1、陶瓷材料的简单认识材料化学,讲解：马昊课程老师：康明,2015.11.17,2015.11.17,2015.11.17,陶瓷材料的发展历史及其概念,凡是用陶土和瓷土这两种不同性质的黏土为原料，经过配料、成型、干燥、焙烧等工艺流程制成的器物都可以叫做陶瓷,氧化物,氮化物,硼化物,碳化物,。,。,除了在食器、装饰的使用上，在科学技术的发展中亦扮演重要角色。,2015.11.17,在远古的石器时代，人们学会了用泥土来制造陶器,早期的陶器烧制温度较低，一般在600度到800度左右,至今仍然是大多数无机非金属材料的基本生产过程,第一次利用水和火,改变了黏土的形状,改变了年黏土的性质,创造了一种新的物质产
2、品,揭开了科学技术史上的第一页,陶瓷材料的发展历史及其概念,2015.11.17,陶瓷材料的发展经历了三次重大飞跃,随着科学技术的高速发展，人们迫切需要大量强度很高，绝缘性能良好的陶瓷材料。此时，人们发现，尽管陶瓷中的玻璃相使陶瓷变得坚硬、致密，然而它却妨碍了陶瓷强度的提高。同时， 玻璃相也是陶瓷绝缘性能，特别是高频绝缘性能不好的根源。于是，玻璃相含量比传统陶瓷低的一些强度高、性能好的材料不断涌现。现在， 许多科学与技术方面使用的高性能陶瓷都是几乎不含有玻璃相的结晶态陶瓷。为了有别于传统陶瓷, 称之为先进陶瓷。,陶瓷材料的发展历史及其概念,2015.11.17,陶瓷材料的发展经历了三次重大飞跃
3、,陶瓷材料发展历史及其概念,近年来, 先进陶瓷在材料和制备技术方面的研究都取得了很大的进展, 特别是把陶瓷的制备、组成、 结构和性能联系起来进行。综合研究的结果使陶瓷学家认识到, 陶瓷的显微结构有着举足轻重的作用。即使化学组成完全相同, 采用不同的制备工艺技术, 有时甚至只有很微小的差别便可能导致显微结构发生很明显的变化, 材料的性能常常相差非常大。,2015.11.17,陶瓷材料的一般结构,陶瓷一般都经历高温烧制过程，其相态组织与化学结构比金属材料复杂。多相结构是陶瓷材料特有微结构特征，由1晶相、2玻璃相和3气相（气孔）组成。,各相的组成结构、数量、几何形态及分布不同，使不同的陶瓷材料性能各
4、异。,2015.11.17,陶瓷材料的一般结构,晶相,陶瓷材料中以共价键和离子键为主要结合键。以氧化物和硅酸盐为主，其中大多数氧化物结构是氧离子排列成简单立方、面心立方和密排六方晶体结构，金属离子位于其间隙中，如CaO面心立方结构。,2015.11.17,陶瓷材料的一般结构,晶相,陶瓷材料中以共价键和离子键为主要结合键。以氧化物和硅酸盐为主，其中硅酸盐矿物在自然界中分布极为广泛，已知的硅酸盐矿物有600多种，约到已知矿物种的1/4，占地壳岩石圈总质量的85%。,硅酸盐的结构很复杂，但基本结构单元是【SiO4】硅氧四面体，四个氧原子构成四面体，硅离子居四面体的间隙中。,每个氧原子最多只有被两个【
5、SiO4】所共有；Si-O-Si的键角是145。 【SiO4】既可孤立存在，亦可通过共用顶点链接成链状、平面或三维网状结构。,2015.11.17,陶瓷材料的一般结构,玻璃相的作用是充填晶粒间隙、粘结晶粒、提高材料致密度、降低烧结温度和抑制晶粒长大。,玻璃相,玻璃相是一种非晶态固体，是陶瓷烧结时，各组成相与杂质产生一系列物理化学反应形成的液相在冷却凝固时形成的，是陶瓷材料中不可缺少的组成相。,玻璃相熔点低、热稳定性差，在较低温度下开始软化，导致陶瓷在高温下发生蠕变，且其中常有一些金属离子而降低陶瓷的绝缘性。,2015.11.17,陶瓷材料的一般结构,大部分气孔是在加工过程中形成的。气孔包括开孔
6、和闭孔两种，开口在烧结过程中，有一部分消失，一部分转变为闭口气孔,气相,气相指陶瓷孔隙中的气体即气孔。是加工过程中不可避免的，陶瓷中的孔隙率常为5%10%，要力求使球状，均匀分布。,气孔对陶瓷的性能有显著影响，使陶瓷强度降低、介电损耗增大，电击穿强度下降，绝缘性降低。,2015.11.17,陶瓷材料的性能,2015.11.17,陶瓷材料的性能,电特性,大多数陶瓷具有良好的电绝缘性，因此大量用于制作各种电压的绝缘器件。例如：铁电陶瓷（钛酸钡BaTiO3）具有较高的介电常数，可用于制作电容器，铁电陶瓷在外电场的作用下，还能改变形状，将电能转换为机械能（具有压电材料的特性），可用作扩音机、点唱机、超
7、声波仪、声纳、医疗用声谱仪等。少数陶瓷还具有半导体的特性，可作整流器。,2015.11.17,陶瓷材料的性能,光学特性,陶瓷材料还有独特的光学性能，可用作固体激光器材料、光导纤维材料、光存储器等。,瓷砖、艺术瓷器、珐琅等制品常具有丰富多彩的表面光泽。,2015.11.17,陶瓷材料的分类及应用,日用瓷,结构陶瓷,功能陶瓷,有良好的白度、光泽度、透光性、热稳定性和强度。,主要用于茶具、餐具和工艺品。,2015.11.17,陶瓷材料的分类及应用,陈设瓷,结构陶瓷,钧窑瓷器历来被人们 称为“国之瑰宝”,2015.11.17,陶瓷材料的分类及应用,艺术瓷,结构陶瓷,2015.11.17,陶瓷材料的分类
8、及应用,园林瓷,结构陶瓷,2015.11.17,陶瓷材料的分类及应用,建筑瓷（地砖、墙砖、装饰瓷、卫生瓷）,结构陶瓷,2015.11.17,陶瓷材料的分类及应用,陶瓷材料已经成为一个十分庞大的家族，其分类也可依照不同的标准进行。陶瓷材料按其用途可分为水泥、耐火材料、玻璃等等。按成分可分为氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、硅化物陶瓷等等。,结构陶瓷,功能陶瓷,2015.11.17,陶瓷材料的分类及应用,结构陶瓷,结构陶瓷材料优异的特性在于高强度、 高硬度、 高的弹性模量、 耐高温、 耐磨损、 耐腐蚀、 抗氧化、 抗震性、 高导热性能、 低膨胀系数、 质轻等特点， 因而在很多领域逐渐取代昂贵的超高合金钢或被
9、应用到金属材料所不可胜任的领域， 如发动机气缸套、 轴瓦、 密封圈、 陶瓷切削刀具等。,氧化物陶瓷,非氧化物功能陶瓷,纳米陶瓷,陶瓷基复合 材料,2015.11.17,陶瓷材料的分类及应用,氧化物陶瓷,氧化物陶瓷主要包括氧化镁陶瓷、氧化铝陶瓷、氧化铍陶瓷、氧化锆陶瓷、氧化锡陶瓷、二氧化硅陶瓷、莫来石陶瓷。,氧化铝陶瓷以Al2O3为主要成分，含有少量SIO2的陶瓷，又称高铝陶瓷。,氧化铝陶瓷,可用作制造刀具和耐磨件，高温热电偶保护管及坩埚，集成电路基片和多层封装管壳及高频绝缘瓷体等。,主要用途,2015.11.17,陶瓷材料的分类及应用,非氧化物陶瓷,氮化硅陶瓷,最有希望用于制造陶瓷发动机的材料
10、，作为新一代陶瓷刀具已崭露头角。,氮化硅是由Si3N4四面体组成的共价键固体。氮化硅的强度、比强度、比模量高；硬度仅次于金刚石、碳化硼等；热膨胀系数小；化学稳定性高。,2015.11.17,陶瓷材料的分类及应用,纳米陶瓷又称纳米结构材料， 纳米复合材料是21世纪开发的新材料。它的研究是从微米复合向纳米复合方向发展，随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生，希望以此来克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有像金属似柔韧性和可加工性。英国材料学家Cahn指出，纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径,纳米陶瓷,微包覆、超级过滤、吸附、除臭、触媒、固定氧、传感器、光学功能元件、电磁功能元件等。,应用领域,2015.1
11、1.17,陶瓷材料的分类及应用,复合材料是种或种以上不同化学性质或不同组织相的物质， 以微观或宏观形式组合而成的材料。基于提高韧性的陶瓷基复合材料可分为 类：氧化锆相变增韧复合材料和陶瓷纤维强化复合材料。,陶瓷基复合材料,氧化锆相变增韧复合材料是把部分的氧化锆粉末与其他陶瓷粉末混合后制成的高韧性材料，这种材料在陶瓷切削刀具方面得到了广泛的应用。,氧化锆相变增韧复合材料,2015.11.17,陶瓷材料的分类及应用,功能陶瓷是指在应用时主要利用其非力学性能的材料，这类材料通常具有一种或多种功能。如电、磁、光、化学、生物等功能，以及耦合功能，如压电、压磁、热电、电光、声光、磁光等功能。功能陶瓷已在能
12、源开发、空间技术、电子技术、传感技术、激光技术、光电子技术、红外技术、生物技术、环境科学等领域得到广泛应用。,功能陶瓷,电子陶瓷,光学陶瓷,生物陶瓷,多孔陶瓷,2015.11.17,陶瓷材料的分类及应用,电子陶瓷包括绝缘陶瓷、介电陶瓷、铁电陶瓷、压电陶瓷、热释电陶瓷、 敏感陶瓷、磁性材料及导电、超导陶瓷。,电子陶瓷,广泛应用于微波通信、移动通信、卫星通信、广播电视、雷达等领域。,微波介电陶瓷,具有高介电常数、低介电损耗、 谐振频率系数小等特点。,应用领域,2015.11.17,陶瓷材料的分类及应用,光学陶瓷,光敏陶瓷,在光的照射下能够产生光电导或光伏特效应，可用于制造光电控制系统、太阳能电池等
13、。,2015.11.17,陶瓷材料的分类及应用,生物陶瓷,生物陶瓷材料可分为生物惰性陶瓷和生物活性陶瓷，生物陶瓷除了用于测量、诊断、治疗外，主要是用作生物硬质组织的代用品，可用于骨科、整形外科、口腔外科、心血管外科、眼科及普通外科等方面。,2015.11.17,陶瓷材料的分类及应用,汽车尾气处理、工业污水处理、熔融金属过滤、催化剂载体、隔热、 隔音材料等。近几年，多孔陶瓷的应用扩展到了航空领域电子领域、医用材料领域及生物领域等，已引起全球材料界的高度重视，并得到迅速发展。,多孔陶瓷,多孔陶瓷具有透光率高、比表面积大、密度低、传导率低、耐高温、耐腐蚀等优点。,应用领域,2015.11.17,结束语,近几十年来，陶瓷材料的应用及发展是非常迅速的，陶瓷材料作为继金属材料、高分子材料后最有潜力的发展材料之一，它在各方面的综合性能明显优于目前使用的金属材料和高分子材料。陶瓷材料的应用前景还是相当广阔的，尤其是能源、信息、空间技术和计算机技术的快速发展，更加拉动了具有特殊性能材料的应用。先进陶瓷材料的制备技术日新月异，世界科学技术的发展令人瞩目， 纳米陶瓷材料的发展已经取得惊人的成绩，有了重大突破。相信在不久的将来，陶瓷材料会有更好、更快的发展，展示出其重要的应用价值。,谢谢！,
