无机非金属专业导论-先进陶瓷材料共75页文档
无机非金属专业导论 先进陶瓷材料发展动态
美国国防部
由美国国防部资助，从2005 年开始执行，为期4 年， 每年投资1500 万美元。目的是开发新的技术和创新点 来弥补特定的技术需求。计划分为检测（传感技术、 遥感与报警等）；模型与模拟战场；保护；自净化四 部分，其中与纳米陶瓷材料相关的内容是开发军用防 护服、防毒面具、净化系统和掩护材料系统。
无机非金属专业导论 先进陶瓷材料发 展动态
先进陶瓷发展概述
先进陶瓷最初在二次世界大战时引起人们关注，美国 在战舰上安装声纳装置，使用了压电水晶的原理，用 钛酸钡陶瓷做成超声波振动发射与接收的电子器件。
20世纪60年代，开始将耐高温的陶瓷材料部件使用于 高速飞行器件中的耐热瓦等关键部位。
70年代后期，目光转向了耐高温的陶瓷材料，试图用 陶瓷替代发动机内部高温部件甚至研制全陶瓷发动机。 陶瓷材料的强韧化和纤维复合化技术得到迅速发展。
美国国防部
用于地面运输保护的陶瓷瓦连续动力学过程研究 美国国防部陆军坦克汽车研究开发工程中心资助进行 用于地面运输保护的陶瓷瓦连续动力学过程，资助时间 为2004年8月，受资助的单位为IAP研究有限公司。项目 的内容是开发基于碳化硅防弹瓦的动态磁固结方法，以 提高防弹瓦的性能并减小花费。
美国国防部
2005年3月，德国发明一种新型陶瓷电容。该产品专为 没有采取安全措施的应用而设计，在这些应用中电容通 常永久性与正极相连，通过串联连接该电容可降低电路 危险，同时无需其他安全措施，因此适合于用户产品的 现有设计和布局。
欧盟发展概况
欧洲是高档建筑卫生陶瓷最发达的地区，其中以意大 利和西班牙为建筑卫生陶瓷工业的领头羊。欧洲的建 筑卫生陶瓷工业在实现自动化与机械化的同时，在坯 料与釉料制备方面颇具技术实力与开发能力，估计领 先其他国家20～30年。欧洲建筑卫生陶瓷业非常注重 采用先进的釉料技术，拥有一大批著名的专业性很强 的陶瓷釉料和陶瓷熔块、色料公司。如英国魏基伍德 公司与道顿公司。德国的迪高沙与凯勒公司，意大利 的海马与西斯特勒公司，西班牙亚卡迪和欧莱等专业 化公司等。
6无机非金属材料学课件-第三章第四节-陶瓷基本特征
无机非金属材料学
小结
总体来说，陶瓷材料的弹性模量与组成相 的种类和分布、气孔率及温度等的关系密 切，而与材料中各相的晶粒大小及表面状 态的关系不大，结构敏感性较小。
无机非金属材料学
➢ 陶瓷材料的机械强度
材料在外力作用下抵抗其破坏的能力。
无机非金属材料学
➢ 陶瓷的强度
陶瓷材料的强度，特别是用作高温结构材料的强度是材 料力学性能的重要表征。
E = E1V1 + E2V2+ 这里Vi代表各相占据的体积分数。 2）复合材料： 通常有 E > E1V1 + E2V2+ 这里Vi代表各相占据的体积分数。
无机非金属材料学
影响陶瓷材料弹性模量的几个因素
3）材料的组成相及显微结构： 随着气孔率的增加，陶瓷的弹性模量急剧下降。
4）弹性模量的数值与温度关系： 随温度的升高，原子间距增大，相互作用力减小，陶瓷 材料的弹性模量值降低， 但对某些材料也有例外，石英等材料随温度升高，弹性 模量值也随之增加。
αl=(dl/l)(1/dT)
l代表线度
➢如果将线度l换成体积V，就得到体膨胀系数
αV=(dV/VdT)
V代表体积
说明：对于各向异性的材料，需要在三个方向上的热膨胀系数 分量进行描述，如单晶；对于立方晶体和各向同性的材料，则 只需要一个量描述热膨胀系数，并且有：
α=3αl
无机非金属材料学
热膨胀
材料的热膨胀系数可正可负，与原子振动有关，亦即原子间排斥能 的变化大于吸引能时，原子间的平均距离增大，晶体体积增加，热 膨胀系数大于0，反之，热膨胀系数小于0.
无机非金属材料学
热应力
➢热应力是指在加热和冷却过程中，材料的热膨胀和收缩受 阻而产生的一种内应力，其本质是材料内部热膨胀不均匀。
无机非金属材料导论3章陶瓷
传统陶瓷
品种 水泥等胶凝材料 陶瓷 耐火材料 玻璃 搪瓷 铸石 研磨材料 多孔材料 碳素材料 非金属矿
品种示例 硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、石灰、石膏等 粘土质、长石质、滑石质和骨灰质陶瓷等 硅质、硅酸铝质、高铝质、镁质、铬镁质等 硅酸盐 钢片、铸铁、铝和铜胎等 辉绿岩、玄武岩、铸石等 氧化锆、氧化铝、碳化硅等 硅藻土、蛭石、沸石、多孔硅酸盐和硅酸铝等 石墨、焦炭和各种碳素制品等 粘土、石棉、石膏、云母、大理石、水晶和金刚石 等
新型陶瓷
品种 绝缘材料
铁电和压电材料 磁性材料
导体陶瓷 半导体陶瓷
光学材料
高温结构陶瓷 超硬材料 人工晶体 生物陶瓷 无机复合材料
品种示例
氧化铝、氧化铍、滑石、镁橄榄石质陶瓷、石英玻璃 和微晶玻璃等
钛酸钡系、锆钛酸铅系材料等
锰—锌、镍—锌、锰—镁、锂—锰等铁氧体、磁记录 和磁泡材料等 钠、锂、氧离子的快离子导体和碳化硅等
钛酸钡、氧化锌、氧化锡、氧化钒、氧化锆等过滤金 属元素氧化物系材料等 钇铝石榴石激光材料，氧化铝、氧化钇透明材料和石 英系或多组分玻璃的光导纤维等 高温氧化物、碳化物、氮化物及硼化物等难熔化合物
碳化钛、人造金刚石和立方氮化硼等
铝酸锂、钽酸锂、砷化镓、氟金云母等
长石质齿材、氧化铝、磷酸盐骨材和酶的载体材料等
4. 钡长石的熔点更高，其熔融稳定范围不宽，普通陶瓷产品不采 用它。
（三）长石在陶瓷生产中的作用
长石在高温下熔融，形成粘稠的玻璃熔体，是坯料中碱金属氧化物 （K2O，Na2O）的主要来源，能降低陶瓷坯体组分的熔化温度，有利于成瓷 和降低烧成温度。
熔融后的长石熔体能熔解部分高岭土分解产物和石英颗粒。
是粘土中常见的粘土矿物，主要由高岭石组成的粘土称为高岭土。
无机非金属材料工学陶瓷
以 Fe2O3计算赤铁矿（Fe2O3），多为黏土带入。
2
以TiO2计算金红石（TiO2），多为黏土带入。
3
剩余的SiO2为石英。
4
二、示性矿物的计算
三、根据矿物组成计算配方
主要是要考虑黏土中的长石、石英。计算黏土含量时应扣除其中的长石、石英，而计算长石、石英时应考虑黏土已经存在的量。
四、由化学组成计算配方
收缩性， 干燥收缩和焙烧收缩；
烧结温度与烧结范围
四、粘土的工艺性质
五、陶瓷中粘土的作用
粘土在陶瓷中起粘结作用。
第二节 石英
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PART.04
性质：以SiO2为主，其他杂质很少。
02
种类：脉石英、石英砂岩、石英岩（变质）、石英砂；
01
一、种类和性质
二、石英的相变
加快干燥；
原料的预处理和精选；（石英预烧、清洗等，注意：书P245，β-石英是错误的）
原料的粉碎；
泥浆的筛分、除铁、搅拌；
三、工艺要点
泥浆的脱水；
陈腐，即将泥料在一定温度、湿度的环境下储存一定时间，使泥料中的水分分布更加均匀，黏土颗粒充分水化和产生离子交换，细菌使有机物分解为腐殖酸，从而提高泥料的可塑性；
3
二、示性矿物的计算
二、示性矿物的计算
以Al2O3的含量总量减去长石中的Al2O3的含量，剩余的Al2O3计算高岭石（Kao：Al2O3·2 SiO2·2H2O）或蒙脱石（Mt：CaO·Al2O3·4 SiO2·nH2O）伊利石（I：K2O·3Al2O3·6 SiO2·2H2O）。
以MgO计算菱镁矿（MgCO3）或滑石（3MgO·4 SiO2· H2O）。
第九章 先进陶瓷材料
自蔓延高温合成的优点
自蔓延高温合成方法的主要优点有：①节省时 间，能源利用充分；②设备、工艺简单，便于 从实验室到工厂的扩大生产；③产品纯度高、 产量高等，张宝林等人详细研究了硅粉在高压 氮气中自蔓延燃烧合成Si3N4粉。认为：①在 适当条件下，硅粉在100—200s内的自蔓延燃 烧过程中可以完全氮化，产物含氮量达39％ (质量分数)以上，氧含量为0.33％(质量分数)， 生成β -Si3N4相；②在硅粉的自蔓延燃烧反应 中，必须加入适量的Si3N4晶种；③硅粉SHS 燃烧波的传布速度随氮气压力升高、反正物填 装密度减小而增大，但与反应物组成无关。文 献提
－Si3N4的碳热还原合成
此外，还有用此法生产β́-Sialon粉体的报导， 以天然高岭土为原料制备β́-Sialon粉体的反 应设备简单，成本低，过程易控制，其本质是 利用强还原剂在高温下将高岭土还原，打开 Si—O键，并在氮气氛中进行氮化。
粉体涂碳法
(2)粉体涂碳法 粉体涂碳法首先是由 Glatmaier and Koc提出的。由涂碳SiO2通 过碳热还原和氮化方法制备Si3N4粉，如用 Si3N4粉作为种子添加到涂碳前驱体中将大大 加速氮化反应。丙烯(C3H6)作为涂层气体，所 得颗粒尺寸小0.3-0.7μ m，比表面积4.5m2·g1，氧的质量分数为1.2％。
例如 Mg(OH)2脱水反应
例如，Mg(OH)2的脱水反应，按反应方程式(16-2)生成MgO粉 体，是吸热型的分解反应。
热分解的温度和时间，对粉体的晶粒生长和烧结性有 很大影响，气氛和杂质的影响也是很大的。为获得超 微粉体(比表面积大)，希望在低温和短时间内进行热 分解。方法之一是采用金属化合物的溶液或悬浮液喷 雾热分解方法。为防止热分解过程中核生成和成长时 晶粒的固结需使用各种方法予以克服。例如，在针状 γ -Fe2O3超微粉体制备时，为防止针状粉体间的固结 添加SiO2。
无机非金属陶瓷材料学
常压下有七种结晶态和一种玻璃态，在一定条件下相互转化：
-石英
870℃
1470℃
-鳞石英
-方石英
±16%
±4.7%
163℃ ±0.2%
1713℃ 熔融态石英 退火
573℃ ±0.82%
-鳞石英
180~270℃ ±2.8%
Байду номын сангаас石英玻璃
117℃ ±0.2%
-石英
γ-鳞石英
-方石英
方石英电镜照片
麟石英电镜照片
第二节 硅质原料 第三节 粘土类原料 第四节 熔剂性原料
石英-SiO2 物理性质
外观：视其种类不同而异，大多呈现乳白色，有的呈现灰白色， 半透明状态，断面具有玻璃光泽或脂肪光泽； 硬度：莫氏硬度为7； 密度：晶型不同密度不同，变动范围2.22-2.65； 化学稳定性：具有强耐酸腐蚀能力；与碱作用生成可溶性硅酸盐； 与碱金属氧化反应生成硅酸盐与玻璃态物质； 熔融温度：1400~1770℃，由SiO2的形态和杂质含量所决定。
无机非金属陶瓷材料学
传统陶瓷
陶瓷的诞 生 从陶到瓷的演变
陶瓷制备工艺
原料及配方计算 陶瓷配体结构与形成
陶瓷的烧成及后期加 工改性
现代陶瓷
新型陶瓷制备工艺 结构陶瓷及其商业应用 电功能、磁功能陶瓷 敏感陶瓷及生物陶瓷
传统陶瓷是指以硅酸盐矿物为主料，经粉碎、混合、成型、煅烧 而制成的，以多晶聚集体为主的固态物质。
石英粉，绢云母，氧化铝，莫来石，锂辉石， 白玻璃粉，滑石，高岭土，氧化铝，钾长石， 水洗高岭土，钠长石。
2 配方计算
5 陶瓷烧成
钾长石
钠长石
K2O·Al2O3·6SiO2 Na2O·Al2O3·6SiO2
材料讲堂：先进陶瓷材料(纯本人制作)(共43张PPT)
常见先进陶瓷的应用
先进陶瓷材料
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陶瓷是陶瓷材料中高温力学性能(强度、抗蠕变性等)最正确的。
先进陶瓷材料
激光切割机
激光打孔机
超声波打孔机
先进陶瓷材料
第三章 常见先进陶瓷的应用
光学石英玻璃
刚玉陶瓷
尖晶石透明陶瓷
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。
生产率低
价格：31万欧元（￥260万）
陶瓷材料的制备工艺
➢ 3. 气氛烧结
✓ 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。
先进陶瓷材料
劳动强度大
不易自动化
电微学观的 变化—：—晶—稳粒—长定—大—，性气孔好减〔少。不易沉淀和分层〕
收缩形变大
脱模性好 高温轴承（1300℃）
注射成型：间歇式的操作过程，可生产结构复杂的制品。
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。
胚体烧结 是指把成型胚体转变为致密体的工艺过程。
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。
无机非金属材料陶瓷(概念、制备工艺、性能等)
Deliang Chen (Zhengzhou University)
2010-10-7
Deliang Chen (Zhengzhou University)
陶器
先进陶瓷（微米级）微米陶瓷
先进陶瓷（纳米级）纳米陶瓷
原料优化陶瓷工艺改进陶瓷理论的发展显微结构分析进展
性能研究和无损评价开发多学科之间的渗透陶瓷工艺的革新超细粉末和颗粒学的进展陶瓷的再开发和再评价
多学科的发展
陶瓷的新应用高性能和具有新性能陶瓷的出现和研究传统陶瓷
高铝质粘土和瓷土的应用
高温技术发展釉的发明中国陶瓷材料发展的路线图
2010-10-7
Deliang Chen (Zhengzhou University)
Silicate Ceramics
2010-10-7Deliang Chen (Zhengzhou University)10
各种功能和特性的新型陶瓷及其应用类型如下表：
2010-10-7Deliang Chen (Zhengzhou University)11续表
2010-10-7Deliang Chen (Zhengzhou University)12
续表
续表
2010-10-7Deliang Chen (Zhengzhou University)13
烧结过程如右图所示。
图中(a)表示烧
时，颗粒有的彼此以点接触，有的则
(a)—(b)表明随烧结温度的提高和时间的延长，开始产生颗粒间的键合和重排过程。
这时颗粒因重排而互相靠拢，(a)中的大空隙逐渐消失，气孔的总体积逐渐减少；但颗粒之间仍以。
无机非金属材料工程专业陶瓷材料科学与工程期末结课论文
无机非金属材料工程专业陶瓷材料科学与工程期末结课论文近年来，无机非金属材料工程专业迅速发展，成为了材料工程领域中备受关注的研究方向之一。
在该领域中，陶瓷材料科学与工程作为一种重要的研究对象，受到了广泛的关注和研究。
本文将重点阐述陶瓷材料的定义、种类及其应用。
一、陶瓷材料的定义陶瓷材料是一类通过烧结过程进行制备的材料，其主要成分是氧化物和其他无机物质。
这类材料具有高温稳定性和较好的耐腐蚀性能，因此在高温结构材料和骨科材料等方面得到了广泛的应用。
陶瓷材料制备工艺一般包括原料粉末的制备、成型、烧结等过程。
二、陶瓷材料的种类根据材料化学成分，陶瓷材料可分为氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷和复合陶瓷等几类。
1.氧化物陶瓷氧化物陶瓷包括氧化铝、氧化锆、氧化硅等。
这类材料的主要特点是硬度高、密度大、热膨胀系数低、耐热性好等。
2.非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷主要包括碳化硅、氮化硅、碳化钛等。
这类材料具有高硬度、高强度、耐磨损、抗腐蚀等优点，因此在极端环境下得以应用。
3.复合陶瓷复合陶瓷是由两种或两种以上的陶瓷材料混合制备的材料。
这类材料的主要特点是耐高温、热膨胀系数低、高硬度等。
目前复合陶瓷的应用领域非常广泛，包括电池极板、机械零件、高温装备等等。
三、陶瓷材料的应用由于陶瓷材料具有高硬度、耐腐蚀、高温稳定性等优点，其应用领域非常广泛。
下面列举几个常见的应用场景：1.骨科由于陶瓷具有生物惰性、耐腐蚀、生物相容性等特点，因此在骨科植入物制备中得到了广泛的应用。
例如人工关节、牙科种植物等。
2.电子陶瓷材料具有优异的绝缘性能和介电性能，因此在电子元器件和电路板制造中得到了广泛的应用。
例如陶瓷电容器、陶瓷电视机管等。
3.高温结构材料由于陶瓷具有高温稳定性和耐腐蚀性能，因此在高温炉、火箭推进器等高温环境下起到了重要作用。
总之，无机非金属材料工程专业陶瓷材料科学与工程作为一种重要的研究领域，其研究方向与工程应用前景广阔。
随着科技的不断发展和新型材料的不断涌现，相信在不久的将来，陶瓷材料会有更加广泛的应用。
(完整word版)无机非金属材料概论
无机非金属材料概论无机非金属材料(inorganic nonmetallic materials）是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。
是除有机高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称.无机非金属材料的提法是20世纪40年代以后，随着现代科学技术的发展从传统的硅酸盐材料演变而来的。
无机非金属材料是与有机高分子材料和金属材料并列的三大材料之一。
常见种类二氧化硅气凝胶、水泥、玻璃、陶瓷。
成分结构在晶体结构上，无机非金属的晶体结构远比金属复杂，并且没有自由的电子.具有比金属键和纯共价键更强的离子键和混合键。
这种化学键所特有的高键能、高键强赋予这一大类材料以高熔点、高硬度、耐腐蚀、耐磨损、高强度和良好的抗氧化性等基本属性，以及宽广的导电性、隔热性、透光性及良好的铁电性、铁磁性和压电性.硅酸盐材料是无机非金属材料的主要分支之一，硅酸盐材料是陶瓷的主要组成物质.应用领域无机非金属材料品种和名目极其繁多，用途各异,因此，还没有一个统一而完善的分类方法.通常把它们分为普通的（传统的）和先进的（新型的）无机非金属材料两大类。
传统的无机非金属材料是工业和基本建设所必需的基础材料。
如水泥是一种重要的建筑材料；耐火材料与高温技术，尤其与钢铁工业的发展关系密切;各种规格的平板玻璃、仪器玻璃和普通的光学玻璃以及日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷和电瓷等与人们的生产、生活休戚相关。
它们产量大，用途广。
其他产品,如搪瓷、磨料(碳化硅、氧化铝）、铸石（辉绿岩、玄武岩等）、碳素材料、非金属矿(石棉、云母、大理石等）也都属于传统的无机非金属材料.新型无机非金属材料是20世纪中期以后发展起来的，具有特殊性能和用途的材料。
它们是现代新技术、新产业、传统工业技术改造、现代国防和生物医学所不可缺少的物质基础。
主要有先进陶瓷（advanced ceramics）、非晶态材料(noncrystal material>、人工晶体<artificial crys-tal〉、无机涂层(inorganic coating）、无机纤维(inorganic fibre〉等。
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55、 为 中 华 之 崛起而 读书。 ——周 恩来
39、没有不老的誓言，没有不变的承 诺，踏 上旅途 ，义无 反顾。 40、对时间的价值没有没有深切认识 之 事 常成 于困约 ，而败 于奢靡 。——陆 游 52、 生 命 不 等 于是呼 吸，生 命是活 动。——卢 梭
无机非金属专业导论-先进陶瓷材料
36、“不可能”这个字(法语是一个字 )，只 在愚人 的字典 中找得 到。--拿 破仑。 37、不要生气要争气，不要看破要突 破，不 要嫉妒 要欣赏 ，不要 托延要 积极， 不要心 动要行 动。 38、勤奋，机会，乐观是成功的三要 素。(注 意：传 统观念 认为勤 奋和机 会是成 功的要 素，但 是经过 统计学 和成功 人士的 分析得 出，乐 观是成 功的第 三要素 。