Lesson 2 陶瓷功能材料.pdf

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1、1华中科技大学微系统中心华中科技大学微系统中心陈明祥陈明祥陶瓷功能材料陶瓷功能材料23本讲内容本讲内容?陶瓷性能与制备陶瓷性能与制备?陶瓷分类陶瓷分类?功能陶瓷功能陶瓷4陶瓷性能与制备陶瓷性能与制备?陶瓷材料性能陶瓷材料性能?陶瓷制备陶瓷制备1）制粉）制粉2）成型）成型3）烧结）烧结5陶瓷材料陶瓷材料本节所指陶瓷是传统意义上水泥、玻璃、陶瓷、耐火材料的总称，是采用无机原料经热处理后的本节所指陶瓷是传统意义上水泥、玻璃、陶瓷、耐火材料的总称，是采用无机原料经热处理后的“陶瓷器陶瓷器”制品的总称制品的总称陶瓷材料共性：陶瓷材料共性：?脆、硬、强度高，韧性差，耐磨损，难加工脆、硬、强度高，韧性差，耐

2、磨损，难加工?耐高温，耐热冲击、低膨胀系数耐高温，耐热冲击、低膨胀系数?绝缘体绝缘体?耐化学腐蚀耐化学腐蚀67组织结构特点组织结构特点?陶瓷的结合键一般为牢固的离子键和共价键陶瓷的结合键一般为牢固的离子键和共价键?显微组织不均匀性和复杂性显微组织不均匀性和复杂性?其显微组织一般由晶体相、玻璃相和气相组成，相比例变化较大且不均匀其显微组织一般由晶体相、玻璃相和气相组成，相比例变化较大且不均匀8陶瓷材料制备陶瓷材料制备粉碎粉碎搅拌混合搅拌混合成型（选项）成型（选项）烧结烧结后续加工后续加工成品成品主要成分原材料掺杂剂主要成分原材料掺杂剂9粉体细度粉体细度?单个颗粒大小不能用一个简单的尺寸唯一地确定

3、下来单个颗粒大小不能用一个简单的尺寸唯一地确定下来?粒径既取决于直接测量方法，也取决于测量的数值尺寸粒径既取决于直接测量方法，也取决于测量的数值尺寸?粒径分布为颗粒群粒度大小分布的一组统计值粒径分布为颗粒群粒度大小分布的一组统计值?各种粒径测量方法的物理基础不同，同一样品用不同的测量方法得到的粒径的物理意义甚至粒径大小也不尽相同各种粒径测量方法的物理基础不同，同一样品用不同的测量方法得到的粒径的物理意义甚至粒径大小也不尽相同10粒度测试方法粒度测试方法?显微镜法与计数法：统计径，直观、费时，主观性强显微镜法与计数法：统计径，直观、费时，主观性强?筛分法：筛分径，只适用于粒径大于60m颗粒筛分法

4、：筛分径，只适用于粒径大于60m颗粒?透气法和吸附法：测量的是比表面积径，透气吸附法则根本得不到粒度分布透气法和吸附法：测量的是比表面积径，透气吸附法则根本得不到粒度分布 光透沉降法：等效径（即等于具有相同沉降速度的球粒的直径）；光透沉降法：等效径（即等于具有相同沉降速度的球粒的直径）；激光粒度分析仪：统计径，设备昂贵。激光粒度分析仪：统计径，设备昂贵。11粉体制备（粉体制备（1）?机械法（从大到小）：机械法（从大到小）：挤压、冲击、摩擦、气流粉碎等挤压、冲击、摩擦、气流粉碎等?设备：设备：球磨机，辊压磨，搅拌磨，胶体磨，气流磨等球磨机，辊压磨，搅拌磨，胶体磨，气流磨等?特点：产量大，易掺杂，

5、存在粉磨极限特点：产量大，易掺杂，存在粉磨极限12粉体制备（粉体制备（2）?合成法（从小到大）合成法（从小到大）固相合成法液相合成法气相合成法?特点：纯、细、匀特点：纯、细、匀13固相法固相法?固相分解法（如硫酸铝铵在空气中热分解可获得良好的Al固相分解法（如硫酸铝铵在空气中热分解可获得良好的Al2 2O O3 3粉末）粉末）?化合或还原化合法（可生产多种碳化物、硅化物、氮化物和氧化物粉末）化合或还原化合法（可生产多种碳化物、硅化物、氮化物和氧化物粉末）?制取硼化物的碳化硼法制取硼化物的碳化硼法?自蔓延高温合成法（又称SHS法）自蔓延高温合成法（又称SHS法）14液相法液相法1.反应沉淀法1.

6、反应沉淀法金属盐溶液在沉淀剂作用下水解成另一种盐或氢氧化物，再热解而成金属盐溶液在沉淀剂作用下水解成另一种盐或氢氧化物，再热解而成PbWO4样品SEM图像:(a)不加分散剂，(b)加入5mL分散剂(c)加入10mL分散剂(d)加入100mL分散剂PbWO4样品SEM图像:(a)不加分散剂，(b)加入5mL分散剂(c)加入10mL分散剂(d)加入100mL分散剂15Sol-gel（溶胶凝胶）法（溶胶凝胶）法形成金属氧有机络合物溶液形成金属氧有机络合物溶液低温煅烧成活性氧化物粉料低温煅烧成活性氧化物粉料溶液蒸发脱水成凝胶溶液蒸发脱水成凝胶水解并缩合成含羟基的三维空间高分子结构水解并缩合成含羟基的三

7、维空间高分子结构溶液蒸发脱水成凝胶溶液蒸发脱水成凝胶含有不同金属离子的盐酸溶液和有机胶混合成溶液含有不同金属离子的盐酸溶液和有机胶混合成溶液含有不同金属离子的溶液直接淬火、沉积或加热成凝胶含有不同金属离子的溶液直接淬火、沉积或加热成凝胶?利用胶体分散性能，热解制备超细粉末利用胶体分散性能，热解制备超细粉末1617气相法气相法?气相反应法（CVD）?气相热分解法?蒸发凝聚法可制备各种薄膜、晶须、晶粒、微纳米颗粒可制备各种薄膜、晶须、晶粒、微纳米颗粒18陶瓷成型陶瓷成型192021陶瓷烧结陶瓷烧结?常压烧结常压烧结?热压烧结热压烧结?其他烧结法其他烧结法电场烧结电场烧结活化烧结活化烧结反应烧结反应

8、烧结SHS法SHS法.22固态反应(固态反应(泰曼温度泰曼温度)?固态物质间的反应是直接进行的，气相或液相没有或不起重要作用固态物质间的反应是直接进行的，气相或液相没有或不起重要作用?固态反应开始温度远低于反应物的熔点或系统的低共熔温度，通常相当于一种反应物开始呈现显著扩散作用的温度，此温度称为泰曼温度或烧结温度固态反应开始温度远低于反应物的熔点或系统的低共熔温度，通常相当于一种反应物开始呈现显著扩散作用的温度，此温度称为泰曼温度或烧结温度?当反应物之一存在有多晶转变时，则转变温度通常也是反应开始明显进行的温度，这一规律也称为海德华定律当反应物之一存在有多晶转变时，则转变温度通常也是反应开始明

9、显进行的温度，这一规律也称为海德华定律23固相反应机理固相反应机理固态反应一般由相界面上的化学反应和固相内的物质迁移两个过程构成固态反应一般由相界面上的化学反应和固相内的物质迁移两个过程构成不同类型的反应既表现出一些共性规律，也存在着差异和特点不同类型的反应既表现出一些共性规律，也存在着差异和特点?相界面上化学反应机理相界面上化学反应机理?相界面上反应和离子扩散的关系相界面上反应和离子扩散的关系?中间产物和连续反应中间产物和连续反应?不同反应类型和机理不同反应类型和机理24根据加热到不同温度的反应化合物，以及迅速冷却后测定的物性变化结果，可把整个反应过程划分为六个阶段：根据加热到不同温度的反应

10、化合物，以及迅速冷却后测定的物性变化结果，可把整个反应过程划分为六个阶段：（1）隐蔽期（1）隐蔽期：约低于300：约低于300（2）第一活化期：（2）第一活化期：约在300400之间约在300400之间（3）第一脱活期：（3）第一脱活期：约在400500之间约在400500之间（4）二次活化期：（4）二次活化期：约在500620之间约在500620之间（5）二次脱活期或晶体形成期：（5）二次脱活期或晶体形成期：约在620 750之间约在620 750之间（6）反应产物晶格校正期：（6）反应产物晶格校正期：约750约7501 相界面上化学反应机理相界面上化学反应机理25对不同反应系统，并不一定都

11、划分成上述六个阶段，但一般包括以下三个过程：（1）反应物之间的混合接触并产生表面效应）反应物之间的混合接触并产生表面效应（2）化学反应和新相形成）化学反应和新相形成（3）晶体成长和结构缺陷的校正）晶体成长和结构缺陷的校正262 相界面上反应和离子扩散的关系相界面上反应和离子扩散的关系?以尖晶石类三元化合物的生成反应为例：以尖晶石类三元化合物的生成反应为例：尖晶石是一类重要铁氧体晶体，反应可表示为：尖晶石是一类重要铁氧体晶体，反应可表示为：Mg+AlMg+Al2 2O O3 3MgAlMgAl2 2O O4 4该反应属于反应物通过固相产物层扩散中的加成反应。该反应属于反应物通过固相产物层扩散中的

12、加成反应。Wagner通过长期研究，提出尖晶石形成是由两种正离子逆向经过两种氧化物界面扩散所决定，氧离子不参与扩散迁移过程Wagner通过长期研究，提出尖晶石形成是由两种正离子逆向经过两种氧化物界面扩散所决定，氧离子不参与扩散迁移过程27S1 S2 M gO M gA l2O4 A l2O3 M g2+A l3+图图1 MgO+Al2O3形成尖晶石示意图2Al3+4MgO=MgAl2O4+3 Mg2+图图1中，在界面中，在界面S1上由于扩散过程，存在如下反应：上由于扩散过程，存在如下反应：28?反应物离子的扩散需要穿过相界面以及穿过产物的物相反应物离子的扩散需要穿过相界面以及穿过产物的物相?反

13、应产物中间层形成之后，反应物离子在其中的扩散便成为这类尖晶石型反应的控制速度因素反应产物中间层形成之后，反应物离子在其中的扩散便成为这类尖晶石型反应的控制速度因素?决定反应速度的是扩散的离子流，所以可以有：决定反应速度的是扩散的离子流，所以可以有：J1/x dx/dtJ1/x dx/dt对此式积分便得到抛物线增长定律对此式积分便得到抛物线增长定律293 中间产物和连续反应中间产物和连续反应在固态反应中，有时反应不是一步完成，而是经由不同的中间产物才最终完成，通常称为连续反应。在固态反应中，有时反应不是一步完成，而是经由不同的中间产物才最终完成，通常称为连续反应。如CaO和SiO如CaO和SiO

14、2 2间的高温反应，尽管配料的摩尔比为1:1，但反应首先形成C间的高温反应，尽管配料的摩尔比为1:1，但反应首先形成C2 2S，CS，C3 3S S2 2等中间产物，最终才转变为CS等中间产物，最终才转变为CS304.不同反应类型和机理不同反应类型和机理1）加成反应）加成反应一般形式为：A+BC一般形式为：A+BC?当化合物C不溶于A或B中任一相时，则在A、B两层间就形成产物层C当化合物C不溶于A或B中任一相时，则在A、B两层间就形成产物层C?当C与A或B之间形成部分或完全互溶时，则在初始反应物中生成一个或两个新相当C与A或B之间形成部分或完全互溶时，则在初始反应物中生成一个或两个新相?当A与

15、B形成成分连续变化的产物时，则在反应物间形成几个新相当A与B形成成分连续变化的产物时，则在反应物间形成几个新相?该反应的典型代表是尖晶石生成反应：该反应的典型代表是尖晶石生成反应：AO+BAO+B2 2O O3 3ABAB2 2O O4 4312）造膜反应）造膜反应该反应实际上也属于加成反应，但A、B常是单质元素。若生成物C不溶于A、B中任一相，或能以任意比例固溶，则产物中排列方式分别为ACB，A（B）B及AB（A）。该反应实际上也属于加成反应，但A、B常是单质元素。若生成物C不溶于A、B中任一相，或能以任意比例固溶，则产物中排列方式分别为ACB，A（B）B及AB（A）。金属氧化反应可以作为一

16、个代表。例如：金属氧化反应可以作为一个代表。例如：Zn+OZn+O2 2ZnOZnO?伴随上述反应进行，系统自由焓减少，即气相中O伴随上述反应进行，系统自由焓减少，即气相中O2 2的化学位的化学位a a与Zn-ZnO界面上平衡氧的化学位与Zn-ZnO界面上平衡氧的化学位i i的差值是此反应的推动力的差值是此反应的推动力?当氧化膜增厚速度由扩散控制时，上述氧的化学位降低将在氧化膜中完成当氧化膜增厚速度由扩散控制时，上述氧的化学位降低将在氧化膜中完成323）置换反应）置换反应置换反应是另一类重要的固态反应，其反应通式为置换反应是另一类重要的固态反应，其反应通式为A+BCAC+BA+BCAC+B；A

17、B+CDAD+BCAB+CDAD+BC；ABX+CBCBX+ABABX+CBCBX+AB?反应物必须在两种产物层中扩散才能使反应继续进行，并将形成多种反应物与生成物的排列情况反应物必须在两种产物层中扩散才能使反应继续进行，并将形成多种反应物与生成物的排列情况?产物层排列主要取决于反应物的扩散组元、产物与反应物的固溶性等产物层排列主要取决于反应物的扩散组元、产物与反应物的固溶性等?对于三组分以上的多元系统，则产物层的排列就更复杂对于三组分以上的多元系统，则产物层的排列就更复杂334）转变反应4）转变反应?反应仅在一个固相内进行，反应物或生成物不参与迁移反应仅在一个固相内进行，反应物或生成物不参与

18、迁移?反应通常是吸热的，在转变点附近会出现比热值异常增大反应通常是吸热的，在转变点附近会出现比热值异常增大?对于一级相变，熵变是不连续的，对于二级相变则是连续的对于一级相变，熵变是不连续的，对于二级相变则是连续的?传热对转变反应速度有着决定性影响传热对转变反应速度有着决定性影响?石英多晶转变反应是硅酸盐工业种最常见的实例石英多晶转变反应是硅酸盐工业种最常见的实例345）热分解反应）热分解反应这类反应常伴有较大的吸热效应，并在某一狭窄范围内迅速进行，所不同的是热分解反应伴有分解产物的扩散过程。这类反应常伴有较大的吸热效应，并在某一狭窄范围内迅速进行，所不同的是热分解反应伴有分解产物的扩散过程。如

19、碳酸钙热分解如碳酸钙热分解35影响固相反应因素影响固相反应因素?反应物化学组成反应物化学组成?反应物颗粒及均匀性反应物颗粒及均匀性?反应温度反应温度?压力和气氛压力和气氛?反应物活性反应物活性361）反应物化学组成影响）反应物化学组成影响化学组成是影响固相反应的内因，是决定反应方向和速度的重要条件。化学组成是影响固相反应的内因，是决定反应方向和速度的重要条件。从热力学角度看，在一定温度、压力条件下，反应过程能进行的方向是自由焓减少（G0）的过程，而且负值愈大，该过程的推动力也愈大，沿该方向反应的几率也大从热力学角度看，在一定温度、压力条件下，反应过程能进行的方向是自由焓减少（G0）的过程，而且

20、负值愈大，该过程的推动力也愈大，沿该方向反应的几率也大37从结构角度看，反应物中质点间的作用键愈大，则可动从结构角度看，反应物中质点间的作用键愈大，则可动性和反应能力愈小，反之亦然性和反应能力愈小，反之亦然在同一反应系统中，固相反应速度与各反应物间的比例在同一反应系统中，固相反应速度与各反应物间的比例有关。如果颗粒相同的 A 和 B 反应生成物 AB，若改变 A 有关。如果颗粒相同的 A 和 B 反应生成物 AB，若改变 A 与 B 比例会改变产物层温度、反应物表面积和扩散截面积与 B 比例会改变产物层温度、反应物表面积和扩散截面积的大小，从而影响反应速度的大小，从而影响反应速度如增加反应混合

21、物中“遮盖”物的含量，则产物层厚度如增加反应混合物中“遮盖”物的含量，则产物层厚度变薄，相应的反应速度也增加变薄，相应的反应速度也增加当反应物中加入少量矿化剂（也可能是由原料中的杂质当反应物中加入少量矿化剂（也可能是由原料中的杂质引起），则常会对反应产生特殊的作用引起），则常会对反应产生特殊的作用表1表1列出少量 NaCl可使不同颗粒尺寸NaCO列出少量 NaCl可使不同颗粒尺寸NaCO3 3与Fe与Fe2 2O O3 3反应的反应的加速作用加速作用38表1表1 NaCl对NaCONaCl对NaCO3 3+Fe+Fe2 2O O3 3反应的作用反应的作用不同颗粒尺寸的NaCO3转化率百分率 N

22、aCl添加量（相对于NaCO3的%）0.060.088mm0.270.35mm0.62mm 0 0.8 2.2 53.2 88.6 38.6 18.9 36.8 73.8 9.2 22.9 60.1 392）反应物颗粒及均匀性影响）反应物颗粒及均匀性影响颗粒尺寸大小主要通过以下途径对固相反应起影响颗粒尺寸大小主要通过以下途径对固相反应起影响1）物料颗粒尺寸愈小，比表面积愈大，反应界面和扩散截面增加，反应产物层厚度减少，反应速度增大1）物料颗粒尺寸愈小，比表面积愈大，反应界面和扩散截面增加，反应产物层厚度减少，反应速度增大图2图2 不同尺寸ZnO和Al不同尺寸ZnO和Al2 2O O3 3在12

23、00时反应速率影响在1200时反应速率影响402）同一反应物系由于物料尺寸不同，反应速度可能会属于不同动力学范围控制2）同一反应物系由于物料尺寸不同，反应速度可能会属于不同动力学范围控制例如CaCO例如CaCO3 3与MoO与MoO3 3反应，当取等分子比成分并在较高温度（600）下反应时，若CaCO反应，当取等分子比成分并在较高温度（600）下反应时，若CaCO3 3颗粒大于MoO颗粒大于MoO3 3，反应由扩散控制，反应速度随CaCO，反应由扩散控制，反应速度随CaCO3 3颗粒减少而加速颗粒减少而加速倘若CaCO倘若CaCO3 3与MoO与MoO3 3比值较大，CaCO比值较大，CaCO

24、3 3颗粒度小于MoO颗粒度小于MoO3 3时，由于产物层厚度减薄，扩散阻力很小，则反应将由MoO时，由于产物层厚度减薄，扩散阻力很小，则反应将由MoO3 3升华过程所控制，并随MoO升华过程所控制，并随MoO3 3粒径减少而加剧粒径减少而加剧413）反应温度影响）反应温度影响温度是影响固相反应速度的重要外部条件温度是影响固相反应速度的重要外部条件一般随温度升高，质点热运动动能增大，反应能力和扩散能力增强。一般随温度升高，质点热运动动能增大，反应能力和扩散能力增强。对于化学反应，因其速度常数对于化学反应，因其速度常数K=AK=A温度对化学反应加速作用一般比对扩散过程为大温度对化学反应加速作用一

25、般比对扩散过程为大)exp(RTQ424）压力和气氛影响）压力和气氛影响?对不同反应类型，压力的影响也不同对不同反应类型，压力的影响也不同?在两相间的反应中，增大压力有助于颗粒的接触面积，加速物质传递过程，使反应速度增加在两相间的反应中，增大压力有助于颗粒的接触面积，加速物质传递过程，使反应速度增加?对于有液、气相参与达到反应中，扩散过程不是通过固体粒子的直接接触实现的，提高压力有时并不表现出积极作用，甚至会适得其反对于有液、气相参与达到反应中，扩散过程不是通过固体粒子的直接接触实现的，提高压力有时并不表现出积极作用，甚至会适得其反435）反应物活性影响5）反应物活性影响?实践证明，同一物质处

26、于不同结构状态时其反应活性差异甚大实践证明，同一物质处于不同结构状态时其反应活性差异甚大?一般说来，晶格能愈高、结构愈完整和稳定的，其反应活性也低一般说来，晶格能愈高、结构愈完整和稳定的，其反应活性也低?难熔氧化物间的反应和烧结比较困难，须采用具有高活性固体粉末为原料难熔氧化物间的反应和烧结比较困难，须采用具有高活性固体粉末为原料?如Al如Al2 2O O3 3+CoO CoAl+CoO CoAl2 2O O4 4反应中，若分别采用轻烧Al反应中，若分别采用轻烧Al2 2O O3 3和较高温度煅烧制得的死烧Al和较高温度煅烧制得的死烧Al2 2O O3 3作原料，其反应速度相差近十倍，表明轻烧

27、Al作原料，其反应速度相差近十倍，表明轻烧Al2 2O O3 3具有高得多的反应活性具有高得多的反应活性44玻璃制备玻璃制备45玻璃形成及方法玻璃形成及方法一般认为，只要冷却速率足够快，几乎任何物质都能形成玻璃目前形成玻璃的方法主要分为熔融法和非熔融法。熔融法是形成玻璃的传统方法，即玻璃原料经加热、熔融和在常规条件下进行冷却而形成玻璃态物质，在玻璃工业生产中大量采用这种方法熔融法的不足之处是冷却速率较慢，工业生产一般为4060/h，实验室样品急冷也仅为110/s，这样的冷却速率不能使金属、合金或一些离子化合物形成玻璃一般认为，只要冷却速率足够快，几乎任何物质都能形成玻璃目前形成玻璃的方法主要分

28、为熔融法和非熔融法。熔融法是形成玻璃的传统方法，即玻璃原料经加热、熔融和在常规条件下进行冷却而形成玻璃态物质，在玻璃工业生产中大量采用这种方法熔融法的不足之处是冷却速率较慢，工业生产一般为4060/h，实验室样品急冷也仅为110/s，这样的冷却速率不能使金属、合金或一些离子化合物形成玻璃46玻璃制备热力学条件玻璃制备热力学条件熔融体是物质在液相温度以上存在的一种高能熔融体是物质在液相温度以上存在的一种高能量状态。随着温度降低，熔体释放能量大小不同，量状态。随着温度降低，熔体释放能量大小不同，可以有三种结构变化形式：可以有三种结构变化形式：（1）结晶化：有序度不断增加，直到释放全部多余（1）结晶

29、化：有序度不断增加，直到释放全部多余能量而使整个熔体晶化为止能量而使整个熔体晶化为止（2）玻璃化：熔体在转变温度T（2）玻璃化：熔体在转变温度Tg g以上直接冷却硬化以上直接冷却硬化为固态的过程为固态的过程（3）分相：质点迁移使熔体内某些组成偏聚，从而（3）分相：质点迁移使熔体内某些组成偏聚，从而形成互不混溶的组成形成互不混溶的组成47玻璃制备动力学条件玻璃制备动力学条件晶体生长分为晶核生成（核化）与晶体长大两个过程晶体生长分为晶核生成（核化）与晶体长大两个过程均态核化均态核化：熔体内部自发成核：熔体内部自发成核非均态核化非均态核化：由表面、界面效应，杂质或引入晶核剂：由表面、界面效应，杂质或

30、引入晶核剂等各种因素产生的成核过程等各种因素产生的成核过程晶核生成速率I晶核生成速率IV V：单位时间内单位体积熔体中所生成的：单位时间内单位体积熔体中所生成的晶核数目（个/cm晶核数目（个/cm3 3s）s）晶体生长速率u：单位时间内晶体线增长速率（cm/s）晶体生长速率u：单位时间内晶体线增长速率（cm/s）I Iv v与u均与过冷度（TT与u均与过冷度（TTM MT）有关（TT）有关（TM M为熔点）为熔点）48由熔融法制备玻璃物质由熔融法制备玻璃物质种种 类类 物物 质质 元元 素素 O、S、Se、P 氧化物氧化物 P2O5、B2O3、As2O3、SiO2、GeO2、Sb2O3、In2

31、O3、Te2O3、SnO2、PbO、SeO 硫化物硫化物 B、Ga、In、TI、Ge、Sn、N、P、As、Sb、Bi、O、Sc 的硫化物：的硫化物：As2S3、Sb2S3、CS2 等等 硒化物硒化物 Tl、Si、Sn、Pb、P、As、Sb、Bi、O、S、Te 的硒化物的硒化物 碲化物碲化物 Tl、Sn、Pb、Sb、Bi、O、Se、As、Ge 的碲化物的碲化物 卤化物卤化物 BeF2、AlF3、ZnCl2、Ag(Cl、Br、I)、Pb（Cl2、Br2、I2）和多组分混合物）和多组分混合物硝酸盐硝酸盐 R1NO3R2（NO3）2,其中其中 R1碱金属离子，碱金属离子，R2碱土金属离子碱土金属离子

32、碳酸盐碳酸盐 K2 CO3MgCO3 硫酸盐硫酸盐 TI2SO4、KHSO4 等等 硅酸盐硅酸盐 硼酸盐硼酸盐 磷酸盐磷酸盐 例子很多例子很多 非聚合物：甲苯、乙醚、甲醇、乙醇、甘油、葡萄糖等非聚合物：甲苯、乙醚、甲醇、乙醇、甘油、葡萄糖等 有有 机机 化合物化合物 聚合物：聚乙烯等，种类很多聚合物：聚乙烯等，种类很多 水溶液水溶液 金金 属属 酸、碱、氧化物、硝酸盐、磷酸盐、硅酸盐等，种类很多酸、碱、氧化物、硝酸盐、磷酸盐、硅酸盐等，种类很多 Au4Si、Pd4Si、TexCu2.5Au5及其它用特殊急冷法获得及其它用特殊急冷法获得 49由非熔融法制备玻璃物质由非熔融法制备玻璃物质原始物质原

33、始物质 形成原因形成原因 获得方法获得方法 实实 例例 冲击波冲击波 石英、长石等晶体，通过爆炸的冲击波而非晶化石英、长石等晶体，通过爆炸的冲击波而非晶化 剪切应力剪切应力 磨磨 碎碎 晶体通过磨碎，粒子表面层逐渐非晶化晶体通过磨碎，粒子表面层逐渐非晶化 固体固体(结晶结晶)放射线照射放射线照射 高速中子线高速中子线 a 粒子线a 粒子线 石英晶体经高速中子线或石英晶体经高速中子线或a粒子线的照射后转变为非晶体石英粒子线的照射后转变为非晶体石英 液体液体 形成络合物形成络合物 金属醇盐金属醇盐 水解水解 Si、B、P、Al、Na、K 等醇盐酒精溶液加水分解得到胶体，加热形成单组分或多组分氧化物

34、玻璃等醇盐酒精溶液加水分解得到胶体，加热形成单组分或多组分氧化物玻璃 真空蒸发真空蒸发 沉积沉积 在低温基板上用蒸发沉积形成非晶质薄膜，如在低温基板上用蒸发沉积形成非晶质薄膜，如 Bi、Si、Ge、B、MgO、Al2O3、TiO2、SiC 等化合物等化合物 升升 华华 阴极飞溅和氧化反应阴极飞溅和氧化反应 在低压氧化气氛中，把金属或合金做成阴极，飞溅在基极上形成非晶态氧化物薄膜，有在低压氧化气氛中，把金属或合金做成阴极，飞溅在基极上形成非晶态氧化物薄膜，有 SiO2、PbOTeO2、PbSiO2 系统薄膜等系统薄膜等 气相反应气相反应 SiCl4水解或水解或 SiH4氧化形成氧化形成 SiO2

35、玻璃。在真空中加热玻璃。在真空中加热B(OC2H3)3到到 700900形成形成 B2O3玻璃玻璃 气相反应气相反应 辉光放电辉光放电 利用辉光放电形成原子态氧和低压中金属有机化合物分解，在基极上形成非晶态氧化物薄膜，如利用辉光放电形成原子态氧和低压中金属有机化合物分解，在基极上形成非晶态氧化物薄膜，如Si(OC2H5)4SiO2及其它例子及其它例子 气气 体体 电电 解解 阴极法阴极法 利用电介质溶液的电解反应，在阴极上析出非晶质氧化物，如利用电介质溶液的电解反应，在阴极上析出非晶质氧化物，如 Ta2O3、Al2O3、ZrO2、Nb2O 3等等 50按发展历程分按发展历程分?传统陶瓷传统陶瓷

36、天然材料传统工艺天然材料传统工艺?精细陶瓷精细陶瓷高纯天然无机物或人工合成原料精密控制工艺高纯天然无机物或人工合成原料精密控制工艺陶 瓷 分 类陶 瓷 分 类51精细陶瓷精细陶瓷?精细陶瓷是指采用精制的高纯、超细无机化合物为原料及先进的制备工艺技术制造出的性能优异的产品精细陶瓷是指采用精制的高纯、超细无机化合物为原料及先进的制备工艺技术制造出的性能优异的产品?根据工程技术对产品使用性能的要求，制造的产品可以分别具有压电、铁电、导电、半导体、磁性等或具有高强、高韧，高硬、耐磨、耐腐蚀、耐高温、高热导、绝热或良好生物相容性等优异性能。根据工程技术对产品使用性能的要求，制造的产品可以分别具有压电、铁

37、电、导电、半导体、磁性等或具有高强、高韧，高硬、耐磨、耐腐蚀、耐高温、高热导、绝热或良好生物相容性等优异性能。52精细陶瓷特点精细陶瓷特点53精细陶瓷性能精细陶瓷性能54当前，精细陶瓷研究热点主要包括当前，精细陶瓷研究热点主要包括?陶瓷材料的强韧化技术陶瓷材料的强韧化技术?纳米陶瓷材料的制备技术纳米陶瓷材料的制备技术?精细结构陶瓷材料体系设计精细结构陶瓷材料体系设计?电子陶瓷材料的高匀、超细技术电子陶瓷材料的高匀、超细技术55按成分分类按成分分类?氧化物陶瓷：氧化铝、氧化锆、氧化镁、氧化铍等氧化物陶瓷：氧化铝、氧化锆、氧化镁、氧化铍等烧结性能好，耐热差烧结性能好，耐热差?非氧化物陶瓷：碳化硅，

38、氮化硅，氮化铝，硼化物等非氧化物陶瓷：碳化硅，氮化硅，氮化铝，硼化物等高温、抗氧化、抗腐蚀高温、抗氧化、抗腐蚀56按应用功能分类按应用功能分类?结构陶瓷结构陶瓷高强、高韧，高硬、耐磨、耐腐蚀、耐高温、高热导、绝热等性能高强、高韧，高硬、耐磨、耐腐蚀、耐高温、高热导、绝热等性能?功能陶瓷功能陶瓷功能转换性能（压电、铁电、导电、半导体、磁性），也称为功能转换性能（压电、铁电、导电、半导体、磁性），也称为电子陶瓷材料电子陶瓷材料?陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料57氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷（人造刚玉）氧化铝陶瓷（人造刚玉）主要特性主要特性高熔点；高硬度；可制成透明陶瓷；无毒、不溶于水，强度高；对人

39、体有较好的适应性高熔点；高硬度；可制成透明陶瓷；无毒、不溶于水，强度高；对人体有较好的适应性主要用途主要用途高级耐火材料，球磨机介质；高压钠灯灯管、人造骨、人造牙、人造心瓣膜、人造关节等高级耐火材料，球磨机介质；高压钠灯灯管、人造骨、人造牙、人造心瓣膜、人造关节等5859碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷主要特性主要特性硬度高，熔点高，化学性质稳定；导热系数高；热膨胀系数小；耐磨性好硬度高，熔点高，化学性质稳定；导热系数高；热膨胀系数小；耐磨性好主要用途主要用途1）磨料磨具；2)耐火材料；3）半导体基板1）磨料磨具；2)耐火材料；3）半导体基板60氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷主要主要特性特性超硬

40、度，耐磨损；抗腐蚀，高温时也抗氧化；抗冷热冲击而不碎裂；耐高温且不易传热；本身具有润滑性超硬度，耐磨损；抗腐蚀，高温时也抗氧化；抗冷热冲击而不碎裂；耐高温且不易传热；本身具有润滑性主要主要用途用途制造轴承、汽轮机叶片、机械密封环、永久性模具等机械构件。用于制造柴油机中发动机部件的受热面等。制造轴承、汽轮机叶片、机械密封环、永久性模具等机械构件。用于制造柴油机中发动机部件的受热面等。氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷61碳(C)家族碳(C)家族0D 1D 2D 3D巴克球碳纳米管巴克球碳纳米管石墨烯石墨烯石墨金刚石石墨金刚石62碳材料(1)-金刚石碳材料(1)-金刚石1.硬度最高：102.电阻极低，宽带半导体

41、3.热导率极高：3000w/mK4.透明、高折射率5.亚稳态6.1950年合成7.应用：磨料、钻头、刀具等1.硬度最高：102.电阻极低，宽带半导体3.热导率极高：3000w/mK4.透明、高折射率5.亚稳态6.1950年合成7.应用：磨料、钻头、刀具等63碳材料(2)-石墨（碳材料(2)-石墨（Graphite）1.比金刚石稳定2.层内结合力强，层间结合力弱3.片状结构，润滑性好4.良电导/热导体5.高温强度和化学稳定性好6.耐热冲击性好7.应用：加热、导热、电极、耐高温材料1.比金刚石稳定2.层内结合力强，层间结合力弱3.片状结构，润滑性好4.良电导/热导体5.高温强度和化学稳定性好6.耐

42、热冲击性好7.应用：加热、导热、电极、耐高温材料64碳材料(3)-石墨烯（Graphene)碳材料(3)-石墨烯（Graphene)单层石墨，二维蜂窝状晶格结构高导热性（3000-5000W/mK）和高强度（比钢高100倍）电子在石墨烯中的传导速度比硅快100倍高载流子迁移率（约104cm2/s)单层石墨，二维蜂窝状晶格结构高导热性（3000-5000W/mK）和高强度（比钢高100倍）电子在石墨烯中的传导速度比硅快100倍高载流子迁移率（约104cm2/s)65碳材料(4)-碳纳米管（CNT）碳材料(4)-碳纳米管（CNT）1.单层石墨（石墨烯）卷曲而成2.管径(100nm)，多壁或单壁3.

43、强度高（抗拉强度50-200 GPa，弹性模量1TPa）4.热导率高，电导率高，耐热流、电流密度高1.单层石墨（石墨烯）卷曲而成2.管径(600):Mn-Co-Ni-Al-Cr-O系材料;高温(600):Mn-Co-Ni-Al-Cr-O系材料;?应用:应用:利用电阻-温度特性:测温仪,控温仪,热补偿元件等利用电阻-温度特性:测温仪,控温仪,热补偿元件等利用伏安特性:稳压器,功率计,放大器等利用伏安特性:稳压器,功率计,放大器等利用热惰性:时间延迟器等利用热惰性:时间延迟器等84气敏陶瓷气敏陶瓷?电阻值随着环境气氛而改变，对不同气体具有选择性，检测灵敏度高；电阻值随着环境气氛而改变，对不同气体具

44、有选择性，检测灵敏度高；?原理：待测气体在陶瓷表面吸附，产生某种化学反应（氧化、还原等），或与表面产生电子的交换作用来实现；原理：待测气体在陶瓷表面吸附，产生某种化学反应（氧化、还原等），或与表面产生电子的交换作用来实现；?检测灵敏度与表面结构有关，分为薄膜型，厚膜型核多孔烧结型；检测灵敏度与表面结构有关，分为薄膜型，厚膜型核多孔烧结型；?一般为金属氧化物陶瓷，如SnO一般为金属氧化物陶瓷，如SnO2 2,ZnO,ZrO,ZnO,ZrO2 2等等85湿敏陶瓷湿敏陶瓷?陶瓷性能随着环境湿度而改变，分为化学吸附和物理吸附，具有检测范围宽，响应快等特点陶瓷性能随着环境湿度而改变，分为化学吸附和物理吸

45、附，具有检测范围宽，响应快等特点?检测灵敏度与表面结构有关，分为涂覆膜型、薄膜型，厚膜型和多孔烧结型检测灵敏度与表面结构有关，分为涂覆膜型、薄膜型，厚膜型和多孔烧结型?一般为金属氧化物陶瓷，如 Fe2O3,TiO2,SnO2,Fe3O4等一般为金属氧化物陶瓷，如 Fe2O3,TiO2,SnO2,Fe3O4等86生物陶瓷生物陶瓷生物材料要求：生物材料要求：?生物学条件：生物相容型好，无毒，无溶血、凝血反应生物学条件：生物相容型好，无毒，无溶血、凝血反应?化学条件：稳定性好，耐腐蚀，不膨胀化学条件：稳定性好，耐腐蚀，不膨胀?力学条件：足够强度，适当的弹性模量，耐摩擦，耐疲劳等力学条件：足够强度，适当的弹性模量，耐摩擦，耐疲劳等?其他：易加工，重量轻等其他：易加工，重量轻等87生物陶瓷材料生物陶瓷材料?相比金属、高分子具有优势相比金属、高分子具有优势?生物氧化铝材料，作为人工骨，人工关节等生物氧化铝材料，作为人工骨，人工关节等?部分稳定氧化锆材料部分稳定氧化锆材料?高密度羟基磷灰石材料，作为颚骨，耳小骨，鼻骨材料等高密度羟基磷灰石材料，作为颚骨，耳小骨，鼻骨材料等