第三章 先进无机材料

• ③涂层破坏过程及其机制的研究：如涂层缺陷及 其形成，涂层应力及其形成、分布及消除途径， 涂层与底材解离过程及影响因素等研究为涂层的 品质改进、工艺优化乃至涂层设计、新涂层的研 制指明方向。 • ④对涂层的形成、显微结构及其性能的研究：是 进行涂层工艺设计的基础；涂层的性能取决于涂 层的化学组成、显微结构以及它对底材的界面结 合。
• ④显微结构分析上的进步，使人们更精细的了解 陶瓷材料的结构及其组成，从而可控制地做到工 艺-显微结构-性能关系的统一，对陶瓷技术起到 了指导作用。 • ⑤陶瓷材料性能的研究使新的性能的不断出现， 大大开拓了陶瓷材料的应用范围。⑥陶瓷材料无 损评估技术发展，加强了使用上的可靠性。 • ⑦相邻学科的发展对陶瓷科学的进步起到了推动 的作用。
• ④在航空工业中，硅质高温搪瓷能有效保护高温 合金抗高温燃气腐蚀，且具有一定的隔热作用， 已在高性能涡轮喷气发动机的燃烧室和火焰稳定 器等高温部件上广泛使用以延长其寿命。航空涡 轮喷气发动机的导向叶片和涡轮叶片则用渗涂含 硅或铬和钇的铝化物涂层。 • ⑤等离子喷涂或爆震波喷涂的碳化物、氧化物和 硬质合金涂层也已用于航空发动机内各种部件的 摩擦端面。含镉、硒或硫等化合物的涂层，加涂 在发动机内一些用一般方法难以测温的部位，涂 层的变色能指示发动机运转时该部位的最高温度， 这类涂层称之为示温涂层。
• 先进陶瓷从性能上可分为：结构陶瓷和功能陶瓷 两大类。 • 结构陶瓷：是以力学机械性能为主的一大类陶瓷。 特别适用于高温下应用的则称之为高温结构陶瓷。 • 功能陶瓷：利用材料的电、磁、光、声、热和力 等性能及其耦合反应，如铁电、压电陶瓷、正 （或负）温度系数陶瓷（PTC或NTC）、敏感陶 瓷、快离子导体陶瓷等等。
• 1.先进陶瓷 产生的因素： • ①在原料上，从传统陶瓷以天然矿物原料为主体发 展到用高纯的合成化合物。 • ②陶瓷工艺技术上的进步。如成型上的等静压成型、 热压注成型、注射成型、离心注浆、压力注浆成型 和流涎成膜等成型方法；在烧成上则有热压烧结、 热等静压烧结、反应烧结、快速烧结、微波烧结、 等离子体烧结、自蔓燃烧结等。 • ③陶瓷科学理论的发展，为陶瓷工艺提供了科学上 的依据和指导，使陶瓷工艺从经验操作到科学控制， 以至发展到在一定程度上可依据实际使用的要求进 行特定的材料设计。
颗粒和晶粒降到纳米级水平由于表面与界面非常大陶瓷中的晶粒相与晶界相在量的方面几乎处在同等的水平晶界对材料性能的影响相对成为主导的因素这些使现有的陶瓷工艺以及陶瓷科学的理论都将不能完全适应
第三章 先进无机材料
• • • • 3.1 3.2 3.3 3.4 先进陶瓷 先进玻璃材料 人工晶体 无机涂层
无机材料的概念 • 无机材料是无机非金属材料的简称。 • 传统的无机材料：由硅酸盐化合物为主要组分制 成的材料，包括日用陶瓷、普通工业用陶瓷、一 般玻璃、水泥、耐火材料等。 • 先进无机材料：由氧化物、氮化物、碳化物、硅 化物以至各种无机非金属化合物经特殊的先进工 艺制成的材料。
先进玻璃材料的发展趋势 • ①从体材料发展到纤维材料和薄膜材料：玻璃钢、 超纯石英为主的光学纤维，使光纤通讯成为现实。 非晶态薄膜材料独特的记忆、存储功能在光电子 领域中的应用，利用其相变的可逆性，使它成为 可擦除重写的光盘材料。 • ②玻璃复合材料：以微晶玻璃为基体，用碳纤维 或其它无机纤维或晶须作为补强剂，形成了一类 纤维或晶须补强玻璃复合材料。利用微晶玻璃较 高的强度和断裂韧性，可以在较高温度下用作结 构材料。由于微晶玻璃热膨胀系数的可调节特性， 为这类复合材料的研究，无论从学科上和实际应 用上提供了宽广的前景。
• ③成型技术方面：突破传统的熔制技术，利用金 属醇盐水解，经聚合成三维网络的凝胶，最后通 过热处理形成玻璃。该法大大降低玻璃的制备温 度、扩大玻璃的形成范围，获得高纯度和高度均 匀的材料。 • 改进传统的工艺技术，进而融合其他材料的制 备方法和手段以谋求玻璃材料的高、新技能是当 前玻璃研究的主要动向。
2. 先进陶瓷材料研究的趋势 • ①纳米陶瓷：所谓纳米陶瓷，首先所用原料的粒 度是纳米量级的粉体，其次在显微结构中所体现 的晶粒、晶界、气孔和缺陷分布也都处在纳米级 水平。纳米陶瓷的出现将引起陶瓷工艺、陶瓷科 学、陶瓷材料的性能和应用的变革性发展。颗粒 和晶粒降到纳米级水平，由于表面与界面非常大， 陶瓷中的晶粒相与晶界相在量的方面几乎处在同 等的水平，晶界对材料性能的影响相对成为主导 的因素，这些使现有的陶瓷工艺以及陶瓷科学的 理论都将不能完全适应。纳米陶瓷的发展是当前 陶瓷研究的一个重要趋向，它将促使陶瓷材料的 研究从工艺到理论，从性能到应用都提高到一个 崭新的阶段。
无机材料的分类 • 分类： • 从结晶程度上：多晶体的陶瓷、单晶体、无定形 体或玻璃体； • 从形态上：块状材料、纤维材料和薄膜材料； • 从用途上：不仅深入到人们日常生活和各个工业 领域，而且与高技术的发展紧紧地联系在一起。
3.1 先进陶瓷
• 陶瓷：从传统工艺的含意来说陶瓷是指将粘土一 类的物料经过高温处理变成坚硬有用的多晶材料。 • 现代陶瓷：广泛含义则还包括玻璃、人工晶体、 无机涂层和薄膜等。 • 先进陶瓷：是为有别于传统陶瓷而言的。先进陶 瓷有时也称为精细陶瓷（Fine Ceramics）、新型 陶瓷（New Ceramics）、高技术陶瓷（Mightech.Ceramics）等。
• ②多相复合陶瓷：陶瓷材料本质上是一个多相结 构。在传统陶瓷中是以多组分的晶粒相和晶界相 为主的复相结构。到先进陶瓷阶段，则趋向于单 组分的晶粒相和细微的晶界相组成。而当前的研 究趋向则又回复到多相复合结构。
• 多相复合陶瓷的类型： • ①纤维或晶须补强陶瓷复合材料。它是以陶瓷为 基体，以各种组分的纤维（或晶须）作为补强剂 所形成的多项结构的复合材料。 • ②颗粒弥散型复合陶瓷。他是在陶瓷集体中加入 弥散不同化学组成的第二相颗粒所组成的复相陶 瓷。 • ③两种晶型复合的复相陶瓷。它是由同一种化学 组成的物质，但采取适当的工艺控制，得到不同 晶型和不同的晶粒形貌的复相陶瓷，以期达到自 补强的目的。
• 人工晶体在技术上的应用主要取决于晶体本身的 物理性质以及晶体在外场的作用下的激励和耦合 效应，如压电、热释电、电光、声光受激辐射、 闪烁效应以及非线性光学效应和光折变效应等。 人工晶体的这些独特的物理性质在激光技术、光 电子技术、电子技术、超导技术、 高能技术以及 医疗技术上都有着极其广泛的应用，即使在日常 生活中，如电视机、电子手表、音响设备中都可 找到人工晶体的踪迹。新的人工晶体在生长及技 术的发展和高、新技能的研究及其开拓是当前人 工晶体的主要研究趋向。
3.3 人工晶体
• 天然晶体：自然界有很多天然单晶，如金刚石、 红蓝宝石、翡翠、猫眼石、水晶等。它们都是硬 度很高、不易磨损、经琢磨后光彩夺目。 • 近代在模仿天然产物制造人工宝石方面取得了很 大进展，这些晶体有特异的技术性能诸如压电、 电光、声光等效应。天然晶体不仅用作装饰品， 而且在技术进步上产生了巨大的作用。 • 依靠天然的产物还远远不能满足需要的要求，用 人工的方法来合成各种技术晶体是高技术材料中 又一重要的内容。合成晶体引起化学组成及物理、 化学性质不同可从熔体、溶液或气相中生长，其 生长方法也因物而异。
3.4 无机涂层
• 1.涂层：是指在某种底材的表面加涂一层物质以 抵御外部环境对底材的伤害从而提高它的使用效 能或延长它的使用寿命。 • 2. 无机涂层则是用陶瓷（或玻璃态物质以至部分 金属）加涂在金属或陶瓷的底材表面以达到增效 和延寿的目的。
• 传统无机涂层的应用：陶器和瓷器表面上釉是早 为人们熟知的涂层，驰名中外的“景泰蓝”；日 常生活及工业中应用的日用搪瓷、化工搪瓷；航 空和航天技术上应用的耐热、抗氧化涂层；卫星 上应用的温控涂层；机械工业应用的耐磨涂层； 人工机体上用的生物涂层等属于无机涂层。根据 不同的用途和使用环境，无机涂层的工艺可分为： 涂覆法、喷涂法、蒸镀法、高温渗透法和阳极氧 化法等。
• ⑥在冶金、化率高的涂层和黑色 搪瓷作太阳能的光热转换涂层已在太阳能热水器中 应用。用红外发射率很高的涂层用于电热器件表面， 可大大提高热效率。 • ⑧等离子喷涂氧化物涂层加涂在钛合金人工骨中， 由于涂层对人体机体组织的相容性，防止了钛合金 的被腐蚀，再加上涂层本身的多孔性，与人体组织 有极好的粘附作用，使人工骨在人体中固定，这在 临床中已证明并得到了良好的效果。 • ⑨在军事上，利用对雷达波吸收很高的涂层和有各 种红外发射功能的涂料组成的红外迷彩能力装涂层 也正在隐身技术中开始应用。
• ④有机和无机复合的复相陶瓷。这将有可能创造 出一类处于有机材料和无机材料之间，但又不需 要采用现有无机材料所要求的那样高的温度处理 过程就可以获得的新型材料。 • ⑤金属与陶瓷复合的复相陶瓷。
3.2 先进玻璃材料
• 玻璃材料的发展经历了类似于陶瓷材料发展的历程。 • 传统玻璃：是以硅氧四面体空间网架为主体，再加 碱金属离子等作为修饰体和其它金属离子为中间体 而形成的疏松无序结构以石英玻璃和硅酸盐玻璃为 代表。 • 先进玻璃材料：硼酸盐、磷酸盐和铝硅酸盐玻璃、 微晶玻璃或称玻璃陶瓷，还有所谓金属玻璃，即含 有大量过渡元素和贵金属元素的玻璃材料，具有卓 越的磁学性能。
3. 涂层研究的特点 • ①界面研究：两种不同材料的结合必然存在界面。 涂层与底材在化学上的相容性；热膨胀系数上的 匹配；界面的应力；两者的结合强度；结合机理； 涂层形成的热力学与动力学等都是界面研究的重 要课题。 • ②涂层作用机制的研究：如涂层的抗氧化、耐腐 蚀、抗辐射、对光谱的吸收和反射、绝缘性能等 为图层配方的选择、工艺的确定提供科学评价的 标准。
4. 先进无机涂层应用举例 • ①在航天工业中，卫星用温控图层就是无机涂层 加涂在卫星表面或体内，以有效地控制卫星在太 空中运行时的体温； • ②等离子喷涂多层复合涂层，具有耐高温燃气冲 刷、隔热及与钢质底材牢固结合等的特性，以用 作大型火箭发动机喷管的隔热防热； • ③熔烧性硅化物涂层能有效保护铌合金，防止含 氮、氢、氧、氨等腐蚀介质的高温燃气（1400℃ 以上）的腐蚀，是人造卫星姿态控制火箭发动机 铌合金喷管和挡板的有效保护涂层。