现代陶瓷材料及其先进制备技术

现代陶瓷的先进制备方法
机理
(NH4)2S2O8
. 2 NH4+ + 2 SO4-
.SO4 + H2C CH
CO NH2
. SO4CH2 CH
CO NH2
H2C CH CO NH2
. SO4CH2 CH + (n+1) H2C CH
CO
CO
NH2
NH2
. SO4CH2 CH [ CH2 CH]nCH2 CH
氮 化 物
Si3N4 TiN BN AlN C3N4 ZrN VN TaN NbN
ScN
硼 化 TiB2 ZrB2 Mo2B WB6 LaB6 HfB WB ZrB 物
现代陶瓷材料的分类
按性能和用途分类
➢ 结构陶瓷：
用作结构材料，制造结构零部件，主要使用其力学性 能。（强度、韧性、硬度、耐磨性及耐高温性等）
工艺及机理 以丙烯酰胺体系为例 单体：丙烯酰胺 （AM）
N,N´-亚甲基双丙烯酰胺（MBAM ）
分散剂：柠檬酸 引发剂：过硫酸铵 （APS）
催化剂：N,N,N´,N´－四甲基乙二胺（TEMED）
工艺过程
有机单体 水溶液
陶瓷粉末
分散剂
现代陶瓷的先进制备方法
催化剂 引发剂
悬浮体 排胶 烧结
注模 干燥
凝胶化 脱模
中国海洋大学材料科学与工程研究院
现代陶瓷材料 及其先进制备技术
戴金辉
结构陶瓷材料的研究进展
陶瓷材料的发展历程及现代陶瓷 材料的内涵
现代陶瓷材料的特点及其应用 现代陶瓷的先进制备方法 现代陶瓷材料的研究方向 深海浮力材料简介
陶瓷材料的发展历程 及现代陶瓷材料的内涵
陶瓷材料的发展历程
6000年前
➢功能陶瓷：
用作功能材料，制造功能器件，主要使用其物理性能。 （电、磁、声、光、热及生物性能）
现代陶瓷材料的特点
基本结构特点 金属材料： 金属键 无方向性 陶瓷材料： 离子键、共价键 很强的方向性及结合强度
现代陶瓷材料的特点
基本性能特点 金属材料—良好的塑性 陶瓷材料： 1）高硬度—优异的耐磨性 2）高强度—优良的机械性能 3）高熔点—杰出的耐热性 4）高化学稳定性—良好的耐腐蚀性
陶瓷按化学成分分类表
氧 Al2O3 SiO2 MgO Cr2O3 BeO ZrO2 TiO2 V2O5 B2O3
化 MgO•Al2O3 Y2O3 CaO CeO2 3Al2O3•2SiO2 BaTiO3 物 CaTiO3 PbZrTiO3 ZrSiO4
碳 化 物
SiC TiC WC ZrC B4C HfC TaC Be2C UC VC NbC Mo2C MoC
湿式等静压
干式等静压
现代陶瓷的先进制备方法
• 陶瓷坯体密度高且分布均匀 • 适合简单形状制品成型 • 不适合大件制品成型
➢ 流延成型
现代陶瓷的先进制备方法
现代陶瓷的先进制备方法
陶瓷材料的制备过程
原料制备
烧结
配料制备
后处理
坯体成型
现代陶瓷的先进制备方法
陶瓷材料的烧结方法
➢ 常压烧结（Pressureless Sintering ） ➢ 反应烧结（Reaction Sintering） ➢ 热压烧结（HP－Hot Pressed Sintering） ➢ 高温等静压烧结（HIP－Hot isostatic pressing） ➢ 气压烧结（GPS－Gas Pressed Sintering） ➢ 等离子放电烧结（SPS－Spark Plasma Sintering ）
现代陶瓷的先进制备方法
➢ 常压烧结 在通常的空气条件下对制品进行烧结 传统陶瓷的烧结 氧化物陶瓷的烧结 抗氧化组分材料的烧结
唐 宋元明 清
古老的文明 时代的见证
陶器
陶瓷材料的发展历程
炻器
瓷器
技术进步推动材料优化
陶瓷材料的发展历程
科技进步的标志 国家实力的象征
陶瓷材料的发展历程
古代 日用陶瓷为主 （杯盘碗罐）
近代 日用陶瓷 建筑陶瓷 卫生陶瓷 电瓷 工艺陶瓷
现代 传统陶瓷（日用、建筑、卫生陶瓷等） 现代陶瓷
结构陶瓷（发挥其力学特性）
CO CO CO
NH2
NH2
NH2
原位固化
现代陶瓷的先进制备方法
注凝成型实例
现代陶瓷的先进制备方法
• 近静尺寸成型 • 陶瓷坯体密度高 • 可以机械加工 • 适合各种复杂形状制品成型 • 适合大件制品成型
❖ 轧膜成型
现代陶瓷的先进制备方法
现代陶瓷的先进制备方法 ➢ 等静压成型
利用高压液体传递压力成型 湿式等静压、干式等静压
天然矿物
人工合成高纯度原料
➢ 制备工艺
矿物加工—成型—烧结
组分多样化 性能多元化 应用广泛化
现代陶瓷材料的内涵
现代陶瓷材料——高新技术
三个特点 1. 属于高新技术产品； 2. 技术经济密集型产品； 3. 具有优异的和特殊的性能。
现代陶瓷材料的特点及其应用
现代陶瓷材料分类
按化学成分分类
➢ 氧化物陶瓷 • 单一氧化物陶瓷
Al2O3 、ZrO2等 • 复合氧化物陶瓷
莫来石（3Al2O3•2SiO2） 尖晶石（Mgl2O4） 硅酸盐（ZrSiO4、CaSiO3） BaTiO3、CaTiO3等
现代陶瓷材料的分类
➢ 碳化物陶瓷 SiC、WC、B4C、TiC
➢ 氮化物陶瓷 Si3N4、TiN、BN、TiC
➢ 硼化物陶瓷 TiB2、ZrB2
高强、超硬、耐高温等
功能陶瓷（发挥其物力性能）
电容器介质陶瓷、压电陶瓷、 敏感陶瓷、磁性陶瓷、生物 陶瓷、超导陶瓷、陶瓷基功 能复合材料
陶瓷 材料金属材料
材料
无机非金属材料 有机材料
复合材料
陶瓷材料的发展历程
玻璃 陶瓷 水泥 耐火材料 其他无机矿物材料
陶瓷材料的发展历程
➢ 品种
传统陶瓷
现代材料
➢ 原料
现代陶瓷材料的特点
陶瓷材料的缺点
脆性
不可加工性
不可恢复性
断 裂 和 失 效 方 式
安 全 和 可 靠 性
强 韧 化 技 术
可
超
加
塑
工
性
陶
陶
瓷
瓷
？
现代陶瓷材料的应用
陶瓷材料
科技进步的先导，国家安全的保障
现代陶瓷的先进制备方法
现代陶瓷的先进制备方法
陶瓷材料的制备过程
原料制备
烧结
配料制备
后Leabharlann Baidu理
坯体成型
现代陶瓷的先进制备方法
❖ 热压注成型
• 成型制品尺寸精确
陶瓷粉料→石蜡（12.5~• 1制3品.5表%面）光→洁热度的高流动浆料
模具
•
适合各种复杂形状制品成型 料浆
• 不适合薄壁和大件制品成型
压缩空气 供料管 恒温槽
盛浆桶
现代陶瓷的先进制备方法
❖ 注凝成型（gel-casting） 有机单体溶液 + 分散剂——浆料 浆料 + 引发剂、催化剂——聚合体