功能陶瓷材料PPT课件.ppt
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1、关于功能陶瓷材料关于功能陶瓷材料1第一张,PPT共九十四页,创作于2022年6月5.1 陶瓷材料与功能陶瓷陶瓷材料与功能陶瓷5.1.1、陶瓷材料陶瓷材料的发展概况的发展概况5.1.2、功能陶瓷功能陶瓷的定义、范围和分类的定义、范围和分类5.1.3、功能陶瓷功能陶瓷的性能与工艺特征的性能与工艺特征5.1.4、功能陶瓷功能陶瓷的应用和展望的应用和展望5.1.5、制备、制备陶瓷材料的原料陶瓷材料的原料 2第二张,PPT共九十四页,创作于2022年6月5.1.1 陶瓷材料的发展概况陶瓷材料的发展概况 陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷在人类在人类生活和社会建设生活和社会建设中是不可缺少的材料,它中是不可缺少的材料,它和
2、和金属材料金属材料、高分子材料高分子材料高分子材料高分子材料并列为当代并列为当代三大固体材料三大固体材料。我国的我国的陶瓷研究陶瓷研究陶瓷研究陶瓷研究历史悠久历史悠久、成就辉煌、成就辉煌,它是中华文它是中华文明的伟大象征之一,在我国的明的伟大象征之一,在我国的文化和发展史上文化和发展史上占有极其重占有极其重要的地位。要的地位。3第三张,PPT共九十四页,创作于2022年6月陶瓷的研究进程分为三个阶段陶瓷的研究进程分为三个阶段新石器时代新石器时代先进陶瓷阶段先进陶瓷阶段纳米陶瓷阶段纳米陶瓷阶段4第四张,PPT共九十四页,创作于2022年6月新石器时代新石器时代远在远在几干年前几干年前的的新石器时
3、代新石器时代新石器时代新石器时代,我们的祖先就已经用,我们的祖先就已经用天然黏土天然黏土天然黏土天然黏土作原料,塑造成各种器皿,再作原料,塑造成各种器皿,再在火堆中在火堆中烧成坚烧成坚硬的可重复使用的硬的可重复使用的陶器陶器陶器陶器,由于,由于烧成温度较低烧成温度较低,陶器仅是,陶器仅是一种含有一种含有较多气孔较多气孔、质地疏松质地疏松质地疏松质地疏松的的未完全烧成未完全烧成制品。制品。5第五张,PPT共九十四页,创作于2022年6月以后大约在以后大约在2000年前的年前的东汉晚期东汉晚期,人们利用,人们利用含铝较含铝较高的天然瓷土高的天然瓷土为原料,加上为原料,加上釉釉釉釉的发明,以及的发明
4、,以及高温合成技高温合成技高温合成技高温合成技术术术术的不断改进,使陶瓷步入的不断改进,使陶瓷步入瓷器阶段瓷器阶段,这是,这是陶瓷技术发展陶瓷技术发展史上史上意义重大的里程碑。意义重大的里程碑。釉:釉:以以石英、长石、硼砂、黏土石英、长石、硼砂、黏土等为原料制成的东西,涂等为原料制成的东西,涂在瓷器、陶器外面,烧制后在瓷器、陶器外面,烧制后发出玻璃光泽发出玻璃光泽发出玻璃光泽发出玻璃光泽,可增加陶瓷的,可增加陶瓷的机械强度机械强度和和绝缘性能绝缘性能。6第六张,PPT共九十四页,创作于2022年6月陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷都是以都是以黏土黏土黏土黏土为主要原料与其他为主要原料与其他天然矿物原料天然矿物
5、原料经经粉碎混粉碎混粉碎混粉碎混炼炼炼炼成形成形成形成形一一煅烧煅烧煅烧煅烧等过程制成的。等过程制成的。如常见的如常见的日用陶瓷日用陶瓷、建筑陶瓷建筑陶瓷、电瓷电瓷等传统陶瓷。等传统陶瓷。由于由于陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷的主要原料取之于自然界的的主要原料取之于自然界的硅酸盐矿物硅酸盐矿物硅酸盐矿物硅酸盐矿物(如如黏土黏土、长石长石、石英石英等等),所以可归为,所以可归为硅酸盐类材料和制品硅酸盐类材料和制品。从从原始瓷器原始瓷器原始瓷器原始瓷器的出现到的出现到近代的传统陶瓷近代的传统陶瓷近代的传统陶瓷近代的传统陶瓷,这一阶段持续了,这一阶段持续了四千余年。四千余年。7第七张,PPT共九十四页,创作于20
6、22年6月先进陶瓷阶段先进陶瓷阶段20世纪以来,随着人类对世纪以来,随着人类对宇宙的探索宇宙的探索、原子能原子能工业的兴起工业的兴起和和电子工业电子工业的迅速发展,从的迅速发展,从性质性质性质性质、品种品种品种品种到到质量质量质量质量等方面,对等方面,对陶瓷材料陶瓷材料陶瓷材料陶瓷材料均提出均提出越来越高的要求越来越高的要求。从。从而,促使而,促使陶瓷材料陶瓷材料陶瓷材料陶瓷材料发展成为一系列发展成为一系列具有特殊功能的具有特殊功能的无机非金属材料无机非金属材料。8第八张,PPT共九十四页,创作于2022年6月如如氧化物陶瓷氧化物陶瓷、压电陶瓷压电陶瓷、金属陶瓷金属陶瓷等各种等各种高温和功能陶
7、瓷高温和功能陶瓷。这时,陶瓷研究进入第二个阶段这时,陶瓷研究进入第二个阶段先先进陶瓷阶段进陶瓷阶段。9第九张,PPT共九十四页,创作于2022年6月先进陶瓷先进陶瓷先进陶瓷先进陶瓷(Advanced ceramics)又称又称现代陶瓷现代陶瓷,是为,是为了有别于了有别于传统陶瓷传统陶瓷传统陶瓷传统陶瓷而言的。而言的。先进陶瓷先进陶瓷先进陶瓷先进陶瓷有时也称为有时也称为精细陶瓷精细陶瓷精细陶瓷精细陶瓷(Fine Ceramics)、新型新型新型新型陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷(New Ceramics)、特种陶瓷特种陶瓷特种陶瓷特种陶瓷(Special Ceramics)和和高技高技术陶瓷术陶瓷(High-
8、Tech.Ceramics)等。等。10第十张,PPT共九十四页,创作于2022年6月在在先进陶瓷阶段先进陶瓷阶段先进陶瓷阶段先进陶瓷阶段,陶瓷制备技术陶瓷制备技术飞速发展。飞速发展。在在成形方面,成形方面,成形方面,成形方面,有有等静压等静压等静压等静压成形、成形、热压注热压注成形、成形、注射注射注射注射成成形、形、离心注浆离心注浆离心注浆离心注浆成形、成形、压力注浆压力注浆压力注浆压力注浆成形等成形方法;成形等成形方法;在在烧结方面,烧结方面,烧结方面,烧结方面,则有则有热压热压烧结、烧结、热等静压热等静压热等静压热等静压烧结、烧结、反应反应反应反应烧结、烧结、快速快速快速快速烧结、烧结、
9、微波微波微波微波烧结、烧结、自蔓延自蔓延烧结等。烧结等。11第十一张,PPT共九十四页,创作于2022年6月在在先进陶瓷阶段先进陶瓷阶段先进陶瓷阶段先进陶瓷阶段,采用的采用的原料原料已不再使用或很少已不再使用或很少使用使用黏土黏土黏土黏土等传统原料,而已扩大到等传统原料,而已扩大到化工原料化工原料化工原料化工原料和和合成矿物合成矿物合成矿物合成矿物,甚至是甚至是非硅酸盐非硅酸盐非硅酸盐非硅酸盐、非氧化物非氧化物非氧化物非氧化物原料,原料,组成范围组成范围也延伸到也延伸到无无机非金属材料机非金属材料范围。范围。此时可认为,此时可认为,广义的陶瓷概念广义的陶瓷概念广义的陶瓷概念广义的陶瓷概念已是已
10、是用陶瓷生产方法用陶瓷生产方法制制造的造的无机非金属固体材料无机非金属固体材料无机非金属固体材料无机非金属固体材料和和制品制品制品制品的统称。的统称。12第十二张,PPT共九十四页,创作于2022年6月纳米陶瓷阶段纳米陶瓷阶段到到20世纪世纪90年代,陶瓷研究已进入第三个阶段年代,陶瓷研究已进入第三个阶段-纳纳纳纳米陶瓷阶段米陶瓷阶段米陶瓷阶段米陶瓷阶段。所谓所谓纳米陶瓷纳米陶瓷纳米陶瓷纳米陶瓷,是指,是指显微结构中的物相显微结构中的物相就有就有纳米纳米级尺度级尺度的陶瓷材料。它包括的陶瓷材料。它包括晶粒尺寸晶粒尺寸、晶界宽度晶界宽度、第第第第二相分布二相分布二相分布二相分布、气孔尺寸气孔尺寸
11、气孔尺寸气孔尺寸、缺陷尺寸缺陷尺寸等均等均在纳米量级的尺度在纳米量级的尺度上上。13第十三张,PPT共九十四页,创作于2022年6月5.1.2 功能陶瓷的定义、范围和分类功能陶瓷的定义、范围和分类从性能上从性能上可把可把先进陶瓷先进陶瓷分为分为结构陶瓷结构陶瓷(Structral ceramics)和和功能陶瓷功能陶瓷(Functional Ceramics)两大类。两大类。14第十四张,PPT共九十四页,创作于2022年6月 结构陶瓷结构陶瓷是指具有是指具有力学力学力学力学和和机械性能机械性能机械性能机械性能及部分及部分热学热学和和化学化学化学化学功能功能功能功能的先进陶瓷的先进陶瓷(现代陶
12、瓷现代陶瓷),特别,特别适于高温下应用的适于高温下应用的则则称为称为高温结构陶瓷高温结构陶瓷高温结构陶瓷高温结构陶瓷。功能陶瓷功能陶瓷功能陶瓷功能陶瓷是指那些利用是指那些利用电电电电、磁磁、声声声声、光光光光、热热、力力力力等等直接效应直接效应及其及其耦合效应耦合效应所提供的所提供的一种或多种性质一种或多种性质来实现来实现某种某种使用功能使用功能使用功能使用功能的先进陶瓷的先进陶瓷(现代陶瓷现代陶瓷)。功能陶瓷的特点功能陶瓷的特点功能陶瓷的特点功能陶瓷的特点品种多品种多、产量大产量大、价格低价格低、应用广应用广、功能全功能全、技术技术高高、更新快更新快。15第十五张,PPT共九十四页,创作于2
13、022年6月通过对通过对复杂多元氧化物系统复杂多元氧化物系统的的化学、物理及组成、结化学、物理及组成、结构、性能和使用效能构、性能和使用效能间相互关系的研究,已陆续发现了一间相互关系的研究,已陆续发现了一大批具有大批具有优异性能或特殊功能的功能陶瓷优异性能或特殊功能的功能陶瓷优异性能或特殊功能的功能陶瓷优异性能或特殊功能的功能陶瓷,并可借助于,并可借助于离子离子置换置换、掺杂掺杂等方法等方法调节、优化其性能调节、优化其性能,功能陶瓷材料研究,功能陶瓷材料研究已开始从已开始从经验式的探索经验式的探索经验式的探索经验式的探索逐步走向逐步走向按所需性能来进行材料设按所需性能来进行材料设按所需性能来进
14、行材料设按所需性能来进行材料设计计计计。16第十六张,PPT共九十四页,创作于2022年6月5.1.3、功能陶瓷的性能与工艺特征、功能陶瓷的性能与工艺特征陶瓷功能陶瓷功能陶瓷功能陶瓷功能的实现,主要取决于它所具有的的实现,主要取决于它所具有的各种性各种性各种性各种性能能能能,而在,而在某一类性能某一类性能某一类性能某一类性能范围中,又必须针对范围中,又必须针对具体应用具体应用具体应用具体应用,去,去改改善、提高某种有效的性能善、提高某种有效的性能,以获得有,以获得有某种功能某种功能的陶瓷材料。的陶瓷材料。17第十七张,PPT共九十四页,创作于2022年6月一般来说,要一般来说,要从性能的改进从
15、性能的改进从性能的改进从性能的改进来来改善陶瓷材料的功能改善陶瓷材料的功能,需从以下两个方面入手:需从以下两个方面入手:通过通过改变外界条件改变外界条件,即,即改变工艺条件改变工艺条件改变工艺条件改变工艺条件以改善和提高以改善和提高陶瓷材料的性能陶瓷材料的性能,达到获得优质材料的目的。,达到获得优质材料的目的。从材料的组成上从材料的组成上直接直接调节调节、优化优化优化优化其内在的品质其内在的品质,包,包括采用括采用非化学式计量非化学式计量非化学式计量非化学式计量、离子置换离子置换离子置换离子置换、添加不同类型杂质添加不同类型杂质,使,使不同相在微观级复合,进而形成不同性质的晶界层等。不同相在微
16、观级复合,进而形成不同性质的晶界层等。18第十八张,PPT共九十四页,创作于2022年6月一般工艺条件一般工艺条件是指是指原料的原料的物理化学性质物理化学性质和和状状态态、加工成型方法加工成型方法和和条件、条件、烧成制度烧成制度和和烧结状烧结状态态,以及,以及成品的加工方法成品的加工方法和和条件条件等。等。无论是无论是改变组成改变组成还是还是改变工艺改变工艺,最终都是,最终都是通过通过材料材料微观结构的变化微观结构的变化,才能体现出,才能体现出宏观的功宏观的功能变化能变化。19第十九张,PPT共九十四页,创作于2022年6月因此,要想达到因此,要想达到自控设计材料自控设计材料,或者进行,或者进
17、行局部的局部的局部的局部的性能改善性能改善性能改善性能改善,必须综合考虑,必须综合考虑组成组成、工艺工艺、微观结构微观结构等诸多等诸多因素,这是个系统工程。因素,这是个系统工程。下图表示了下图表示了陶瓷功能陶瓷功能与与组成、工艺、性能和结构组成、工艺、性能和结构的的关系。关系。20第二十张,PPT共九十四页,创作于2022年6月陶瓷功能与组成、工艺、性能、结构的关系陶瓷功能与组成、工艺、性能、结构的关系21第二十一张,PPT共九十四页,创作于2022年6月5.1.4、功能陶瓷的应用和展望、功能陶瓷的应用和展望功能陶瓷功能陶瓷的不断开发,对的不断开发,对科学技术的发展科学技术的发展起了巨大起了巨
18、大促进作用,功能陶瓷的促进作用,功能陶瓷的应用领域应用领域也随之更为广泛。也随之更为广泛。目前,目前,功能陶瓷功能陶瓷功能陶瓷功能陶瓷主要用于主要用于电、磁、光、声、热和化学电、磁、光、声、热和化学等等信息的检测信息的检测信息的检测信息的检测、转换转换转换转换、传输传输传输传输、处理处理处理处理和和存储存储存储存储等,并已在电子等,并已在电子信息、信息、集成电路集成电路、计算机计算机、能源工程能源工程、超声换能、超声换能、人工人工智能智能、生物工程生物工程等众多等众多近代科技领域近代科技领域显示出广阔的应用显示出广阔的应用前景。前景。22第二十二张,PPT共九十四页,创作于2022年6月根据功
19、能陶瓷根据功能陶瓷组成结构的组成结构的易调性易调性易调性易调性和和可控性可控性,可以制备,可以制备超高绝缘性超高绝缘性、绝缘性绝缘性、半导性半导性、导电性导电性和和超导电性超导电性陶瓷;陶瓷;根据功能陶瓷根据功能陶瓷能量转换能量转换能量转换能量转换和和耦合特性耦合特性,可以制备,可以制备压电压电、光电光电、热电热电、磁电磁电和和铁电铁电等陶瓷;等陶瓷;根据功能陶瓷对根据功能陶瓷对外场条件的敏感效应外场条件的敏感效应,则可制备,则可制备热热敏敏、气敏气敏、湿敏湿敏、压敏压敏、磁敏磁敏和和光敏光敏等敏感陶瓷。等敏感陶瓷。23第二十三张,PPT共九十四页,创作于2022年6月在在设备技术方面设备技术
20、方面设备技术方面设备技术方面向着向着多层多层多层多层、多相、多相乃至乃至超微细结构的调控超微细结构的调控超微细结构的调控超微细结构的调控与与复合复合复合复合、低温活化烧结低温活化烧结低温活化烧结低温活化烧结、立体布线立体布线立体布线立体布线、超细超纯超细超纯超细超纯超细超纯、薄膜技术、薄膜技术等方向发展。等方向发展。在在材料及应用方面材料及应用方面材料及应用方面材料及应用方面的的主要研究方向主要研究方向应包括:应包括:智能化敏感陶瓷智能化敏感陶瓷智能化敏感陶瓷智能化敏感陶瓷及及其其传感器传感器传感器传感器;高转换率高转换率高转换率高转换率、高可靠性高可靠性高可靠性高可靠性、低损耗低损耗低损耗低
21、损耗、大功率大功率大功率大功率的的压电陶瓷压电陶瓷压电陶瓷压电陶瓷及其及其换换换换能器能器能器能器;超高速大容量超高速大容量超导计算机超导计算机用用光纤陶瓷材料光纤陶瓷材料光纤陶瓷材料光纤陶瓷材料;多层封装多层封装立体布线立体布线用的用的高导热低介电常数陶瓷基板材料高导热低介电常数陶瓷基板材料高导热低介电常数陶瓷基板材料高导热低介电常数陶瓷基板材料;量大面广量大面广、低烧低烧、高比容高比容、高稳定性高稳定性的的多层陶瓷电容器材料多层陶瓷电容器材料多层陶瓷电容器材料多层陶瓷电容器材料等。等。24第二十四张,PPT共九十四页,创作于2022年6月5.1.5、制备陶瓷材料的原料、制备陶瓷材料的原料陶
22、瓷材料制品陶瓷材料制品陶瓷材料制品陶瓷材料制品由多相的由多相的无机非金属材料无机非金属材料无机非金属材料无机非金属材料所构成,所用原料大部分是所构成,所用原料大部分是天然的矿物原料天然的矿物原料天然的矿物原料天然的矿物原料或或岩石原料岩石原料岩石原料岩石原料,其中多为,其中多为硅酸盐矿物硅酸盐矿物硅酸盐矿物硅酸盐矿物。这些这些天然的矿物原料天然的矿物原料天然的矿物原料天然的矿物原料或或岩石原料岩石原料岩石原料岩石原料种类繁多种类繁多,资源蕴藏丰富资源蕴藏丰富,且且分布极广分布极广。某些某些陶瓷材料制品陶瓷材料制品陶瓷材料制品陶瓷材料制品对原料的要求很高,需要采用对原料的要求很高,需要采用均一均
23、一均一均一且且高高高高纯度纯度纯度纯度的的人工合成原料人工合成原料。25第二十五张,PPT共九十四页,创作于2022年6月(一一)原料分类原料分类根据根据原料工艺特性原料工艺特性原料工艺特性原料工艺特性分为:分为:可塑性原料可塑性原料(也称瘠性原料也称瘠性原料)、熔剂性原料熔剂性原料。根据根据原料的用途原料的用途原料的用途原料的用途分为:分为:瓷坯原料瓷坯原料、瓷釉原料瓷釉原料、色彩色彩及及彩彩料原料料原料。根据根据原料的矿物组成原料的矿物组成原料的矿物组成原料的矿物组成分为:分为:黏土质原料黏土质原料、硅质原料硅质原料、长长石质原料石质原料、钙质原料钙质原料、镁质原料、镁质原料。根据根据原料
24、获得的方式原料获得的方式分为:分为:矿物原料矿物原料、化工原料化工原料。26第二十六张,PPT共九十四页,创作于2022年6月综合综合陶瓷制品陶瓷制品对于对于原料原料的两方面要求,根据原的两方面要求,根据原料的料的工艺特性工艺特性可以把所需要的可以把所需要的陶瓷原料陶瓷原料主要归纳主要归纳为三大类:为三大类:具有可塑性的具有可塑性的黏土类原料黏土类原料 具有非可塑性的具有非可塑性的石英类原料石英类原料 熔剂原料熔剂原料27第二十七张,PPT共九十四页,创作于2022年6月除上述的除上述的陶瓷坯体陶瓷坯体中所需的三大原料外,中所需的三大原料外,陶陶瓷釉料瓷釉料还常常需用各种特殊的还常常需用各种特
25、殊的熔剂原料熔剂原料,包括采,包括采用各种化工原料。用各种化工原料。陶瓷工业中需用的陶瓷工业中需用的辅助材料辅助材料主要是主要是石膏石膏和和耐耐火材料火材料,以及,以及各种外加剂各种外加剂如如助磨剂助磨剂、助滤剂助滤剂、解解凝剂凝剂、增塑剂增塑剂和和增强剂增强剂等。等。28第二十八张,PPT共九十四页,创作于2022年6月(二二)黏土类原料黏土类原料黏土类原料黏土类原料黏土类原料黏土类原料是是日用陶瓷日用陶瓷和和工业用陶瓷工业用陶瓷的主要原料之一。的主要原料之一。黏土是多种黏土是多种微细的矿物微细的矿物微细的矿物微细的矿物的混合体,其矿物的粒径多数小于的混合体,其矿物的粒径多数小于2um,主要
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