第九章精细陶瓷

第九章精细陶瓷

基本要求：了解什么是精细陶瓷，精细陶瓷特点，分类和制备方法，精细陶瓷的制备工艺，性能和应用领域

重点：精细陶瓷的制备工艺，性能和应用领域

难点：精细陶瓷的性能

学时：2学时

第一节概述

一、定义和分类

精细陶瓷这一术语来自日本的“Fine Ceramics”，美国则称高级或先进陶瓷（Advaneed Ceramics）、高性能陶瓷（High-performance Ceramics）、高技术陶瓷（High Technology Ceramics）。它与传统陶瓷最主要的区别是具有优良的力学、热学、电性、磁性、光性、声等各种特性和功能，一般认为：采用高度精选原料、具有精确的化学组成、按照便于进行结构设计及控制的制造方法进行制造加工的、具有优异特性的陶瓷称精细陶瓷。精细陶瓷与传统陶瓷在工业材料的分类中同属于非金属陶瓷材料。

精细陶瓷主要有以下特点：

（１）产品原料全都是在原子、分子水平上分离、精制的高纯度的人造原料。

（２）在制备工艺上，精细陶瓷要有精密的成型工艺，制品的成型与烧结等加工过程均需精确的控制。

（３）产品具有完全可控制的显微结构，以确保产品应用于高技术领域。精细陶瓷具有多种特殊的性质，如高强度、高硬度、耐磨耐蚀，同时在磁、电、热、声光、生物工程等各方面有特殊功能，因而使其在高温、机械、电子、计算机、航天、医学工程各方面得到广泛应用。

新型陶瓷按其使用性能来分类，可分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类。

1.结构陶瓷

结构陶瓷以耐高温、高强度、超硬度、耐磨损、抗腐蚀等机械力学性能为主要特征，在冶金、宇航、能源、机械、光学等领域有重要应用。在这些领域中，由于结构陶瓷和陶瓷基复合材料一般比金属材料轻得多，又具有耐高温和高强度的特点，所以用陶瓷替代金属的前景非常诱人。典型的结构陶瓷包括：

(1)耐高温、高强度、耐磨损陶瓷

(2)耐高温、高强度、高韧性陶瓷

(3)耐高温、耐腐蚀的透明陶瓷

(4)生物陶瓷

2.功能陶瓷

功能陶瓷以电、磁、光、热和力学等性能及其相互转换为主要特征，在通信电子、自动控制、集成电路、计算机、信息处理等方面的应用日益普及。功能陶瓷材料大致包括：

(1)导电陶瓷

(2)介电陶瓷

(3)压电陶瓷

(4)半导体陶瓷

另外根据精细陶瓷的特性与用途，可将精细陶瓷分为三类：

（1）电子陶瓷主要应用于制作集成电路基片、点火元件、压电滤波器、热敏电阻、传感器、光导纤维等及磁芯、磁带、磁头等磁性体，例如氧化铁、氧化锆陶瓷等。

（2）工程陶瓷主要应用于切削工具、各种轴承及各种发动机，特别是汽车发动机，热效率可提高40%。如碳化硅、氮化硅、氧化锆、氧化铝陶瓷等。

（3）生物陶瓷主要应用于制作人工骨骼、人工牙根及人工关节、固定催化剂载体等。例如：氧化铝陶瓷、磷灰石陶瓷等。

二、研究精细陶瓷的意义及方法

精细陶瓷的研究任务主要是：研究和提高现有材料的性能；发掘材料的新性能；探索和开发新材料；研究与发展材料制备技术与加工工艺。随着对以上诸多领域研究的深入，陶瓷科学逐渐同冶金学、物理学、化学和数学等学科相互交叉渗透，从而逐步构建其完整的科学体系。

三、精细陶瓷的应用和发展

精细陶瓷按应用角度看，主要包括结构陶瓷和功能陶瓷两大类。它的发展虽然还不到一个世纪，但是作为结构和功能两大主要应用方面发展极其迅速，各国以热机为目标，投入大量研究经费和人力，以氧化物、氮化物、碳化物以及它们的复合材料为主，开展了材料的组分与结构设计、制备科学研究和材料与部件的可靠研究等。到90年代，材料的强度和韧性均取得重大突破，目前应用的主要

障碍是在成本和可靠性上。但是在耐磨、耐腐蚀、耐高温等方面应用已经取得了重大突破，在世界经济各个领域和国防建设中作出了重要贡献。随着低成本制备技术和均匀可靠性的提高，预计作为热机应用有望在二十一世纪初取得突破。

功能陶瓷是精细陶瓷的最主要组成部分，由于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主要支撑材料的地位将日益明显，特别是随着材料向微型化、集成化、多功能化方向发展，功能陶瓷不仅在品种、质量和数量将有更高要求，而且期待着新的功能陶瓷不断涌现。此外从环保和节能角度看，材料组成的无铅化、低温烧结、多层复合等新工艺均是重要发展趋势。

近年来，国外精细陶瓷总的发展趋势是：门类越来越多，品种更加齐全，应用范围愈来愈广阔，成为当前国际上最具活力的陶瓷行业。精细陶瓷产品已在微电子技术、自动化装置、汽车发动机、敏感传感器、新能源等方面广为采用，形成生产高潮与激烈的市场竞争局面。

第二节精细陶瓷的制备工艺

与金属材料相比，精细陶瓷具有硬度大，耐磨性好，耐热及耐腐蚀性等优异特点，但性脆，耐冲击强度低，故精细陶瓷的加工性能较差，加工难度较大。精细陶瓷的制造工艺大致如下：

原料粉末调整成型烧结加工成品

一般首先制备高纯度和高超细原料粉体，然后采用各种成型方法制成各种半成品，再根据不同的组成，不同的要求，采取不同的烧结方法制成所需要的产品。

一、精细陶瓷的粉体制备

精细陶瓷的粉体制备方法一般可分为机械法和合成法两种，前一种方法是采用机械粉碎方式将机械能转化为颗粒的表面能，使粗颗粒破碎为细粉；后一种方法是由离子、原子、分子通过反应、成核和成长、收集、后处理等手段获得微细粉末。这种方法的特点是纯度、粒度可控，均匀性好，颗粒细微，并可以实现颗粒在分子级水平上的复合、均化。

1.机械法

2.合成法

化学合成法包括固相法、液相法和气相法三种。

（1）固相合成法

以固态物质原料制备粉体的方法，包括固-固和固-气反应。固-固反应的应用如碳化硅粉体的合成，可采用二氧化硅粉末与炭粉在惰性气氛中加热至1500～1700℃反应生成α-SiC。

氮化硅粉体的合成常采用固-气反应。利用高纯度SiO2粉末和炭粉通N2气加热可生成Si3N4。

（2）液相合成法

液相法制取粉末主要可分为反应沉淀法和溶胶-凝胶法两大类，后者常常是制取超细陶瓷粉的有效方法。

（3）气相合成法

此种方法可分为蒸发凝聚法（PVD）及气相反应法（CVD）。前者是将原料加热至高温，使之气化，然后急冷，凝聚成微粒状物料，适用于制备单一氧化物、复合氧化物、碳化物或金属微粉。后者是用挥发性金属化合物的蒸气，通过化学反应合成的方法。除适用于制备氧化物外，还适用于制备液相法难于直接合成的氮化物、碳化物、硼化物等非氧化物。

二、精细陶瓷成型方法

1.成型前的原料处理

成型前原料需经一定的处理，如煅烧、粉碎、分级、净化处理等。原料进行处理的目的是调整和改善其物理、化学性质，使之适应后续工序和产品性能的需要。

（1）原料煅烧

（2）原料的混合

（3）塑化

（4）制粒

2.主要的成型方法

成型的任务是将粉末制成要求形状的半成品。精细陶瓷的主要成型法有：（1）粉料成型法：包括钢模压制，等静压制。

（2）浆料成型方法：

（3）可塑成型方法：