先进陶瓷材料-讲义

坯 体 烧 结 技 术
无压烧结 烧结压力 真空烧结 热压烧结
热等静压烧结
气氛烧结 微波烧结 特殊加热原理 放电等离子烧结 自蔓延烧结
精密加工
陶 瓷 球 阀 磨 削 加 工
激光切割机
激光打孔机
超声波打孔机
分析测试
常用仪器 激光粒度仪 差示扫描热分析（DSC） 同步热分析（TGA/DSC） 比表面积分析仪（BET） X射线荧光光谱（XRF） X射线衍射仪 （XRD） 3D激光显微镜 扫描电镜(SEM) 原子力显微镜(AFM) 透射电镜（TEM） X射线光电子能谱（XPS） 拉曼光谱 红外光谱仪
思考题
• 先进陶瓷是什么？ • 生活中我们用到的先进陶瓷元件有哪些？
本章结束 ——谢谢！
飞雾流雪 bcybcb@163.com 20180528
电子陶瓷
超导陶瓷 光学陶瓷 功能陶瓷 生物陶瓷 磁性陶瓷 储能陶瓷
压电、光电、热释电、铁电、绝缘性
超导特性、耐低温 透波性能、透明性、荧光性 与血液、器官良好的生物相容性 磁导率、矫顽力大、硬度高 能量转换与存储特性
电子元器件、超高压绝缘子等
超导光缆、空间、电子、生物等 基板、天线罩、发光器、陶瓷传感器、激光器件等 陶瓷关节、骨骼、牙齿等 微波器件、量子无线电等 热、电、光、氢储能等
欧盟
市场份额仅次于日本和美国； 德国、法国在结构陶瓷领域重点研发；
中国
市场份额稳步增长；
我国先进陶瓷产业现状
1） 技术及新产品工程转化极度匮乏 虽然我国同样能制备出性能良好的陶瓷材料，但绝大部分仍停留在实 验室样品上，有的产品由于成本高及可靠性等问题，市场还不能接受，所 以产品的销售额与发达国家相比相差甚远。 2）高端粉体制备及分散技术远远落后 我国对陶瓷粉料的制备仍未引起足够的重视，多种陶瓷粉料尚无专业 化生产企业，许多企业不得不“自产自销”。受部分发达国家限制，国内 企业在粉料质量上仍存在较大的波动；同时，粉体的高效分散技术也存在 较大差距。 3）分析测试仪器及制造装备加工技术落后 虽然我国引进了国外先进的工艺装备，像气压烧结炉、热等静压、注 射成型机、流延机等来提高我国的技术装备水平，但因投资大，在经济上 给企业造成了很大压力，从而限制了先进陶瓷的发展。而国内仿制设备因 加工水平差距，可靠性和稳定性暂时无法与国外产品相比。
物理、化学性能
力学性能
国内外研究发展情况 日本
全球最大先进陶瓷材料生产基地； 功能陶瓷领域垄断国际市场； 业内知名企业：京瓷、东芝、旭硝 子、住友、村田、东陶
美国
全球第二大先进陶瓷材料生产基地； 国家航空和宇航局对结构陶瓷的大规模 研究与开发； 业内知名企业：格鲁曼、杜邦、赛瑞丹
举例
多孔碳化硅陶瓷制备流程简图
碳化硅、层析氧化铝、石墨原料的微观结构
碳化硅和石墨的TGA-DSC 曲线（10°C/min,空气气氛中）
不同烧结温度（1300-1500°C）相同保温时间（3h）制得的 样品XRD图谱（A代表氧化铝，C代表方石英，M代表莫来石， S代表碳化硅）
在空气气氛中烧成温度为1450°（3h）制得的二氧化硅结合碳化硅多孔陶瓷 （a）和莫来石结合碳化硅多孔陶瓷的场发射电子显微镜图；（a）、（b） 的内置图分别为他们的颈部的能谱图
先进陶瓷制备工艺及分析表征
粉体制备
坯体成型
坯体烧结
精密加工 分析测试
粉体制备 气相法
活性高 纯度高 粒径小
液相法
固相法
电 阻 加 热 法
化 学 火 焰 法
等 离 子 法
激 光 法
溶 乳 溶 熔 喷 液 液 胶 盐 雾 凝 合 干 法 法 胶 成 燥 法 法 法 -
热 烧 还 机 机 分 结 原 械 械 化 化 粉 解 法 合 学 碎 法 法 法 法 -
先进陶瓷材料 Advanced ceramic materials
飞雾流雪 20180528
目录
先进陶瓷的概念及分类 先进陶瓷国内外研究现状 先进陶瓷的制备工艺及分析表征 以多孔碳化硅结构陶瓷为例
陶 陶瓷
瓷
陶瓷的概念
传统上，陶瓷的概念是指以粘土及 其天然矿物为原料，经过粉碎混合、成
型、焙烧等工艺过程所制得的各种制品。
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先 进 陶 瓷 应 用 性 能 分 析
种 类
高温陶瓷 高强陶瓷 结构陶瓷 超硬陶瓷 耐腐蚀陶瓷
性 能
800℃以上长期使用，超高温短期使用 高韧性、高强度、良好的抗冲击性 热稳定性、化学稳定性、弹性模量优良 优良的化学稳定性和耐冲刷性能
应 用
窑炉器件、柴油机等发动机、航空航天、空间技术等 机床主轴轴承、密封环、模具等 高速磨削道具、防弹装备等 化工设备、舰船潜艇密封、金属液体防护、过滤陶瓷等
（4）硼化物，如ZrB2等，硼化物具有很强的抗氧化能力；
（5）硅化物，如MoSi2、ZrSi等，在高温使用中具有很强的抗氧化能力。
2003年2月1日
美国“哥伦比亚”号 航天飞机外部燃料箱 表面泡沫材料安装过 程中存在的缺陷，是 造成整起事故的祸首。 “哥伦比亚”号航天 飞机事故调查委员会 去年公布的调查报告 称，外部燃料箱表面 脱落的一块泡沫材料 击中航天飞机热保护 系统，是导致事故发 生的主要原因。
功能陶瓷：功能陶瓷是具有电、磁、 光、热、化学、生物等特性，且具有相 互转化功能的一类陶瓷。功能陶瓷在先 进陶瓷中约占 70%的市场份额，其余为 结构陶瓷。
结构陶瓷
（1）高熔点氧化物，如Al2O3、ZrO2、MgO、BeO等，它们的熔点一般 都在2000摄氏度以上； （2) 碳化物，如SiC、WC、TiC、B4C、ZrC等； （3）氮化物，如Si3N4、BN、AlN、TiN等，氮化物常具有很高的硬度；
亦称为“普通陶瓷”或传统陶瓷。
先进陶瓷是“采用高度精选或合成 的原料，具有精确控制的化学组成，按
照便于控制的制造技术加工、便于进行
结构设计，并且有优异特性的陶瓷。”
先进陶瓷按照性能和应用可分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类。 结构陶瓷：是指能作为工程结构材料使 用的陶瓷。它具有高强度、高硬度、高 弹性模量、耐高温、耐磨损、耐腐蚀、 抗氧化、抗热震等特性。
功能陶瓷
电功能陶瓷：
绝缘陶瓷、介电陶瓷、 铁电陶瓷、压电陶瓷、 半导体陶瓷、快离子导 体陶瓷、高温超导陶瓷
敏感陶瓷：
热敏陶瓷、气敏陶瓷、 湿敏陶瓷、压敏陶瓷、 光敏陶瓷
磁功能陶瓷：
软磁铁氧体、硬磁铁氧 体、记忆用铁电体
功能陶瓷
生物及化学功能陶 瓷：
载体用陶瓷、催化用 陶瓷、生物陶瓷
光功能陶瓷：
透明陶瓷、透明铁电陶 瓷
石墨的含量对在空气气氛中烧成温度为1450°（3h）制得的莫 来石结合碳化硅多孔陶瓷气孔率和抗弯强度的影响
Hale Waihona Puke Baidu
粒径及氧化铝对多孔碳化硅陶瓷 的高温氧化性能影响
粒径对在1450℃（3h）制得的莫来石结合 碳化硅多孔陶瓷的孔径分布影响
Materials science：ceramics
Incites journal citation reports 2016
坯体成型
成型技术
干法压制成型
塑性成型
挤压成型
浆料成型
注浆成型
固体无模成型
熔融沉积成型 三维打印成型 分层实体成型 立体光刻成型 激光选取烧结成型
干压成型
冷等静压成型
注射成型
热蜡铸成型 扎膜成型
流延成型
凝胶注模成型 原位凝固成型
坯体烧结
坯体烧结 是指把成型坯体转变为致密体的工艺过程。
固态烧结 烧结状态 液相烧结 常压烧结