陶瓷工艺及功能PPT课件

，主要有气相沉积法、自蔓延高温合成 法、等离子喷涂法及激光熔覆法等。
.
20
五、金属／陶瓷功能梯度涂层工艺的应用现状
2、气相沉积法
制备FGM涂层的气相沉积法包括物理气相
沉积法(PVD)和化学气相沉积法(CVD)。这两
种方法又可细分为许多具体的工艺方法。
一般地说，气相沉积法可以制得很薄的梯
度涂层。但是，PVD法难以在复杂形状表面沉
.
15
五、金属／陶瓷功能梯度涂层工艺的应用现状
金属具有高的热导率、韧性及延展性等 性能，陶瓷硬度高、耐磨、耐蚀、耐高 温，有些陶瓷还具有隔热、绝缘或光能 转换等特殊性能。因此，如何把金属与 陶瓷的优异性能结合起来，多年来一直 是材料科学与工程研究的方向。
.
16
五、金属／陶瓷功能梯度涂层工艺的应用现状
陶瓷的工艺及功能
.
1
目录
一、简介 二、陶瓷的成分 三、传统陶瓷的基本分类 四、新型陶瓷材料的特点及分类 五、金属／陶瓷功能梯度涂层工艺的应
用现状 六、总结
.
2
一、简介
陶是瓷的源，瓷是陶的流，源远流长的 陶瓷，是古代华夏文明的起点。陶土经 500至600度的火焰烧成陶器，陶离土地 近，陶罐一般为盛水器，实用又纯朴。 瓷土经1200至1300度的窑火烧成瓷，瓷 瓶大多供赏花用，漂亮飘逸。陶的属性 更多地带有男性的阳刚之气，瓷的属性 更多地带有女性的阴柔之美。陶与瓷的 结合，精与神的交融，便有了千古佳话， 精彩喜剧。
.
18
五、金属／陶瓷功能梯度涂层工艺的应用现状
目前，FGM涂层在航空、航天、能源和 生物医学等各个领域均已获得应用［4， 9～11］。而且，FGM深层制备工艺也迅 速发展，日本、美国、英国、中国和德 国等许多国家均在进行FGM深层工艺的 研究。
.
19
五、金属／陶瓷功能梯度涂层工艺的应用现状
1、 FGM涂层工艺及应用 目前制备FGM涂层的工艺方法多种多样
.
28
.
29
五、金属／陶瓷功能梯度涂层工艺的应用现状
熔覆层材料B的初始状态有粉末状、丝状 及膏状等。涂层材料B的添加方式主要有 预置法和同步法两种。预置法主要包括 火焰喷涂、等离子喷涂、粘结剂法和粉 末松散铺展法等；同步法包括重力送粉 法、气动动态送粉法、送膏法和送线法 等。涂层材料的不同添加方法最终会影 响熔覆过程的冶金行为和涂层性能。
四、新型陶瓷材料的特点及分类
(一)结构陶瓷。 这种陶瓷主要用于制作结构零件。机械 工业中的一些密封件、轴承、刀具、球 阀、缸套等 都是频繁经受摩擦而易 磨损的零件，用金属和合金制造有时也 是使用不了多久就会损坏，而先进的结 构陶瓷零件就能经受住这种“磨难”。
.
11
四、新型陶瓷材料的特点及分类
(二)电子陶瓷 指用来生产电子元器件和电子系统结构 零部件的功能性陶瓷。这些陶瓷除了具 有高硬度等力学性能外，对周围环境的 变化能“无动于衷”，即具有极好的稳定 性，这对电子元件是很重要的性能，另 外就是能耐高温。
.
8
.
9
四、新型陶瓷材料的特点及分类
陶瓷材料中已崛起了精细陶瓷，它以抗 高温、超强度、多功能等优良性能在新 材料世界独领风骚。精细陶瓷是指以精 制的高纯度人工合成的无机化合物为原 料，采用精密控制工艺烧结的高性能陶 瓷，因此又称先进陶瓷或新型陶瓷。精 细陶瓷有许多种，它们大致可分成三类。
.
10
时、成本低廉、设备简单和操作方便等优点，SHS法
已成为制备功能梯度涂层中非常有吸引力的工艺方法。
随着研究的深入，其应用范围会不断扩大。
.
25
五、金属／陶瓷功能梯度涂层工艺的应用现状
4、等离子喷涂法
等离子喷涂法是制备FGM涂层中非常有吸引力的
工艺方法［14］。等离子喷涂方法具有如下特点［15
～17］：①等离子焰热量高度集中，可以获得很高的
.
17
五、金属／陶瓷功能梯度涂层工艺的应用现状
为此，开发了功能梯度涂层(FGM涂层)。 在FGM涂层中，沿涂层厚度方向，随涂 层厚度增加，陶瓷相成分含量逐渐增加 ，金属相成分含量则相应减小，即金属 相与陶瓷相涂层间无明显界面，很好地 解决了二者性能不相匹配的问题，最大 程度地削弱或消除了涂层中的应力，提 高涂层与基体间结合强度。
等离子喷涂依据环境介质和压力的不同 可以细分为大气等离子喷涂(APS)、高能 等离子喷涂(HPPS)、真空等离子喷涂 (VPS)、低压等离子喷涂(LPPS)、保护气 氛等离子喷涂(IPS)、水下等离子喷涂 (UPS)和感应电偶等离子喷涂等［15，16 ］。按喷涂时送粉方式或喷枪数目可以 分为单枪等离子喷涂法和双枪等离子喷 涂法。
.
12
四、新型陶瓷材料的特点及分类
(三)生物陶瓷 生物陶瓷是用于制造人体“骨骼一肌肉” 系统，以修复或替换人体器官或组织的 一种陶瓷材料。
.
13
四、新型陶瓷材料的特点及分类
精细陶瓷是新型材料巾特别值得注 意的一种，它有广阔的发展前途。这种 具有优良性能的精细陶瓷，有可能在很 大的范围内代替钢铁以及其他金属而得 到广泛应用，达到节约能源、提高效率 、降低成本的目的；精细陶瓷和高分子 合成材料相结合．可以使交通运输工具 轻量化、小型化和高效化。
.
6
三、传统陶瓷的基本分类
陶瓷制品的品种繁多，它们之间的化学 成分、矿物组成，物理性质，以及制造 方法，常常互相接近交错，无明显的界 限，而在应用上却有很大的区别。因此 很难硬性地归纳为几个系统，详细的分 类法各家说法不一，到现在国际上还没 有一个统一的分类方法。常见的分类法 是按用途应该分为五大系列，分别是工 业陶瓷、建筑陶瓷、卫生陶瓷、日用陶 瓷、还有艺术陶瓷。
.
7
三、传统陶瓷的基本分类
1、日用陶瓷：如餐具、茶具、缸，坛、盆、罐、盘、碟、碗等。 2、艺术（工艺）陶瓷：如花瓶、雕塑品．园林陶瓷器皿陈设品
等。 3、工业陶瓷：指应用于各种工业的陶瓷制品。比如说像供电的
瓷瓶，坦克、汽车、火箭里面都有用陶瓷。一般我们老百姓很少 涉足。 4、建筑陶瓷：如砖瓦，排水管、面砖，外墙砖等。 5、卫生陶瓷：洁具卫生间用的陶瓷，有如陶瓷马桶、陶瓷面盆 等。
温度(喷枪出口处火焰平均温度可以高达10000K以上)
，足以熔化任何一种难熔材料；②等离子流速度较高
，使得喷涂粒子以较大速度撞击到基体上，形成的涂
层与基体间结合强度较大；③对基体热影响小，可以
对已加工成形的工件进行表面喷涂；④易于实现自动
化，且成本适中。
.
26
五、金属／陶瓷功能梯度涂层工艺的应用现状
.
30
五、金属／陶瓷功能梯度涂层工艺的应用现状
该工艺具有如下特点：①涂层温度冷却快(高达106℃ ／s)，产生快速凝固组织；②热输入小，基体畸变小， 涂层与基体呈冶金结合；③适用的材料体系广泛；④ 可以进行选区熔覆，材料消耗少等。但是，在制备陶 瓷金属梯度涂层过程中，由于激光温度非常高，所以 ，涂层中有时会出现裂纹和孔洞等缺陷。并且，陶瓷 颗粒与金属往往发生化学反应。采用激光熔覆梯度涂 层工艺可以显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐 热及电气特性和生物活性等性能。目前，该工艺已应 用于改善航空涡轮发动机叶片、汽车缸体、汽轮机叶 片和人体置入件等的表面性能
.
3
.
4
一、简介
狭义陶瓷(传统陶瓷）：陶器、瓷器等以粘土为主要原 料的制品的通称。
早在欧洲人掌握瓷器制造技术一千多年前，中国人 就已经制造出很精美的陶瓷器。中国是世界上最早应 用陶器的国家之一，而中国瓷器因其极高的实用性和 艺术性而备受世人的推崇。
考古发现中国人早在新石器时代（约公元前8000－ 2000年）就发明了陶器。原始社会晚期出现的农业生 产使中国人的祖先过上了比较固定的生活，客观上对 陶器有了需求。人们为了提高生活的方便，提高生活 质量，逐渐通过烧制粘土烧制出了陶器。
美国、日本、中国、德国和法国等均在从事SHS法制备FGM和涂
层的研究，并在某些方面已经获得了成功应用。
.
23
五、金属／陶瓷功能梯度涂层工艺的应用现状
SHS梯度涂层技术的基本原理是在金属基体上 预先铺敷或粘结成分呈梯度变化的涂层，在压 力下局部点火引燃化学反应，利用反应放出的 热使反应持续进行，同时使基体金属表面短时 间内达高温熔化，涂层与基体间形成冶金结合 ，从而制得高粘结强度的梯度涂层。另外，也 可以预置成分均匀的陶瓷粉涂层，由于反应过 程中的陶瓷粉涂层中往往产生至少一种液相的 移动有助于成分的再分布，最终可以在纯陶瓷 层和纯金属基体间形成一个成分连续变化的梯 度过渡层。
.
5
二、陶瓷的成分
陶瓷，陶器和瓷器的总称。陶瓷的传统 概念是指所有以粘土等无机非金属矿物 为原料的人工工业产品。它包括由粘土 或含有粘土的混合物经混炼，成形，煅 烧而制成的各种制品。由最粗糙的土器 到最精细的精陶和瓷器都属于它的范围。 对于它的主要原料是取之于自然界的硅 酸盐矿物(如粘土、长石、石英等)，因此 与玻璃、水泥、搪瓷、耐火材料等工业， 同属于“硅酸盐工业”的范畴。
.
24
五、金属／陶瓷功能梯度涂层工艺的应用现状
现在，俄罗斯、美国、日本和中国等许多国家采用 SHS涂层工艺，已成功地制备出了在圆形钢管内壁， 具有成分梯度分布的陶瓷复合钢管。SHS梯度陶瓷复 合钢管具有优良的耐磨、耐蚀性能，且耐烧蚀。因此， 在石油、化工、海洋和军事等工业中有广泛应用前景。
可见，由于SHS法制备功能梯度涂层具有节能省
金属表面陶瓷涂层依其功能大致可分为耐热涂 层(热障涂层)、耐磨涂层、耐蚀涂层、生物功 能涂层及其它特殊功能涂层等。然而，陶瓷和 金属的热膨胀系数(CTE)及弹性模量等性能不 相匹配，且基体与涂层间存在明显界面，因此， 表面具有陶瓷涂层的金属零部件在应用过程中 会发生涂层开裂或剥落损坏等现象。双层涂层 及多层涂层体系也不能消除基体与涂层间及涂 层内部层与层间性能不匹配问题。
.
22
五、金属／陶瓷功能梯度涂层工艺的应用现状
பைடு நூலகம்
3、自蔓延高温合成法
自蔓延高温合成法(简称SHS)又称燃烧合成法，是一种制备材
料与制造零部件的新技术。SHS法是由前苏联科学家Merzhanov于
1967年首次正式提出来的［34］，其基本特点是利用能够发生高
效热反应的原料反应时放出的热使反应持续进行，从而达到合成
与制备材料的目的。SHS反应温度高，速度快，整个反应过程在
几秒至几十秒间即可迅速完成；反应时只需局部或整体点火，反
应一旦进行，即不需外加能源；采用SHS技术，材料合成与形成
可以同时完成。到了80年代，SHS技术已应用于制备涂层，在过
去的15～20年中，原苏联及俄罗斯对SHS涂层技术及物理机制等
进行了广泛研究［35］。现在，世界上许多国家，包括俄罗斯、
积涂层，而CVD法可以在形状复杂的零件表面
制备出梯度涂层，而且沉积层表面光滑致密，
沉积率较高。
.
21
五、金属／陶瓷功能梯度涂层工艺的应用现状
近年来，CVD和PVD技术已广泛应用于航空航 天、汽车、化工、能源和生物工程等领域制备 功能梯度涂层，同时不断与其它表面涂层技术 相结合，开发出了一些改进型表面涂层技术制 备梯度涂层，如电子束物理气相沉积法(EBPVD)、离子束增强物理气相沉积法(IBEB)、燃 烧化学气相沉积法(CCVD)、物理化学沉积法 (PCVD)、反应溅射及阴极磁控溅射等。而且， 随着科学技术的发展，CVD和PVD梯度涂层技 术在材料制备及改善零部件表面性能等方面的 应用不断增加，有着美好的应用前景。
.
27
五、金属／陶瓷功能梯度涂层工艺的应用现状
5、激光熔覆法制备FGM涂层是90年代由 D.R.Fwest和R.D.Rauliys等人发展起来的一种新 方法［14，24］。这种工艺的基本原理和过程 见图2。把少量B陶瓷粉置于A金属基体表面， 采用激光照射，使B和A上表面薄层区同时熔化， 通过冶金结合形成B-A合金金属。重复以上过 程，并合理控制B涂层厚度，激光束能量及激 光束扫描速度或工件A移动速度等参数，可以 制得含有多层薄层的梯度涂层。在涂层中，A 成分含量沿厚度方向上逐渐减少。
.
14
四、新型陶瓷材料的特点及分类
精陶材料将成为名副其实的耐高温的高 强度材料，从而可用作包括飞机发动机 在内的各种热机材料、燃料电池发电部 件材料、核聚变反应堆护壁材料、无公 害的外燃式发动机材料等。精细陶瓷与 高性能分子材料、新金属材料、复合材 料并列为四大新材料。有些科学家预言 ．由于精细陶瓷的出现，人类将从钢铁 时代重新进入陶瓷时代。