現(xiàn)代陶瓷材料

及其先進(jìn)制備技術(shù)中國(guó)海洋大學(xué)材料科學(xué)與工程研究院戴金輝現(xiàn)代陶瓷材料

及其先進(jìn)制備技術(shù)中國(guó)海洋大學(xué)材料科學(xué)與工程研究1結(jié)構(gòu)陶瓷材料的研究進(jìn)展陶瓷材料的發(fā)展歷程及現(xiàn)代陶瓷材料的內(nèi)涵現(xiàn)代陶瓷材料的特點(diǎn)及其應(yīng)用現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法現(xiàn)代陶瓷材料的研究方向深海浮力材料簡(jiǎn)介結(jié)構(gòu)陶瓷材料的研究進(jìn)展陶瓷材料的發(fā)展歷程及現(xiàn)代陶瓷材料的內(nèi)涵2陶瓷材料的發(fā)展歷程

及現(xiàn)代陶瓷材料的內(nèi)涵陶瓷材料的發(fā)展歷程

及現(xiàn)代陶瓷材料的內(nèi)涵3陶瓷材料的發(fā)展歷程古老的文明時(shí)代的見(jiàn)證6000年前唐宋元明清陶瓷材料的發(fā)展歷程古老的文明時(shí)代的見(jiàn)證6000年前唐4陶瓷材料的發(fā)展歷程陶器炻器瓷器技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)材料優(yōu)化陶瓷材料的發(fā)展歷程陶器炻器瓷器技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)材料優(yōu)化5陶瓷材料的發(fā)展歷程科技進(jìn)步的標(biāo)志國(guó)家實(shí)力的象征陶瓷材料的發(fā)展歷程科技進(jìn)步的標(biāo)志6陶瓷材料的發(fā)展歷程古代日用陶瓷為主（杯盤碗罐）近代日用陶瓷建筑陶瓷衛(wèi)生陶瓷電瓷工藝陶瓷現(xiàn)代傳統(tǒng)陶瓷（日用、建筑、衛(wèi)生陶瓷等）現(xiàn)代陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷（發(fā)揮其力學(xué)特性）高強(qiáng)、超硬、耐高溫等功能陶瓷（發(fā)揮其物力性能）

電容器介質(zhì)陶瓷、壓電陶瓷、敏感陶瓷、磁性陶瓷、生物陶瓷、超導(dǎo)陶瓷、陶瓷基功能復(fù)合材料陶瓷材料的發(fā)展歷程古代近代7材料有機(jī)材料無(wú)機(jī)非金屬材料金屬材料玻璃陶瓷水泥耐火材料其他無(wú)機(jī)礦物材料復(fù)合材料陶瓷材料陶瓷材料的發(fā)展歷程材料有機(jī)材料無(wú)機(jī)非金屬材料金屬材料玻璃陶瓷水泥耐火材料其他無(wú)8陶瓷材料的發(fā)展歷程品種傳統(tǒng)陶瓷現(xiàn)代材料原料天然礦物人工合成高純度原料制備工藝

礦物加工—成型—燒結(jié)組分多樣化性能多元化應(yīng)用廣泛化陶瓷材料的發(fā)展歷程品種組分多樣化9現(xiàn)代陶瓷材料——高新技術(shù)現(xiàn)代陶瓷材料的內(nèi)涵三個(gè)特點(diǎn)屬于高新技術(shù)產(chǎn)品；技術(shù)經(jīng)濟(jì)密集型產(chǎn)品；具有優(yōu)異的和特殊的性能?，F(xiàn)代陶瓷材料——高新技術(shù)現(xiàn)代陶瓷材料的內(nèi)涵三個(gè)10現(xiàn)代陶瓷材料的特點(diǎn)及其應(yīng)用現(xiàn)代陶瓷材料的特點(diǎn)及其應(yīng)用11現(xiàn)代陶瓷材料分類

按化學(xué)成分分類氧化物陶瓷單一氧化物陶瓷

Al2O3、ZrO2等復(fù)合氧化物陶瓷莫來(lái)石（3Al2O3?2SiO2）尖晶石（Mgl2O4）

硅酸鹽（ZrSiO4、CaSiO3）BaTiO3、CaTiO3等現(xiàn)代陶瓷材料分類按化學(xué)成分分類12碳化物陶瓷SiC、WC、B4C、TiC氮化物陶瓷

Si3N4、TiN、BN、TiC硼化物陶瓷

TiB2、ZrB2現(xiàn)代陶瓷材料的分類碳化物陶瓷現(xiàn)代陶瓷材料的分類13氧化物Al2O3SiO2MgOCr2O3BeOZrO2

TiO2

V2O5B2O3

MgO?Al2O3Y2O3CaOCeO2

3Al2O3?2SiO2

BaTiO3CaTiO3

PbZrTiO3ZrSiO4

碳化物SiCTiCWCZrCB4CHfCTaCBe2CUCVCNbCMo2CMoC氮化物Si3N4

TiNBNAlN

C3N4

ZrNVNTaNNbNScN硼化物TiB2ZrB2Mo2BWB6LaB6HfBWBZrB陶瓷按化學(xué)成分分類表氧化物Al2O3SiO2MgOCr2O3Be14

按性能和用途分類結(jié)構(gòu)陶瓷：

用作結(jié)構(gòu)材料，制造結(jié)構(gòu)零部件，主要使用其力學(xué)性能。（強(qiáng)度、韌性、硬度、耐磨性及耐高溫性等）功能陶瓷：

用作功能材料，制造功能器件，主要使用其物理性能。（電、磁、聲、光、熱及生物性能）現(xiàn)代陶瓷材料的分類按性能和用途分類現(xiàn)代陶瓷材料的分類15基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)金屬材料：金屬鍵無(wú)方向性陶瓷材料：離子鍵、共價(jià)鍵很強(qiáng)的方向性及結(jié)合強(qiáng)度現(xiàn)代陶瓷材料的特點(diǎn)基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)現(xiàn)代陶瓷材料的特點(diǎn)16基本性能特點(diǎn)金屬材料—良好的塑性陶瓷材料：1）高硬度—優(yōu)異的耐磨性2）高強(qiáng)度—優(yōu)良的機(jī)械性能3）高熔點(diǎn)—杰出的耐熱性4）高化學(xué)穩(wěn)定性—良好的耐腐蝕性現(xiàn)代陶瓷材料的特點(diǎn)基本性能特點(diǎn)現(xiàn)代陶瓷材料的特點(diǎn)17陶瓷材料的缺點(diǎn)

現(xiàn)代陶瓷材料的特點(diǎn)脆性斷裂和失效方式不可恢復(fù)性不可加工性安全和可靠性強(qiáng)韌化技術(shù)可加工陶瓷超塑性陶瓷？陶瓷材料的缺點(diǎn)現(xiàn)代陶瓷材料的特點(diǎn)脆性斷不18現(xiàn)代陶瓷材料的應(yīng)用陶瓷材料科技進(jìn)步的先導(dǎo)，國(guó)家安全的保障現(xiàn)代陶瓷材料的應(yīng)用陶瓷材料科技進(jìn)步的先導(dǎo)，國(guó)家安全的保障19現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法20陶瓷材料的制備過(guò)程現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法原料制備配料制備坯體成型燒結(jié)后處理陶瓷材料的制備過(guò)程現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法原料制備配料制備坯體21現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法熱壓注成型陶瓷粉料→石蠟（12.5~13.5%）→熱的流動(dòng)漿料壓縮空氣模具恒溫槽供料管盛漿桶料漿成型制品尺寸精確制品表面光潔度高適合各種復(fù)雜形狀制品成型不適合薄壁和大件制品成型現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法熱壓注成型壓縮空氣模具恒溫槽供料管盛漿22現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法注凝成型（gel-casting）有機(jī)單體溶液+分散劑——漿料漿料+引發(fā)劑、催化劑——聚合體工藝及機(jī)理以丙烯酰胺體系為例單體：丙烯酰胺（AM）

N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺（MBAM）

分散劑：檸檬酸引發(fā)劑：過(guò)硫酸銨（APS）

催化劑：N,N,N′,N′－四甲基乙二胺（TEMED）現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法注凝成型（gel-casting）工藝23工藝過(guò)程分散劑有機(jī)單體水溶液催化劑引發(fā)劑注模懸浮體陶瓷粉末干燥排膠脫模凝膠化燒結(jié)現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法工藝過(guò)程分散劑有機(jī)單體水溶液催化劑注模懸浮體陶瓷粉末干燥排膠24機(jī)理現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法機(jī)理現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法25原位固化現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法原位固化現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法26注凝成型實(shí)例近靜尺寸成型陶瓷坯體密度高可以機(jī)械加工適合各種復(fù)雜形狀制品成型適合大件制品成型現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法注凝成型實(shí)例近靜尺寸成型現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法27軋膜成型現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法軋膜成型現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法28等靜壓成型利用高壓液體傳遞壓力成型濕式等靜壓、干式等靜壓濕式等靜壓現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法等靜壓成型濕式等靜壓現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法29干式等靜壓現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法陶瓷坯體密度高且分布均勻適合簡(jiǎn)單形狀制品成型不適合大件制品成型干式等靜壓現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法陶瓷坯體密度高且分布均勻30流延成型現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法流延成型現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法31陶瓷材料的制備過(guò)程原料制備配料制備坯體成型燒結(jié)后處理現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法陶瓷材料的制備過(guò)程原料制備配料制備坯體成型燒結(jié)后處理現(xiàn)代陶瓷32陶瓷材料的燒結(jié)方法

常壓燒結(jié)（PressurelessSintering）反應(yīng)燒結(jié)（ReactionSintering）熱壓燒結(jié)（HP－HotPressedSintering）高溫等靜壓燒結(jié)（HIP－Hotisostaticpressing）氣壓燒結(jié)（GPS－GasPressedSintering）等離子放電燒結(jié)（SPS－SparkPlasmaSintering）現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法陶瓷材料的燒結(jié)方法常壓燒結(jié)（Pressurele33常壓燒結(jié)在通常的空氣條件下對(duì)制品進(jìn)行燒結(jié)傳統(tǒng)陶瓷的燒結(jié)氧化物陶瓷的燒結(jié)抗氧化組分材料的燒結(jié)最普通、最常用的燒結(jié)方法一般得不到完全致密的材料現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法常壓燒結(jié)現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法34反應(yīng)燒結(jié)一般適用于非氧化物陶瓷材料反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷（自結(jié)合碳化硅）硅粉α-SiC+石墨1650°CSi+C(石墨)→β-SiC現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法反應(yīng)燒結(jié)一般適用于非氧化物陶瓷材料反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷（自結(jié)合35反應(yīng)燒結(jié)氮化硅硅粉N23Si+2N2

→Si3N41450°C現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法反應(yīng)燒結(jié)氮化硅硅粉N23Si+2N2→Si3N41436熱壓燒結(jié)(HP)

適用于難燒結(jié)材料的燒結(jié)

SiC、WC、B4C、TiC、Si3N4、TiN、BN、TiC

壓力：30MPa

溫度：～2300°C現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法熱壓燒結(jié)(HP)現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法37氣壓燒結(jié)（GSP）

利用氣體的壓力燒結(jié)壓力：10～100MPa

溫度：～2300oC高溫等靜壓類似等靜壓成型，金屬薄代替橡膠模具壓力：100～300MPa

溫度：～2300oC現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法氣壓燒結(jié)（GSP）現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法38等離子放電燒結(jié)（SPS）

快速燒結(jié)渴望獲得細(xì)晶陶瓷目前僅能做Φ20mm小試樣

P現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方法等離子放電燒結(jié)（SPS）快速燒結(jié)P現(xiàn)代陶瓷的先進(jìn)制備方39現(xiàn)代陶瓷材料的研究方向現(xiàn)代陶瓷材料的研究方向40現(xiàn)代陶瓷材料的研究方向材料發(fā)展的根本動(dòng)力——技術(shù)發(fā)展的需求研究熱點(diǎn)的形成——宏觀經(jīng)濟(jì)、科技政策引導(dǎo)——傳統(tǒng)理論、技術(shù)的缺陷——人們認(rèn)識(shí)世界、改造世界的需求現(xiàn)代陶瓷材料的研究方向材料發(fā)展的根本動(dòng)力——技術(shù)發(fā)展的需求研41材料研究熱點(diǎn)問(wèn)題現(xiàn)代陶瓷材料的研究方向結(jié)構(gòu)陶瓷材料的強(qiáng)韌化結(jié)構(gòu)功能一體化陶瓷材料新功能開(kāi)發(fā)及應(yīng)用新材料、新結(jié)構(gòu)的制備及性能陶瓷材料的納米化技術(shù)及其應(yīng)用材料研究熱點(diǎn)問(wèn)題現(xiàn)代陶瓷材料的研究方向結(jié)構(gòu)陶瓷材料的強(qiáng)韌化42相變?cè)鲰g技術(shù)ZrO2（t）ZrO2（m）1170℃馬氏體相變帶有5％的體積膨脹增韌機(jī)理：應(yīng)力誘導(dǎo)相變韌化微裂紋韌化結(jié)構(gòu)陶瓷的強(qiáng)韌化技術(shù)相變?cè)鲰g技術(shù)ZrO2（t）ZrO43結(jié)構(gòu)陶瓷的強(qiáng)韌化技術(shù)顆粒彌散增韌技術(shù)顆粒增韌第二相引入陶瓷基體中，使其成彌散分布并起增強(qiáng)陶瓷基體作用。裂紋偏轉(zhuǎn)，增加裂紋擴(kuò)展路徑結(jié)構(gòu)陶瓷的強(qiáng)韌化技術(shù)顆粒彌散增韌技術(shù)顆粒增韌第二相引44結(jié)構(gòu)陶瓷的強(qiáng)韌化技術(shù)纖維和晶須增韌技術(shù)結(jié)構(gòu)陶瓷的強(qiáng)韌化技術(shù)纖維和晶須增韌技術(shù)45結(jié)構(gòu)陶瓷的強(qiáng)韌化技術(shù)自增韌技術(shù)結(jié)構(gòu)陶瓷的強(qiáng)韌化技術(shù)自增韌技術(shù)46結(jié)構(gòu)陶瓷的強(qiáng)韌化技術(shù)結(jié)構(gòu)陶瓷的強(qiáng)韌化技術(shù)47結(jié)構(gòu)陶瓷的強(qiáng)韌化技術(shù)結(jié)構(gòu)陶瓷的強(qiáng)韌化技術(shù)48陶瓷材料的納米化及潛在應(yīng)用陶瓷材料的納米化及潛在應(yīng)用49陶瓷材料的納米化及潛在應(yīng)用陶瓷材料的納米化及潛在應(yīng)用50陶瓷材料的納米化及潛在應(yīng)用納米發(fā)電技術(shù)陶瓷材料的納米化及潛在應(yīng)用納米發(fā)電技術(shù)51深海浮力材料7000米載人潛水器

深海浮力材料7000米載人潛水器深海浮力材料70%30%2010年11月5日深海浮力材料70%30%2010年11月5日53深海浮力材料2006年前中國(guó)和諧號(hào)、蛟龍?zhí)?007-2009<2000m7000m發(fā)展動(dòng)態(tài)4500m6500m6500m6000m歐美阿爾文號(hào)1964

(美國(guó))鸚鵡螺號(hào)1984

(法國(guó))深海6500號(hào)1989

(日本)新阿爾文號(hào)(美國(guó))和平-I，IIAS-37(俄羅斯)200711000m目前狀態(tài)全海深潛水器攻關(guān)存在的問(wèn)題主要原料高強(qiáng)空心玻璃微珠依賴進(jìn)口深海浮力材料沒(méi)有形成生產(chǎn)能力2010年11月5日深海浮力材料2006年前中國(guó)和諧號(hào)、蛟龍?zhí)?lt;2000m70054深海浮力材料浮力材料基本結(jié)構(gòu)空心玻璃微珠添加劑環(huán)氧樹(shù)脂浮力材料填充度<60%填充度74%密度：0.6×0.74+1×0.26=0.704g/cm3玻璃微珠——浮力材料的核心2010年11月5日深海浮力材料浮力材料基本結(jié)構(gòu)空心玻璃微珠添加劑環(huán)氧樹(shù)脂浮55深海浮力材料普通空心玻璃微珠性能指標(biāo)偏低空心玻璃微珠性能3M玻璃微球普通系列(堿石灰硼硅酸鹽玻璃)

等級(jí)抗壓強(qiáng)度(MPa)真實(shí)密度平均粒徑(mm)

K11.720.125110

K152.070.15105

K203.450.2110

K255.170.2595

K3720.670.3780

K4641.340.4675

S60HS124.020.650

2010年11月5日深海浮力材料普通空心玻璃微珠性能指標(biāo)偏低空心56深海浮力材料提高浮力材料性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)深海浮力材料耐高壓

提高填充骨料強(qiáng)度營(yíng)造內(nèi)部空間低密度填充骨料分布控制及顆粒級(jí)配設(shè)計(jì)尺寸形狀可控填充骨料制備2010年11月5日深海浮力材料提高浮力材料性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)深海浮力材料耐高壓提57深海浮力材料輕質(zhì)骨料制備技術(shù)輕質(zhì)骨料復(fù)配技術(shù)浮力材料成型技術(shù)浮力材料制備技術(shù)>7000m高強(qiáng)玻璃微珠制備陶瓷空心球制制備合理級(jí)配選選擇填充骨料組裝復(fù)合固化研究工作整體構(gòu)思及目標(biāo)玻璃微珠：密度<0.5；強(qiáng)度>70MPa陶瓷空心球：密度<0.5；強(qiáng)度>100MPa2010年11月5日深海浮力材料輕質(zhì)骨料輕質(zhì)骨料浮力材料浮力材料高強(qiáng)玻璃58深海浮力材料關(guān)鍵技術(shù)高強(qiáng)空心玻璃微珠制備輕質(zhì)骨料復(fù)配技術(shù)普通玻璃微晶玻璃玻璃強(qiáng)度2010年11月5日深海浮力材料關(guān)鍵技術(shù)高強(qiáng)空心玻璃微珠制備輕質(zhì)骨料普通玻璃微晶59深海浮力材料目前研究進(jìn)展Synthesisofhollowglass