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先进陶瓷材料-讲义

作者:admin 发布时间:2019-08-07 22:02 浏览:

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  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。 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: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、Zr▼▲C等;● (3)氮化物,如Si3N4、BN、AlN、TiN等,氮化物常具有很高的硬度; (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 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 8 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 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 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 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。 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 - 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 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D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 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°C/m★△◁◁▽▼in,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 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 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 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 20180528


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