无机合成化学- 先进陶瓷材料-PPT演示文稿.ppt

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1、先 进 陶 瓷 材 料Advanced Ceramic Materials2023-5-8兵马俑，亦称陶俑，是典型的陶制品兵马俑，亦称陶俑，是典型的陶制品宜兴紫砂壶自明朝流传至今，制造技术精湛宜兴紫砂壶自明朝流传至今，制造技术精湛，色泽淳朴，用来泡茶，茶不失原味，耐热，色泽淳朴，用来泡茶，茶不失原味，耐热保温，不易变质。紫砂泥由粘土、石英、云保温，不易变质。紫砂泥由粘土、石英、云母、赤铁矿组成，其中母、赤铁矿组成，其中Fe2O3含量约占含量约占7%-10%，TiO21%。 经过了几千年的发展，出现了瓷器。从陶到瓷，经过了几千年的发展，出现了瓷器。从陶到瓷，在技术上主要实现了三大突破：在技术上主

2、要实现了三大突破：瓷土的发现和利用瓷土的发现和利用 瓷土与陶土相比，瓷土与陶土相比，Fe2O3、CaO、MgO等称为等称为助熔剂的物质明显减少，助熔剂的物质明显减少，SiO2的含量也降至的含量也降至70%以下，而以下，而Al2O3的含的含量显著增加。量显著增加。釉的发明和创新釉的发明和创新 釉是覆盖在瓷器表面的一种玻璃态的物质，它是釉是覆盖在瓷器表面的一种玻璃态的物质，它是用矿物（长石、方解石、石英、滑石、高岭土等）和颜料按照一定用矿物（长石、方解石、石英、滑石、高岭土等）和颜料按照一定的比例配制而成，用多种方法施于陶瓷胚体表面。的比例配制而成，用多种方法施于陶瓷胚体表面。 烧制温度的提高烧制

3、温度的提高 烧制温度从烧制温度从8001000提高到提高到1200以上，相应以上，相应配套的出现了窑炉。高温使釉料被熔融并均匀地覆盖在瓷器的表面配套的出现了窑炉。高温使釉料被熔融并均匀地覆盖在瓷器的表面，冷却后质地坚硬、光滑、不沾污、高度绝缘、色彩艳丽动人。，冷却后质地坚硬、光滑、不沾污、高度绝缘、色彩艳丽动人。先进陶瓷材料第三部分 常见先进陶瓷的应用第二部分 先进陶瓷材料的制备工艺目录目录 CONTENTS 第一部分 陶瓷材料简介先进陶瓷材料 传统上，陶瓷的概念是指以粘土及其天然矿物为原料，经过粉碎混合、成型、焙烧等工艺过程所制得的各种制品。亦称为“普通陶瓷”。 一、 陶瓷的概念 广义的陶瓷

4、概念：是用陶瓷生产方法制造的无机非金属固体材料和制品的统称。 第一部分 陶瓷材料简介先进陶瓷材料二、 陶瓷的性能(1) 强度 理论强度很高，耐压（抗压强度高），抗弯（抗弯强度高），不耐拉（抗拉强度很低，比抗压强度低一个数量级）较高的高温强度。(2) 塑性，在室温几乎没有塑性，韧性差，脆性大，是陶瓷的最大缺点。(3) 热膨胀性低，导热性差，多为较好的绝热材料（=10-210-5w/mK）(4) 热稳定性抗热振性（在不同温度范围波动时的寿命）急冷到水中不破裂所能承受的最高温度。陶瓷的抗热振性很低（比金属低的多，日用陶瓷220）(5) 化学稳定性：耐高温，耐火，不可燃烧，抗蚀（抗液体金属、酸、碱、盐

5、）(6) 导电性大多数是良好的绝缘体，同时也有不少半导体（NiO，Fe3O4等）先进陶瓷材料 按陶瓷的概念和用途来分类，陶瓷制品分为两大类，即普通陶瓷（传统陶瓷）和先进陶瓷（新型陶瓷）。三、 陶瓷的分类普通陶瓷先进陶瓷陶瓷材料简介陶瓷材料简介先进陶瓷材料普通陶瓷与先进陶瓷的主要区别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1350以下，燃料以煤-油-气为主结构陶瓷烧成温度在1600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

6、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、能源、冶金机械、交通、家电等行业陶瓷材料简介陶瓷材料简介先进陶瓷材料u结构陶瓷：结构陶瓷：是指能作为工程结构材料使用的陶瓷。它具有高强度、高硬度、高弹性模量、耐高温、耐磨损、耐腐蚀、抗氧化、抗热震等特性。强调力学性能强调力学性能。u功能陶瓷：功能陶瓷：功能陶瓷是具有电、磁、光、热、化学、生物等特性，且具有相互转化功能的一类陶瓷。 强调物理、化学性能强调物理、化学性能。透明陶瓷灯透明陶瓷灯陶瓷球阀陶瓷球阀 先进陶瓷先进陶瓷可分为可分为结构陶瓷结构陶瓷和和功能陶瓷功能陶瓷两大类。两大类。陶瓷材料

7、简介陶瓷材料简介先进陶瓷材料 结构陶瓷结构陶瓷l 氧化物陶瓷：如氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、莫来石陶瓷、氧化镁陶瓷、氧化钙陶瓷、氧化铍陶瓷等。l 氮化物陶瓷：如氮化硅陶瓷、氮化硼陶瓷等。l 碳化物陶瓷：如碳化硅陶瓷、碳化硼陶瓷等。l 硼化物陶瓷：如硼化钛陶瓷、硼化锆陶瓷等。按组分分类，结构陶瓷可分为：按组分分类，结构陶瓷可分为：V型陶瓷球阀 结构陶瓷吸声板 氧化锆纳米陶瓷刀 陶瓷材料简介陶瓷材料简介先进陶瓷材料 功能陶瓷功能陶瓷l 电子陶瓷：如绝缘陶瓷、介电陶瓷、铁电陶瓷、压电陶瓷、磁性陶瓷、导电陶瓷、超导陶瓷等；l 热学陶瓷：如耐热陶瓷、隔热陶瓷、导热陶瓷等；l 光学陶瓷：如透明陶瓷、红外辐射陶

8、瓷、发光陶瓷等；l 生物陶瓷：如生物活性陶瓷、医用陶瓷等。按特性分类，功能陶瓷可分为：按特性分类，功能陶瓷可分为：陶瓷材料简介陶瓷材料简介先进陶瓷材料第二部分 陶瓷材料的制备工艺陶陶瓷瓷烧烧结结炉炉坯体成型坯体烧结精加工粉体制备先进陶瓷材料陶瓷原料的种类与性质 粘土与高岭土粘土与高岭土 粘土：主要成分是微细铝硅酸盐，如砖瓦用泥土。粘土：主要成分是微细铝硅酸盐，如砖瓦用泥土。 高岭土高岭土: :以高岭土矿为主要成分，它分为残留高岭土和沉以高岭土矿为主要成分，它分为残留高岭土和沉积高岭土。积高岭土。这两种原料的主要成分为这两种原料的主要成分为SiO2 46.54%, Al2O3 39.50%, H

9、2O 13.96%。 蜡石蜡石它是一种硬质粘土，以叶蜡石为主要成分的铝硅酸盐，主它是一种硬质粘土，以叶蜡石为主要成分的铝硅酸盐，主要成分为要成分为SiO2 66.70%，Al2O3 28.30%，H2O 5%。先进陶瓷材料 膨润土膨润土膨润土主要是由蒙脱石构成的粘土，它的化学式为：膨润土主要是由蒙脱石构成的粘土，它的化学式为：Al2O3.4SiO2.H2O，这种原料最突出的特点是有膨润性，这种原料最突出的特点是有膨润性，它在瓷器生产中主要用作增塑剂。它在瓷器生产中主要用作增塑剂。 瓷石瓷石瓷石是一种由石英、绢云母组成，并含有若干高岭土、长瓷石是一种由石英、绢云母组成，并含有若干高岭土、长石等岩

10、石状矿物，它不是单一的矿物岩石，而是多种矿物石等岩石状矿物，它不是单一的矿物岩石，而是多种矿物集合体。集合体。陶瓷原料的种类与性质先进陶瓷材料 滑石滑石滑石与叶蜡石有相同的晶体结构，其化学式为：滑石与叶蜡石有相同的晶体结构，其化学式为：3Al2O3.4SiO2.H2O，在瓷器中加入少量的滑石可以提高其透，在瓷器中加入少量的滑石可以提高其透明度和白度，并增加瓷器中玻璃相的含量，提高致密度，扩明度和白度，并增加瓷器中玻璃相的含量，提高致密度，扩大烧结范围。大烧结范围。 二氧化硅原料二氧化硅原料二氧化硅原料一般为石英，纯的石英透明，称为水晶。石英二氧化硅原料一般为石英，纯的石英透明，称为水晶。石英之

11、间存在结晶形态的转化，如下：之间存在结晶形态的转化，如下：陶瓷原料的种类与性质先进陶瓷材料 溶剂原料溶剂原料在陶瓷工业中为了降低烧结物的温度而加入的原料，重要有在陶瓷工业中为了降低烧结物的温度而加入的原料，重要有以下两种：以下两种：（1）长石类：钾长石或正长石（）长石类：钾长石或正长石（K2O. Al2O3.6SiO2)、钠长石、钠长石（Na2O. Al2O3.6SiO2) 、钙长石（、钙长石（CaO. Al2O3.2SiO2)等。等。（2）含锂矿类：主要有锂云母、磷铝石、锂辉石及叶长石）含锂矿类：主要有锂云母、磷铝石、锂辉石及叶长石 其他陶瓷原料其他陶瓷原料高铝质原料、碳酸钡、石灰石、白云石

12、等。高铝质原料、碳酸钡、石灰石、白云石等。陶瓷原料的种类与性质先进陶瓷材料粉体制备粉体制备是指将各种原料通过物理机械或化学方法，制成所需的粉体。物理粉碎法化学合成法粉体制备方法陶瓷材料的制备工艺陶瓷材料的制备工艺一、粉体制备先进陶瓷材料陶瓷原料的加工就是将原料先煅烧，然后粉碎，从粉碎效率上来看，一般是先经过粗碎，再中碎，最后细碎，让原料颗粒达到200目250目。将所粉碎的粉料经和水混合和捏练，就可以得到所需要的坯泥。一、粉体制备先进陶瓷材料目是指每平方英寸筛网上的空眼数目，目是指每平方英寸筛网上的空眼数目，50目就是指每平方英寸上的孔目就是指每平方英寸上的孔眼是眼是50个，个，500目就是目就

13、是500个，目数越高，孔眼越多，能够通过筛网的个，目数越高，孔眼越多，能够通过筛网的粒子的粒径越小。粒子的粒径越小。 先进陶瓷材料 1. 物理粉碎法物理粉碎法物料粉碎法分为：机械粉碎和气流粉碎。机械粉碎机械粉碎 优点：设备成本低，过程简单，易操作。 缺点：杂质多，粉体粒度一般在1m以上。 气体粉碎气体粉碎陶瓷材料的制备工艺陶瓷材料的制备工艺先进陶瓷材料 优点：粉体纯度、粒度可控，均匀性好，颗粒微细。 缺点：过程复杂，不易操作。固相法固相法 通过从固相到固相的变化，来制造粉体。l 热分解反应法：A(s)B(s)十C(g) l 化合反应法：A(s)+B(s)C(s)+D(g)l 氧化还原法或还原碳

14、化、还原氮化 如：3SiO2+6C+2N2 Si3N4+6CO 化学合成法一：固相法化学合成法：固相法、液相法和气相法。 2. 化学合成法化学合成法陶瓷材料的制备工艺陶瓷材料的制备工艺先进陶瓷材料液相法液相法 以均相的溶液为出发点，通过各种方法使溶质与溶剂分离，溶质形成一定大小和形状的颗粒，得到所需粉末的前躯体，热解后得到粉体。以ZrO2陶瓷粉体为例： 化学合成法二：液相法ZrSiO4+NaOHZrO2+Na2SiO3（1）水热法：）水热法：陶瓷材料的制备工艺陶瓷材料的制备工艺先进陶瓷材料液相法液相法 以均相的溶液为出发点，通过各种方法使溶质与溶剂分离，溶质形成一定大小和形状的颗粒，得到所需粉

15、末的前躯体，热解后得到粉体。以ZrO2陶瓷粉体为例： 化学合成法二：液相法（2）水解法）水解法：四氯化锆四氯化锆氯化钇氯化钇循环加水分解循环加水分解水合氧化锆水合氧化锆氧化锆纳米粉氧化锆纳米粉焙烧焙烧陶瓷材料的制备工艺陶瓷材料的制备工艺先进陶瓷材料液相法液相法 以均相的溶液为出发点，通过各种方法使溶质与溶剂分离，溶质形成一定大小和形状的颗粒，得到所需粉末的前躯体，热解后得到粉体。以ZrO2陶瓷粉体为例： 化学合成法二：液相法陶瓷材料的制备工艺陶瓷材料的制备工艺（3）喷雾法：）喷雾法：氧化锆粉+分散剂+粘结剂氧化锆粉体先进陶瓷材料 气相法气相法 直接利用气体或通过某种手段将物质变为气体，使之在气

16、体状态下发生物理化学反应，最后在冷却过程中凝聚长大形成纳米微粒。化学气相沉积法 化学合成法三：气相法陶瓷材料的制备工艺陶瓷材料的制备工艺先进陶瓷材料二、坯体成型陶瓷材料的制备工艺陶瓷材料的制备工艺注浆成型模压成型等静压成型流延成型挤压成型注射成型其它坯体成型方法先进陶瓷材料 这种成型方法是将坯料泥浆注入石膏模内，石这种成型方法是将坯料泥浆注入石膏模内，石膏将水中所悬浮的粘土与水一起吸引到模的表膏将水中所悬浮的粘土与水一起吸引到模的表面，水被石膏吸收后就形成与模型一样形状的面，水被石膏吸收后就形成与模型一样形状的坯料。坯料。 对注浆成型所用的浆料，必须具备以下性能： 流动性好 稳定性好（不易沉淀和分层） 脱模性好 1. 注浆成型（传统成型）注浆成型（传统成型）缺点：劳动强度大劳动强度大不易自动化不易自动化收缩形变大收缩形变大陶瓷材料的制备工艺陶瓷材料的制备工艺先进陶瓷材料四柱式液压成型机模压受力分布 优点：工艺简单、易自动化生产。 缺点：坯体有明显的各向异性，不适用形状复杂的制品。陶瓷材料的制备工艺陶瓷材料的制备工艺 2. 模压成型模压成型将一定量的预混料或预浸料加入对模内，经加压固化成