结构材料陶瓷材料新材料概论ppt课件

胚体成型方法
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
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➢ 注浆成型（传统成型）
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
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➢ 模压成型
模压受力分布
四柱式液压成型机
✓ 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。
其原料一般经一系列人
工合成或提炼处理过的化
先 进
工原料，超出了传统陶瓷
陶
的概念和范畴，是高新技
瓷
6 术的产物。
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 加工 性能
用途
烧结温度一般在1350℃以 结构陶瓷烧成温度在1600℃左右， 下，以煤-油-气为燃料 功能陶瓷需要精确控制烧成温度
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3.3. 陶瓷材料的性能特点
☺ 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
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4.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
新材料概论
第一章 新型高性能结构材料
一、新型金属材料 二、新型陶瓷材料 三、新型合成高分子材料 四、新型复合材料
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第二节 陶瓷材料
金属材料 陶瓷材料 高分子材料 复合材料
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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。
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➢ 切割加工
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。
金刚石砂轮
切割机
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➢ 打孔加工
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。
金刚石钻头
陶瓷打孔机
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➢ 激光、超声波加工
激光切割机
激光打孔机
超声波打孔机
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6. 陶瓷材料的应用
航空航天应用
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常见先进陶瓷的应用
❖ 氧化铝陶瓷
❖ 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。
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高压钠灯 绝缘材料
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。
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❖ 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。
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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。
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3. 按性能和用途分类：
结构陶瓷
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。
陶
蚀刻：磨削、研磨、抛光等
瓷 化学的 —— 化学抛光
精 光化学的 ——光刻
加 电化学的 ——电解抛光
工
种 类
电火花加工
电学的
——
——
——
电子束加工 离子束加工
等离子束加工
光学的 ——激光加工
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➢ 磨削加工
✓ 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。
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1.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。
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2.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
普 通 陶
材料；
瓷
先进陶瓷
挤压成型
注射成型
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3、胚体烧结
胚体烧结：是指把成型胚体转变为致密体的工艺过程。
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。
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➢ 常压烧结（普通烧结）
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。
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民用陶瓷
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电子元器件･IC基板
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陶瓷轴承
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
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ＮＴＮ㈱,
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耐磨器件
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半导体相关部件
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精密测量用部件
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医疗、食品机械
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日用陶瓷制品
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光学陶瓷制品
光学石英玻璃
尖晶石透明陶瓷
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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
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化学合成法二：液相法 以均相的溶液为出发点，通过各种方法使溶质与溶剂
✓ 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。
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4、陶瓷材料及构件的精加工
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。
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以力学加工为主
力学的 —— 磨料加工：磨削、研磨、抛光等 刀具加工：切割
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❖ 碳化硅陶瓷
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。
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➢ 等静压成型
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。
优点 缺点
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胚体密度高 制品密度接近理论密度 不易变形
设备投资成本高 不易自动化 生产效率不高
➢流延成型（专用于制作陶瓷薄膜）
工艺： 料浆制备 薄膜制备 加工处理
料浆 刮刀
基带
薄膜
流延成型薄膜制备过程
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。
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3.2. 陶瓷材料的结合键特点
陶瓷材料的主要成分是氧化物(Al2O3，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。
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：
（1）水热法： ZrSiO4+NaOH—ZrO2+Na2SiO3
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（2）水解法：
四氧化锆 循环加水分解
水合氧化锆 焙烧 氧化锆纳米粉
氯化钇
（3）喷雾法：
氧化锆粉+分散剂+粘结 剂
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氧化锆粉体
2、胚体成型
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%。
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➢其它成型方法
✓ 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。
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
陶瓷等稀土。
发
光
陶
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瓷
5. 陶瓷材料的制备工艺简介
粉体制备 胚体成型 胚体烧结 精加工
陶 瓷 烧 结 炉
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1、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 粉体制备方法
化学合成法
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➢ 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
气体粉碎
☺ 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。
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➢ 化学合成法
化学合成法包括：固相法、液相法和气相法。
☺ 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。