陶瓷材料简介及多孔氮化硅陶瓷的制备及应用优秀PPT.ppt

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1、姓名姓名:于方丽专业专业:材料科学与工程时间：时间：2010-09-17陶瓷材料简介及多孔陶瓷材料简介及多孔氮化硅陶瓷制备及应用氮化硅陶瓷制备及应用陶瓷材料简介陶瓷材料简介 “陶瓷陶瓷”是在人类生活中和生产中不行是在人类生活中和生产中不行缺少的一种材料。它在人类生产的历史缺少的一种材料。它在人类生产的历史上已有数千年的历史。陶瓷材料指全部上已有数千年的历史。陶瓷材料指全部无机非金属材料，是用自然或人工合成无机非金属材料，是用自然或人工合成的粉状化合物，经成型和高温烧结而制的粉状化合物，经成型和高温烧结而制成的多晶固体材料。成的多晶固体材料。按原料来源分类：一般陶瓷、特种陶瓷按原料来源分类：一般

2、陶瓷、特种陶瓷一般陶瓷又称传统陶瓷。以自然硅酸盐矿物为主要原料，如粘土、石英、长石等。主要制品有：日用陶瓷、建筑陶瓷、电器绝缘陶瓷、化工陶瓷、多孔陶瓷。（一）分类（一）分类特种陶瓷是运用非硅酸盐、非氧化物为主要原料的人工合成化合物。如Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4、BN等。按用途分类按用途分类日用陶瓷工业陶瓷工程结构陶瓷功能陶瓷普通日用瓷器骨灰瓷器玲珑日用瓷器日用精陶器 氧化物陶瓷氮化物陶瓷碳化物陶瓷 电容器陶瓷压电陶瓷磁性材料半导体陶瓷 高强度陶瓷高温陶瓷压电陶瓷磁性陶瓷半导体陶瓷生物陶瓷按性能可将陶瓷分类v坯料制备v通过机械或物理或化学方法制备粉料，在制备坯料时，要限制坯料粉的粒

3、度、形态、纯度及脱水脱气，以及配料比例和混料匀整等质量要求。按不同的成型工艺要求，坯料可以是粉料、浆料或可塑泥团。（二）陶瓷制品的生产工艺（二）陶瓷制品的生产工艺 陶瓷制品的生产都要经过三个阶段：坯料制备、成型、烧结v成型v将坯料用确定工具或模具制成确定形态、尺寸、密度和强度的制品坯型（亦称生坯）。v烧结v生坯经初步干燥后，进行涂釉烧结或干脆烧结。高温烧结时，陶瓷内部会发生一系列物理化学变更及相变，如体积减小，密度增加，强度、硬度提高，晶粒发生相变等，使陶瓷制品达到所要求的物理性能和力学性能。多孔氮化硅陶瓷制备及应用多孔氮化硅陶瓷制备及应用材料科学与工程四面体的四个组元材料科学与工程四面体的四

4、个组元 运用效能 性能 合成与制备工艺组成与结构组成与结构晶体结构晶体结构c-Si3N4Cubic spinelstructure(High pressure)共同点：共同点：六方晶系六方晶系 SiN44-四面体四面体 不同点：不同点：颗粒状粒状 两两层不同且有形不同且有形变的非六方的非六方环层，应变大，大，自由能高自由能高 针状或状或长柱状柱状 完全完全对称六个称六个SiN44-组成的六方环组成的六方环 层，热力学稳定相层，热力学稳定相-Si3N4-Si3N4性能及应用性能及应用氮化硅氮化硅 多孔陶瓷多孔陶瓷 高技术新型陶瓷材料高技术新型陶瓷材料电学、热学、机械性能电学、热学、机械性能 氧气

5、氛氧气氛1400，中性或者还原气氛，中性或者还原气氛1800 孔径较小（孔径较小（20150m）、较高气孔率）、较高气孔率 吸音材料吸音材料高隔音防火要求高的地铁、电视放射高隔音防火要求高的地铁、电视放射中心中心耐热、耐高温蠕变、抗热震性好耐热、耐高温蠕变、抗热震性好 过滤及分别过滤及分别高温流体、熔融金属等领域高温流体、熔融金属等领域机械性能机械性能 隔膜材料隔膜材料固体氧化物隔膜固体氧化物隔膜介电特性介电特性 低介电常数、介电损耗低介电常数、介电损耗天线罩、天线窗天线罩、天线窗生物相容性生物相容性 生物工程材料生物工程材料医学、生物医学、生物探讨进展探讨进展1992 Saito 热等静压特

6、殊工艺热等静压特殊工艺 开气孔开气孔 25%1997 Kawai 首次高纯首次高纯Si粉氮化粉氮化 棒状晶粒和三维网络结构棒状晶粒和三维网络结构 高强相高强相对密对密 度为度为 61.7%、室温抗弯强度、室温抗弯强度 455 MPa；Synergy 陶瓷试验室和名古屋国立工业探讨院陶瓷试验室和名古屋国立工业探讨院 耐应变、各耐应变、各向异向异 性气孔性气孔1998 张勇张勇 无包套热压等静压处理无包套热压等静压处理 致密度高致密度高2001-2003 Yang（杨建锋）（杨建锋）局部热压工艺、无压烧结局部热压工艺、无压烧结 气孔率高、性能优异气孔率高、性能优异2004 张雯张雯 凝胶注模成型工

7、艺凝胶注模成型工艺 纳米复合纳米复合 高强度高强度 Daz 淀粉为造孔剂淀粉为造孔剂 性能优异性能优异2007 陕绍云陕绍云 碳热还原法碳热还原法 气孔率气孔率 60%制备流程制备流程干干燥燥混混料料球球磨磨过过筛筛烧烧结结素素坯坯成成型型研研削削加加工工产产品品原始粉末原始粉末混合混合9696小时混合小时混合干燥干燥过筛过筛模压成型模压成型冷等静压冷等静压烧结烧结磨削加工磨削加工素坯成型方法素坯成型方法成型方法成型方法优优点点缺点缺点适用范适用范围围模模压压成型成型1.模具模具简单简单2.尺寸精度高尺寸精度高3.操作方便，生操作方便，生产产率高率高1.孔分布不均匀孔分布不均匀2.制品尺寸受限

8、制制品尺寸受限制3.制品形状受限制制品形状受限制尺寸不大的尺寸不大的管状、片状、管状、片状、块块状状挤压挤压成型成型1.能制取能制取细细而而长长的管材的管材2.气孔沿气孔沿长长度方向分布均匀度方向分布均匀3.生生产产率高，可率高，可连续连续生生产产1.需加入需加入较较多增塑多增塑 剂剂2.泥料制泥料制备备麻麻烦烦3.对对原料的粒度要原料的粒度要 求高求高细细而而长长的的管材、棒管材、棒 材、材、某些异形截某些异形截面管材面管材轧轧制成型制成型1.能制取能制取长长而而细带细带材及箔材材及箔材2.生生产产率高，可率高，可连续连续生生产产1.制品形状制品形状简单简单2.粗粉末粗粉末难难加工加工各种厚

9、度的各种厚度的带带材，多材，多层层过滤过滤器器素坯成型方法素坯成型方法成型方法成型方法优优点点缺点缺点适用范适用范围围等静等静压压成型成型1.气孔分布均匀气孔分布均匀2.适用于大尺寸制品适用于大尺寸制品1.尺寸公差大尺寸公差大2.生生产产率低率低大尺寸管材大尺寸管材及异形制品及异形制品注射成型注射成型1.可制形状复可制形状复杂杂的制品的制品2.气孔沿气孔沿长长度方向分布度方向分布均匀均匀1.需加入需加入较较多的塑化多的塑化剂剂2.尺寸大小受限制尺寸大小受限制形状复形状复杂杂小小件制品件制品注注浆浆成型成型1.能制形状复能制形状复杂杂的制品的制品2.设备简单设备简单1.生生产产率低率低2.原料受

10、限原料受限复复杂杂形状制形状制品，多品，多层过层过滤滤器器烧结方法烧结方法 部分烧结法部分烧结法（Partial Sintering）部分热压法（部分热压法（Partial Hot-Pressing）受限烧结法（受限烧结法（Restrained Sintering）碳热还原法（碳热还原法（Carbothermal Nitridation of Silica）烧结理论：反应烧结法、液相烧结法、碳热还原法烧结理论：反应烧结法、液相烧结法、碳热还原法反应烧结反应烧结反应方程式反应方程式 3Si+2N2=Si3N4第一阶段第一阶段 11501200预氮化预氮化 素坯素坯 车、刨、钻、铣等加工车、刨、钻

11、、铣等加工其次阶段其次阶段 13501450进一步氮化进一步氮化 全部生成氮化硅全部生成氮化硅特点特点 相和相和相；相；22%的体积膨胀；气孔率的体积膨胀；气孔率 1320%；产品尺产品尺 寸和素坯尺寸相同、精确制造形态困难寸和素坯尺寸相同、精确制造形态困难 产品；产品；不须要昂贵的机械不须要昂贵的机械 加工；同时无添加剂，因此高温性加工；同时无添加剂，因此高温性 能不下降。能不下降。但周期较长，成本较高。但周期较长，成本较高。液相烧结液相烧结难题难题 共价键化合物原子自扩散系数太小；共价键化合物原子自扩散系数太小；大于大于1900 分解分解 解决方法解决方法 液相烧结液相烧结添加剂添加剂 M

12、gO、Al2O3、Y2O3、La2O3等，原料颗粒表面等，原料颗粒表面SiO2形成形成硅酸盐液相，其能润湿和溶解氮化硅硅酸盐液相，其能润湿和溶解氮化硅原理原理 颗粒重组；溶解颗粒重组；溶解-析出；固相烧结析出；固相烧结特点特点 气孔率气孔率 70%以下；制备形态困难的产品；成本低。但玻璃相以下；制备形态困难的产品；成本低。但玻璃相较多，影响高温强度，烧成收缩较大，易于开裂变形。较多，影响高温强度，烧成收缩较大，易于开裂变形。碳热还原碳热还原反应方程式反应方程式 3SiO2+6C+2N2=Si3N4+6CO特点特点 原料便宜，可大大降低制备成本；原料便宜，可大大降低制备成本；反应后有约反应后有约

13、 44%的失重率，而且收缩率很小，可得到的失重率，而且收缩率很小，可得到 6571%的的 高气孔率；高气孔率；经工艺优化后，可得到具有高长径比经工艺优化后，可得到具有高长径比 -Si3N4晶粒的组晶粒的组成、力学性成、力学性 能优异的多孔氮化硅陶瓷；能优异的多孔氮化硅陶瓷；此方法存在的问题是对烧结设备的要求较高，烧结装置此方法存在的问题是对烧结设备的要求较高，烧结装置略微困难，略微困难，烧结时间稍长。烧结时间稍长。氮氮化化硅硅多多孔孔陶陶瓷瓷，也也称称多多孔孔氮氮化化硅硅陶陶瓷瓷，是是近近年年来来在在探探讨讨氮氮化化硅硅陶陶瓷瓷和和多多孔孔陶陶瓷瓷基基础础上上渐渐渐渐形形成成的的一一种种高高技

14、技术术新新型型陶陶瓷瓷材材料料，因因其其充充分分发发挥挥氮氮化硅和多孔陶瓷两者的优异性能而特别引人注目。化硅和多孔陶瓷两者的优异性能而特别引人注目。多多孔孔氮氮化化硅硅陶陶瓷瓷的的电电学学、热热学学和和机机械械性性能能特特别别优优良良，在在氧氧化化气气氛氛中中可可以以运运用用到到1400，在在中中性性或或者者还还原原气气氛氛中中可可以以运运用用到到1800。它它既既突突出出了了一一般般陶陶瓷瓷材材料料的的坚坚硬硬、耐耐热热、耐耐磨磨、耐耐腐腐蚀蚀的的优优点点，又又具具备备了了抗抗热热震震性性好好、耐耐高高温温蠕蠕变变、自自润润滑滑好好、化化学学稳稳定定性性等等特特性性，还还具具有有相相对对较较低低密密度度和和低低介介电电常常数数、介介电电损损耗耗等等优优良良的的介介电电性性能能，因因此此可可广广泛泛应应用用于于化化工工、环环保保、生生物等行业。物等行业。