陶瓷材料培训课件.ppt

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1、陶瓷材料基础与前沿介绍I-陶瓷材料种类2009年7月14日清华大学材料系刘冠伟(博士生)传统陶瓷材料与先进陶瓷材料先进陶瓷材料:结构陶瓷材料氧化物类氮化物类碳化物类先进陶瓷材料:功能陶瓷材料先进陶瓷材料:生物陶瓷材料传统陶瓷材料与先进陶瓷材料陶瓷陶器瓷器耐火材料水泥玻璃人造单晶无机非金属功能材料……陶瓷的广义定义：无机非金属材料的统称传统陶瓷材料与先进陶瓷材料传统陶瓷粘土矿物（细颗粒的含水铝硅酸盐）石英长石混合水产生塑性，利于成型加工化学成分、物理特性变化特性广烧结后变得坚硬：成瓷原料：粘土矿物主体：高岭土：景德镇市高岭山先进陶瓷（精细陶瓷）传统

2、陶瓷材料与先进陶瓷材料原料：粉体：人工合成（物理、化学手段）高纯度（几个“9”）超细（亚微米-纳米）粉体颗粒大小分布均匀1米=1000毫米1毫米=1000微米1微米=1000纳米与粉末冶金的成型工艺、烧结制度、用途方面具有相似性陶瓷-“脆”-对缺陷敏感-提高可靠性？-原料就要均匀！对陶瓷极为重要！原料（粉体）≠陶瓷材料，陶瓷材料≠陶瓷产品成型工艺烧结工艺成型工艺：干压冷等静压注浆注射成型凝胶注膜直接凝固成型先进陶瓷（精细陶瓷）“陶瓷胶态成型工艺”清华大学材料系获国家技术发明二等奖传统陶瓷材料与先进陶瓷材料流延成型传统陶瓷材料与先进陶瓷材料先进陶瓷（

3、精细陶瓷）烧结工艺：普通烧结热等静压烧结气氛保护烧结热压烧结放电等离子烧结自蔓延反应烧结施加机械压力，促进致密化施加数百个大气压的高气压，促进致密化氮气/氢气/氧气/氨气施加压力和大电流引燃原料发生放热燃烧反应，利用反应热烧结与传统陶瓷材料相比，先进陶瓷的原料多为人工合成，多为化学成份严格超纯，粉体超细，粒径分布均匀，成型工艺复杂，烧结过程控制严格。先进陶瓷材料的性能很高，具备高强、高硬、耐磨、稳定、综合的物理性能（压电，热电），在国防、工业、宇航、电子等方面使用量较大，还广泛用于生物医用领域和日常生活中。传统陶瓷材料与先进陶瓷材料传统陶瓷材料与先

4、进陶瓷材料先进陶瓷材料:结构陶瓷材料氧化物类氮化物类碳化物类先进陶瓷材料:功能陶瓷材料先进陶瓷材料:生物陶瓷材料结构陶瓷材料：氧化物类良好的高温性能（尤其是在空气中），不腐蚀不生锈，强度、硬度高、耐磨性好，绝缘性好，生物相容性好氧化物陶瓷材料1、氧化铝(Al2O3)高硬度和耐磨性陶瓷刀具，拉丝模，轴承等，化工喷嘴，阀门优良的电绝缘性陶瓷基板、电路外壳、管座等作坩埚，热电偶保护管，炉管等。高温性能好生理环境中稳定牙科移植，人工关节透明性激光器，高压钠灯，金卤灯灯管要求烧结密度极高“红宝石”，“蓝宝石”结构陶瓷材料：氧化物类2、氧化锆(ZrO2)陶瓷中

5、最高的韧性，极高的强度，热膨胀系数接近金属，适合与金属接合，常温下绝缘，高温下具有离子电导（燃料电池），良好的生物相容性。添加Y（钇），得到的3Y-TZP氧化锆，可以使氧化锆的高温晶体结构保留到室温，产生压应力，使得氧化锆陶瓷具有高韧性、高强度。问题：钇-氧化锆在150-300度下，尤其是在水汽环境中会发生老化（几-几十小时），使增韧机制失效，产生开裂，无法使用（低温老化）解决方案：掺铈或氧化铝，可以抑制低温老化结构陶瓷材料：氧化物类2、氧化锆瑞士“雷达”牌手表-黑色氧化锆陶瓷表壳耐磨性研磨介质，轴承，部分高温半导体化燃料电池，冶金工业用氧探测器，

6、高温发热件牙修复，人工关节生物材料文体生活用全陶瓷表壳，刀具，装饰品不生锈，越用越光亮，良好的光泽和质感传统陶瓷材料与先进陶瓷材料先进陶瓷材料:结构陶瓷材料氧化物类氮化物类碳化物类先进陶瓷材料:功能陶瓷材料先进陶瓷材料:生物陶瓷材料氮化物陶瓷粉末的制备方法主要有四种：（1）硅粉直接氮化法；（2）SiO2碳热还原氮化法；（3）硅亚胺热解法；（4）化学气相沉积法。氮化硅(Si3N4)粉末原料合成较复杂烧结氮化物为强共价键，结合强，非常难烧结解决方案：添加氧化铝、钇、镁，形成玻璃相降低烧结温度，高温性能劣化使用纳米粉体（烧结活性好）改进烧结技术（热压，放

7、电等离子烧结….）必须施加气氛保护，否则烧结中会氧化结构陶瓷材料：氮化物类结构陶瓷材料：氮化物类氮化硅陶瓷的性能密度：3.18g/cm3，氧化铝：3.98，氧化锆：6.06良好的绝缘性能热膨胀系数较小：2.8×10-6/℃，氧化铝：7.9×10-6/℃氧化锆：10×10-6/℃优良的化学稳定性，能耐几乎所有的无机酸和某些碱液与盐的腐蚀氮化硅的硬度高，Hv=18GPa~21GPa，仅次于金刚石、立方BN、B4C等少数几种超硬材料。较高的室温抗弯强度和断裂韧性质轻尺寸稳定性煮沸的浓盐酸（HCl）、浓硝酸（HNO3）、85%以下的硫酸（H2SO4），25

8、%以下的氢氧化钠（NaOH）、非铁的熔融金属室温抗弯强度通常在800-1050MPa，断裂韧性为6-7MPa·m1/2氮化