8先进陶瓷材料第三章
无机非金属专业导论-先进陶瓷材料
先进陶瓷
与传统陶瓷比较，先进陶瓷的化学组成、显微结构都 有极大的不同，其性能可满足工业和国防中各种特殊的需 要。 几个有用的名词： 特种陶瓷 先进陶瓷 special ceramics advanced ceramics high performance ceramics
精细陶瓷 fine ceramics 高性能陶瓷 新型陶瓷 近代陶瓷 new ceramics modern ceramics
8
先进陶瓷
这一定义不仅包括陶器、瓷器、耐火材料、建筑 粘土制品、磨料、搪瓷、水泥和玻璃等材料，而 且还包括非金属磁性材料、铁电体、人造单晶、 特种陶瓷、以及各种各样的其他制品。 This definition essentially says that a ceramic is anything that is not an organic material or a metal.
4500~3500 B.C. Fired brick shown to be more durable than dried mud bricks
Development of early faience （ 彩 陶 ） to 4500~3500 B.C. produced white ceramics with bright blue glassy coatings: precursor to development of glass and glazes（釉）.
26
航天飞机
27ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
航天飞机的机头
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航天飞机的防热瓦
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航天飞机热分布示意图
30
“哥伦比亚”号航天飞机爆炸，原因是这架航天飞机左 翼在起飞时遭到从燃料箱上脱落的泡沫绝缘材料撞击 ，结果造成机体表面隔热保护层出现了大面积松动和 破损，形成了可让“热气进入的洞”，在返航途中因 超高温空气入侵而彻底解体。
第三章 先进无机材料
• ③涂层破坏过程及其机制的研究：如涂层缺陷及 其形成，涂层应力及其形成、分布及消除途径， 涂层与底材解离过程及影响因素等研究为涂层的 品质改进、工艺优化乃至涂层设计、新涂层的研 制指明方向。 • ④对涂层的形成、显微结构及其性能的研究：是 进行涂层工艺设计的基础；涂层的性能取决于涂 层的化学组成、显微结构以及它对底材的界面结 合。
• ④显微结构分析上的进步，使人们更精细的了解 陶瓷材料的结构及其组成，从而可控制地做到工 艺-显微结构-性能关系的统一，对陶瓷技术起到 了指导作用。 • ⑤陶瓷材料性能的研究使新的性能的不断出现， 大大开拓了陶瓷材料的应用范围。⑥陶瓷材料无 损评估技术发展，加强了使用上的可靠性。 • ⑦相邻学科的发展对陶瓷科学的进步起到了推动 的作用。
• ④在航空工业中，硅质高温搪瓷能有效保护高温 合金抗高温燃气腐蚀，且具有一定的隔热作用， 已在高性能涡轮喷气发动机的燃烧室和火焰稳定 器等高温部件上广泛使用以延长其寿命。航空涡 轮喷气发动机的导向叶片和涡轮叶片则用渗涂含 硅或铬和钇的铝化物涂层。 • ⑤等离子喷涂或爆震波喷涂的碳化物、氧化物和 硬质合金涂层也已用于航空发动机内各种部件的 摩擦端面。含镉、硒或硫等化合物的涂层，加涂 在发动机内一些用一般方法难以测温的部位，涂 层的变色能指示发动机运转时该部位的最高温度， 这类涂层称之为示温涂层。
• 先进陶瓷从性能上可分为：结构陶瓷和功能陶瓷 两大类。 • 结构陶瓷：是以力学机械性能为主的一大类陶瓷。 特别适用于高温下应用的则称之为高温结构陶瓷。 • 功能陶瓷：利用材料的电、磁、光、声、热和力 等性能及其耦合反应，如铁电、压电陶瓷、正 （或负）温度系数陶瓷（PTC或NTC）、敏感陶 瓷、快离子导体陶瓷等等。
• 1.先进陶瓷 产生的因素： • ①在原料上，从传统陶瓷以天然矿物原料为主体发 展到用高纯的合成化合物。 • ②陶瓷工艺技术上的进步。如成型上的等静压成型、 热压注成型、注射成型、离心注浆、压力注浆成型 和流涎成膜等成型方法；在烧成上则有热压烧结、 热等静压烧结、反应烧结、快速烧结、微波烧结、 等离子体烧结、自蔓燃烧结等。 • ③陶瓷科学理论的发展，为陶瓷工艺提供了科学上 的依据和指导，使陶瓷工艺从经验操作到科学控制， 以至发展到在一定程度上可依据实际使用的要求进 行特定的材料设计。
先进陶瓷材料
粉末烧结法制备陶瓷材料
其制备原理为：粉末原料经过成型后，在高 温非液相（主晶相为固态）温度下长时间保 温，通过原子扩散而粘结，从而形成具有一
定密度和强度的制品。
成型方法：模压成型
粉料装入模具内，采用单向或双向加压来压实
成粉胚.单向加压底部的密度最小。双向加压 可以使密度更均匀些，但工件的中部密度仍然 较低。
陶瓷电容器 陶瓷止回阀
利用陶瓷特有的物理性能制造的陶瓷材 料称功能陶瓷。由于它们具有的物理性 能差异往往很大，所以用途很广泛。
新型陶瓷材料的特点
与传统陶瓷材料相比，新型陶瓷材料除原料来源不
同外，还具有以下特点：
1、材料的组成
新型陶瓷材料的组成已超出传统陶瓷材料的以硅酸
盐为主的范围，除氧化物、复合氧化物和含氧酸盐
国外发展现状状
国际上从20世纪60年代开始重视研究先进陶瓷材料， 结构陶瓷略早于功能陶瓷。 60～70年代伴随着陶瓷学研究的新进展，一大批具 有优良性能的结构和功能陶瓷材料被发现和合成。 80年代以陶瓷发动机为背景，各国竞相加大了对陶 瓷材料研究与开发的投入，陶瓷材料已经能够基本
满足各种苛刻条件下（包括陶瓷发动机部件在内）
⑸ 热敏陶瓷 热敏陶瓷是制造热敏电阻的材料，热敏电阻是一种 电阻随温度变化的元件。阻值随温度升高而增加的 称正温度系数热敏电阻 (PTC) ，反之，则称为负温 度系数热敏电阻(NTC)。
正电阻温度系数 负电阻温度系数
⑹ 光电陶瓷 半导体陶瓷受光照射后使导 电率增加的现象称光电导效 应。利用光电导效应检测光
N N
N
Si
N
们不是同素异构体，两者
先进陶瓷材料的制备及其性能研究
先进陶瓷材料的制备及其性能研究随着科学技术的进步，新型材料在各个领域被广泛应用。
陶瓷材料作为一种重要的先进材料，在工业生产过程中起着不可替代的作用。
近年来，随着人们对先进材料性能要求的不断提高，制备先进陶瓷材料的技术也得到了突破性的进展。
本文将探讨陶瓷材料制备和性能研究的最新进展。
一、先进陶瓷材料制备技术1.1 溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是制备先进陶瓷材料的常用方法。
该方法可制备出具有高纯度、尺寸均一、微观结构可控等优良性能的陶瓷材料。
该方法的主要原理为：将溶解在溶剂中的陶瓷原料通过水解、聚合、焙烧等步骤形成凝胶体，然后在高温下进行烧结，最终制备出所需的陶瓷材料。
1.2 稀土元素掺杂技术稀土元素掺杂技术是通过添加一定量的稀土元素，使得陶瓷材料具有更好的物理和化学性质。
该技术不仅可以提高陶瓷材料的机械性能、高温稳定性和导电性能，而且可以增加陶瓷材料对光的吸收和放射能力，从而拓展其在光电技术中的应用。
1.3 摩尔堆叠法摩尔堆叠法是近年来新兴的一种陶瓷材料制备技术。
该方法通过将不同的陶瓷颗粒按一定的比例堆叠在一起，并在高温下进行烧结，形成纤维状或片状的陶瓷材料。
该方法可以有效地控制陶瓷材料的形状和尺寸，从而提高其力学强度和耐磨性。
二、先进陶瓷材料性能研究2.1 陶瓷材料的韧性研究陶瓷材料在过去通常被认为是脆性材料，其力学性能与韧性相对较差。
如今，随着陶瓷材料制备技术的不断进步，一些新型陶瓷材料具有较好的韧性。
例如，采用硅酸盐陶瓷基质和碳纤维增强材料制备的陶瓷复合材料，具有较高的韧性和耐磨性，逐渐成为工程领域的热门材料。
2.2 陶瓷材料的电性能研究随着电子技术的飞速发展，陶瓷材料在电子工业中的应用愈加广泛。
例如，碳化硅陶瓷被认为是一种重要的基础材料，被广泛用于高温高压条件下的电器元件、传感器和电磁学器件中。
此外，氧化锆等陶瓷材料也被用于制备电容器、压电器件等高性能电子元器件，具有广阔的应用前景。
2.3 陶瓷材料的光学性能研究陶瓷材料在光电技术领域的应用也日益受到重视。
先进结构陶瓷(整合版)
第一章绪论1请说出如何区别陶、炻、瓷？答：主要区别在于吸水率。
吸水率小于0.5%为瓷，大于10%为陶，介于两者之间的为半瓷。
我们常见的各种抛光砖、无釉锦砖、大部分卫生洁具是瓷质的，吸水率E≤0.5%;仿古砖、小地砖、水晶砖、耐磨砖、哑光砖等是炻质砖，即半瓷砖，吸水率0.5%<E≤10%;瓷片、陶管饰面瓦、琉璃制品等一般都是陶质的，吸水率E>10%.吸水率是陶瓷制品中的气孔吸附水分的多少占制品的百分比。
另外，陶器的胎料是普通的粘土，瓷器的胎料是瓷土（高岭土）。
陶器的烧成温度约在900度左右，瓷器则需要1200度左右才能烧成。
陶器不施釉或施低温釉，瓷器则多施釉。
陶器胎质粗松，断面吸水率高，瓷器经过高温焙烧，胎体坚固致密，断面基本不吸水，敲之会发出清脆的金属声响。
造陶往往是就地取材，有什么土就用什么土，但制瓷要精选的土，尤其是采用景德镇人发现的高岭土。
高岭土对于提高瓷的光洁性、致密性、白度、硬度等起到了关键性的作用。
瓷对陶的提升，更在于“美”上，瓷由于烧纸的温度高，因此在致密性、光洁性、硬度、反渗水性等方面都要大大地优于陶。
正是因为瓷的这些特性，才能在瓷上描画出精美团和丰富的色彩来。
属于这一大类的材料可按制品的宏观物理性能，大致可分为陶器、炻器和瓷器，陶器又包括粗陶和精陶，其坯体断面粗糙无光，不透明，气孔率和吸水率较大，敲之声音粗哑沉闷，有的无釉，有的施釉。
而瓷器的坯体则致密细腻，具有一定的光泽和半透明性，通常都施有釉层，基本不吸水，敲之声音清脆；炻器是介于陶器和瓷器之间的一类产品，其坯体较致密，吸水率较小，颜色深浅不一，缺乏半透明性。
这类产品国外统称为炻器，也有的称为半瓷，我国科技文献中提到的炻器、原始瓷器和胎瓷均属于这一类。
也可按气孔率的大小分为不致密材料和致密材料两类。
陶器：烧成温度900~1200℃，吸水率＞2%炻器：烧成温度1150~1280 ℃，吸水率0.5~2%瓷器：烧成温度1250~1400℃，吸水率＜0.5%2传统陶瓷与先进陶瓷如何划分？它们的发展过程有何特点？答：先进陶瓷与传统陶瓷的区别，可以从以下几方面来说明。
第三章先进材料制备技术与特点
先进材料
• 高科技材料 • 新材料 • 高性能材料 • CD, Laser, LCD • 信息材料
先进材料的分类
先进金属材料
先进 材料
先进无机非金属 材料
先进高分子材料
先进复合材料
• 先进材料的主要分类：
1.先进金属材料 记忆金属、金属玻璃（非晶态，坚硬）、 超塑性金属（软如面条）、功能材料等
• 其创始者包括最初的Iller、更为人熟知的G. Decher。短短的十多 来年，在基础研究方面LBL得到了巨大的发展。
• LBL适用的原料已由最初的经典聚电解质扩展到聚电解质、聚合 物刷、无机带电纳米粒子如MMT，CNT、胶体等。
• LBL适用介质由水扩展到有机溶剂以及离子液体。 • LBL的驱动力有静电力扩展到氢键，卤原子，配位键，甚至化学
美国密歇 根大学机 械工程系 使用大约 1.5亿根碳 纳米管为 当选总统 奥巴马制 作了一组 画像。图 为在电子 显微镜下 奥巴马画 像。
纳米微 操作机 器人在 10×10 微米的 基片上 刻出的 字样
层层自组装材料
• layer-by-layer self-assembly，是上世纪90年代快速发展起来的一 种简易、多功能的表面修饰方法。LBL最初利用带电基板在带相 反电荷中的交替沉积制备聚电解质自组装多层膜（polyelectrolyte self-assembled mulilayers）。
层层自组装材料
• 自组装技术简便易行，无须特殊装置，通常以水为 溶剂，具有沉积过程和膜结构分子级控制的优点。
• 可以利用连续沉积不同组分，制备膜层间二维甚至 三维比较有序的结构，实现膜的光、电、磁等功能， 还可模拟生物膜，因此，近年来受到广泛的重视。
• 自组装的层/层沉积方式与气相沉积有些相似，但气 相沉积是在高真空下使物质主要是可汽化的，能耐 高温的无机材料，尤其是金属元素。而高分子不能 够汽化，所以是不适用的。反过来，高分子很适合 于自组装，通常得到的是两种组分的复合膜，而气 相沉积制备的则通常是同一组分的单层膜。
陶瓷材料的性能特点
第八章陶瓷材料第1节陶瓷材料概述第4讲陶瓷材料的性能特点先进陶瓷分类(按其性能和功能)结构陶瓷：作为工程结构材料使用的陶瓷功能陶瓷：具有电、磁、光、声、超导、化学、生物等特性，且具有相互转化功能的一类陶瓷力学性能特点1硬度高510152025几种典型陶瓷材料的维氏硬度与不锈钢材料的对比图维氏硬度/G P a结构陶瓷的力学性能陶瓷材料硬度高→陶瓷材料耐磨性好→陶瓷材料可以制作刀具50100150200250300350400450几种典型陶瓷材料的弹性模量与不锈钢材料的对比图弹性模量/G P a力学性能特点2高弹性模量陶瓷材料高弹性模量陶瓷材料硬度弹性模量熔点变化规律具有一致性是其主晶相结合键能高低的外在反映弹性模量高→零件/构件的刚度好氧化铝机械加工精度高加工前加工中加工后不锈钢加工过程后发生挠曲变形，精度无法保证金属材料与陶瓷材料的应力-应变曲线(示意图)应力应变陶瓷金属力学性能特点3无塑性变形，断裂强度低陶瓷材料室温下拉伸时没有塑性变形→脆断人们常说的陶瓷强度，主要指它的断裂强度陶瓷材料的实际断裂强度和理论断裂强度对比材料理论值/MPa实测值/MPa理论/实测强度比值Al2O3(蓝宝石)4900063077.0Si3N4(热压)3770098038.5SiC(热压)4800093051.5 Si3N4(反应烧结)37700290130.5奥氏体型钢200003240 6.4陶瓷材料的实际断裂强度比理论强度低很多陶瓷材料实际断裂强度低的原因•存在不规则形状的气孔，相当于裂纹•内部组织结构复杂、和不均匀性2004006008001000120014001600几种典型陶瓷材料的抗弯强度抗弯强度/M P a陶瓷材料的强度，一般采用抗弯强度(弯曲强度)和抗压强度(压缩强度)表示采用三点弯曲测试抗弯强度示意图力学性能特点4低抗压强度高，抗弯强度低几种典型陶瓷材料的抗压强度抗压强度/M P a碳钢铸铁高速钢氧化铝(A479)单晶蓝宝石(SA100)金属陶瓷(TC30)01000200030004000•陶瓷材料抗压强度高，为抗拉强度的10~40倍•陶瓷材料承受压应力的能力大大超过拉应力的能力抗压强度测试示意图•陶瓷材料抗压强度比金属（碳钢）高力学性能特点5冲击韧性、断裂韧性低陶瓷材料是脆性材料冲击韧性~10kJ/m2几种材料的断裂韧性材料K IC/MPa∙m1/2不锈钢(SUS304)21045钢90球墨铸铁20~40氮化硅陶瓷 3.5~5氧化锆7-8氧化铝(99%)3-4K IC约为金属的1/60~1/100物理与化学性能1 较低的密度12345678密度/g ∙c m -3几种典型陶瓷材料的密度与钢的对比图2 熔点高一般在2000℃以上，陶瓷高温强度和高温蠕变抗力优于金属3化学稳定性高•抗氧化性优良，在1000℃高温下不会氧化•对酸、碱、盐有良好的抗蚀性4 热胀系数小24681012141618几种典型陶瓷材料的热膨胀系数与钢的对比图膨胀系数X 10-6/K40~400℃•随气孔率增加，陶瓷的热胀系数、热导率降低•多孔或泡沫陶瓷可作绝热材料20406080100120140160几种典型陶瓷材料的热导率与钢的对比图导热率W /m ∙K5 热导率受材质和气孔影响大6具有特殊性能光学，电学，声学和磁学性能结构陶瓷→功能陶瓷高硬度、耐高温、耐磨损、抗热震、耐腐蚀、抗氧化密度小弹性模量大陶瓷材料性能优势脆性大，韧性差，难加工安全可靠性低陶瓷材料性能短板避免服役过程中工况：冲击载荷、大的拉应力分析服役环境，取长补短可发挥优势工况条件：高温、高压、强腐蚀、强磨损。
先进陶瓷材料的制备及性能研究
先进陶瓷材料的制备及性能研究近年来，随着科技水平的不断提升，先进陶瓷材料的研究也越来越深入，成果也越来越丰硕。
先进陶瓷材料具有高温、高强、耐磨、耐腐蚀等优异性能，因此在航空航天、电子、医疗等领域得到了广泛的应用。
本文将介绍先进陶瓷材料的制备及性能研究进展，并对其应用前景进行展望。
一、先进陶瓷材料的种类及特点先进陶瓷材料的种类繁多，常见的有氧化铝、氮化硅、碳化硅、氧化锆等。
它们的共同特点在于高温、高强、耐磨、耐腐蚀等优异性能。
例如氮化硅，硬度极高，可用于磨具、切割工具等领域；碳化硅，热导率高，可用于高温设备的制造；氧化铝，绝缘性好，可用于电子元器件的制造。
同时，先进陶瓷材料还具有化学稳定性、热稳定性等优点。
二、先进陶瓷材料的制备方法先进陶瓷材料的制备方法较为繁琐，主要分为高温烧结、凝胶浸渍、溶胶-凝胶法等。
高温烧结法是一种常用的制备方法。
在高温下，陶瓷粉末经过烧结后形成致密结构，从而提高材料的强度和硬度。
凝胶浸渍法则是根据陶瓷材料的不同特性及应用环境，优化设计制备过程，通过浸泡、滴淋、涂布等方式将陶瓷材料沉积在基材上，反复烘干、烧结等工艺形成。
溶胶-凝胶法是利用溶液的成分的变化使粉末状氧化物逐渐转化为凝胶，然后将凝胶干燥和高温处理，从而获得具有高纯度、高硬度等特性的陶瓷材料。
以上制备方法各有优点，需要根据具体的材料及应用环境来选择最适合的制备方法。
三、先进陶瓷材料的性能研究先进陶瓷材料的性能研究是其发展的重要基础。
先进陶瓷材料的高温、高强、耐腐蚀等性能，得益于其致密的结构和特殊的晶粒组织。
因此，陶瓷材料的微观结构和组织对其力学性能、化学性质等方面具有重要的影响。
最近，先进陶瓷材料的性能研究主要集中在以下几个方面：1. 先进陶瓷材料的力学性能研究，例如抗拉强度、弹性模量等。
2. 先进陶瓷材料的热物性能研究，例如热导率、热膨胀系数等。
3. 先进陶瓷材料的化学性能研究，例如化学稳定性、耐腐蚀性等。
4. 先进陶瓷材料的微观结构及组织研究，例如晶粒形态、晶粒大小等。
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先进陶瓷
晶 粒
烧结
从显微结构上看,陶瓷主要是由取向 各异的晶粒通过晶界集合而成的聚合体。 晶相是陶瓷材料的基本组成,晶相的性 能往往能表征材料的特性。。 自 形 晶：发育较完整 半自行晶：发育部分完整 他 形 晶：发育完全不完整（最常见）
晶粒本身性质、晶粒形状以及尺寸 对材料的性能影响很大。
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⑵ 扩散
⑶ 粘滞流动与塑性流动 ⑷ 溶解和沉淀
8
先进陶瓷
烧结
⑴ 蒸发和凝结
曲面压：
任一弯曲表面, 在表面张力σ作用下,将产生一个曲面压力P，跟 平面相比，存在多余表面自由能△Z
2 P r
2 Z V r
平面：P=0, △Z=0 凹表面：P<0，曲面蒸气压低于平面 凸表面：P>0，曲面蒸气压高于平面
6
先进陶瓷
烧结
过剩表面能驱动力
E svWm S p
sv 固气表面能
Wm 晶体材料摩尔质量
粒度越细，比表面越大，驱动力越 大，所以细粉更容易烧结
S p 粉末比表面
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先进陶瓷
物质传递
烧结
烧结过程除了要有推动力外,还必须有物质的传递过程,这样 才能使气孔逐渐得到填充,使坯体变得致密。
物质传递方式： ⑴ 蒸发和凝结
13
先进陶瓷
烧结
⑶ 粘性流动与塑性流动
高温下液相含量很高时，液相具有牛顿型液体的粘性流动， 这种粉末体的烧结比较容易通过粘性流动而达到平衡。首先， 物质在高温下形成粘性流体，相邻晶粒中心互相逼近，晶粒间 产生粘合作用形成封闭气孔；接着，封闭气孔会由于粘性流动 密实化。
高温下坯体中液相含量较低、固相含量较高时，会产生塑 性流动传质。
从自由能来说，凸表面自由能最大，凹表面自由能最小。所以， 高温下具有较高蒸气压的系统，由于存在表面曲率的差异，物质从 蒸气压高的凸表面蒸发，在凹表面凝聚，如颗粒间的颈部，从而使 颗粒间接触面积增加，坯体致密化。
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先进陶瓷
烧结
⑴ 蒸发和凝结
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先进陶瓷
烧结
⑴ 蒸发和凝结
11
先进陶瓷
⑵ 扩散
烧结
陶瓷原料物质主要通过表面扩散和体积扩散进行传递,烧结是 通过扩散来实现的。 实际晶体中往往有许多缺陷,当缺陷出现浓度梯度时,它就会由浓 度大的地方向浓度小的地方作定向扩散。若缺陷是填隙离子,则离子 的扩散方向和缺陷的扩散方向一致;若缺陷是空位,则离子的扩散方向 与缺陷的扩散方向相反。晶体中的空位越多,离子迁移就越容易。 两球状颗粒接触处的颈部是凹曲面,表面自由能最低,因此容易产 生空位,空位浓度最大,可以说颈部是个空位源。即，从颈部到晶粒内 部存在着一个空位浓度梯度,这样物质可以通过体扩散、表面扩散和 晶界扩散向颈部作定向传递,使颈部不断得到长大,从而逐渐完成烧结 过程。
晶界存在微观晶界应力，晶粒越大，应力越大。 晶界位错汇集，刃型位错上部用直径小的质点、下部用直径大的质 点代替，可以减轻应力，降低系统能量，从而可以使外来杂质向晶界汇 集。利用这种现象，引入某些杂质，可以改善材料性能。
20
晶界性能
晶界处存在高能量，它可以降低并转化为新相所需的能量，在再 结晶或者相变时，该处往往是新相成核处或者结晶中心。
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先进陶瓷
气 孔
烧结
由于气孔特征不同,对陶瓷材料的 性能有很大的影响。 杨氏模量与气孔率有很大的关系, 气孔率小时,杨氏模量随气孔率的增加 而直线减少。
E=E0（1-kp）（P气孔率）
陶瓷的强度与杨氏模量成正比, 所以强度也随气孔率而变化。气孔愈 多,承受负荷的有效截面愈小,强度也 就愈低。
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21
先进陶瓷
烧结
晶 界工程 ① 提高晶界玻璃相的粘度
Si3N4陶瓷的烧结通常采用添加 MgO,使之在高温时与颗粒表面的SiO2 形成玻璃相, 从而实现迅速致密化。但 在高温下使用性能却有明显下降，分 析原因是由于玻璃相粘度不高造成的。 俄歇电子能谱发现，Ca易于在晶界富集，而CaO－MgO－SiO2体 系玻璃态粘度远低于MgO－SiO2体系，因此可以采用低Ca含量的高纯 度Si3N4原料, 来改善材料的高温性能。
先进陶瓷
烧结
烧结
烧结（sintering）是使材料获得预期的显微结构，赋予材料 各种性能的关键工序。 坯体在高温作用下，随着时间的延长，固体颗粒相互键联， 晶粒长大，空隙（气孔）和晶界渐趋减少，通过物质的传递，其总 体积收缩，密度增加，最后成为坚硬的具有某种显微结构的多晶烧 结体，这种现象称为烧结。烧结是减少成形体中气孔，增强颗粒之 间结合，提高机械强度的工艺过程。 在热力学上，所谓烧结是指系统总能量或者Gibbs自由能减 少的过程。
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晶界偏析
由于应变能、静电势或者固溶极限等原因，某些杂质 更容易在晶界偏析，通常发生在冷却过程中，因为应变能 和静电势都是随温度下降而增加，而固溶度则是随着温度 下降而减小，冷却过程中，免不了偏析，慢冷偏析大，快 冷则小。
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先进陶瓷
烧结
② 晶界相的结晶化
如选用的添加剂,在高温热压时形成过渡型的玻璃相,帮助致密 化,然后再在适当的温度下热处理,使晶界的玻璃态析出高熔点的晶 相,这样就可使材料有更好的高温使用性能。
28
可是粉体愈细．由于表而键活性很强，常常吸 附大量气体或离子．这些被吸附的气体不利于颗粒 间的接触而起了阻碍烧结的作用。细粒瓷件的最终 密度不一定比粗粒瓷件的大.
29
引晶技术
勃姆石（γ-AlOOH）加热时， 采用α-Al2O3引晶技术可得到更 为致密规则的结构
30Leabharlann 先进陶瓷烧结粉体粒度与烧结
要想在适当的烧结时间内获得烧结体的充分致密化，粉末颗 粒系统应当满足如下关系：
1
先进陶瓷
烧结现象
烧结
2
先进陶瓷
烧结现象
烧结
烧结过程中,主要发生晶粒和气孔尺寸及其形状的变化。 三阶段
①颗粒的粘结 — 烧结初期，颗粒间接触点通过成核、结晶长大等过程 形成烧结颈。但颗粒内的晶粒不发生变化，颗粒外形基本保持不变，烧 结体没有收缩，密度增加极少。
②烧结颈长大 — 烧结中期，原子向颗粒结合面迁移使烧结颈扩大，颗
⑦ 晶粒生长和粗化
5
先进陶瓷
烧结现象
烧结
烧结温度与熔点：
对纯物质而言，存在近似关系 金属粉末烧结温度0.3~0.4Tm（熔点） 无机盐类 0.57Tm 硅酸盐类 0.8～0.9Tm
烧结动力：
① 烧结过程既无外力作用，又无化学反应，其驱动力何来？？ ② 粉体特征：和块状相比，粉体具有较高的的比表面积和表面自由能。 ③ 粉体的过剩表面能为烧结驱动力 ④ 粉体表面能和化学反应中的能量变化比，驱动力太小 ⑤ 烧结不能自动进行，要加以高温
26
先进陶瓷
烧结
影响因素
陶瓷烧结是一种相对比较复杂的过程，影响因素很多，这 里主要讨论一下几种：
(1) 原始粉体粒度 (2) 添加剂 (3) 烧结温度和保温时间 (4) 盐类的选择 (5) 烧结气氛 (6) 成型压力
27
先进陶瓷
烧结
原始粉体粒度
无论液态或固态烧结中，细颗 粒由于增加了烧结的驱动力，缩短了 原子扩散距离和提高颗粒在液相中的 溶解度，从而导致烧结过程加速。 从二次再结晶角度出发，起始 粒径必须细而均匀。因为如果存在少 量大颗粒，则易发生晶粒异常长大现 象。 一般氧化物材料最适宜的粉末 粒度为0.05～0.5μm.
19
先进陶瓷
晶 界
烧结
陶瓷材料烧结过程中, 当细微颗粒长大发育成取向不同的晶粒 时, 相互接近并受到抑制时就形成晶界。
在晶界上的质点,要同时适应相邻两个晶粒的晶格结构,自己就处于 一种不规则的过渡排列状态。对于小角度晶界,可以把晶界的构造看作是 由一系列平行排列的刃型位错所构成的。
晶界缺陷较多，扩散快，是物质迁移的重要通道
12
先进陶瓷
⑵ 扩散
烧结
对于固相烧结机理中的烧结收缩，烧结速率或者说线收缩率有 如下近似关系：
L (20a 3 D* / kT 21/ 2 ) 2 / 5 r 6 / 5 t 2 / 5 L
△L/L：线收缩；a3:原子体积；t:时间；γ：表面能； D：扩散系数； T：温度； r：粒子半径 ① ② ③ ④ 烧结速度随时间延长而下降 烧结速度与颗粒尺寸成反比 晶界扩散、晶粒扩散增加时，烧结速率提高 扩散与温度有关系，因此烧结速度依赖于温度
粒间距离缩小，形成连续的孔隙网络。随着晶粒长大，晶界或孔隙一起 运动，或越过孔隙使之残留于晶粒内部。烧结体的密度和强度都增加。
③孔隙球化和缩小 — 烧结后期，一般当烧结体密度达到90％，烧结就
进入烧结后期。大多数孔隙被分隔，晶界上的物质继续向气孔扩散填充， 致密化继续进行，晶粒也继续长大。烧结体主要通过小孔隙的消失和孔 隙数量的减少来实现收缩，收缩比较缓慢。 3
例子： Si3N4陶瓷烧结时用Y2O3代替MgO，热处理后析出晶相Y2O3 －Si3N4，并可固溶许多杂质离子，从而提高材料高温性能
③ 晶界相与晶粒起作用,使晶界相消失
晶界的玻璃相,如果其组成选择适当,可以在热压后的热处理中, 逐步固榕到晶粒里去,这样处在晶界的低熔玻璃相就基本消失了,也 是提高材料高温性能的一条途径。
Dv 1 3 a
利用此公式，根据体扩散系数，可粗略估计烧结时所用粉体粒
度
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先进陶瓷
烧结
粉体团聚与烧结
细小颗粒在液体和固 体介质中承受吸引力 和排斥力形成结块和 团聚体示意图
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颗粒形状
颗粒形状和液相体积含量对颗粒之间作用力的影响 只有在大量液相存在的情况下，才能使这些具有一定棱角形 状的陶瓷粉体之间形成较高的结合强度。
先进陶瓷
烧结
烧结过程（固相烧结）