绪论特种陶瓷粉体的物理性能.pptx

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1、会计学1绪论特种陶瓷粉体的物理性能绪论特种陶瓷粉体的物理性能课程说明课程说明 主要授课内容及作用：主要授课内容及作用：(1)(1)介绍特种陶瓷材料的介绍特种陶瓷材料的概念、分类、特点、结构与概念、分类、特点、结构与性能之间的关系。性能之间的关系。(2)(2)深入了解特种陶瓷材料的深入了解特种陶瓷材料的品种、组成、结构、性品种、组成、结构、性能、制备、应用能、制备、应用及及发展趋势发展趋势;(3)(3)培养分析、研究、开发新材料的能力。培养分析、研究、开发新材料的能力。第1页/共44页绪论绪论第一章第一章 特种陶瓷生产工艺原理特种陶瓷生产工艺原理第二章第二章 结构陶瓷结构陶瓷第三章第三章 功能陶

2、瓷功能陶瓷第四章第四章 特种玻璃特种玻璃第五章第五章 人工晶体人工晶体第六章第六章 无机纤维无机纤维第七章第七章 薄膜材料薄膜材料第八章第八章 生物陶瓷生物陶瓷第九章第九章 新能源材料新能源材料第十章第十章 环境材料环境材料第2页/共44页 绪绪 论论一、材料学一、材料学二、什么是陶瓷、特种陶瓷？二、什么是陶瓷、特种陶瓷？三、特种陶瓷和粉末冶金三、特种陶瓷和粉末冶金四、特种陶瓷的特性和应用领域四、特种陶瓷的特性和应用领域五、特种陶瓷的发展前景五、特种陶瓷的发展前景六、特种陶瓷的研究任务六、特种陶瓷的研究任务第3页/共44页一、材料学？一、材料学？物理学物理学物质的结构与性质物质的结构与性质 化

3、化 学学物质的合成与分解物质的合成与分解 电工学电工学电的产生与应用电的产生与应用 机械学机械学力的传输与使用力的传输与使用第4页/共44页1 1）材材 料料材材料料是是人人类类用用于于制制造造生生活活和和生生产产用用的的物物品品、器器件件、构构件件、机机器器和和其其他他产产品品的的物物质质。（引引自自师师昌昌绪绪先先生生,材材料料科科学学技技术术百百科科全全书书，19951995）2 2、材材料料学学材材料料学学是是研研究究材材料料组组成成、结结构构、工工艺艺、性性质质和和使使用用性性能能之之间间相相互互关关系系的的学学科科，为为材材料料设设计计、制制造造、工工艺艺优优化化和和合合理理使使用

4、用提提供供科学依据。科学依据。第5页/共44页3 3、材料分类：、材料分类：金属材料，无机非金属材料，金属材料，无机非金属材料，有机材料，复合材料，（生物材料）有机材料，复合材料，（生物材料）4 4、认识方法：、认识方法：工艺工艺结构结构性能性能设备设备第6页/共44页二、什么是陶瓷、特种陶瓷？二、什么是陶瓷、特种陶瓷？“陶瓷陶瓷”从狭义来说，是指以粘土为主要原料经高温烧制得到的制品。从狭义来说，是指以粘土为主要原料经高温烧制得到的制品。通常包括陶器（半坡、河姆渡）和瓷器（耀州窑、景德镇）。通常包括陶器（半坡、河姆渡）和瓷器（耀州窑、景德镇）。从广义来说，它还包括砖瓦、耐火材料、玻璃、各种元素

5、的从广义来说，它还包括砖瓦、耐火材料、玻璃、各种元素的碳化物、氮化物、硼化物、硅化物、氧化物等碳化物、氮化物、硼化物、硅化物、氧化物等无机非金属材无机非金属材料料，也包括水泥和石墨等。，也包括水泥和石墨等。第7页/共44页二、什么是陶瓷、特种陶瓷？二、什么是陶瓷、特种陶瓷？“特特种种陶陶瓷瓷”：通通常常认认为为是是采采用用高高度度精精选选的的原原料料，具具有有能能精精确确控控制制的的化化学学组组成成，按按照照便便于于控控制制的的制制造造技技术术加加工工的的，便便于于进行结构设计，并具有优异特性的陶瓷。进行结构设计，并具有优异特性的陶瓷。美美国国 advanced ceramics;high p

6、erformance ceramics英国英国 technical ceramics日本日本 fine 或或new ceramics第8页/共44页“特种陶瓷特种陶瓷”二、什么是陶瓷、特种陶瓷？二、什么是陶瓷、特种陶瓷？第9页/共44页“特种陶瓷特种陶瓷”二、什么是陶瓷、特种陶瓷？二、什么是陶瓷、特种陶瓷？第10页/共44页原料（成分）、成型、烧成、加工原料（成分）、成型、烧成、加工性能、用途性能、用途特种陶瓷与普通陶瓷的主要区别特种陶瓷与普通陶瓷的主要区别特种陶瓷与普通陶瓷的主要区别特种陶瓷与普通陶瓷的主要区别特种陶瓷使用性能普通陶瓷组成/结构普通陶瓷合成/加工工艺普通陶瓷固有性能普通陶瓷普

7、通陶瓷使用性能使用性能第11页/共44页表表0-1 特种陶瓷与普通陶瓷的区别特种陶瓷与普通陶瓷的区别特种陶瓷与普通陶瓷的主要区别特种陶瓷与普通陶瓷的主要区别第12页/共44页表表0-1 特种陶瓷与普通陶瓷的区别特种陶瓷与普通陶瓷的区别特种陶瓷与普通陶瓷的主要区别特种陶瓷与普通陶瓷的主要区别粘土矿物粘土矿物-高岭土高岭土钾长石钾长石石石 英英人工合成人工合成Al2O3粉体粉体第13页/共44页三、特种陶瓷和粉末冶金三、特种陶瓷和粉末冶金 二者研究对象、制备工艺相近，所以可将特种陶瓷归二者研究对象、制备工艺相近，所以可将特种陶瓷归入到传统粉末冶金和传统陶瓷延伸形成的交叉学科领域。入到传统粉末冶金和

8、传统陶瓷延伸形成的交叉学科领域。具有的相同基本特性具有的相同基本特性：1 1）研究的对象有相同的物理形态，即均为粉体。）研究的对象有相同的物理形态，即均为粉体。2 2）工艺过程基本相同。）工艺过程基本相同。3 3）粉体在加工过程中有相同或相近的物理、化学变化，）粉体在加工过程中有相同或相近的物理、化学变化，服从相同或相似的理论规律。服从相同或相似的理论规律。第14页/共44页四、特种陶瓷的特性和应用领域四、特种陶瓷的特性和应用领域特种陶瓷的特性：特种陶瓷的特性：优优点点：与与金金属属和和聚聚合合物物相相比比，特特种种陶陶瓷瓷熔熔点点高高，耐耐热热性性好好，高高温温强强度度高高，抗抗腐腐蚀蚀和和

9、抗抗氧氧化化，弹弹性性模模量量、硬硬度度高高。如如Al2O3、ZrO2、Si3N4、SiC等等已已成成为为优优异异的的高高温结构材料。温结构材料。缺点：缺点：塑性变形能力差；韧性低；不易成型加工。塑性变形能力差；韧性低；不易成型加工。第15页/共44页特种陶瓷的特性和应用领域特种陶瓷的特性和应用领域特种陶瓷的应用特种陶瓷的应用结构陶瓷结构陶瓷 力学性能力学性能功能陶瓷功能陶瓷 研磨和耐磨性研磨和耐磨性切削性切削性高强度高强度润滑性润滑性绝缘性绝缘性介电性介电性导电性导电性压电性压电性磁性磁性电磁功能电磁功能半导体功能半导体功能光学光学热学热学生物、化学生物、化学与原子有关的功能与原子有关的功能

10、超导超导第16页/共44页特种陶瓷的特性和应用领域特种陶瓷的特性和应用领域功能陶瓷的应用功能陶瓷的应用第17页/共44页五、特种陶瓷的发展前景五、特种陶瓷的发展前景五、特种陶瓷的发展前景五、特种陶瓷的发展前景特种陶瓷的性能潜力表现在特种陶瓷的性能潜力表现在：1 1）许多特种陶瓷具有优异的多方面性能。）许多特种陶瓷具有优异的多方面性能。2 2）特种陶瓷具有更多的有实用价值的功能，特别是电）特种陶瓷具有更多的有实用价值的功能，特别是电磁功能，化学功能，半导体功能。磁功能，化学功能，半导体功能。3 3）适当改变组成和掺杂后，特种陶瓷的功能可以按照）适当改变组成和掺杂后，特种陶瓷的功能可以按照人们的要

11、求改变。人们的要求改变。特种陶瓷被誉为特种陶瓷被誉为“万能材料万能材料”或或“面向面向2121世纪的新材料世纪的新材料”。第18页/共44页六、特种陶瓷的研究任务六、特种陶瓷的研究任务六、特种陶瓷的研究任务六、特种陶瓷的研究任务特种陶瓷的研究任务主要是：特种陶瓷的研究任务主要是：1 1）研究）研究现有材料现有材料的性能及改变它们的途径；的性能及改变它们的途径；2 2）发掘）发掘新材料新材料的性能；的性能；3 3）探索和发展）探索和发展新材料新材料；4 4）研究制备材料的）研究制备材料的最佳最佳工艺；工艺；5 5）对烧结后的制品进行的冷加工技术。）对烧结后的制品进行的冷加工技术。这门学科的发展有

12、待于这门学科的发展有待于冶金学、物理学、化学和数冶金学、物理学、化学和数学学等多学科的等多学科的交叉渗透、共同探索交叉渗透、共同探索。第19页/共44页作业作业1 1）传统陶瓷和特种陶瓷两者者各自的特点和区别是什么）传统陶瓷和特种陶瓷两者者各自的特点和区别是什么？特种陶瓷与粉末冶金的关系？特种陶瓷与粉末冶金的关系？2 2）特种陶瓷的功能及其应用举例。（如：耐磨性、切削）特种陶瓷的功能及其应用举例。（如：耐磨性、切削性、介电性等）性、介电性等）第20页/共44页绪论绪论第一章第一章 特种陶瓷生产工艺原理特种陶瓷生产工艺原理第二章第二章 结构陶瓷结构陶瓷第三章第三章 功能陶瓷功能陶瓷第四章第四章

13、特种玻璃特种玻璃第五章第五章 人工晶体人工晶体第六章第六章 无机纤维无机纤维第七章第七章 薄膜材料薄膜材料第八章第八章 生物陶瓷生物陶瓷第九章第九章 新能源材料新能源材料第十章第十章 环境材料环境材料第21页/共44页第一章第一章 特种陶瓷工艺原理特种陶瓷工艺原理1.1 1.1 特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.3 1.3 特种陶瓷的成型方法特种陶瓷的成型方法1.4 1.4 特种陶瓷的烧结特种陶瓷的烧结第22页/共44页1.1 1.1 特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能粉粉体体指指大大量量固固体体粒粒子子的的集

14、集合合系系。它它表表示示物物质质的的一一 种种存存在在状状态态。它它既既不不同同于于气气体体、液液体体，也也完完全全不不同同于于固固体体，正正如如不不少少国国内内学学者者所所认认为为的的，粉粉体体是是气气、液液、固固三三相之外的所谓相之外的所谓第四相第四相。组成粉体的固体颗粒其粒径的大小对粉体系统的各组成粉体的固体颗粒其粒径的大小对粉体系统的各种性质有很大的影响。其中最敏感的有粉体的种性质有很大的影响。其中最敏感的有粉体的比表面积，比表面积，可压缩性和流动性可压缩性和流动性。我们所要研究的。我们所要研究的特种陶瓷粉体特种陶瓷粉体，一，一般是指其组成颗粒的粒径在般是指其组成颗粒的粒径在0.05-

15、40m0.05-40m的物系。的物系。第23页/共44页1.1 1.1 特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能1.1.1 1.1.1 粉体的粒度与粒度分布粉体的粒度与粒度分布1.1.2 1.1.2 粉体颗粒的形态及其表征粉体颗粒的形态及其表征1.1.3 1.1.3 粉体的表面特性粉体的表面特性1.1.4 1.1.4 粉体的填充性粉体的填充性第24页/共44页1.1 1.1 特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能1.1.1 1.1.1 粉体的粒度与粒度分布粉体的粒度与粒度分布1)1)粉体颗粒粉体颗粒（powder particlepowder particle）是指在物质的本质结构不

16、发生改变的情况下，分散或是指在物质的本质结构不发生改变的情况下，分散或细化而得到的固体基本颗粒。细化而得到的固体基本颗粒。一般将没有堆积、絮联等结构的最小单元称为一般将没有堆积、絮联等结构的最小单元称为一次颗一次颗粒粒。而在实际应用的粉体原料中，往往都是在一定程度。而在实际应用的粉体原料中，往往都是在一定程度上团聚了的颗粒，即所谓的上团聚了的颗粒，即所谓的二次颗粒二次颗粒。一次颗粒发生团聚的原因：一次颗粒发生团聚的原因：（1）分子间的）分子间的范德华引力范德华引力；（；（2）颗粒间的）颗粒间的静电引力静电引力；（3）吸附水分的）吸附水分的毛细管力毛细管力；（；（4）颗粒间的）颗粒间的磁引力磁引

17、力；（5）颗粒表面不平滑引起的）颗粒表面不平滑引起的机械纠缠力机械纠缠力。第25页/共44页1.11.1特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能1.1.1 1.1.1 粉体的粒度与粒度分布粉体的粒度与粒度分布2)2)粉体颗粒的粉体颗粒的粒度粒度(particle size)(particle size)粉粉体体颗颗粒粒是是构构成成粉粉体体的的基基本本单单位位。由由于于粉粉体体是是具具有有粒粒度度分分布布的的大大量量固固体体颗颗粒粒的的分分散散相相，因因而而，不不可可能能用用单单一一的的大大小小来来描描述述，凡凡构构成成某某种种粉粉体体的的颗颗粒粒群群，其其颗粒的平均大小被定义为粉体的粒度。

18、颗粒的平均大小被定义为粉体的粒度。实际的粉体颗粒有球形、条形、多边形、片状或实际的粉体颗粒有球形、条形、多边形、片状或各种形状兼而有之。各种形状兼而有之。第26页/共44页(a)(b)(c)(f)(e)(d)图1 各种形状的粉体颗粒第27页/共44页1.11.1特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能1.1.1 1.1.1 粉体的粒度与粒度分布粉体的粒度与粒度分布2)2)粉体颗粒的粉体颗粒的粒度粒度(particle size)(particle size)根据不同要求，表示颗粒群粒度的方法主要有以下几种：根据不同要求，表示颗粒群粒度的方法主要有以下几种：等体积等体积球相当径。（体积可求）

19、球相当径。（体积可求）等面积等面积球相当径。球相当径。(流体通过法或吸附法流体通过法或吸附法 )等沉降速度等沉降速度相当径。相当径。显微镜下测得的颗粒粒径显微镜下测得的颗粒粒径:马丁径、弗莱特径、投影面积径。马丁径、弗莱特径、投影面积径。第28页/共44页1.11.1特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能1.1.1 1.1.1 粉体的粒度与粒度分布粉体的粒度与粒度分布2)2)粉体颗粒的粉体颗粒的粒度粒度(particle size)(particle size)马丁径马丁径-对开线长度对开线长度第29页/共44页1.11.1特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能1.1.1 1.1.

20、1 粉体的粒度与粒度分布粉体的粒度与粒度分布2)2)粉体颗粒的粉体颗粒的粒度粒度(particle size)(particle size)弗莱特径弗莱特径 两对边切线之间距离两对边切线之间距离 第30页/共44页1.11.1特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能1.1.1 1.1.1 粉体的粒度与粒度分布粉体的粒度与粒度分布2)2)粉体颗粒的粉体颗粒的粒度粒度(particle size)(particle size)投影面积径投影面积径 与颗粒影像有相同面积的圆的直径与颗粒影像有相同面积的圆的直径 第31页/共44页 1.11.1特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能1.1.1

21、 1.1.1 粉体的粒度与粒度分布粉体的粒度与粒度分布3)3)粉体颗粒的粉体颗粒的粒度分布粒度分布 -是表征多分散体系中颗粒大小不均一程度的。是表征多分散体系中颗粒大小不均一程度的。对对于于某某一一粉粉体体系系统统来来说说，如如果果组组成成颗颗粒粒的的粒粒度度都都一一样样或或近近似似一一样样，就就称称其其为为单单分分散散（monodispersemonodisperse）体系体系；实实际际粉粉体体所所含含颗颗粒粒的的粒粒度度大大都都有有一一个个分分布布范范围围，常常称称为为多多分分散散（polydispersepolydisperse）体体系系。粒粒度度分分布布范范围围越窄，我们就说分布的分散

22、程度越小，其集中度越高。越窄，我们就说分布的分散程度越小，其集中度越高。第32页/共44页 1.11.1特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能1.1.1 1.1.1 粉体的粒度与粒度分布粉体的粒度与粒度分布3)3)粉体颗粒的粉体颗粒的粒度分布粒度分布 频率分布曲线频率分布曲线 累积分布曲线累积分布曲线 第33页/共44页1.11.1特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能1.1.2 1.1.2 粉体颗粒的形态及其表征粉体颗粒的形态及其表征 颗颗粒粒形形态态对对粉粉体体系系统统的的性性质质比比如如流流动动性性，自自然然堆堆积积密密度度、比比表表面面以以及及成成形形体体密密度度，烧烧结结

23、体体性性质质等等有有直直接接的影响。的影响。SiC SiC 晶须晶须 金属陶瓷用复合粉末金属陶瓷用复合粉末 第34页/共44页1.11.1特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能1.1.2 1.1.2 粉体颗粒的形态及其表征粉体颗粒的形态及其表征 形状因子：形状因子：在一定程度上可表征颗粒形状相对于标准形状在一定程度上可表征颗粒形状相对于标准形状的偏离。常见的几种形状因子有：的偏离。常见的几种形状因子有：Wadell球形度球形度w w（球体）（球体）与颗粒具有相同体积的球的表面积对于实际颗粒的表面积之比，与颗粒具有相同体积的球的表面积对于实际颗粒的表面积之比，一般小于一般小于1 1，如等于

24、，如等于1 1，则该颗粒为球形，则该颗粒为球形 长短度和扁平度（柱状或片状）长短度和扁平度（柱状或片状）长短度长短度=长径长径l/l/短径短径b b，扁平度扁平度=短径短径b/b/厚度厚度t t 动力形状因子动力形状因子K K K=Dd/Dv Dd颗粒在介质中的沉降阻力相当径颗粒在介质中的沉降阻力相当径 Dv-等体积球径等体积球径第35页/共44页1.1 1.1 特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能1.1.3 1.1.3 粉体的表面特性粉体的表面特性1 1）粉体颗粒的表面能和表面状态）粉体颗粒的表面能和表面状态 当晶体破碎，破断面上的原子所处的状态就与内部原子不一样。内部原子在周围原子

25、的均等作用下处于能量平衡的状态；而表面则只是一侧受到内部原子的引力，另一侧则处于一种具有“过剩能量”的状态，该“过剩能量”就称为表面能。同样，粉体颗粒表面的“过剩能量”就称为颗粒的颗粒的表面能表面能。当物质被粉碎成细小颗粒时，就会出现大量的新表面，并且这种新表面能的量值随粒度变小而迅速增加。这时，处于表面的原子的数量发生显著变化。第36页/共44页1.1 1.1 特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能1.1.3 1.1.3 粉体的表面特性粉体的表面特性1 1）粉体颗粒的表面能和表面状态）粉体颗粒的表面能和表面状态 表1所示当粒径变化时，一般物质颗粒细化后，其原子数与表面原子数的比例变化。

26、粒径（nm）颗粒原子数表面原子数/原子数（%）202.51051010310420541034022508013099第37页/共44页1.1 1.1 特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能1.1.3 1.1.3 粉体的表面特性粉体的表面特性1 1）粉体颗粒的表面能和表面状态）粉体颗粒的表面能和表面状态 举例：举例：NaCl晶体沿（晶体沿（100）面破碎时的状态，）面破碎时的状态，A为理为理想（想（100）面，）面，B为极化后的表面，为极化后的表面，C为极化后再重排为极化后再重排的表面。随着的表面。随着A至至C状态的变化，表面能下降状态的变化，表面能下降。第38页/共44页1.1 1.1

27、 特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能1.1.3 1.1.3 粉体的表面特性粉体的表面特性2 2）粉体颗粒的吸附与凝聚）粉体颗粒的吸附与凝聚 粉体所以区别于一般固体而呈独立物态，是因为它一方面是细化了的固体；另一方面，在接触点上与其它粒子间有相互作用力存在。对于液体，由于液滴粒子碰到之后就合而为之，界面立即消失；固体粒子则不然，这除了由物质本身的状态决定外，还与固体的表面性质有关，我们把存在于异种固体表面的引力称为附着力；把存在于同种固体表面间的引力称为凝聚力。一个颗粒依附于其它颗粒表面上，也称为附着。与之对应的凝聚则是指附在其它颗粒间在各种引力作用下的团聚。第39页/共44页1.1

28、1.1 特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能1.1.3 粉体的表面特性粉体的表面特性2 2）粉体颗粒的吸附与凝聚）粉体颗粒的吸附与凝聚 粉体颗粒的附着凝聚机制有多种原因，但从现象上看，它多半与单个颗粒的动能，即由颗粒大小（质量）和速度决定的动量呈反向的作用力。将作用于颗粒固体表面间的力分为：颗粒状态机制颗粒状态机制颗粒间无夹杂物范德华力颗粒间有夹杂物液膜架桥静电力粘结物质磁力固结 （固化剂、烧结、析晶）第40页/共44页1.1 1.1 特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能1.1.4 粉体的填充性粉体的填充性 粉体的填充特性及其填充体的集合组织是特种陶瓷粉末成型的基础。粉体的填充

29、组织可通过粉体层中空隙部分的量表示。分为：等大球的致密填充（立方、六方密堆 74.05%,简单立方 63.1%)P.16 等大球的不规则填充(63.7%-Scott)异直径球的填充(大加小）加压压密填充第41页/共44页1.1 1.1 特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能1.1.4 粉体的填充性粉体的填充性影响粉体密实性的因素有：影响粉体密实性的因素有：颗粒大小的影响 a.当颗粒的粒径不大时，粒径越小，填充越疏松；如果粒径变大至超过临界粒径时，随着粒径的增大，即粒子自重力增大，粒径的变化对填充率的影响甚微。颗粒形状和凝聚的影响 b.球形颗粒容易填充，棒状或针状的颗粒难以填充。第42页/共44页第一章第一章 特种陶瓷工艺原理特种陶瓷工艺原理1.1 1.1 特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.3 1.3 特种陶瓷的成型方法特种陶瓷的成型方法1.4 1.4 特种陶瓷的烧结特种陶瓷的烧结第43页/共44页