6-1先进陶瓷材料的制备化学
碳化硅烧结工艺技术
碳化硅烧结工艺技术简介碳化硅是一种重要的无机非金属材料，具有优异的高温、高硬度、高强度、高导热性和耐腐蚀性能。
碳化硅烧结工艺技术是将粉末形式的碳化硅材料在高温下进行烧结，使其形成致密的块状材料。
这种工艺技术广泛应用于高温、耐腐蚀等领域。
工艺步骤1. 原料制备碳化硅烧结工艺的第一步是制备碳化硅粉末。
一般采用高纯度的硅和石墨粉作为原料，在高温下进行反应生成碳化硅。
得到的碳化硅粉末需要进行粒度分级，以保证烧结后的坯体质量。
2. 造粒将得到的碳化硅粉末进行造粒，目的是提高粉末的流动性和绿坯的成型性。
造粒方法包括湿法造粒和干法造粒两种。
湿法造粒一般采用喷雾干燥法，将碳化硅粉末悬浮在溶液中，通过喷雾干燥使其形成颗粒状。
干法造粒则采用机械化方法，通过辊压或压片等方式将碳化硅粉末压制成颗粒。
3. 成型将造粒得到的碳化硅粉末进行成型。
常用的成型方法有压制成型、注浆成型和挤出成型等。
其中，最常用的是压制成型。
将碳化硅粉末放入模具中，在一定的温度和压力下进行压制，使其成型成绿坯。
4. 烧结将成型的绿坯进行烧结。
碳化硅烧结工艺中一般采用高温烧结的方法，常用的烧结设备有电炉和高频炉。
烧结过程中，绿坯在高温下进行结晶和致密化，使其形成致密块状的碳化硅材料。
烧结温度和时间根据需求进行调控，以获得理想的材料性能。
5. 加工和表面处理经过烧结的碳化硅块材料需要进行加工和表面处理，以满足特定的工程要求。
加工包括切割、研磨、钻孔等，表面处理包括抛光、涂层等。
这些步骤的目的是给碳化硅材料提供最终的形状和表面质量，以便于后续的应用。
工艺优势1.高温性能优异：碳化硅具有高熔点和高热导率，能够在高温下长时间稳定工作，因此在高温领域有广泛的应用，如高温炉、轻质隔热材料等。
2.高硬度和高强度：碳化硅具有极高的硬度和强度，能够耐受大部分物理和化学侵蚀，因此在耐磨、耐腐蚀的工作环境中具有广泛的应用，如磨具、切削工具等。
3.优良的导热性：碳化硅具有高导热性能，能够快速传导和散热，因此在散热器等应用中具有重要作用。
第三节 玻璃、陶瓷和水泥
水泥被广泛用作建筑材料，但是由于它的颜色单调， 不太美观，人们研制出了白水泥和彩色水泥。已知氯 化钴(CoCl2)在含有不同数目的结晶水分子时呈现不同 的颜色，如CoCl2呈蓝色， CoCl2· H2O呈蓝紫色， CoCl2· 2H2O呈紫红色，CoCl2· 6H2O呈粉红色。利用 这个性质，人们把氯化钴加入水泥中，制成了变色水 泥。请你说明变色水泥在空气中主要受什么因素影响 而改变颜色，举出几种情况下水泥可能呈现的颜色。 变色水泥的颜色主要受空气中水分含量的影响。例如， 空气干燥时可能呈蓝色或蓝紫色；空气潮湿时可能呈 紫红色或粉红色。
5. 下列对制取水泥和玻璃的共同特点的叙述 中，错误的是 ( A ) A．生产设备相同 B．原料中均有石灰石 C．反应都在高温下进行 D．发生的都是复杂的物理化学变化
6. 下列叙述正确的是(
D )
①普通水泥的主要成分是硅酸三钙、硅酸二钙 和铝酸三钙 ②制造普通玻璃的原料是纯碱、石灰石和石英
③陶瓷的种类很多，主要分为土器、陶器、瓷器 和炻（shi）器等 ④高温结构陶瓷、生物陶瓷和压电陶瓷都属于新型 无机非金属材料 ⑤SiO2可用于石英表中的压电材料 A．①②③ C．①②④⑤ B．②③④ D．①②③④⑤
坩埚为一陶瓷深底的 碗状容器。当有固体要 以大火加热时，就必须 使用坩埚。 坩埚使用时通常会将 坩埚盖斜放在坩埚上，以 防止受热物跳出，并让空 气能自由进出以进行可能 的氧化反应。
坩埚
氮化硅陶瓷
氮化硅陶瓷也是一种高温结构陶瓷，我国等 少数先进国家，已经用它制造出来陶瓷柴油机。
氮化硅陶瓷制品
课堂小结
3. 下列说法正确的是（ CD ） A．二氧化硅是酸性氧化物，它可以与强碱反应但 不能跟任何酸反应 B．依据SiO2＋CaCO3 == CaSiO3＋CO2↑的反应， 可以推知硅酸的酸性比碳酸强 C．二氧化碳气体通过硅酸钠溶液中可以制得硅酸 D．二氧化硅可以用来制取光导纤维
陶瓷工艺学1绪论、 第一章 原料 PPT课件
湖南醴陵
所产的瓷器有日用瓷与陈设瓷，薄胎注浆，瓷质洁 白，装饰的主要特色是釉下五彩，闻名中外。另除有釉上 贴花和喷花等外，1958年还试制成功一种感光晒花的新 装饰法。建国以后，这个地区的瓷器在技术方面不断革新 创造，生产发展很快，已成为全国重要的瓷区之一。
广东石湾陶器
相传有八百多年的历史。以人物、鸟兽等雕塑陈列品为主。釉色丰富， 刻画细腻，形象生动，别具风格。此外还有大量的日用陶器。建国后， 还首创了“结晶釉”
3.1陶瓷研究的发展历程
陶器
高铝质、粘土和 瓷土的应用 釉的发明
原料纯化 陶瓷工艺的发展 陶瓷理论的发展
陶器 传统陶瓷
先进陶瓷 微米级
纳米陶瓷
高温技术
显微结构 分析的进步 性能研究的深入 无损评估的成就 相邻科学的推动
3.2陶瓷在现代化建设中的作用
•
除用于日常生活中外，陶瓷作为结构和功能材料广泛
用于科学技术和工农生产领域的重要性，对此人们仍没有
• 唐代：远销日本、印度、波斯、埃及。 • 宋代：远销50余国，远至欧洲。 • 明代：郑和七次下西洋，将中国瓷器输送至世界各国，与
世界各国在文化、经济、贸易、政治上建立了联系。 • 中国瓷器在国外有：“白如玉，明如镜，薄如纸，声如磬”
的美誉，被外国人视为奇珍异宝。 • 十七世纪以后，各国竞相仿造，并逐渐创立自己的风格。 • 中国瓷器为人类文化的进步所做出的重大贡献，是值得我
由于其高温下的缺点，在陶瓷 生产中多不采用
钡长石 熔点高（1710℃），熔融温度 普通瓷制品不选用 范围较窄
1.2.3 长石类原料在陶瓷生产中的作用
1）长石是熔剂型原料，可降低烧成温度，减少燃料消耗。 高温下熔化后能填充坯体的孔隙，熔解粘土及石英类
陶瓷知识总结
陶瓷材料的成份主要是氧化硅、氧化铝、氧化钾、氧化钠、氧化钙、氧化镁、氧化铁、氧化钛等。
常见的陶瓷原料有粘土、石英、钾钠长石等。
陶瓷原料一般硬度较高，但可塑性较差。
除了在食器、装饰的使用上，在科学、技术的发展中亦扮演重要角色。
陶瓷原料是地球原有的大量资源粘土、石英、长石经过加工而成。
而粘土的性质具韧性，常温遇水可塑，微干可雕，半干可压、全干可磨；烧至900度可成陶器能装水；烧至1230度则瓷化，可完全不吸水且耐高温耐腐蚀。
其用法之弹性，在今日文化科技中尚有各种创意的应用。
功能陶瓷是指具有各种物理特性的陶瓷材料,它是和结构陶瓷对应而来的概念.功能陶瓷包括,生物陶瓷,金属陶瓷,超导陶瓷,电子陶瓷,光导纤维,透明陶瓷等很多类,所以要说它的性质得具体到哪一个,大概说就是我的第一句话.古陶瓷的主要特征陶瓷是火和泥的艺术，陶瓷器的要素是胎土、釉彩、造型、工艺、装饰与花纹等。
各种陶瓷器分别都有它的发明创烧时期，胎土、器型的变化以及釉色、装饰、色彩、工艺的改革创新等都有其成功期和普及期。
这个创烧期就是它时代的上限。
一件古陶瓷器在釉色、器型、装饰、色彩、工艺等其中一项上限年代最晚的，就是这件陶瓷断代的上限，这是一条不可违背的原则。
因此，把握古陶瓷的这些要素特征，是鉴定古陶瓷的重要依据。
(1)胎土。
胎土是陶瓷成形的墓础，即陶瓷器的原料，如瓷石、砧土、石英、高岭土等。
原料一般是通过粉碎、去杂质、淘洗等工序方可使用。
胎土的配方在每个时期、每个地区都有所不同。
如，东汉时期在浙江上虞出现的原始青瓷便使用瓷石原料，胎呈灰色。
江西景德镇自元代开始，便采用将高岭土加人瓷石的制胎方法，其胎色很白。
有各窑厂的胎土也各有特色，如唐代，南方地区以生产青瓷为主，胎土含铁量高，胎体坚致；而北方地区以生产白瓷为主，胎土含铁量低，胎骨相对粗松。
烧成后的胎质，有细有粗，有坚有松，有白、黑、灰等许多特征。
仿制的胎质可以做得很好，但重量难以掌握。
(2)釉彩。
第 2 章 陶瓷和玻璃材料
新兴材料 53、精细控制下的煅烧以获得微细陶瓷粒子。
溶胶－凝胶法可用来制备陶瓷和玻璃，其产物可以是纤维、也可以是粉末。
蒸馏提纯的醇盐（由金属氧化物与酒精反应形成）的水解也是溶胶－凝胶法的一个变量。
从溶体中沉淀出的氢氧化物是形状统一的球形亚微米粒子，而烧结不会明显改变这些人们期望的特征。
尽管溶胶－凝胶法的处理成本较高、生产周期也很长，但因溶体制备、成型和烧结工艺简便，形成的陶瓷性能突出，对于氧化物粉末，诸如氧化铝、氧化锆和氧化钛等，它仍不失为一种颇具吸引力的制备方法。
近来，关于溶胶蒸发相的方法成为研究热点，它可以获得粒径小至10~20nm 的微细陶瓷粉末(如氧化物、碳化物、氮化物、硅化物和硼化物等)，这种方法需要一个具有高能量输出的蒸发热源，如电弧、等离子射流或者激光束等，而粉末在载气中致密化后被碰撞过滤器或静电收集器从气流中分离出来，有时在化学气相沉积（CVD ）工艺中，会直接在基体上致密化成膜。
先进陶瓷材料的制备往往分为多个步骤或数段操作，每个操作由若干交互作用的变量(时间、温度、压力等)决定，这些变量通过对材料宏观和微观组织的特殊作用机制影响最终产品的质量。
当延性良好的金属材料通过塑性变形成型时，每一步的加工都会对材料施加载荷并可以暴露材料的缺陷(例如：奥氏体不锈钢具有冷拔加工到细小皮下注射针头尺寸的能力，就强有力地证明了其组织结构的完整性)。
单个陶瓷粒子通常是脆性不可变形的，因此，陶瓷材料的制备流程一般会避免塑性变形加工；同时，因缺陷会在加工后继续存在，但变得不可见或会导致实际上的局部破坏，也存在巨大的固有风险。
先进陶瓷的最终性能对各种形式的结构性异质是高度敏感的，特种陶瓷和高新产品技术的进步使得无损监测技术在陶瓷制备的关键阶段得到长足的应用。
在先进陶瓷的设计阶段，应特别强调对整个产品制备计划应用下列指导方针： 1、先驱体材料，特别是超细粉末，应科学地确定其特征参数； 2、每一步工艺操作都应该精确地研究和控制； 3、应将整个操作流程与无损检测技术有机结合。
应用无机化学：第一章 新型无机材料概述
✓ 粉体原料的粒度是纳米量级的，显微结构中的晶粒、晶界、气孔、缺陷分布均在纳米尺度。 ✓ 纳米陶瓷表面和界面非常大，晶界对材料性能其主导影响作用 ✓ 纳米陶瓷是当前陶瓷研究的一个重要趋向，将促使陶瓷从性能到应用都提高到崭新的阶段 9
现代社会的合成材料
钇铝石榴石激光材料，氧化铝、氧化钇透 明材料和石英系或多组分玻璃的光导纤维 等
金 属
高温结构陶瓷
高温氧化物、碳化物、氮化物及硼化物等 难熔化合物
材
超硬材料
碳化钛、人造金刚石和立方氮化硼等
料
人工晶体
铌酸锂、钽酸锂、砷化镓、氟金云母等
生物陶瓷
长石质齿材、氧化铝、磷酸盐骨材和酶的
载体等
21
无机复合材料
陶瓷基、金属基、碳素基的复合材料
对人体有较好的适应性
心瓣膜、人造关节等
23
硬度大、耐磨损
高温炉管
透明、耐高压 氧化铝陶瓷制品
高
压
钠
灯
熔点高
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氧化铝陶瓷球磨罐
星式氧化铝陶瓷球磨机
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高压钠灯是发光效率很高的一种电光源，光色 金白，在它的灯光下看物清晰，不刺眼。平均 寿命长达1万小时～2万小时，比高压汞灯寿命 长2倍，高过白炽灯的寿命10倍，是目前寿命 最长的灯。早在20世纪30年代初，人们就已经 知道利用钠蒸气放电可获得一种高效率的光源， 但一直到1960年，高压钠灯才呱呱坠地，后经 不断发展改进，才得以实际应用。
2014级本科生选修课程
应用无机化学
课程内容
第一章 新型无机材料概述
• 新型无机材料发展概况 • 新型无机材料特点 、分类 • 新型无机材料应用领域
陶瓷基复合材料（CMC）
陶瓷基复合材料（CMC）第四节陶瓷基复合材料（CMC）1.1概述⼯程中陶瓷以特种陶瓷应⽤为主，特种陶瓷由于具有优良的综合机械性能、耐磨性好、硬度⾼以及耐腐蚀件好等特点，已⼴泛⽤于制做剪⼑、⽹球拍及⼯业上的切削⼑具、耐磨件、发动机部件、热交换器、轴承等。
陶瓷最⼤的缺点是脆性⼤、抗热震性能差。
与⾦属基和聚合物基复合材料有有所不同的，是制备陶瓷基复合材料的主要⽬的之⼀就是提⾼陶瓷的韧性。
特别是纤维增强陶瓷复合材料在断裂前吸收了⼤量的断裂能量，使韧性得以⼤幅度提⾼。
表6—1列出了由颗粒、纤维及晶须增强陶瓷复合材料的断裂韧性和临界裂纹尺⼨⼤⼩的⽐较。
很明显连续纤维的增韧效果最佳，其次为品须、相变增韧和颗粒增韧。
⽆论是纤维、晶须还是颗粒增韧均使断裂韧性较整体陶瓷的有较⼤提⾼，⽽且也使临界裂纹尺⼨增⼤。
陶瓷基复合材料的基体为陶瓷，这是⼀种包括范围很⼴的材料，属于⽆机化合物纳构远⽐⾦属与合⾦复杂得多。
使⽤最多的是碳化硅、氮化硅、氧化铝等，它们普遍具有耐⾼温、耐腐蚀、⾼强度、重量轻和价格低等优点。
陶瓷材料中的化学键往注是介于离⼦键与共价键之间的混合键。
陶瓷基复合材料中的增强体通常也称为增韧体。
从⼏何尺⼨上可分为纤维(长、短纤维)、晶须和颗粒三类。
碳纤维是⽤来制造陶瓷基复合材料最常⽤的纤维之⼀。
碳纤维主要⽤在把强度、刚度、重量和抗化学性作为设计参数的构件，在1500霓的温度下，碳纤维仍能保持其性能不变，但对碳纤维必须进⾏有效的保护以防⽌它在空⽓中或氧化性⽓氛中被腐蚀，只有这样才能充分发挥它的优良性能。
其它常⽤纤维是玻璃纤维和硼纤维。
陶瓷材料中另⼀种增强体为晶须。
晶须为具有⼀定长径⽐(直径o 3。
1ym，长30—lMy”)的⼩单晶体。
从结构上看，晶须的特点是没有微裂纹、位偌、孔洞和表⾯损伤等⼀类缺陷，⽽这些缺陷正是⼤块晶体中⼤量存在且促使强度下降的主要原因。
在某些情况下，晶须的拉伸强度可达o．1Z(Z为杨⽒模量)，这已⾮常接近⼗理论上的理想拉伸强度o．2Z。
陶瓷粉体的制备及其在陶瓷制品中的应用
陶瓷粉体的制备及其在陶瓷制品中的应用第一章陶瓷粉体的制备方法陶瓷粉体是制造陶瓷制品的重要原材料。
为了获得精细、均匀、高纯度的陶瓷粉体，需要采用各种方法进行制备。
1. 干法制备干法制备是在物理或化学作用下，将陶瓷原料研磨成小颗粒，并通过筛网分级，使其达到所需的颗粒大小和分布。
干法制备可以采用磨细、粉碎和机械法等不同方法。
其中磨细法是将陶瓷原料加入磨料中进行磨细。
磨料可以是陶瓷球、圆锥桶、圆柱罐等，在不断的冲击、磨擦和摩擦作用下，使原料颗粒缩小，磨细并分散。
而粉碎法则是将陶瓷原料加入粉碎设备中进行高速旋转和撞击，达到破碎，并通过筛分制备所需粒度的陶瓷粉末。
2. 湿法制备湿法制备是将陶瓷原料和溶液混合搅拌，制成胶体状物质。
此时，可以通过超声波处理、热干燥、高速离心等方法，去除胶体中的水分和有害物质，还原成精细均匀的陶瓷粉末。
3. 气相制备气相制备是将气态陶瓷原料在保护气氛下加热至高温，使其分解，从而在炉内形成陶瓷粉末。
气相制备可以控制粉末质量、形态和制备过程中的污染，使其成为制备超细、高纯、均匀粒径的陶瓷粉末理想方法，但设备复杂，成本较高。
第二章陶瓷粉体的应用陶瓷粉体是制造各种陶瓷制品的必不可少的原料。
以下分别介绍其在建筑材料、电子元器件、汽车、生物医学等领域的应用。
1. 建筑材料陶瓷粉体可以用于建筑材料，如墙砖、地砖、水泥等。
高纯度的陶瓷粉末可以增加建筑材料的硬度、密度和韧性。
此外，陶瓷粉末对于加强建筑材料的耐热性、耐化学腐蚀性和耐磨性，也有显著的作用。
2. 电子元器件陶瓷粉体可以用于制造电子元器件，如电容器、晶体管、压敏电阻器、传感器等。
这些元器件需要高纯度的陶瓷粉体来保证其性能和稳定性。
陶瓷粉体可以增加元器件的耐压、耐高温、抗干扰能力，同时还可以缩小元器件的尺寸和重量。
3. 汽车陶瓷粉体可以用于汽车零部件。
陶瓷粉体可以制成高强度、低密度的车轮、刹车盘和发动机部件，以提高汽车的安全性和效率。
在发动机内部，使用陶瓷粉体制成的活塞、活塞环和汽缸套等部件，可以提高发动机的效率和可靠性。
C09.先进陶瓷材料
C09-P11 非化学计量比 0.22CaTiO3-0.78(Li0.5+xSm0.5)TiO3+0.5x 微波介 质陶瓷的性能研究 张立星，甘霖，江娟*，章天金* 湖北大学 材料科学与工程学院
单元 C09-3：7 月 12 日下午 主持人：张魁宝 地点：10 馆-2F-07
13:30-13:55 C09-24 (Invited) 一步反应法制备 ZrN 基复相陶瓷及其相图构建 陆有军 北方民族大学
13:55-14:10 C09-25 (Invited) 聚合物先驱体陶瓷法 SiC/Si3N4 纳米复合材料 邵刚 郑州大学材料科学与工程学院
10:40-11:05 C09-43 (Invited) 几种氧化物陶瓷超细纳米粉制备探索及烧结活性评价 齐建起 四川大学物理学院
11:05-11:20 C09-44 高纯度 AlMgB14 粉体制备及性能研究 姜金华，张景贤* 中国科学院上海硅酸盐研究所
11:20-11:35 C09-45 直流电场辅助 3YSZ 陶瓷的超塑性变形 刘佃光*1，刘金铃 1，王一光 2 1. 西南交通大学 2. 北京理工大学
14:10-14:25 C09-26 溶胶-凝胶法制备工艺中添加甘油对 (Ba0.85Ca0.15)(Ti0.9Zr0.1)O3 陶瓷压电性能的影响 阿孜古丽·海比布，张涛，张丹阳，陈潇洋，余萍* 四川大学材料科学与工程学院
14:25-14:40 C09-27 氨水调节不同 pH 值对溶胶-凝胶法制备的 CaCu3Ti4O12 陶 瓷介电性能的影响 刘玉倩 1，张呈忠 1,2，李卓晓 1，张建花*1，宋建成 1 1. 太原理工大学 2. 宁波材料技术与工程研究所
功能陶瓷的合成与制备
(1) 要求 ① 粉末组成和化学计量比可以精确地调节和控制，粉料 成分有良好的均一性； ② 粒子的形状和粒度要均匀，并可控制在适当的水平；
③ 粉料具有较高的活性，表面洁净，不受污染；
④ 能制成掺杂效果、成形和烧结性能都较好的粉料； ⑤ 适用范围较广、产量较大、成本较低；
⑥ 操作简单、条件适宜、能耗小、原料来源充分而方便。
陶瓷多种功能的实现，主要取决于它具有的 各种特性，在具体应用时，并根据需要，对 其某一有效性能加以改善提高，以达到良好 使用的目的。
要以性能的改进来改善陶瓷材料的功能性， 可以从以下两方面进行：
1. 从材料的组成上直接调节，优化其内在品质，包括 采用非化学式计量、离子臵换、添加不同类型杂质， 使不同相在微观级别复合，形成不同性质的晶界层
气相法
蒸发凝聚法：将原料加热气化并急冷，即获超细粉 （粒径为5~100nm），适于制备单一或复合氧化物， 碳化物或金属的超微细粉。使金属在惰性气体中蒸 发-凝聚，通过调节气压以控制生成的颗粒尺寸。 气相反应法：如气相合成法、气相氧化法、气相热 分解反应法等，其优点有： 1) 容易精制提纯、生成 物纯度高，不需粉碎，粒径分布均匀； 2) 生成颗粒 弥散性好；3) 容易控制气氛；4) 通过调节气压以控 制生成的颗粒尺寸。
在超导材料中，具有较高临界温度的超导体一般均为 多组元氧化物陶瓷材料。我国科学家在超导材料的研究 中也一直处于世界前沿。
实用性的超导薄膜和超导线材料已研制成功，最近报
导我们国家已制成长达 100m 的 Bi 系超导卷型材料，人 们正在向更高温区甚至在室温下实现超导的研究方向上 不断努力。
氧化物陶瓷高温超导体的研究也面临着诸多难题，Tc
判断材料是否具有超导性，有两个基本的特征：