具（耐火材料）汽车用氧传感器氧化锆陶瓷管 特性：密度小、本身具有润滑性，耐磨损，抗腐蚀能力强（除氢氟酸外，不与其他无机酸反应）；高温时也能抗氧化，抵抗冷热冲击性能强，在空气中加热到1000℃以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂。正是Si3N4陶瓷具有如此良好的特性，人们常常用它来制造轴承、汽轮机叶片、机械密封环、永久性模具等机械构件。氮化硅陶瓷 SiC陶瓷：除了具有优良的常温力学性能，还具有优良的高温力学性能。SiC陶瓷是已知陶瓷材料中高温力学性能(强度、抗蠕变性等)最佳的。高温轴承（1300℃）高温防腐换热器缺点是脆性较大，为此近几年以SiC陶瓷为基的复相陶瓷，如纤维补强、异相颗粒弥散强化材料相继出现，改善了单体材料的韧性和强度。碳化硅陶瓷 钛酸钡陶瓷BaTiO3陶瓷是一种介电材料，其介电常数高，介电损耗低，用钛酸钡陶瓷制成的多层陶瓷电容器，最小尺寸可达0.2mm×0.1mm×2μm，其电容值却可达250μF。电容示意图多层陶瓷电容器电路板 七、陶瓷科学与工程的研究内涵材料科学的主要任务：研究材料的成分(Composition)、结构(Microstructure)和性能(Properties）之间的关系。陶瓷材料学是材料科学与工程的一部分，亦是研究材料的合成与制备、组成与结构、性能与使用效能四者关系与规律的科学； 陶瓷科学与陶瓷工程陶瓷科学偏重于研究材料的合成与制备—组成—性能与使用效能本身及相互关系的规律；陶瓷工程着重利用这些规律，研制、开发新材料、新产品。 八、陶瓷材料的研究方法基本思路：化学组成结构性能决定决定优化优化