现代陶瓷材料及其先进制备技术
先进陶瓷课堂演讲
组员：翁贞华
目录
一 二 三
先进陶瓷的定义 先进陶瓷的特点 先进陶瓷的应用
先进陶瓷的定义
先进陶瓷的定义
精细陶 瓷
新型陶 瓷 高技术 陶瓷
高度精选 的原料 化学组成 结构设计 先进的制 备方法
高性能 陶瓷
精细的加 工技术
先进陶瓷的特点
先进陶瓷的特点
A
原料
B 结构 C 制备工艺
生物惰性：相容性 好
低调奢华 有内涵
高端大气 上档次
传统陶瓷
先进陶瓷
以外观为主，较低力学性能和 热性能；
以内在质量为主，常呈现耐温、 耐腐蚀、耐磨和各种电、光、热、 磁、敏感、生物性能；
主要用于炊、餐具，陈设品和 墙地砖、卫生洁具等
主要用于宇航、能源、冶金、 机械、交通、家电等行业。
先进陶瓷的应用
加的，其显微结构一般均匀 而致密。
先进陶瓷特点之制备工艺
传统陶 瓷
有机添加剂 烧结温度高 还需精加工
先进陶 瓷
矿物经混合可直接用 于湿法成型，材料的烧 结温度较低，一般为 900℃—1400℃，烧成 后一般不需加工。
高纯度粉体需添加有 机添加剂才能干法或者 湿法成型，烧结温度较 高，从1200℃—2200℃， 烧成后一般尚需加工。
先进陶瓷的应用
先进陶瓷
先进陶瓷应用
航空航天材料:陶瓷基复合材料
早期由于其抗高 温性能而被应用 于航天
韧性 强度
先进陶瓷应用
工程材料:陶瓷轴承
不怕腐蚀，密度小， 热胀热缩小
先进陶瓷应用
汽车材料:陶瓷电子元器件
先进陶瓷应用
民用材料:陶瓷刀具
具有实用价值和观 赏价值
蜂窝陶瓷及其相关材料技术
蜂窝陶瓷蜂窝陶瓷是近三十年来开发的一种结构似蜂窝形状的新型陶瓷产品。
由最早使用在小型汽车尾气净化到今天广泛应用在化工、电力、冶金、石油、电子电器、机械等工业中，而且越来越广泛，发展前景相当可观。
蜂窝陶瓷无数相等的孔组成的各种形状，目前最大的孔数已达到了每平方厘米20～40，密度每立方厘米4～6克，吸水率最高达20%以上。
由于多孔薄壁的特点，大大增加了载体的几何表面积和改善了抗热冲击性能，目前生产的产品，其网状孔以三角和四方为主，三角比四方承受力好得多，孔数也多些，这一点作为催化载体尤其重要。
随着单位面积孔数的提高和载体孔壁厚度的减少，陶瓷载体的抗热冲击趋势是提高的，热冲击破坏的温度也是提高的。
因此蜂窝陶瓷必须要降低膨胀系数和提高单位面积的孔数。
热膨胀系数是主要性能指标，当前国外水平是α25－1000℃≤1.0×10－6℃－1，与国内对比有一定差距，不过这差距越来越小。
最早生产蜂窝陶瓷的原料主要是高岭土、滑石、铝粉、粘土等，而今天已突破了，尤其是硅藻土、沸石、膨胀土以及耐火材料的应用，蜂窝陶瓷应用日益广泛，性能越来越好。
除了用于烧结成型的蜂窝陶瓷外，还出现了不烧结的蜂窝陶瓷，这大大提高了催化性能的活性。
不仅外观尺寸由最小的球环形状发展到大尺寸的立柱和方形和圆形。
根据模具设计的不同；可以制作成不同尺寸不同形状不同结构的蜂窝陶瓷。
如用在石化行业炼油空气吸附干燥的分子筛催化剂，尺寸高达0.8 m，宽0.25m的正方形，孔数每平方厘米达到25，从原料、工艺以及机械制造方面都有了很大的变化。
尤其是生产工艺有了很大提高。
作为催化剂的蜂窝陶瓷要求在制造成型时不开裂，有机成分必须释放干净，除了耐磨性能外还要求有一定的机械强度，再生回用多次。
蜂窝陶瓷主要产品有蓄热填料、活性炭、活性氧化铝、分子筛、瓷料球、塔填料和催化剂等数十种产品，蓄热填料的蜂窝陶瓷热容量J/kgk1000以上，使用温度≥1700℃，在加热炉、烘烤器、均热炉、裂解炉等窑炉中可节省燃料达40%以上，产量提高15%以上，排放烟气温度低于150℃。
陶瓷基复合材料的制备方法
结、冷却过程后，从窑的另一端取出成品。
4．精加工
由于高精度制品的需求不断增多，因此在烧结
后的许多制品还需进行精加工。 精加工的目的是为了提高烧成品的尺寸精度和 表面平滑性，前者主要用金刚石砂轮进行磨削加工， 后者则用磨料进行研磨加工。
以上是陶瓷基复合材料制备工艺的几个主要步
韧陶瓷基复合材料。
由于晶须的尺寸很小，从宏观上看与粉末一样，
因此在制备复合材料时，只需将晶须分散后与基体粉
末混合均匀，然后对混好的粉末进行热压烧结，即可
制得致密的晶须增韧陶瓷基复合材料。
目前常用的是SiC，Si3N4 ，Al2O3 晶须，常用的基 体则为Al2O3，ZrO2，SiO2，Si3N4及莫来石等。 晶须增韧陶瓷基复合材料的性能与基体和晶须的 选择、晶须的含量及分布等因素有关。
易造成烧成后的生坯变形或开裂、只能适用于形
状比较简单的制件。
采用橡皮模成型法是用静水压从各个方向均 匀加压于橡皮模来成型，故不会发生生坯密度不 均匀和具有方向性之类的问题。
由于在成型过程中毛坯与橡皮模接触而压成
生坯，故难以制成精密形状，通常还要用刚玉对 细节部分进行修整。
另一种成型法为注射成型法。从成型过程上看，
据需要的厚度将单层或若干层进行热压烧结成型，如
下图所示。
纤维 层 基体
纤维布层压复合材料示意图 这种材料在纤维排布平面的二维方向上性能优越，而在垂 直于纤维排布面方向上的性能较差。 一般应用在对二维方向上有较高性能要求的构件上。
另一种是纤维分层单向排布，层间纤维成一定角度，
如下图所示。 纤维层
基体
Z
三向C/C编织结构示意图 Y
这种三维多向编织结构还可以通过调节
陶瓷材料的制备
4、凝胶注模成型 、 原位凝固成型 坯体固化过程中没有收缩且原位固化保证陶瓷坯体的均匀 性
（三）干燥与排塑
热空气干燥 电热干燥 辐射干燥 （高频、微波、红外）
干燥
排除粘合剂，为烧成创造条件 排塑 是坯体获得一定的机械强度 避免粘合剂在烧成时的还原作用
（四）烧成 • 陶瓷生坯在高温下的致密化过程和现象的总和 • 减少成型体中气孔，增强颗粒间结合，提高机械 强度
固相反应法 溶出法
（二）成型
成型
干法成型
干压成型
等静压成型
湿法成型
注浆成型
热铸压成型
挤压成型
轧膜成型
注射成型
原位凝固成型
快速无模成型
1、等静压成型 、 • 利用液体或气体能够均匀的向各个方向传递压力的特性来 实现均匀受压成型
粉料装入弹性模具
放入具有液体或气体的高压容器中
用泵加压
压制成与模具相像的坯体
陶瓷
传统（普通）陶瓷
现代（先进）陶瓷
建筑砖瓦、日 用器皿、卫生 用具、美术装 饰制品等
结构陶瓷
功能陶瓷
高强度、硬度、弹性模量 耐高温、磨损 抗氧化、腐蚀
具有电磁、 光、声、超 导、化学、 生物学特性
传统陶瓷与现代陶瓷的主要区别
区别点 原料 成分 成型 烧成 传统陶瓷
天然矿物原料 主要有粘土、长石、石英的产地决 定 注浆、可塑成型为主 温度一般1350以下，燃料以煤、油、 气为主
1、烧成步骤
保温阶段
升温阶段
冷却阶段
2、烧成过程影响因素
3、烧成方法
烧 成 方 法
常 压 烧 成
热 压 烧 结
热 等 静 压 烧 结
反 应 热 压 烧 结
先进陶瓷材料
2先进陶瓷的特点陶瓷材料，从广义上讲，是指除有机和金属材料之外的所有其它材料，即无机非金属材料。
这里将现代的陶瓷材料冠以“先进”（也可称作“精细”、“高技术”等），是为了与传统的陶瓷材料相区别。
原料不同结构不同它们的差别主要体现在：制备工艺不同性能不同原料结构以天然矿物，如粘土、石英和长石等不加处理直接使用化学和相组成复杂、多样，杂质成份和杂质相众多而不易控制，显微结构粗劣而不够均匀，且多气孔使用经人工合成的高质量的粒体作起始材料一般化学和相组成较简单、明晰，纯度高，即使是复相材料，也是人为调控设计添加的，其显微结构一般均匀而细密制备工艺性能矿物经混合可直接用于湿法成型，材料的烧结温度较低，一般为900℃到1400℃，烧成后一般不需加工一般限于日用和建筑使用用的高纯度粉体必须添加有机的添加剂才能干法或湿法成型，烧结温度较高，根据材料不同从1200℃到2200℃，烧成后一般尚需加工优异的力学性质特别是高温力学性质和各种光、电、声、磁的功能，在各个工业领域，如石油、化工、钢铁、电子、纺织、汽车、航天、核工业和军事工业中3先进陶瓷的分类电子陶瓷结构陶瓷先进陶瓷涂层/薄膜复合材料纳米陶瓷问题原料制备难用机械的方法很难得到高纯度的、球状的粉体。
只能用化学的或物理的方法合成,通过合成可得到大多数纳米级的陶瓷粉体。
纳米粉体的团聚给陶瓷烧成带来麻烦在烧结后将引入大量的缺陷和气孔,严重影响烧结体的致密度和它的性能;团聚体亦将加速粉体在烧成过程中的二次重结晶,形成大晶粒,达不到纳米尺寸的要求。
因此,防止和消除粉体团聚是人们充分注意的问题。
问题原料制备难表征难纳米粉体如何表征,如何确认它是高纯的、符合化学式的、球状和无团聚的纳米粉体,因为常规的表征微米粉体的手段和方法往往无能为力或误导,必须探求新的测试方法或几种方法对照分析才能得到所需的表征结果。
（2）先进陶瓷的制备先进陶瓷的制备粉体制备成型烧结和加工。
现代陶瓷工艺学-汇总1
粉碎作用力的作用形式
颗粒结构变化，如表面结构自发地重 组，形成非晶态结构或重结晶
颗粒表面物理化学性质变化，如表面 电性、物理与化学吸附、溶解性、分 散与团聚性质
氧化物还原法：SiC、Si3N4 SiO2+C →SiO+CO, SiO+2C →SiC+CO, SiO+C →Si+CO, Si+C →SiC
热分解反应法：特种陶瓷氧化物粉末 Al2(NH4)2(SO4)4·24H2O20→0℃
Al2(SO4)3·(NH4)2SO4·H2O+23H2O ↑
累积分布曲线
频率（度）分布曲线
备注：累积分布为频率（度）分布的积分形式。
百分率可按质量、个数、体积等为基准。
• 平均径
D4 > D3 > D2 ≈ Dv > Ds > D1
D1 个数平均径 D2 长度平均径 D3 表面积平均径 D4 体积平均径 Ds 平均表面积径 Dv 平均体积径
• Dm 最多数量径，对应频率（度）分布曲线最高值。
1.1.1.3 颗粒分布
• 颗粒分布： 用于表征多分散体系中颗粒大小组成状况。
单分散体系：粒度一致或近似一致。 多分散体系：粒度有一定分布范围。 • 表达方式： 粒度分布：累积分布曲线、频度分布曲线 平均粒径：常用的六种平均径 标准偏差：反映分布对平均径的分散度（二次距的平方根） 分布宽度：SPAN=(d90-d50)/d10 偏度：偏离正态分布的程度。（三次距）
1.2.1 机械粉碎加工粉体及设备
先进材料导论论文(先进结构陶瓷材料)
先进材料导论论文（先进结构陶瓷材料）学生姓名学号专业先进结构陶瓷材料摘要随着现代高新技术的发展，先进陶瓷已逐步成为新材料的重要组成部分，成为许多高技术领域发展的重要关键材料，备受各工业发达国家的极大关注，其发展在很大程度上也影响着其他工业的发展和进步。
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”。
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。
由于先进陶瓷各种功能的不断发现，在微电子工业、通讯产业、自动化控制和未来智能化技术等方面作为支撑材料的地位将日益明显，其市场容量将不断提升。
本文介绍先进结构陶瓷材料当前的发展背景，互联网和高新技术发展时代下陶瓷材料的发展前景。
关键词先进结构陶瓷高新技术功能陶瓷1、研究背景目前，全球范围内先进陶瓷技术快速进步、应用领域拓宽及市场稳定增长的发展趋势明显。
随着现代高新技术的发展，先进陶瓷已逐步成为新材料的重要组成部分，成为许多高技术领域发展的重要关键材料，备受各工业发达国家的极大关注，其发展在很大程度上也影响着其他工业的发展和进步。
【1】由于先进陶瓷特定的精细结构和其高强、高硬、耐磨、耐腐蚀、耐高温、导电、绝缘、磁性、透光、半导体以及压电、铁电、声光、超导、生物相容等一系列优良性能，被广泛应用于国防、化工、冶金、电子、机械、航空、航天、生物医学等国民经济的各个领域。
先进陶瓷的发展是国民经济新的增长点，其研究、应用、开发状况是体现一个国家国民经济综合实力的重要标志之一。
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”。
2、国内外研究现状及发展趋势、国外研究发展情况先进结构陶瓷材料的研究，需要跟踪国际科技前沿，对新设想、新技术进行广泛探索。
自蔓延高温燃烧合成技术(SHS)、凝胶注模成形技术、微观结构设计已成为研究热点。
先进陶瓷工艺学
先进陶瓷工艺学先进陶瓷工艺学是一门研究陶瓷制造过程中的先进技术和工艺的学科。
陶瓷是一种古老而广泛应用的材料，具有优异的物理、化学和机械性能，在许多领域中都有重要的应用。
先进陶瓷工艺学的发展使得陶瓷的性能得到了进一步提升，扩大了陶瓷在各个领域中的应用范围。
在先进陶瓷工艺学中，采用了许多先进的技术和工艺来改进陶瓷制造过程。
其中一个重要的技术是粉末冶金技术，通过将陶瓷粉末进行成型和烧结，可以制备出具有复杂形状和高精度的陶瓷制品。
粉末冶金技术能够克服传统陶瓷制造中的一些困难，如难以加工和成型的问题，同时还能够提高陶瓷制品的性能。
另一个重要的工艺是化学气相沉积技术，通过将气体中的化学物质在高温条件下沉积在基体上，可以制备出具有高纯度和均匀性的陶瓷薄膜。
化学气相沉积技术具有高效、可控性好和制备复杂结构的优点，被广泛应用于电子、光学和能源等领域。
在先进陶瓷工艺学中，还涉及到陶瓷材料的化学合成、物理性能测试和表征等方面的研究。
通过合理选择和设计陶瓷材料的化学成分和结构，可以调控其物理、化学和机械性能。
同时，通过各种测试和表征手段，可以对陶瓷材料的性能进行评估和控制。
先进陶瓷工艺学的发展对许多领域产生了重要影响。
在电子领域，先进陶瓷材料被广泛应用于电子封装、介质和传感器等方面。
在能源领域，先进陶瓷材料被应用于燃料电池、太阳能电池和储能设备等。
在医疗领域，先进陶瓷材料被用于制备人工骨骼和牙科材料等。
此外，先进陶瓷材料还被应用于航空航天、汽车和化工等领域。
然而，尽管先进陶瓷工艺学取得了许多重要进展，但仍面临一些挑战。
首先，陶瓷材料的制备过程较为复杂，需要掌握一系列精细的工艺和技术。
其次，陶瓷材料的性能与其制备过程和结构密切相关，需要深入理解材料的微观结构和性能之间的关系。
此外，陶瓷材料的成本较高，限制了其在一些领域的应用。
因此，进一步研究和发展先进陶瓷工艺学仍然具有重要意义。
通过改进陶瓷制备工艺和优化材料性能，可以扩大陶瓷在各个领域中的应用范围，促进相关领域的发展。
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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
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
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
➢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
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
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
❖ 热压注成型
• 成型制品尺寸精确
陶瓷粉料→石蜡（12.5~• 1制3
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
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
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）
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
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
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
后处理
坯体成型