1、( (一一) )、材料分類、材料分類 材料是多種多樣的，分類方法也并沒有一材料是多種多樣的，分類方法也并沒有一個統一的標準。個統一的標準。 按主要的使用性能分類，可以把材料分為按主要的使用性能分類，可以把材料分為: : 結構材料結構材料以力學性能為基礎，用以制以力學性能為基礎，用以制 造以受力為主的構件。造以受力為主的構件。 功能材料功能材料以材料獨特的物理性能、化學以材料獨特的物理性能、化學 性能等為基礎而形成的一類材性能等為基礎而形成的一類材 料。料。 金屬材料金屬材料 無機非金屬材料無機非金屬材料 高分子材料高分子材料 復合材料復合材料從物理化學屬性來分，可分為從物理化學屬性來分，可分為

2、: :l陶瓷材料陶瓷材料是除是除金屬和高聚物以外金屬和高聚物以外的的無機非無機非金屬材料通稱。金屬材料通稱。l工業上應用的典型的傳統陶瓷產品如工業上應用的典型的傳統陶瓷產品如陶瓷陶瓷器、玻璃、水泥器、玻璃、水泥等。隨著現代科技的發展，等。隨著現代科技的發展，出現了許多性能優良的出現了許多性能優良的新型陶瓷新型陶瓷。 二、陶瓷材料的發展歷程二、陶瓷材料的發展歷程陶瓷陶瓷是最古老的一種材料，是人類征服自然是最古老的一種材料，是人類征服自然 中獲得的第一種經化學變化而制成的產品。中獲得的第一種經化學變化而制成的產品。它的發展經歷了從它的發展經歷了從簡單簡單復雜復雜，從，從粗糙粗糙精精 細細，從，從無

3、釉無釉施釉施釉，從，從低溫低溫高溫高溫的過程。的過程。三、傳統陶瓷與先進陶瓷三、傳統陶瓷與先進陶瓷 傳統陶瓷傳統陶瓷 其其原料原料主要是石英、主要是石英、長石和粘土等自然界中存長石和粘土等自然界中存在的礦物，歸屬于在的礦物，歸屬于硅酸鹽硅酸鹽類材料類材料； 先進陶瓷先進陶瓷 其其原料原料一般經一系列一般經一系列人工合成人工合成或或提煉處理提煉處理過的過的化工原料，超出了傳統陶化工原料，超出了傳統陶瓷的概念和范疇，是高新瓷的概念和范疇，是高新技術的產物技術的產物。先進陶瓷先進陶瓷普通陶瓷普通陶瓷普通陶瓷與先進陶瓷的主要區別普通陶瓷與先進陶瓷的主要區別四、陶瓷材料的特點四、陶瓷材料的特點 陶瓷材料

4、通常由陶瓷材料通常由三種三種不同的相組成不同的相組成: : 晶相晶相、玻璃相玻璃相和和氣相氣相。1. 陶瓷材料的相組成陶瓷材料的相組成u晶相晶相是陶瓷材料中主要的組成相，決定是陶瓷材料中主要的組成相，決定陶瓷陶瓷材料物理化學性質材料物理化學性質的主要是晶相的主要是晶相;u玻璃相玻璃相的作用是的作用是充填晶粒間隙、粘結晶粒、充填晶粒間隙、粘結晶粒、提高材提高材料致密度、降低燒結溫度和控制晶粒料致密度、降低燒結溫度和控制晶粒的生長；的生長；u氣相氣相是在工藝過程中形成并保留下來的。是在工藝過程中形成并保留下來的。先先進陶瓷材料中的殘留氣孔難以避免進陶瓷材料中的殘留氣孔難以避免。2、陶瓷材料的結合鍵

5、特點、陶瓷材料的結合鍵特點 陶瓷材料的主要成分是陶瓷材料的主要成分是氧化物氧化物(ZrO2等等)、碳碳化物化物(SiC等等)、氮化物氮化物(BN等等)、硅化物硅化物(MoSi2)等，等，因而其因而其結合鍵結合鍵以以離子鍵離子鍵(如如Al2O3)、共價鍵共價鍵(如如Si3N4)及及兩者的混合鍵兩者的混合鍵為主。為主。 高硬度高硬度優異的耐磨性優異的耐磨性 高熔點高熔點杰出的耐熱性杰出的耐熱性 高的化學穩定性高的化學穩定性良好的耐蝕性良好的耐蝕性 高的強度高的強度 良好的物理性能良好的物理性能( (電、磁、聲、光、熱等）電、磁、聲、光、熱等） 脆性大、塑韌性低脆性大、塑韌性低3. 陶瓷材料的性能特

6、點陶瓷材料的性能特點4、陶瓷材料的工藝特點、陶瓷材料的工藝特點u陶瓷是陶瓷是脆性材料脆性材料，大部分陶瓷是通過，大部分陶瓷是通過粉體成型粉體成型和高溫燒結和高溫燒結來成形的，因此陶瓷是燒結體。來成形的，因此陶瓷是燒結體。u燒結體也是晶粒的聚集體，有燒結體也是晶粒的聚集體，有晶粒晶粒和和晶界晶界，所，所存在的問題是其存在一定的存在的問題是其存在一定的氣孔率氣孔率。 晶體結構：顯微結構：金屬材料金屬材料: : 原子間結合力為金屬鍵原子間結合力為金屬鍵良好的塑變能力良好的塑變能力陶瓷材料陶瓷材料: :原子間結合力為離子鍵、共價鍵或離子原子間結合力為離子鍵、共價鍵或離子/ /共共 價混合鍵，具有強的方

7、向性及高的結合能價混合鍵，具有強的方向性及高的結合能 難以塑變難以塑變。金屬材料金屬材料: : 一般由均勻液相凝固而成，可通過冷加工一般由均勻液相凝固而成，可通過冷加工 手段改善其顯微結構使其均勻化，一般不含手段改善其顯微結構使其均勻化，一般不含 或含極少氣孔；或含極少氣孔； 陶瓷材料陶瓷材料: :一般由粉體一般由粉體燒結而成，存在一定的氣孔，存燒結而成，存在一定的氣孔，存 在顯微結構的在顯微結構的不均勻性不均勻性和和復雜性復雜性。5.陶瓷材料與金屬材料的結構特點比較陶瓷材料與金屬材料的結構特點比較五、陶瓷材料的分類五、陶瓷材料的分類1. 按化學成分分類：按化學成分分類： 氧化物陶瓷氧化物陶瓷

8、: : Al2O3, ZrO2, SiO2. 碳化物陶瓷碳化物陶瓷: : SiC, WC, TiC. 氮化物陶瓷氮化物陶瓷: : Si3N4, BN, AlN. 硼化物陶瓷硼化物陶瓷: : TiB2, ZrB2 u2. 按使用的原材料分類按使用的原材料分類:可將陶瓷材料分為可將陶瓷材料分為普通陶瓷普通陶瓷和和特種陶瓷特種陶瓷。 普通陶瓷普通陶瓷以天然的巖石、礦石、黏土等材料作以天然的巖石、礦石、黏土等材料作 原料。原料。 特種陶瓷特種陶瓷采用人工合成的材料作原料。采用人工合成的材料作原料。3. 按性能和用途分類：按性能和用途分類： 結構陶瓷結構陶瓷 功能陶瓷功能陶瓷 結構結構/功能一體化功能一

9、體化陶瓷材料陶瓷材料 對力學和物理性能均有要求對力學和物理性能均有要求a.主要用于制造結構零部件；主要用于制造結構零部件；b.b.力學性能要求力學性能要求: :強度、韌性、硬度、模量、耐磨性及高強度、韌性、硬度、模量、耐磨性及高 溫性能等。溫性能等。a.主要用于制造功能器件；主要用于制造功能器件；b.b.物理性能要求物理性能要求: :電、磁、熱、光及生物等物理性能。電、磁、熱、光及生物等物理性能。 陶瓷球閥陶瓷球閥透明陶瓷燈透明陶瓷燈功能陶瓷功能陶瓷l 電子陶瓷電子陶瓷：如絕緣陶瓷、介電陶如絕緣陶瓷、介電陶瓷、鐵電陶瓷、壓電陶瓷、磁性瓷、鐵電陶瓷、壓電陶瓷、磁性陶瓷、導電陶瓷、超導陶瓷等；陶瓷

10、、導電陶瓷、超導陶瓷等；l 熱學陶瓷熱學陶瓷：如耐熱陶瓷、隔熱陶如耐熱陶瓷、隔熱陶瓷、導熱陶瓷等；瓷、導熱陶瓷等；l 光學陶瓷光學陶瓷：如透明陶瓷、紅外輻如透明陶瓷、紅外輻射陶瓷、發光陶瓷等；射陶瓷、發光陶瓷等；l 生物陶瓷生物陶瓷：如生物活性陶瓷、醫如生物活性陶瓷、醫用陶瓷等。用陶瓷等。按特性分類，功能陶瓷可分為：按特性分類，功能陶瓷可分為：稀土發光陶瓷六六 陶瓷材料的制備工藝簡介陶瓷材料的制備工藝簡介陶陶瓷瓷燒燒結結爐爐胚體成型胚體成型胚體燒結胚體燒結精加工精加工粉體制備粉體制備粉體制備粉體制備是指將各種原料通過是指將各種原料通過物理機械物理機械或或化學方法化學方法，制成所需的粉體。，制成

11、所需的粉體。物理粉碎法物理粉碎法化學合成法化學合成法粉體制備方法粉體制備方法1、粉體制備、粉體制備 物理粉碎法物理粉碎法物料粉碎法物料粉碎法分為：分為：機械粉碎機械粉碎和和氣流粉碎氣流粉碎。機械粉碎機械粉碎 優點優點：設備成本低，過程簡單，易操作。設備成本低，過程簡單，易操作。 缺點缺點：雜質多，粉體粒度一般在雜質多，粉體粒度一般在1m以上。以上。 氣體粉碎氣體粉碎 優點優點：高純度、粒度可控，均勻性好，顆粒微細；高純度、粒度可控，均勻性好，顆粒微細； 缺點缺點：過程復雜，不易操作：過程復雜，不易操作。 通過從通過從固相固相到到固相固相的化學反應，來制備粉體。的化學反應，來制備粉體。 熱分解反

12、應法熱分解反應法：A(s)B(s)十十C(g) 化合反應法化合反應法： A(s)+B(s)C(s)+D(g) 氧化還原法或還原碳化、還原氮化氧化還原法或還原碳化、還原氮化 如：如：3SiO2+6C+2N2 Si3N4+6CO 化學合成法一：固相法化學合成法化學合成法包括包括：固相法、液相法固相法、液相法和和氣相法。氣相法。 化學合成法化學合成法以以均相的溶液均相的溶液為出發點，通過各種方法使溶質與溶劑為出發點，通過各種方法使溶質與溶劑分離，溶質形成一定大小和形狀的顆粒，得到所需粉末的分離，溶質形成一定大小和形狀的顆粒，得到所需粉末的前軀體，熱解后得到粉體。以前軀體，熱解后得到粉體。以ZrO2陶

13、瓷粉體陶瓷粉體為例：為例：ZrSiO4+NaOHZrO2+Na2SiO3（1）水熱法水熱法： 化學合成法二：液相法（2）水解法水解法：四氧化鋯四氧化鋯氯化釔氯化釔循環加水分解循環加水分解水合氧化鋯水合氧化鋯氧化鋯納米粉氧化鋯納米粉焙燒焙燒（3）噴霧法噴霧法：氧化鋯粉氧化鋯粉+ +分散劑分散劑+ +粘結劑粘結劑氧化鋯粉體氧化鋯粉體 直接利用直接利用氣體氣體或或通過某種手段將物質變為氣體通過某種手段將物質變為氣體，使之，使之在氣體狀態下發生在氣體狀態下發生物理化學反應物理化學反應，最后在冷卻過程中凝，最后在冷卻過程中凝聚長大形成聚長大形成納米微粒納米微粒?；瘜W氣相沉積法化學氣相沉積法 化學合成法三

14、：氣相法2、胚體成型、胚體成型注漿成型模壓成型等靜壓成型流延成型擠壓成型注射成型其它胚體成型方法胚體成型方法 對注漿成型所用的對注漿成型所用的漿料漿料，必須具，必須具備以下性能：備以下性能： 流動性好流動性好 穩定性好（不易沉淀和分層）穩定性好（不易沉淀和分層） 脫模性好脫模性好缺點：勞動強度大勞動強度大不易自動化不易自動化收縮形變大收縮形變大 注漿成型（傳統成型）注漿成型（傳統成型） 四柱式液壓成型機四柱式液壓成型機模壓受力分布模壓受力分布 優點優點：工藝簡單、易自動化生產。工藝簡單、易自動化生產。 缺點缺點：胚體有明顯的各向異性，不適用形狀復雜的制品。胚體有明顯的各向異性，不適用形狀復雜的

15、制品。 模壓成型模壓成型 等靜壓成型等靜壓成型；又稱又稱靜水壓成靜水壓成型型，利用，利用液體介質液體介質不可壓縮不可壓縮性和均勻傳遞壓力性的一種性和均勻傳遞壓力性的一種成型方法。成型方法。胚體密度高胚體密度高制品密度接近理論密度制品密度接近理論密度不易變形不易變形優點優點設備投資成本高設備投資成本高不易自動化不易自動化生產效率不高生產效率不高缺點缺點 等靜壓成型等靜壓成型 （專用于制作陶瓷薄膜）（專用于制作陶瓷薄膜）料漿料漿薄膜薄膜基帶基帶刮刀刮刀流延成型薄膜制備過程流延成型薄膜制備過程成品（陶瓷電容器成品（陶瓷電容器） 優點優點：工藝穩定，生產效率高，自動化程度高，可制備：工藝穩定，生產效率

16、高，自動化程度高，可制備厚度為厚度為10-1000m的高質量陶瓷薄膜。的高質量陶瓷薄膜。 缺點：缺點：胚體粘結劑含量高，胚體密度小，燒成收縮率高胚體粘結劑含量高，胚體密度小，燒成收縮率高達達20-21%。流延成型流延成型 薄膜制備薄膜制備加工處理加工處理料漿制備料漿制備工藝工藝： 擠壓成型擠壓成型：適用于連續化批量生產管、棒狀制品，：適用于連續化批量生產管、棒狀制品，易自動化。易自動化。 注射成型注射成型：間歇式的操作過程，可生產結構復雜的：間歇式的操作過程，可生產結構復雜的制品。制品。擠壓成型擠壓成型注射成型注射成型其它成型方法其它成型方法宏觀變化宏觀變化：體積收縮、致密度提高、強度增加。體

17、積收縮、致密度提高、強度增加。微觀變化微觀變化：晶粒長大，氣孔減少。晶粒長大，氣孔減少。胚體燒結：胚體燒結：是指把成型胚體轉變為致密體的工藝過程。是指把成型胚體轉變為致密體的工藝過程。3、胚體燒結、胚體燒結常壓燒結：常壓燒結：燒結胚體在無外加壓力、只在常壓下，燒結胚體在無外加壓力、只在常壓下，即自然即自然 大氣條件下，置于窯爐中，進行燒結大氣條件下，置于窯爐中，進行燒結。優點：優點：設備簡單便宜，最傳統、最簡便、最廣泛的一設備簡單便宜，最傳統、最簡便、最廣泛的一種方法。種方法。 常壓燒結（普通燒結）常壓燒結（普通燒結） 熱壓燒結：熱壓燒結：在燒結過程中同時在燒結過程中同時對坯料施加壓力，加速了

18、致密對坯料施加壓力，加速了致密化的過程。化的過程。燒結溫度低燒結溫度低燒結時間短燒結時間短制品密度高制品密度高優點優點設備價格成本高設備價格成本高生產率低生產率低缺點缺點 熱壓燒結熱壓燒結 對于空氣中很難燒結的制品，對于空氣中很難燒結的制品，為防止其氧化等，研究了氣為防止其氧化等，研究了氣氛燒結方法。即在爐膛中通氛燒結方法。即在爐膛中通入一定的氣體（惰性氣體），入一定的氣體（惰性氣體），在此氣氛下進行燒結。在此氣氛下進行燒結。 如如Si3N4、SiC等非氧化物，等非氧化物，在高溫下易被氧化，因而需在高溫下易被氧化，因而需要在惰性氣體中進行燒結。要在惰性氣體中進行燒結。 氣氛燒結氣氛燒結陶瓷材料

19、屬于硬脆材料，陶瓷材料屬于硬脆材料，其特點是：硬度大，其特點是：硬度大，質脆，不變形。質脆，不變形。與金屬加工不同，與金屬加工不同，陶瓷加工一般是很難的。陶瓷加工一般是很難的。先進陶瓷的精細加工已經成為一門專門技術。先進陶瓷的精細加工已經成為一門專門技術。4、陶瓷材料及構件的精加工、陶瓷材料及構件的精加工力學的力學的 化學的化學的 光化學的光化學的 光刻光刻電化學的電化學的 電解拋光電解拋光電學的電學的 光學的光學的 激光加工激光加工磨料加工：磨削、研磨、拋光等磨料加工：磨削、研磨、拋光等刀具加工：切割刀具加工：切割蝕刻：磨削、研磨、拋光等蝕刻：磨削、研磨、拋光等化學拋光化學拋光電火花加工電火

20、花加工電子束加工電子束加工離子束加工離子束加工等離子束加工等離子束加工陶陶瓷瓷精精加加工工種種類類以力學加工為主以力學加工為主 磨削加工設備：磨削加工設備：l 外圓磨床外圓磨床：磨削各種圓柱體、外圓錐體的外圓。：磨削各種圓柱體、外圓錐體的外圓。l 平面磨床平面磨床：加工工件的平面、斜面、成型面。：加工工件的平面、斜面、成型面。l 拋光機拋光機：使陶瓷件形成光滑的表面。：使陶瓷件形成光滑的表面。 磨削加工磨削加工 工業上，最常用的是工業上，最常用的是磨料切割磨料切割，其多數采用金剛石，其多數采用金剛石砂輪進行切割，可以得到精度相當高的切割面。砂輪進行切割，可以得到精度相當高的切割面。切割機切割機

21、金剛石砂輪金剛石砂輪 切割加工切割加工 對直徑在一定范圍的孔，廣泛采用金剛石鉆對直徑在一定范圍的孔，廣泛采用金剛石鉆頭（空心鉆頭）進行圓孔加工。頭（空心鉆頭）進行圓孔加工。陶瓷打孔機陶瓷打孔機金剛石鉆頭金剛石鉆頭 打孔加工打孔加工激光切割機激光切割機 激光打孔機激光打孔機 超聲波打孔機超聲波打孔機 激光、超聲波加工激光、超聲波加工七、陶瓷材料的應用七、陶瓷材料的應用民用陶瓷民用陶瓷電子元器件電子元器件 IC基板基板軸受特徴：耐食耐薬品性、耐熱性、高剛性、軽量、高速回転、非磁性、無発塵, http:/www.ntn.co.jp/ 陶瓷軸承陶瓷軸承耐磨器件耐磨器件半導體相關部件半導體相關部件精密測

22、量用部件醫療、食品機械日用陶瓷制品尖晶石透明陶瓷光學石英玻璃光學陶瓷制品航空航天應用 氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷絕緣材料絕緣材料高壓鈉燈高壓鈉燈常見先進陶瓷的應用常見先進陶瓷的應用 熱學熱學：熔點很高，可作高級：熔點很高，可作高級耐耐火材料火材料，如坩堝、高溫爐管等。，如坩堝、高溫爐管等。 力學力學：硬度大，可以制造實驗：硬度大，可以制造實驗室使用的室使用的剛玉磨球機剛玉磨球機。 光學光學：用高純度的原料，使用：用高純度的原料，使用先進工藝，還可以使氧化鋁陶瓷變先進工藝，還可以使氧化鋁陶瓷變得透明，可制作得透明，可制作高壓鈉燈高壓鈉燈的燈管。的燈管。 電學電學：目前國內外常用的：目前國內外常用的電子

23、電子絕緣材料絕緣材料是都是是都是AlAl2 2O O3 3陶瓷。陶瓷。人造寶石人造寶石 紅寶石和藍寶石的主要成分都是紅寶石和藍寶石的主要成分都是AlAl2 2O O3 3。 紅寶石呈現紅色是由于其中混有少量含紅寶石呈現紅色是由于其中混有少量含鉻化合物鉻化合物； 藍寶石呈藍色則是由于其中混有少量含藍寶石呈藍色則是由于其中混有少量含鈦化合物鈦化合物。 氧化鋯陶瓷氧化鋯陶瓷結構陶瓷方面結構陶瓷方面：由于其：由于其高韌性高韌性、高抗彎強度高抗彎強度、高耐磨性高耐磨性，優異優異的隔熱性能、熱膨脹系數接近于鋼的隔熱性能、熱膨脹系數接近于鋼等優點，因此被廣泛應用于等優點，因此被廣泛應用于結構陶瓷領域。結構陶

24、瓷領域。軸承軸承瓷球瓷球刀具刀具陶瓷球閥陶瓷球閥高爾夫球的輕型擊球棒高爾夫球的輕型擊球棒功能陶瓷方面：功能陶瓷方面： 優異的耐高溫性能：感應加熱管、耐火材料、發熱元件等。優異的耐高溫性能：感應加熱管、耐火材料、發熱元件等。 敏感的電性能參數：氧傳感器、固體氧化物燃料電池和高溫敏感的電性能參數：氧傳感器、固體氧化物燃料電池和高溫 發熱體等。發熱體等。超高溫氧化鋯超高溫氧化鋯窯具窯具（耐火材料）（耐火材料）汽車用汽車用氧傳感器氧傳感器氧化鋯陶瓷管氧化鋯陶瓷管 特性：特性：密度小、本身具有潤滑性，耐磨損，抗腐蝕能力強密度小、本身具有潤滑性，耐磨損，抗腐蝕能力強 （除氫氟酸外，不與其他無機酸反應）；高

25、溫時也能抗氧化，（除氫氟酸外，不與其他無機酸反應）；高溫時也能抗氧化，抵抗冷熱沖擊性能強，在空氣中加熱到抵抗冷熱沖擊性能強，在空氣中加熱到10001000以上，急劇冷以上，急劇冷卻再急劇加熱，也不會碎裂。卻再急劇加熱，也不會碎裂。正是正是SiSi3 3N N4 4陶瓷具有如此良好的特性，人們常常用它來制造陶瓷具有如此良好的特性，人們常常用它來制造軸承、汽輪機葉片、機械密封環、永久性模具等機械構件。軸承、汽輪機葉片、機械密封環、永久性模具等機械構件。 氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷SiCSiC陶瓷陶瓷：除了具有優良的常溫力學性能，還具有優良的：除了具有優良的常溫力學性能，還具有優良的高高溫力學性能溫力學性能。SiCSiC陶瓷是已知陶瓷材料中