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先進(jìn)陶瓷材料 第十組 陳東方劉金巧李常貴 材料化學(xué) 先進(jìn)陶瓷材料 一 先進(jìn)陶瓷材料概念二 先進(jìn)陶瓷材料重要性三 先進(jìn)陶瓷材料分類(lèi) 先進(jìn)陶瓷材料概念 傳統(tǒng)陶瓷是指用天然硅酸鹽粉末 如高嶺土等 為原料生產(chǎn)的產(chǎn)品 因?yàn)樵系某煞只祀s和產(chǎn)品的性能波動(dòng)大僅用于餐具 日用容器 工藝品以及普通建筑材料 如地磚 水泥等 而不適用于工業(yè)用途 先進(jìn)陶瓷材料是指采用精制的高純 超細(xì)的無(wú)機(jī)化合物為原料及先進(jìn)的制備工藝技術(shù)制造出的性能優(yōu)異的產(chǎn)品 如耐腐蝕 耐高溫 高熱導(dǎo) 絕熱或良好生物相容性等優(yōu)異性能 傳統(tǒng)陶瓷 洛陽(yáng)唐三彩 傳統(tǒng)陶瓷 幾種先進(jìn)陶瓷 用作人造髖關(guān)節(jié)材料 陶瓷電暖器 香奈兒運(yùn)動(dòng)表 陶瓷表帶 耐高溫運(yùn)轉(zhuǎn)的全陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī) 先進(jìn)陶瓷與傳統(tǒng)陶瓷的區(qū)別 1 在成分上 傳統(tǒng)陶瓷的組成由粘土的成分決定 所以不同產(chǎn)地和爐窯的陶瓷有不同的質(zhì)地 由于先進(jìn)陶瓷的原料是純化合物 因此成分由人工配比決定 其性質(zhì)的優(yōu)劣由原料的純度和工藝 而不是由產(chǎn)地決定 2 在原料上 突破了傳統(tǒng)陶瓷以粘土為主要原料的界限 先進(jìn)陶瓷一般以氧化物 氮化物 硅化物 硼化物 碳化物等為主要原料 3 在性能上 先進(jìn)陶瓷具有不同的特殊性質(zhì)和功能 如高強(qiáng)度 高硬度 耐腐蝕 導(dǎo)電 絕緣以及在磁 電 光 聲 生物工程各方面具有的特殊功能 從而使其在高溫 機(jī)械 電子 宇航 醫(yī)學(xué)工程各方面得到廣泛的應(yīng)用 4 在制備工藝上 突破了傳統(tǒng)陶瓷以爐窯為主要生產(chǎn)手段的界限 廣泛采用真空燒結(jié) 保護(hù)氣氛燒結(jié) 熱壓 熱靜壓等手段 先進(jìn)陶瓷的重要性 高性能結(jié)構(gòu)陶瓷因具有高強(qiáng)度 高韌性 高硬度 低密度和耐高溫 耐磨損 化學(xué)穩(wěn)定性 良好生物相容性等優(yōu)異性能 已逐步成為尖端技術(shù)必不可少的關(guān)鍵材料 先進(jìn)陶瓷具有廣闊的發(fā)展前途 這種具有優(yōu)良性能的陶瓷 有可能在很大的范圍內(nèi)代替鋼鐵以及其他金屬而得到廣泛應(yīng)用 達(dá)到節(jié)約能源 提高效率 降低成本的目的 精細(xì)陶瓷和高分子合成材料相結(jié)合 可以使交通運(yùn)輸工具輕量化 小型化和高效化 先進(jìn)陶瓷材料將成為名副其實(shí)的耐高溫的高強(qiáng)度材料 從而可用作包括飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)在內(nèi)的各種熱機(jī)材料 燃料電池發(fā)電部件材料 核聚變反應(yīng)堆護(hù)壁材料 無(wú)公害的外燃式發(fā)動(dòng)機(jī)材料等 先進(jìn)陶瓷與高性能分子材料 新金屬材料 復(fù)合材料并列為四大新材料 有些科學(xué)家預(yù)言 由于先進(jìn)陶瓷的出現(xiàn) 人類(lèi)將從鋼鐵時(shí)代重新進(jìn)入陶瓷時(shí)代 先進(jìn)陶瓷的分類(lèi) 結(jié)構(gòu)陶瓷 用于制造機(jī)械結(jié)構(gòu)零件的陶瓷 所以又稱(chēng)為工程陶瓷 由單一或復(fù)合的氧化物或非氧化物組成 如單由Al2O3 ZrO2 SiC Si3N4 或相互復(fù)合 或與碳纖維結(jié)合而成 用于制造陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)和耐磨 耐高溫的特殊構(gòu)件 結(jié)構(gòu)陶瓷主要是指發(fā)揮其機(jī)械 熱 化學(xué)等性能的一大類(lèi)新型陶瓷材料 它可以在許多苛刻的工作環(huán)境下服役 因而成為許多新興科學(xué)技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵 如 在空間技術(shù)領(lǐng)域 碳 石英復(fù)合燒蝕材料已成功地應(yīng)用于發(fā)射和回收人造地球衛(wèi)星 在軍事工業(yè)的發(fā)展方面 先進(jìn)的亞音速飛機(jī) 其成敗就取決于具有高韌性和高可靠性的結(jié)構(gòu)陶瓷和纖維補(bǔ)強(qiáng)的陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用 運(yùn)用氧化鋯增韌陶瓷材料開(kāi)發(fā)出光纖接頭和套管 性能優(yōu)良 很好地滿(mǎn)足了我國(guó)光通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要 幾種典型的結(jié)構(gòu)陶瓷 氮化物陶瓷氮化硅的強(qiáng)度很高 硬度也很高 是世界上最堅(jiān)硬的物質(zhì)之一 它的耐溫性較好 強(qiáng)度可維持到1200 C高溫而不下降 一直到1900 C才會(huì)分解 而且它具有驚人的耐化學(xué)腐蝕性能 同時(shí)又是一種高性能的電絕緣材料 該公司采用微波燒成工藝生產(chǎn)的各種氮化硅陶瓷制品總體性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平 氮化鋁的理論熱導(dǎo)是320W m k 大約是銅熱導(dǎo)的80 同時(shí)氮化鋁有低的介電常數(shù) 高電阻 低密度和接近硅的熱膨脹系數(shù) 綜合性能優(yōu)于Al2O3 BeO SiC等 被用于高導(dǎo)熱絕緣子和電子基板材料 該公司生產(chǎn)的各種氮化鋁陶瓷制品密度大于3 25 熱導(dǎo)率120 200W m K可根據(jù)用于需求生產(chǎn)各種規(guī)格氮化鋁陶瓷 氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷 人造剛玉 是一種極有前途的高溫結(jié)構(gòu)材料 它的熔點(diǎn)很高 可作高級(jí)耐火材料 如坩堝 高溫爐管等 利用氧化鋁硬度大的優(yōu)點(diǎn) 可以制造在實(shí)驗(yàn)室中使用的剛玉磨球機(jī) 用來(lái)研磨比它硬度小的材料 用高純度的原料 使用先進(jìn)工藝 還可以使氧化鋁陶瓷變得透明 可制作高壓鈉燈的燈管 人造寶石紅寶石和藍(lán)寶石的主要成分都是Al2O3 剛玉 紅寶石呈現(xiàn)紅色是由于其中混有少量含鉻化合物 而藍(lán)寶石呈藍(lán)色則是由于其中混有少量含鈦化合物 1900年 科學(xué)家曾用氧化鋁熔融后加入少量氧化鉻的方法 制出了質(zhì)量為2g 4g的紅寶石 現(xiàn)在 已經(jīng)能制造出大到10g的紅寶石和藍(lán)寶石 陶瓷基復(fù)合材料 概念 以陶瓷材料為基體 纖維 晶須 顆粒等為增強(qiáng)體 增韌材料 組成的復(fù)合物 作用 雖然結(jié)構(gòu)陶瓷具有耐高溫 高強(qiáng)度 抗腐蝕等優(yōu)異性能 但其具有脆性 處于應(yīng)力狀態(tài)時(shí) 會(huì)產(chǎn)生裂紋 甚至斷裂導(dǎo)致材料失效 而采用高強(qiáng)度 高彈性的纖維與基體復(fù)合 則是提高陶瓷韌性和可靠性的一個(gè)有效的方法 纖維能阻止裂紋的擴(kuò)展 從而得到有優(yōu)良韌性的纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料 應(yīng)用 陶瓷基復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐高溫性能 主要用作高溫及耐磨制品 陶瓷基復(fù)合材料已實(shí)用化或即將實(shí)用化的領(lǐng)域有刀具 滑動(dòng)構(gòu)件 發(fā)動(dòng)機(jī)制件 能源構(gòu)件等 法國(guó)已將長(zhǎng)纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料應(yīng)用于制造高速列車(chē)的制動(dòng)件 顯示出優(yōu)異的摩擦磨損特性 取得滿(mǎn)意的使用效果 功能陶瓷 功能陶瓷是一類(lèi)頗具靈性的材料 它們或能感知光線 或能區(qū)分氣味 或能儲(chǔ)存信息 因此 它們?cè)陔?磁 聲 光 熱等方面具備的許多優(yōu)異性能令其他材料難以企及 壓電陶瓷在力的作用下表面就會(huì)帶電 反之若給它通電它就會(huì)發(fā)生機(jī)械變形 電容器陶瓷能儲(chǔ)存大量的電能 目前全世界每年生產(chǎn)的陶瓷電容器達(dá)百億支 在計(jì)算機(jī)中完成記憶功能 磁性陶瓷是部分重要的信息記錄材料 熱敏陶瓷可感知微小的濕度變化 用于測(cè)溫 控溫 氣敏陶瓷制成的氣敏元件能對(duì)易燃 易爆 有毒 有害氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè) 控制 報(bào)警和空氣調(diào)節(jié) 光敏陶瓷制成的電阻器可用作光電控制 進(jìn)行自動(dòng)送料 自動(dòng)曝光 和自動(dòng)記數(shù) 其他功能陶瓷 此外 還有半導(dǎo)體陶瓷 絕緣陶瓷 介電陶瓷 發(fā)光陶瓷 感光陶瓷 吸波陶瓷 激光用陶瓷 核燃料陶瓷 推進(jìn)劑陶瓷 太陽(yáng)能光轉(zhuǎn)換陶瓷 貯能陶瓷 陶瓷固體電池 阻尼陶瓷 生物技術(shù)陶瓷 催化陶瓷 特種功能薄膜等 在自動(dòng)控制 儀器儀表 電子