陶瓷基复合材料

2. 固相合成法
• （1）S1→S2 + G （热分解反应法） CaCO3 →CaO + CO2 ↑
• （2）S1 + G1（L）→S2 + G2（L） SiO2 + 3C → SiC + 2CO↑(氧化物还原-化合法）
• （3）S1 + S2 → S3 + G0 （烧结法） BaCO3 +TiO2 → BaTiO3 + CO2 ↑
液相烧结
• 由于粉料中常含有少量杂质，使材料在烧 结过程中或多或少都要出现一些液相，除 固相烧结的推动力外，来自细小固体颗粒 之间液相的毛细管压力也是推动力。由于 流动传质比扩散传质速度要快得多，因而 其烧结速率高，可在较低的温度下获得致 密烧结体。
(5)、耐火材料： 用于各种高温工业窑炉的 耐火材料； (6)、特种陶瓷： 用于各种现代工业和尖端 科学技术的特种陶瓷制品，有高铝氧质瓷、 镁石质瓷、钛镁石质瓷、锆英石质瓷、锂质 瓷、以及磁性瓷、金属陶瓷等。
特种陶瓷
四者关系
二、 过程工艺
• 传统陶瓷的制作工艺流程 （1）淘泥 把瓷土淘成可用的瓷泥。 （2）摞泥 淘好的瓷泥并不能立即使用，要
压法不经济。
4. 烧结
• 固相烧结：粉体经压制成为具有一定外形 的坯体后一般含有百分之十几的气孔，颗 粒之间仅仅是点接触。在高温的作用下发 生了颗粒间接触面积的扩大，颗粒聚集， 体积收缩；颗粒中心距离的靠近，逐渐形 成晶界；气孔形状变化，体积缩小，从连 通的气孔逐渐变成孤立的气孔，并逐渐缩 小，以致排出，最终成为致密体。
将其分割开来，摞成柱状，以便于储存和 拉坯用。 （3）拉坯 将摞好的瓷泥放入大转盘内，通 过旋转转盘，用手和拉坯工具，将瓷泥拉 成瓷坯。
（4）印坯 拉好的瓷坯只是一个雏形，还需 要根据要做的形状选取不同的印模将瓷坯印
成各种不同的形状。 （5）修坯 刚印好的毛坯厚薄不均，需要通 过修坯这一工序将印好的坯修刮整齐和匀称。
机械化学法
• 基本原理：通过高能球磨对反应体系施加 机械能诱导其发生扩散及化学反应，合成 新品种粉体。 2BN + 3Al → 2AlN + AlB2 特点：在较低温度下可获得高温相的材料， 粒度得到纳米级。
液相合成法
• 原理：由离子、原子或分子通过相互 反应、成核和成长为纳米微粒或超细 微粒，脱除溶剂后成颗粒。
第一节
基体——陶 瓷
• 传统陶瓷 • 现代陶瓷
分类
传统陶瓷
陶器
文明的象征 和载体
瓷器
china
美与艺术的 代表
炻器
介于陶器和 瓷器之间
ห้องสมุดไป่ตู้
back
现代陶瓷
——— 科技发展的 动力和催化剂
一、分 类
• 日用陶瓷：各种日用器皿如碗、盘、壶等 。
• 工业陶瓷： • （1）建筑一卫生陶瓷： 如砖瓦，排水管、
• 特点：
• (1)干燥所需时间短，因此每一颗多组分细微液滴 在反应过程中来不及发生偏析，从而可以获得组 分均匀的纳米粒子；
• (2)由于原料是在溶液状态下均匀混合，所以可以 精确地控制所合成的化合物组成；
• (3)可以通过不同的工艺条件来制得各种不同形态 和性能的超微粒子，此法制得的纳米粒子表观密 度小、比表面积大、粉体烧结性能好；
弧等离子体将原料高温加热至气化，然后在加热 源与环境之间很大的温度梯度条件下急冷，凝聚 成粉状颗粒。
• 特点：适用于制备单项氧化物、复合氧化物、
特别是非氧化物如SiC、AlN等。
• 2. 化学气相反应法（CVD，Chemical Vapor Deposition, 化学气相淀积)
• 基本原理：采用挥发性金属化合物蒸气通过化学 反应合成所需要物质并沉积在基板上。
面砖，外墙砖，卫生洁具等； • （2）化工陶瓷： 用于各种化学工业的耐酸
容器、管道，塔、泵、阀等；
(3)、化学瓷： 用于化学实验室的瓷坩埚、 蒸发皿，燃烧舟，研体等；
(4)、电瓷： 用于电力工业高低压输电线路 上的绝缘子。电机用套管，支柱绝缘于、 低压电器和照明用绝缘子，以及电讯用绝 缘子，无线电用绝缘子等；
• 特点：纯度高、粒度可控、颗粒在分 子级水平上复合、均匀性好、颗粒细 微等。
• （1）沉淀法：通过氧化还原反应、酸碱反 应、离子交换反应、盐类水解反应、分解 反应等，生成氢氧化物或金属的盐类（草 酸盐、碳酸盐等）沉积。
BaCl2+TiCl4(滴定草酸） →BaTiO(C2O4).4H2O（约750℃）→BaTiO3。
SiO2 纤维增强SiO2 复合材料已用作“哥伦比 亚号”和“挑战者号”航天飞机的隔热瓦 。 由于纤维增强陶瓷基复合材料有着优异的高 温性能、高韧性、高比强、高比模以及热稳 定性好等优点，能有效地克服对裂纹和热震 的敏感性，在重复使用的热防护领域有着重 要的应用和广泛的市场。
分类
结构复合材料： 1. 基体：先进陶瓷如氧化铝基陶瓷材料 、碳化硅基陶瓷材料、氧化锆基陶瓷材 料、氮化硅基陶瓷材料 2. 增强体：纤维、晶须、纳米颗粒等。 3. 界面相：基体与增强体间的中间相。 功能复合材料：纳米抗菌陶瓷、红外陶 瓷等。
喷雾热解法
• 原理：以水，乙醇或其他溶剂将原料配成溶 液，再通过喷雾装置将反应液雾化并导入反 应器内，使溶液迅速挥发，反应物发生热分 解，或者同时发生燃烧和其他化学反应，生 成与初始反应物完全不同的具有新化学组成 的纳米粒子。
Mg（NO3)2+ Mn（NO3)2+ Fe（NO3)3的乙醇溶 液喷雾热解， 可得到Mg0.5Mn0.5Fe2O4。
（4）自蔓延高温合成法 （5）机械化学法
• 自蔓延高温合成：利用反应物之间高的 化学反应热的自加热和自传导作用来实 现粉末间的反应而合成材料的一种技术
.
• 2Ti+N2→2TiN，当反应物一旦被引燃， 不需要对其进一步提供任何能量，便会 自动向尚未反应的区域传播，直至反应 完全。
• 燃烧引发的反应或燃烧波的蔓延 相当快，一般为0.1～20.0cm／s，燃 烧波的温度通常都在2100～3500K以 上。 与制备材料的传统工艺比较， 其工序减少，流程缩短，工艺简单 。由于燃烧波通过试样时产生的高 温，可将易挥发杂质排除，使产品 纯度高。
• （l）水解反应：Si(OR)n ＋ H2O （在一定 PH值下）→ Si (OH) x (OR) n－x ＋ xROH
• （2）聚合反应：-Si-OH ＋ HO-Si- → -Si-O-Si-＋H2O
or：-Si-OR ＋ HO-Si- → -Si-O-Si-＋ROH -Si-O-Si- （加热）→ SiO2超细微粒
TiCl4 + O2 → TiO2 加热源：电阻、电子束、化学火焰法和
等离子体或CO2激光器。 • 特点：产物纯、粒度超细、活性高，
粒径可控，反应快。
3. 成型
• 1. 可塑成型：与半干法相比，其缺点是坯体 水分大，砖坯强度低， 外形尺寸不准确，
① 挤压法 可塑料团被挤压机的螺旋或活塞 挤压向前，经过机嘴出来达到要求的形状。 各种管状产品都可用挤压法成型。 ② 车坯法 外形复杂的圆柱形陶瓷产品常将挤 出的泥段再经车坯成型。尺寸精确度要求高 的用干车成型。
高分子复合材料分为两大类：结构复合 材料和功能复合材料。高分子结构复合材 料包括两个组分：
①增强剂。为具有高强度、高模量、耐温的 纤维及织物，如玻璃纤维、氮化硅晶须、 硼纤维及以上纤维的织物。
②基体材料。主要是起粘合作用的胶粘剂， 如不饱合聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂等 热固性树脂及苯乙烯、聚丙烯等热塑性树脂 ，这种复合材料的比强度和比模量比金属还 高，是国防、尖端技术方面不可缺少的材料 。高分子功能复合材料也是由树脂类基体材 料和具有某种特殊功能的材料构成，如某些 电导、半导、磁性、发光、压电等性质的材 料，如冰箱的磁性密封条。
• （2）水热合成法：
• 原理：在密闭反应容器（高压釜）内，采用水 为反应介质，温度为100～1000 ℃、压力为 1MPa～1GPa 条件下利用水溶液中物质化学反 应所进行的合成。在亚临界和超临界水热条件 下，由于反应处于分子水平，反应性提高,因而 水热反应可以替代某些高温固相反应。又由于 水热反应的均相成核及非均相成核机理与固相 反应的扩散机制不同，因而可以创造出其它方 法无法制备的新化合物和新材料。
③ 轧膜法 一些薄片状的陶瓷产品由于比较薄 ，干压成型不能满足要求，生产中广泛采 用轧膜成型工艺。
干压法
• 干压法是将配好的原料制成具有一定 粒度级配的粉料，用压力将模型内的粉 料压制成致密的坯体。
• 陶瓷制品的形状简单、边呈直线、制品 较薄，
这种成形方法由于粉料含水量较低、 轧机压力大、模具精度高、坯体干燥、 烧成受缩小，因此制品尺寸准确，表面 质量高，设备机械化、自动化程度高， 易于实现连续化生产。小到马赛克，大 到1.2×2m的地砖都可以压制。但对于形 状内复杂或厚度较大的广场砖等采用干
熔盐合成法
• 基本原理：反应物在熔融的盐中发生相互反应
，生成所要求的产物，将冷却后的反应物水洗除 去多余的盐类，干燥后得到所需粉体。 特点：可直接生成所需物相，反应温度较低。
如以PbO、ZrO2、 TiO2为原料，与KCl+NaCl的盐 混合，经1000℃煅烧后，洗去盐分，可得到 PbZr0.53Ti0.47O3的微粒。
（6）捺水 捺水是一道必不可少的工序，即用 清水洗去坯上的尘土，为接下来的画坯、上 釉等工序做好准备工作。 （7）画坯 在坯上作画是陶瓷艺术的一大特色 ，画坯有好多种，有写意的、有贴好画纸勾 画的，无论怎样画坯都是陶瓷工序的点睛之 笔。
八、上釉 画好的瓷坯，粗糙而又呆涩，上好 釉后则全然不同，光滑而又明亮：不同的上
釉手法，又有全然不同的效果。 九、烧窑 千年窑火，延绵不息，经过数十道 工具精雕细 的瓷坯，在窑内经受千度高温的 烧炼，就像一只丑小鸭行将达化一只美天鹅。 十、成瓷 经过几天的烧炼，窑内的瓷坯已变 成了件件精美的瓷器，经过缓慢的退火工艺
后产品从打开的窑门而出。
现代陶瓷的制备工艺
粉体制备→模具成型→ 坯体烧结→缓慢冷却
溶胶-凝胶法
• 原理：溶胶－凝胶法就是用含高化学活性组 分的金属化合物作前驱体如有机醇盐或者无 机盐溶液，在液相下将这些原料均匀混合， 然后加入水在一定温度和pH值等条件下进行 水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的 透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合 ，形成三维空间网络结构的凝胶，
凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂， 经过干燥、烧结固化制备分子乃至纳米 亚结构的材料。 特点：反应物种多，产物颗粒均一，过 程易控制，适于氧化物和Ⅱ～Ⅵ族化合 物的制备。
度范围为350～120℃。
特点: 在力学方面为横向及剪切强度较高，
韧性及疲劳等综合力学性能较好，同时还具 有热膨胀系数小、阻尼性好、不吸湿、不老 化和无污染等优点。
碳纤维增强铝复合材料其比强度3～ 4×107mm，比模量为6～8×109mm，又如石 墨纤维增强镁不仅比模量可达1.5×1010mm， 而且其热膨胀系数几乎接近零。
• 复合材料
• 定义 • 特点 • 分类
引言
定义
• 用经过选择的、含一定数量比的两种或 两种以上的组分，通过人工复合、组成多 相、三维结合且各相之间有明显界面的、 具有特殊性能的材料。
特点
• 1. 含有两种以上不同的化学相 • 2. 具有每个组分所不具备的优良性能
以金属或合金为基体，并以纤维、 晶须、颗粒等为增强体的复合材料。 按所用的基体金属的不同，使用温
• (4)操作简单，反应一次完成，可连续进行生产。
其它方法
• 冷冻干燥法：将含金属离子的（水）溶液 ，喷入冷冻剂里而快速冷冻成小固粒，然 后在低温、低压下通过升华将溶解脱除， 从而得到超细微粒。
气相合成法
• 1. 蒸发-凝聚法（ PVD(Physical Vapor Deposition)
• 原理：在真空条件下，采用低电压、大电流的电
1. 粉体制备
• （1） 粉碎法: 机械粉碎（振动磨、搅拌磨 、冲击磨、球磨（1、2)、砂磨、水流磨等 ） 原理：通过消耗机械能来换取粉体细化而 引起表面能的增加。
特点：改变粉体的粒度（大于0.5μm）、 比表面积甚至相态的变化；一般无化学反 应引起的成分变化。
(2) 合成法
固相合成法 液相合成法 气相合成法