先进陶瓷概论课件.ppt
Introduction to Advanced Ceramics(Technical Ceramics,Fine Ceramics etc.)先进陶瓷概论先进陶瓷概论(高技术陶瓷、精细陶瓷高技术陶瓷、精细陶瓷)陶瓷材料分类与区分先进构造陶瓷的特征与制备方法先进构造陶瓷的应用举例 提纲陶瓷材料分类与区分工程材料的分类MetalsCeramicsGlassesPolymersElastomersHybirds无机非金属材料可以统称为可以统称为“陶瓷陶瓷”有机材料Aerospace materials:C-C composites,SiO2,Amorphous silicon,Al-alloys,SuperalloysBiomedical materials:Titanium alloys,Stainless steels,Shape-memory alloys,Plastics,PZTElectronic materials:Si,GaAs,Ge,BaTiO3,PZT,YBa2Cu3O7-x,Conducting polymersEnergy technology and environmental technology:UO2,Ni-Cd,ZrO2,LiCoO2,Amorphous Si:H,TiO2 nanomaterialsMagnetic materials:Fe,Fe-Si,NiZn,Co-Pt-Ta-Cr,Fe2O3,Tb0.23Dy0.77Fe2,LaCaMnO3 filmPhotonic or optical materials:SiO2,GaAs,Glasses,Al2O3,YAG,LiNbO3Smart materials:PZT,Ni-Ti shape memory alloys,MR fluids,polymer gelsStructural materials:Steels,Aluminum alloys,Concrete,Fiberglass,Plastics,Wood材料的功能性分类陶瓷是材料，尤其是新材料的重要组成局部。陶瓷材料分类p 传统陶瓷 Traditional Ceramicsp 陶器 Pottyp 瓷器 Porcelain,Chinap 炻器 Stone Warep 先进陶瓷 Advanced Ceramicsp构造陶瓷 Structural Ceramicsp功能陶瓷 Functional Ceramicsp陶瓷基复合材料 Ceramic Matrix Composite广义的陶瓷：由无机非金属材料经高温处理而获得的各种材料及其制品。无机非金属材料：除金属材料和有机高分子材料之外的一切材料，包括各种单质、氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、硅化物等。制品：粉体、纤维、薄膜、块体。由硅酸盐矿物原料经过细碎、混合、成型、烧成、才会等工序而获得的具有坚硬构造的硅酸盐制品。伴随现代工业技术的进展而消失的各种新型陶瓷的总称。传统陶瓷p 按材质分 陶器：烧成温度9001200 oC，吸水率2%炻器：烧成温度11501280 oC，吸水率0.52%瓷器：烧成温度9001200 oC，吸水率0.5%p 按应用分日用陶瓷：杯、碟、碗、盆、勺、壶艺术陶瓷：花瓶、陶塑、瓷塑建筑陶瓷：内墙砖、外墙砖、地板砖、卫生洁具、广场砖工业陶瓷：电瓷、化工陶瓷p 按装饰特征分有釉，无釉黑陶、彩陶、青花、釉下彩、釉上彩、釉中彩、唐三彩传统陶瓷传统陶瓷先进陶瓷p 按用途分p 构造陶瓷：主要利用陶瓷材料的耐高温、耐腐蚀、耐磨损、强度高及化学性质稳定等特点。p功能陶瓷：主要利用陶瓷材料所具有的的特殊电、磁、热、光、生物等性能。p陶瓷基复合材料：通过材料设计方法改善单组份陶瓷的性能或取得多组分性能的互补优势，扩大其应用范围。p 按材质分p氧化物陶瓷：Al2O3,ZrO2,SiO2,TiO2,ZnOp氮化物陶瓷：Si3N4,AlN,BNp硼化物陶瓷：TiB2,ZrB2p硅化物陶瓷：MoS2先进陶瓷p 按性质分p 电子陶瓷：陶瓷电容、电阻、电感、基板等，超导陶瓷p热陶瓷：发热陶瓷、导热陶瓷、隔热陶瓷p耐磨陶瓷：陶瓷轴承、密封件、研磨体、内衬p光陶瓷：透亮陶瓷、光导陶瓷、激光陶瓷p敏感陶瓷：热敏、压敏、气敏、光敏陶瓷p核陶瓷：核燃料(UO2)、核爱护(含硼陶瓷)p化学陶瓷：耐酸陶瓷、耐碱陶瓷、过滤陶瓷、催化陶瓷先进陶瓷一般陶瓷与先进陶瓷的主要区分区别区别普通陶瓷普通陶瓷先进陶瓷先进陶瓷原料原料天然矿物原料人工精制合成原料成型成型以注浆、可塑成型为主模压、等静压、流延、注射成型为主烧成烧成烧成温度一般在1350oC以下，燃料以煤-油-气为主结构陶瓷烧成温度在1600oC左右，功能陶瓷需要精确控制烧成温度加工加工一般不需要加工需要切割、打孔、研磨和抛光性能性能以外观效果为主以内在质量为主，表现出特定的物理化学性能用途用途炊具、餐具、陈设品和墙地砖、卫生洁具主要应用于航空航天、能源、冶金机械、交通和家电等行业先进构造陶瓷的特征与制备方法先进构造陶瓷的定义与分类p 构造陶瓷是指具有特殊力学或机械性能，以及局部热学或化学性能的先进陶瓷。p 功能陶瓷是指那些利用电、磁、声、光、力等直接效应及其耦合效应所供给的一种或多种性质来实现某种使用功能的先进陶瓷。高温构造陶瓷：发动机用陶瓷、高级耐火材料、喷嘴、陶瓷换热器 高硬耐磨陶瓷：陶瓷刀具、磨料磨具、陶瓷密封件、陶瓷轴承、研磨体 生物构造陶瓷：人工齿、人工骨 陶瓷基复合材料：复合陶瓷、Cf/SiC、C/C等先进构造陶瓷的分类p 按材质分p氧化物陶瓷：Al2O3,ZrO2,SiO2,TiO2,ZnOp氮化物陶瓷：Si3N4,AlN,BNp硼化物陶瓷：TiB2,ZrB2p硫化物陶瓷：MoS2。p 其他p 低膨胀陶瓷：钛酸铝陶瓷、熔融石英陶瓷、锂质陶瓷等p 可加工陶瓷：Ti3SiC2系MAX陶瓷、云母玻璃陶瓷、BN复合陶瓷、稀土磷酸盐氧化物复合陶瓷等p 透亮陶瓷：Al2O3、AlN、Y3Al5O12、MgAl2O4、MgO、AlON等透亮陶瓷p超高温陶瓷：HfB2、ZrB2等先进构造陶瓷的进展历程p 1971年：美国“脆性材料打算”：陶瓷涡轮发动机，工作温度提高200 oC，功率提高30%，燃料消耗降低7%。p 1979年：美国能源部“先进燃汽轮机打算”，AGT101发动机，涡轮入口温度1371 oC，转速达10万rpm。p 1974年：德国BMET打算，1350 oC，转速5万rpm，在Benz-2023上运行724 km。p 1978年：日本“月光打算”，磁流体发电，先进燃汽轮机。p 1984年：日本全陶瓷发动机问世，热效率达48%，节省燃料50%，功率提高30%，质量减轻30%。p 1983年：美国能源部“陶瓷技术打算”。p 1993年：美国能源部“热机用低本钱陶瓷打算”。p 1996年：美国能源部“发动机系统材料打算”。p 1986年：中国863打算中“陶瓷发动机用关键材料”。AGT101 EngineNissan Ceramic turbocharger made of silicon nitride 美国先进陶瓷的市场规模产品类型1980年1985年1990年2000年电子陶瓷534170819903485切削刀具35160耐磨零件2045180540发动机零件2156840生物陶瓷1030其他21570合计556117421965125(单位：百万美元)日本先进陶瓷的市场规模产品类型1983年1985年1990年1995年2000年电磁陶瓷57378586168982626537669机械陶瓷390580102016452082热陶瓷266468277162359019生化陶瓷298437191229103959光陶瓷173229167246926342核陶瓷8617599014892190合计695010475252634324661261(单位：亿日元)先进构造陶瓷的进展趋势 构造微细化、纳米化构造-功能一体化组成可设计、复合化制备低本钱化性能挖掘潜力大，觉察新材料几率高先进陶瓷的制备工艺粉体制备成 型烧 结精 加 工成 品陶瓷粉体的制备p 固相法p高温固相反响法p碳热复原反响法p盐类分解法p高温自集中合成法p机械裂开法p 液相法p 化学沉淀法p 溶胶-凝胶法p 醇盐水解法p水热法p 溶剂蒸发法p 气相法p化学气相沉积p物理气相沉积u 优点u 烧结温度低u 致密度高u 超塑性u 耐磨性u 可加工性u 缺点u 制备本钱高u 技术难度大重要趋势：纳米粉体纳米粉体陶瓷成型技术p 固态成型p模压、冷等静压、热压、热等静压、激光选区烧结、三维打印成型、分层实体成型等p 液态成型浆料成型p注浆成型、流延成型、热压铸、注射成型、凝胶注模成型、熔铸等p 气相法p 气相沉积陶瓷成型技术凝胶注模陶瓷成型技术凝胶注模(Gel casting)陶瓷成型技术流延成型(Tape casting)料浆制备薄膜制备加工处理陶瓷成型技术流延成型(Tape casting)陶瓷成型技术注射成型(Injection Molding,CIE)陶瓷注射成型工艺示意图通过陶瓷注射成型方法制备的WC+Co钻头陶瓷烧结技术陶瓷粉末烧结过程示意图陶瓷粉末烧结致密化过程的显微图片陶瓷烧结技术常压烧结马弗炉管式炉p 常压烧结p烧结坯体在无外加压力、只在常压下，即大气条件下，置于窑炉中，进展烧结。p 特点p 最廉价p 最传统p 最简便p 最广泛陶瓷烧结技术热压烧结热压烧结炉p 热压烧结p在烧结过程中同时施加压力，加速了致密化的过程。p 优点p 烧结温度低p 烧结时间段p 制品密度高p 缺点p 本钱高p 生产率低陶瓷烧结技术气压烧结气压烧结炉p 气压烧结p在陶瓷的高温烧结过程中，施加肯定的气体压力，通常是N2，压力范围是110 MPa,以便抑制在高温下陶瓷材料的氧化、分解和失重，从而可提高烧结温度，进一步促进材料的致密化，获得高密度的陶瓷制品。p 对象p Si3N4p SiCp SiAlONpAlN陶瓷烧结技术放电等离子烧结放电等离子烧结炉p 放电等离子烧结该技术在模具或样品中直接施加大的脉冲电流，通过热效应或者其他场效应，有效地利用粉体颗粒之间放电所产生的自发热作用，实现陶瓷粉体的快速致密化。p 机制 产生放电等离子 放电产生瞬间高温(104oC)施加压力陶瓷精加工技术p 陶瓷的特点高硬度 高强度低韧性难加工陶瓷精加工种类力学的化学的光化学的电化学的电学的光学的磨料加工：磨削、研磨、抛光等刀具加工：切割蚀刻化学抛光光刻电解抛光电火花加工、电子束加工离子束加工、等离子束加工激光加工陶瓷精加工技术先进构造陶瓷的应用举例刀具p 刀具材料的进展是人类文明进展和历史进程的缩影。刀具工业革命的新进展 1898年，高速工具钢 1923年，德国研制成功WC-Co硬质合金金属切削加工中的实际需求p 金属切削的要求p要求刀具材料具备高硬度、高耐磨性、高强度和高断裂韧性、高热硬度、良好的抗热震性、抗侵蚀、抗粘着性等。p 切削加工的精度p 工件的外表粗糙度p 切削加工的效率陶瓷刀具是以陶瓷材料为基础制作的用于金属切削的刀具，能在高速切削条件下保持高强度、硬度和耐磨性，并具有长的使用寿命。陶瓷刀具的进展历史 1905年，德国人开头Al2O3陶瓷刀具的争论；1912年英国人首获Al2O3陶瓷刀具的专利；直至1950s陶瓷刀具才真正有用化；1970s研制成功Al2O3+TiO2复合陶瓷刀具，局部解决了超硬材料冷加工的问题。1970s，美国生产多晶金刚石刀具和多晶立方氮化硼刀具，但是本钱高。1980s，清华大学热压Si3N4，英国Lucas公司SiAlON陶瓷刀具。具有较高的强度、硬度和断裂韧性，良好的耐磨性、红硬性和抗热冲击性，以及较小的线膨胀系数。1990s，纳米颗粒和晶须增加的陶瓷刀具、陶瓷涂层刀具、梯度功能陶瓷刀具、超硬刀具等。近二十年来，兴旺国家陶瓷刀具的应用已超过10%。陶瓷发动机p 金属发动机的问题p19世纪后期，德国的Otto和Diesel先后制造汽油机和柴油机。金属发动机p 导热性好，耐热、耐腐蚀性能差，极易氧化和变形。p 气缸必需有水冷或者风冷p 大量的热被冷却介质带走：1/3成为有效功率，1/3被冷却剂带走，1/3随废气排出p 解决方案p取消或者局部取消冷却系统p使用耐高温隔热材料削减燃烧室的热量损失，使发动机在更高温度下工作铝合金的耐热极限：350oC刚和铸铁：450oC超级耐热合金：1093oC陶瓷发动机p 陶瓷:低密度、低热导率、耐高温、耐磨损、耐腐蚀p 提高发动机效率 取消冷却系统，降低热量损失，上升了循环平均温度p 削减帮助功率消耗，简化了发动机构造 摆脱了冷却系统，不受恶劣气候影响，有重要的军事用途p 适应多种燃料的燃烧 陶瓷发动机燃烧室温度高，有利于不同燃料的蒸发、着火和燃烧。陶瓷材料的抗化学腐蚀性强，可使用质量较差的燃油p 降低了发动机的噪声，削减了排气污染 取消了发动机的冷却系统，降低了风扇噪声；燃烧温度高，燃料燃烧完全，削减污染p 减轻质量 陶瓷比金属轻60%左右p 资源丰富 可削减对Co、Ni、Cr等战略物资的依靠陶瓷发动机p 瓶颈:高脆性高脆性、低韧性、抗热震性差 1940s1950s开头了陶瓷发动机的争论 1970s，美国Cummins提出陶瓷隔热涡轮复合发动机设想p 解决:贝壳仿生材料 (英国帝国化学工业公司 威廉 克莱格博士)p 贝壳 由有机质粘在一起的层状碳酸钙构造p SiC+石墨层状构造p 供给了裂纹偏转和应力释放的途径p 即使在冲击力的作用下，也只有表层的SiC片脱落，避开了整个零件的失效陶瓷发动机 1990年，英国帝国化学工业公司制造了耐高温不需冷却系统的陶瓷汽车发动机 1991年，中国陶瓷发动机作动力的大客车，行驶3500 km 美国、德国、日本p 问题:高本钱、低牢靠性当前的重点：进展常规发动机用陶瓷部件，以替代金属部件常规发动机用陶瓷部件使用范围陶瓷零件材 料陶瓷化的效果配气系统气门，气门导管气门座凸轮挺柱Si3N4Cr3C2SiC,PSZSi3N4提高了耐磨性、耐久性和疲劳强度燃烧室气缸盖底面活塞顶汽缸套活塞环Si3N4,喷涂PSZSi3N4,喷涂PSZSi3N4,硅铝纤维减少了颗粒排放物，提高了耐磨性，耐久性启动装置电热塞热型火花塞Si3N4Si3N4缩短了启动预热时间，提高了功率转子发动机径向密封片侧盖板铝转子加强部纤维增强陶瓷喷涂Cr3C2纤维增强陶瓷提高了耐磨性、耐久性其他排气口镶套涡轮增压器涡壳活塞销喷油嘴喷涂PSZ,铝基钛酸盐,Si3N4,SiC锂基钛酸盐,Si3N4Si3N4减少排放物，降低冷却损失清除涡轮滞后性提高耐磨性提高耐磨性常规发动机用陶瓷部件p 柴油机启动用陶瓷电热塞常规发动机用陶瓷部件陶瓷涡流室 Si3N4陶瓷摇臂镶块 Si3N4气门和挺柱 陶瓷制动片陶瓷绝热发动机承受陶瓷绝热发动机的步卒战车，用于防止战场红外线探测和红外制导武器的攻击构造陶瓷在航空航天领域的应用 航天飞机返回大气层时，因摩擦在飞机外表产生1400 oC高温 在航天飞机的铝合金机身外外表披挂3万片隔热瓦构造陶瓷在航空航天领域的应用 隔热瓦材料：直径为1.5微米的SiO2纤维压制而成的1520cm的正方形 隔热瓦上：掩盖一层黑色的含硼硅铍盐，外表掩盖白色陶瓷隔热瓦与机身之间的缓冲材料：聚芳酞胺纤维和毛毡，用有机硅胶粘接构造陶瓷在航空航天领域的应用奋进号轨道器因太空垃圾碰撞导致的隔热瓦受损的照片2023.1美国哥伦比亚航天飞机失事。缘由：升空时外部燃料箱脱落导致左翼前部隔热瓦局部脱落。返回大气层时，机翼温度上升导致飞机爆炸解体。构造陶瓷在航空航天领域的应用2023.7.268.9 美国觉察号航天飞机。隔热瓦被撞失效，宇航员通过太空行走修复，觉察后最终安全着陆。构造陶瓷在航空航天领域的应用固体火箭发动机喷管：耐高温耐高压耐热流和气体冲刷耐化学腐蚀质量轻、抗热振、牢靠性高、加工性好MAX相概述pMn+1AXn相即MAX相是一类具有层状构造的三元碳化物或氮化物陶瓷材料，其中，M为过渡族金属，A主要为和族元素，X为C和N，n=1，2，3。当n=3时，称为413相；当n=2时，简称为312相；当n=1时，简称为211相，又称为H相。211相Ti2AlCTi2AlNHf2PbCCr2GaCV2AsCTi2InNNb2AlC(Nb,Ti)2AlCTi2AlC0.5N0.5Nb2GaCNb2AsCZr2InNTi2GeCCr2AlCZr2SCMo2GaCTi2CdCHf2InCZr2SnCTa2AlCTi2SCTa2GaCSc2InCHf2SnNHf2SnCV2AlCNb2SCTi2GaCTi2InCTi2TlCTi2SnCV2PCHf2SCCr2GaNZr2InCZr2TlCNb2SnCNb2PCTi2GaCV2GaNNb2InCHf2TlCZr2PbCTi2PbCV2GaCV2GaCHf2InCZr2TlN312相Ti3AlC2Ti3SiC2Ti3GeC2Ti3SnC2413相Ti4AlN3V4AlC3Nb4AlC3Ta4AlC3Ti4SiC3MAX相的构造与制备方法p制备方法：p热等静压(HIP)方法p热压(HP)方法p高温自集中(SHS)方法p放电等离子烧结(SPS)方法p机械合金化(MA)方法p化学气相沉积(CVD)方法 211相 312相 413相MAX相的性质p综合性质：pMAX相材料兼具有金属和陶瓷的性能。和金属一样，在常温下，MAX相具有很好的导热性能和导电性能，有较低的Vickers硬度，能够像金属和石墨一样承受高速刀具进展机械加工，并在高温下具有塑性；p与陶瓷类似，它们具有高的屈服强度，高熔点，高弹性模量，高热稳定性和良好的抗氧化性能；p它们有甚至优于石墨和MoS2的自润滑性能。PropertiesTi3SiC2Ti3AlC2Compressive strength(MPa)720-105085452020764785Flexural strength(MPa)48041042037515340350Fracture toughness(MPam1/2)9.5-1611.25.87.29.10.35.3Vickers hardness(GPa)43.3-5.53.52.73.54.6Youngs modulus(GPa)283320297289Conductivity(106 Sm-1)4.7(25 C)1.10(800 C)4.3(25 C)1.0(800 C)2.9(25 C)0.85(800 C)3.09(25 C)0.98(800 C)Temperature coefficient of resistance(TCR)(10-3 K-1)4.234.193.12.80Coefficient of thermal expansion(10-6 K-1)9.29.0 8.7Thermal capacity(Jmol-1K-1)115.04126125.4Thermal conductivity(Wm-1K-1)37(25 C)33.97(25 C)350.2(1200 C)27.5(25 C)32.5(900 C)报告主题p陶瓷材料的微观破坏机制p陶瓷材料的成型方法p陶瓷材料的烧结原理与过程p导电陶瓷p压电和铁电陶瓷p生物陶瓷p敏感陶瓷p超导陶瓷p功能陶瓷的光学性质p功能陶瓷的耦合效应p复合陶瓷的力学性质要求p根本概念p物理描述p代表性材料/现象/方法24种p应用领域p40 min左右的ppt感谢！
