第7章-功能陶瓷分析课件.ppt

1、12022-4-17/11:01:59功能陶瓷制备功能陶瓷制备22022-4-17/11:01:597.1 功能陶瓷概论 p 功能陶瓷的定义和分类功能陶瓷的定义和分类 功能陶瓷功能陶瓷是指那些利用电、磁、声、光、是指那些利用电、磁、声、光、热、力等直接效应及其耦合效应所提供的一热、力等直接效应及其耦合效应所提供的一种或多种性质来实现某种使用功能的先进陶种或多种性质来实现某种使用功能的先进陶瓷。瓷。特点：特点： 品种多、产量大、价格低应用广、功能全、品种多、产量大、价格低应用广、功能全、技术高、更新快。技术高、更新快。 32022-4-17/11:01:59功能陶瓷的定义和分类功能陶瓷的定义和分

2、类与传统陶瓷相比，具有以下差异：与传统陶瓷相比，具有以下差异：1）在原料上，主要是利用化工、电子级原料，甚至是高纯物，而不是天）在原料上，主要是利用化工、电子级原料，甚至是高纯物，而不是天然产物；然产物；2）在制备工艺上，采用新的工艺技术，如：成型上有等静压、离心注浆、）在制备工艺上，采用新的工艺技术，如：成型上有等静压、离心注浆、流延等，烧结上有热压、气氛、微波、快速烧结等；流延等，烧结上有热压、气氛、微波、快速烧结等；3）陶瓷科学理论上，已发展成在一定程度上可根据实际要求进行特定的）陶瓷科学理论上，已发展成在一定程度上可根据实际要求进行特定的材料设计；材料设计；4）通过对陶瓷显微结构的分析

3、，精确地了解陶瓷材料的结构及其组成，）通过对陶瓷显微结构的分析，精确地了解陶瓷材料的结构及其组成，从而可人为控制工艺显微结构性能的关系；从而可人为控制工艺显微结构性能的关系；5）功能陶瓷材料性能的研究使新的性能不断出现和优化，大大开拓了它）功能陶瓷材料性能的研究使新的性能不断出现和优化，大大开拓了它的应用范围；的应用范围；6）功能陶瓷材料无损评价技术的发展，加强功能陶瓷材料使用上的可靠）功能陶瓷材料无损评价技术的发展，加强功能陶瓷材料使用上的可靠性。性。 42022-4-17/11:01:59p 功能陶瓷材料的分类：功能陶瓷材料的分类： 按功能和主要用途分类（见书中图5-1）：1）电功能陶瓷：

4、绝缘陶瓷、介电陶瓷、铁电陶瓷、压电陶瓷、半导体陶瓷、高温超导陶瓷、快离子导体陶瓷；2）磁功能陶瓷：软磁铁氧体、硬磁铁氧体、记忆用铁氧体；3）光功能陶瓷：透明Al2O3陶瓷、透明MgO陶瓷、透明Y2O3-ThO2陶瓷、透明铁电陶瓷；4）生物及化学功能陶瓷：湿敏陶瓷、气敏陶瓷、催化用陶瓷、生物陶瓷。功能陶瓷的定义和分类功能陶瓷的定义和分类52022-4-17/11:01:59功能陶瓷的性能与工艺特征功能陶瓷的性能与工艺特征 要实现功能陶瓷材料的功能，需要从性能要实现功能陶瓷材料的功能，需要从性能的改进，一般从两方面入手：的改进，一般从两方面入手：1）从材料的组成上直接调节，优化其内在品）从材料的组

5、成上直接调节，优化其内在品质；质；2）改变工艺条件以改善和提高陶瓷材料的性）改变工艺条件以改善和提高陶瓷材料的性能。能。62022-4-17/11:01:59功能陶瓷的工艺技术和性能检测可用下图表示：功能陶瓷的工艺技术和性能检测可用下图表示： 功能陶瓷的性能与工艺特征功能陶瓷的性能与工艺特征 72022-4-17/11:01:59 多晶体的陶瓷一般均是通过高温烧结法而制成的，也称为多晶体的陶瓷一般均是通过高温烧结法而制成的，也称为烧结陶瓷烧结陶瓷。由于组成陶瓷的物质不同，种类繁多，制造工艺因而多种多样，一般工由于组成陶瓷的物质不同，种类繁多，制造工艺因而多种多样，一般工艺可按下列流程图进行，这

6、也是功能陶瓷的制造工艺。艺可按下列流程图进行，这也是功能陶瓷的制造工艺。功能陶瓷的性能与工艺特征功能陶瓷的性能与工艺特征 82022-4-17/11:01:59在功能陶瓷制备过程中还应具备下列技术要素：在功能陶瓷制备过程中还应具备下列技术要素： (1)(1)原材料：高纯超细、粒度分布均匀；原材料：高纯超细、粒度分布均匀； (2)(2)化学组成：可以精确调整和控制；化学组成：可以精确调整和控制； (3)(3)精密加工：精密可靠，而且尺寸和形状可根据精密加工：精密可靠，而且尺寸和形状可根据需要进行设计需要进行设计 (4)(4)烧结：可根据需要进行温度、湿度、气氛和压烧结：可根据需要进行温度、湿度、

7、气氛和压力控制。力控制。功能陶瓷的性能与工艺特征功能陶瓷的性能与工艺特征 92022-4-17/11:01:591.1.超微细粉的制备超微细粉的制备高性能陶瓷与普通陶瓷不同，通常以化学计量进行配料，要求高纯超高性能陶瓷与普通陶瓷不同，通常以化学计量进行配料，要求高纯超细（细（1m1m），其具体要求：），其具体要求：（1 1）粉末组成和化学计量比可以精确地调节和控制，粉料成分有良好）粉末组成和化学计量比可以精确地调节和控制，粉料成分有良好地均一性；地均一性；（2 2）粒子地形状和粒度要均匀，并可控制在适当水平；）粒子地形状和粒度要均匀，并可控制在适当水平；（3 3）粉料具有较高的活性，表面洁净，

8、不受污染；）粉料具有较高的活性，表面洁净，不受污染；（4 4）能制成掺杂效果、成形和烧结性能都较好的粉料；）能制成掺杂效果、成形和烧结性能都较好的粉料；（5 5）使用范围较广、产量大、成本低；）使用范围较广、产量大、成本低；（6 6）操作简便、条件适宜、能耗小、原来来源充分方便。）操作简便、条件适宜、能耗小、原来来源充分方便。 为此，传统的通过机械粉碎和分级的固相已不能完全满足要求，功为此，传统的通过机械粉碎和分级的固相已不能完全满足要求，功能陶瓷的超微细粉的常用制备方法见书表能陶瓷的超微细粉的常用制备方法见书表5.35.3。 功能陶瓷的性能与工艺特征功能陶瓷的性能与工艺特征 102022-4

9、-17/11:02:002.2.陶瓷的成型制备技术陶瓷的成型制备技术p 成型成型: : 将预浸料根据产品的要求，铺置成一定的形状，将预浸料根据产品的要求，铺置成一定的形状，一般就是产品的形状。一般就是产品的形状。p 重要性：重要性：成型是获得高性能材料的关键。坯体在成型中成型是获得高性能材料的关键。坯体在成型中形成的缺陷会在固化或烧成后极显著地表现出来。一般形成的缺陷会在固化或烧成后极显著地表现出来。一般坯体的成型密度越高则烧成中的收缩越小，制品的尺寸坯体的成型密度越高则烧成中的收缩越小，制品的尺寸精度越容易控制。高坯体密度、低缺陷的近尺寸成型精度越容易控制。高坯体密度、低缺陷的近尺寸成型（烧

10、成前后坯体尺寸变化很小）是当前成型工艺的发展（烧成前后坯体尺寸变化很小）是当前成型工艺的发展方向。方向。 112022-4-17/11:02:00功能陶瓷的粉体成型方法功能陶瓷的粉体成型方法122022-4-17/11:02:00成型方法简介成型方法简介（1）干压成型（）干压成型（Dry pressing）干压成型（模压成型）特点干压成型（模压成型）特点方式：方式：将粉料填充到模具内部后，通过单向或双向加将粉料填充到模具内部后，通过单向或双向加压，将粉料压成所需形状。压，将粉料压成所需形状。优点：优点：操作简便，生产效率高，易于自动化，是常用操作简便，生产效率高，易于自动化，是常用的方法之一。

11、的方法之一。缺点：缺点：粉料容易团聚，坯体厚度大时内部密度不均匀，粉料容易团聚，坯体厚度大时内部密度不均匀，制品形状可控精度差，且对模具质量要求高、复杂制品形状可控精度差，且对模具质量要求高、复杂形状的部件模具设计较困难。形状的部件模具设计较困难。132022-4-17/11:02:00干压成型所用粘合剂干压成型所用粘合剂种类种类配方或用量配方或用量特特 点点石蜡石蜡7 712%12%，常用量，常用量8%8%室温时在压力下能流动室温时在压力下能流动不易于从坯体中排除不易于从坯体中排除酚醛漆（高频清漆）酚醛漆（高频清漆）8 815%15%工艺简单、坯体强度高工艺简单、坯体强度高价格贵价格贵聚乙烯

12、醇（聚乙烯醇（PVAPVA）水溶液）水溶液3 35%5%工艺简单，气孔率低工艺简单，气孔率低机械强度稍差机械强度稍差水、油酸、煤油粘合剂水、油酸、煤油粘合剂粉料粉料100kg100kg、煤油、煤油1000ml1000ml、油酸、油酸1500ml1500ml、水、水7kg7kg工艺简单、气孔率低工艺简单、气孔率低生坯强度较低生坯强度较低亚硫酸纸浆废液亚硫酸纸浆废液水水90%90%、亚硫酸纸浆废液、亚硫酸纸浆废液10%10%。加入量为。加入量为8 810%10%价廉易得、工艺简单价廉易得、工艺简单坯体强度低坯体强度低苯胶苯胶甲苯（二甲苯）甲苯（二甲苯）70%70%，苯，苯乙烯乙烯30%30%。加入

13、量为。加入量为8 816%16%工艺简单，生坯有一定强度工艺简单，生坯有一定强度价格贵且有毒价格贵且有毒142022-4-17/11:02:00干压成型要素干压成型要素a. a. 加压方式：单向加压受压一端压力大，离加压端越远、加压方式：单向加压受压一端压力大，离加压端越远、坯体密度越小。双向加压时两端直接受压密度大，中间坯体密度越小。双向加压时两端直接受压密度大，中间密度较小。因此双向加压坯体密度不均匀性要比单向加密度较小。因此双向加压坯体密度不均匀性要比单向加压小得多，但双向加压的模具比较复杂。压小得多，但双向加压的模具比较复杂。b. b. 成型压力：其大小直接影响瓷件的密度和收缩率。一般

14、成型压力：其大小直接影响瓷件的密度和收缩率。一般成型压力大，烧结后产品收缩小、密度高。但压力超过成型压力大，烧结后产品收缩小、密度高。但压力超过一定值时，瓷件密度提高很少。而且当压力过大时，坯一定值时，瓷件密度提高很少。而且当压力过大时，坯件还易出现裂纹、分层和脱模困难等现象。件还易出现裂纹、分层和脱模困难等现象。c. c. 压模下落速度：宜缓慢些，加压速度过快会导致坯体分压模下落速度：宜缓慢些，加压速度过快会导致坯体分层、坯体内夹杂气泡、表面致密而中间松散等缺陷。批层、坯体内夹杂气泡、表面致密而中间松散等缺陷。批量生产时加压应均匀一致，否则会引起瓷件薄厚不均匀量生产时加压应均匀一致，否则会引

15、起瓷件薄厚不均匀造成废品。造成废品。152022-4-17/11:02:00（2） 等静压成型等静压成型(Isostatic Pressing) 湿袋式等静压（湿袋式等静压（Wet-bag isostatic pressing ，也叫湿法，也叫湿法等静压等静压)： 将粉料装入橡胶等可变形的容器中，密封后放入将粉料装入橡胶等可变形的容器中，密封后放入液压油或水等流体介质中，加压获得所需的形状。液压油或水等流体介质中，加压获得所需的形状。优点：优点：粉料不需要加粘合剂、坯体密度均匀性好、所粉料不需要加粘合剂、坯体密度均匀性好、所成型的制品几乎不受限制，并具有良好的烧结体性成型的制品几乎不受限制，并

16、具有良好的烧结体性能。能。缺点：缺点：仅适用于简单形状制品，形状和尺寸控制性差，仅适用于简单形状制品，形状和尺寸控制性差，而且生产效率低、难于实现自动化批量生产。而且生产效率低、难于实现自动化批量生产。 162022-4-17/11:02:00干袋式等静压（干式等静压）：干袋式等静压（干式等静压）：将加压橡胶袋封紧在将加压橡胶袋封紧在高压容器中，加料后的弹性模送入压力室中，加压高压容器中，加料后的弹性模送入压力室中，加压成型后退出来脱模。也可将模具固定在高压容器中，成型后退出来脱模。也可将模具固定在高压容器中，加料后封紧模具加压成型。加料后封紧模具加压成型。优点：优点：模具不和加压液体直接接触

17、，可以减少模具的模具不和加压液体直接接触，可以减少模具的移动，不要调整容器中的液面和排除多余的空气，移动，不要调整容器中的液面和排除多余的空气，因而能加速取出压好的坯体，可实现连续等静压。因而能加速取出压好的坯体，可实现连续等静压。缺点：缺点：只是在粉料周围受压，粉体的顶部和底部都无只是在粉料周围受压，粉体的顶部和底部都无法受到压力。这种方法只适用于大量压制同一类型法受到压力。这种方法只适用于大量压制同一类型的产品，特别是几何形状简单的产品，如管子、圆的产品，特别是几何形状简单的产品，如管子、圆柱等。柱等。172022-4-17/11:02:00设备的主要部件：设备的主要部件：高压容器和高压泵

18、。辅助设高压容器和高压泵。辅助设备：高压管道、高压阀门、高压表及弹性模备：高压管道、高压阀门、高压表及弹性模具等。具等。对模具材料的要求：对模具材料的要求：能均匀伸长、展开，不易能均匀伸长、展开，不易断裂也不能太硬，能耐液体介质作用。断裂也不能太硬，能耐液体介质作用。常用的材料：常用的材料：橡胶、乳胶和塑料等。橡胶、乳橡胶、乳胶和塑料等。橡胶、乳胶受高压后易变形、成本高；塑料易制作，胶受高压后易变形、成本高；塑料易制作，受压后变形不大、成本也较低。受压后变形不大、成本也较低。182022-4-17/11:02:00（3） 热压铸成型（热压铸成型（Hot pressing casting） 定义

19、：将粉料与粘结剂混合后，加热使混料具定义：将粉料与粘结剂混合后，加热使混料具有一定流动性，然后将混料注入模具加压、有一定流动性，然后将混料注入模具加压、冷却后即可得到致密的较硬实的坯体。冷却后即可得到致密的较硬实的坯体。优点：适用于形状比较复杂的部件，易于工业优点：适用于形状比较复杂的部件，易于工业规模生产。规模生产。缺点：坯体中粘结剂含量较高（约缺点：坯体中粘结剂含量较高（约23%23%），烧），烧成时排胶周期长，薄壁且大而长的制品易变成时排胶周期长，薄壁且大而长的制品易变形挠屈。形挠屈。192022-4-17/11:02:00202022-4-17/11:02:00工艺特点工艺特点: :(

20、a)(a)采用熟料，即坯料需预先煅烧，一是为了形成具有良好流动性的铸浆，采用熟料，即坯料需预先煅烧，一是为了形成具有良好流动性的铸浆，二是为了减少瓷件的收缩率、提高产品的尺寸精度。二是为了减少瓷件的收缩率、提高产品的尺寸精度。(b)(b)铸浆温度、模具温度、压力大小及其持续时间是控制的关键。铸浆温度、模具温度、压力大小及其持续时间是控制的关键。铸浆温度铸浆温度: : 采用石蜡作粘结剂时，一般小于采用石蜡作粘结剂时，一般小于100100；模具温度模具温度: : 决定铸浆在模子中的冷却速度，一般对薄壁件模具在决定铸浆在模子中的冷却速度，一般对薄壁件模具在10102020，厚壁件则为厚壁件则为0 0

21、2020；成型压力成型压力: : 根据制品形状、尺寸而定，通常采用根据制品形状、尺寸而定，通常采用3 35 5个大气压，铸造壁薄个大气压，铸造壁薄高大的坯件时压力应大，反之应小；高大的坯件时压力应大，反之应小； 压力持续时间压力持续时间: : 以保证浆料充满整个模腔为准，由铸浆的温度、以保证浆料充满整个模腔为准，由铸浆的温度、性能和制品的形状、尺寸所决定。当铸浆导热性低、铸浆和铸模的温性能和制品的形状、尺寸所决定。当铸浆导热性低、铸浆和铸模的温度高、制品厚度大且形状复杂时，压力持续时间应长些。度高、制品厚度大且形状复杂时，压力持续时间应长些。212022-4-17/11:02:00（4） 挤压

22、成型（挤压成型（Extrusion molding） 定义：定义：又称挤制或挤出成型，是利用压力把具又称挤制或挤出成型，是利用压力把具有塑性的粉料通过模具挤出，成形其截面形有塑性的粉料通过模具挤出，成形其截面形状为模具形状的坯体。状为模具形状的坯体。适用性：适用性：短柱状、纤维状、空心管状体及厚板短柱状、纤维状、空心管状体及厚板状坯体等沿挤出方向外形平直的制品。状坯体等沿挤出方向外形平直的制品。对粉体的要求：对粉体的要求：陶瓷粉料具有可塑性，即受力陶瓷粉料具有可塑性，即受力时有良好的形变能力，而且要求成型后粉料时有良好的形变能力，而且要求成型后粉料能保持原形或变形很小。能保持原形或变形很小。

23、222022-4-17/11:02:00常用的有机粘结剂：常用的有机粘结剂：糊精（加入量不超过糊精（加入量不超过6%）、桐油（）、桐油（4%）、羧甲基纤维素和甲基）、羧甲基纤维素和甲基纤维素水溶液（纤维素水溶液（28%）、亚硫酸纸浆废液等。）、亚硫酸纸浆废液等。优点：优点：生产效率高、产量大、操作简便生产效率高、产量大、操作简便缺点：缺点：不适宜三维复杂形状制品，而且对二维不适宜三维复杂形状制品，而且对二维制品还要求外形平直。制品还要求外形平直。设备：设备：挤压机，分为卧式和立式挤压机两种。挤压机，分为卧式和立式挤压机两种。前者用于挤压比较大型的瓷棒或瓷管；后者前者用于挤压比较大型的瓷棒或瓷管

24、；后者用于挤压小型瓷管和瓷棒。用于挤压小型瓷管和瓷棒。 232022-4-17/11:02:00（5） 轧膜成型（轧膜成型（Roll compacting） 定义：定义：也称为滚（辊）压成型，是将加入粘结剂的粉料放也称为滚（辊）压成型，是将加入粘结剂的粉料放入相向滚动的轧辊之间，使物料不断受到挤压，得到薄入相向滚动的轧辊之间，使物料不断受到挤压，得到薄膜状坯体的一种成型方法。膜状坯体的一种成型方法。特点：特点：工艺简单、生产效率高、膜片厚度均匀、设备较简工艺简单、生产效率高、膜片厚度均匀、设备较简单，能够成型出厚度很薄（可达单，能够成型出厚度很薄（可达10m）的膜片，并且）的膜片，并且产品烧成

25、温度比干压法低产品烧成温度比干压法低1020。粘结剂：粘结剂：聚乙烯醇（聚合度聚乙烯醇（聚合度14001700为宜）水溶液和聚为宜）水溶液和聚醋酸乙烯脂（聚合度醋酸乙烯脂（聚合度400600为宜）配制轧膜料时，聚为宜）配制轧膜料时，聚乙烯醇水溶液一般用量在乙烯醇水溶液一般用量在3040%之间，聚醋酸乙烯脂之间，聚醋酸乙烯脂在在2025%之间，通常还要外加之间，通常还要外加25%的甘油增塑剂。的甘油增塑剂。当粉料呈中性或弱酸性时，用聚乙烯醇好；当粉料呈中当粉料呈中性或弱酸性时，用聚乙烯醇好；当粉料呈中性或弱碱性时用聚醋酸乙烯脂较好。性或弱碱性时用聚醋酸乙烯脂较好。242022-4-17/11:0

26、2:00（6） 注浆成型（注浆成型（Slip casting） 定义：定义：在石膏模中进行，把一定浓度的浆料注入石膏模中，在石膏模中进行，把一定浓度的浆料注入石膏模中，与石膏相接触的外围层首先脱水硬化，粉料沿石膏模内与石膏相接触的外围层首先脱水硬化，粉料沿石膏模内壁成型出所需形状。壁成型出所需形状。坯体粉料：坯体粉料：水水=100：（：（3050），当加入），当加入0.30.5%阿拉伯阿拉伯树胶时，瓷料的含水量可降到树胶时，瓷料的含水量可降到2224%。 特点：特点：可成型形状相当复杂的制品。可成型形状相当复杂的制品。 252022-4-17/11:02:00262022-4-17/11:02

27、:00（7） 流延法成型（流延法成型（Tape casting / Doctor blade） 定义：定义：将超细粉中混入适当的粘结剂制成流延浆料，将超细粉中混入适当的粘结剂制成流延浆料，然后通过固定的流延嘴及依靠料浆本身的自重将浆然后通过固定的流延嘴及依靠料浆本身的自重将浆料刮成薄片状流在一条平移转动的环形钢带上，经料刮成薄片状流在一条平移转动的环形钢带上，经过上下烘干道，钢带又回到初始位置时就得到所需过上下烘干道，钢带又回到初始位置时就得到所需的薄膜坯体。如图的薄膜坯体。如图6.5.优点：优点：生产效率比轧膜成型大大提高，易于连续自动生产效率比轧膜成型大大提高，易于连续自动化生产；流延膜的

28、厚度可薄至化生产；流延膜的厚度可薄至23m、厚至、厚至23mm，膜片弹性好、坯体致密。，膜片弹性好、坯体致密。 缺点：缺点：对有机溶剂的选择比较敏感，同时水含量及对有机溶剂的选择比较敏感，同时水含量及水质对料浆流变性、坯体密度、产品部件的拉伸强水质对料浆流变性、坯体密度、产品部件的拉伸强度均有较大的影响。度均有较大的影响。 272022-4-17/11:02:00282022-4-17/11:02:00（8） 注射成型（注射成型（Injection moulding） 定义：定义：注射成形是喂料在温度和压力作用下均匀填充注射成形是喂料在温度和压力作用下均匀填充注射模具模腔，获得所需形状的无缺陷

29、成形坯的过注射模具模腔，获得所需形状的无缺陷成形坯的过程。把陶瓷粉料与热塑性树脂等有机物混炼后得到程。把陶瓷粉料与热塑性树脂等有机物混炼后得到的混合料在注射机上于一定温度和压力下高速注入的混合料在注射机上于一定温度和压力下高速注入模具，迅速冷凝后脱模取出坯体。模具，迅速冷凝后脱模取出坯体。 优点：优点：适合大批量生产陶瓷部件，成本可很低，成品适合大批量生产陶瓷部件，成本可很低，成品的最终尺寸可以控制、一般不必再修整，适于经济的最终尺寸可以控制、一般不必再修整，适于经济地制作具有不规则表面、孔道等复杂形状的制品。地制作具有不规则表面、孔道等复杂形状的制品。 缺点：缺点：脱脂时间长，浇口封凝后内部

30、不均匀性。脱脂时间长，浇口封凝后内部不均匀性。 292022-4-17/11:02:00注射成型示意图注射成型示意图 302022-4-17/11:02:01粉末注射成形技术的特点：粉末注射成形技术的特点：可以直接制备出具有最终形状和尺寸的复杂零部件。例如：非对称可以直接制备出具有最终形状和尺寸的复杂零部件。例如：非对称零件，带沟槽、横孔、盲孔的零件，壁厚变化比较大的零件，表零件，带沟槽、横孔、盲孔的零件，壁厚变化比较大的零件，表面带花纹和文字的零件等。面带花纹和文字的零件等。产品性能优越。由于产品性能优越。由于PIMPIM产品微观组织均匀，没有铸造工艺中出现的产品微观组织均匀，没有铸造工艺中

31、出现的粗大结晶组织和成分偏析，产品密度高，其力学性能要明显优于粗大结晶组织和成分偏析，产品密度高，其力学性能要明显优于精密铸造材料和传统粉末冶金材料。精密铸造材料和传统粉末冶金材料。可以实现零部件一体化。由于加工技术或材料性能的原因，有些部可以实现零部件一体化。由于加工技术或材料性能的原因，有些部件采用传统技术制造时，需要加工成几个零件来组装，有时几个件采用传统技术制造时，需要加工成几个零件来组装，有时几个零件的材料还不一样。采用零件的材料还不一样。采用PIMPIM技术则可以直接制成一个整体的复技术则可以直接制成一个整体的复合部件。合部件。材料适应性广。可以说能制成合适粉末的任何材料都可以用材

32、料适应性广。可以说能制成合适粉末的任何材料都可以用PIMPIM技术技术制造零部件。制造零部件。 生产成本低，主要表现在：可以减少甚至消除机加工；材料利用生产成本低，主要表现在：可以减少甚至消除机加工；材料利用率高；率高； 生产线建设规模灵活、投资少；生产线高度自动化。生产线建设规模灵活、投资少；生产线高度自动化。 312022-4-17/11:02:01（9） 压力渗滤工艺（压力渗滤工艺（Pressure filtration） 定义：定义：由注浆成型基础上发展起来。料浆通过由注浆成型基础上发展起来。料浆通过静压让模腔内液态介质通过多孔模壁排除而静压让模腔内液态介质通过多孔模壁排除而使陶浆粉料

33、固化成坯体。使陶浆粉料固化成坯体。优点：优点：适用于晶须或纤维补强的复合材料的成适用于晶须或纤维补强的复合材料的成型。型。缺点：缺点：制备实心大截面陶瓷坯体时，由于渗虑制备实心大截面陶瓷坯体时，由于渗虑阻力大及压力损失等问题，易使坯体产生密阻力大及压力损失等问题，易使坯体产生密度不均匀。度不均匀。322022-4-17/11:02:01（10）离心成型）离心成型(Centrifugal Casting) 定义：也称离心注浆成型。将料浆注入容器中，利用大的离心力使固态颗粒沉降在容器内壁而成型优点：较适合于空心柱状部件。 缺点：坯体的密度沿离心方向变化。 332022-4-17/11:02:01（

34、11） 凝胶铸模成型（凝胶铸模成型（Gel casting） 定义：定义：把粉体分散于含有有机体的溶液中形成把粉体分散于含有有机体的溶液中形成泥浆，然后将泥浆填充到模具中，在一定温泥浆，然后将泥浆填充到模具中，在一定温度和催化剂条件下有机体发生聚合，使体系度和催化剂条件下有机体发生聚合，使体系发生胶凝，模内的料浆在原位成型。经干燥发生胶凝，模内的料浆在原位成型。经干燥后可得到强度较高的坯体。后可得到强度较高的坯体。 特点：特点：收缩小，干燥收缩为收缩小，干燥收缩为14%、烧结收缩、烧结收缩为为1617%，生坯强度高，有机粘结剂用量，生坯强度高，有机粘结剂用量低，并且可以成型形状复杂及大截面尺寸

35、的低，并且可以成型形状复杂及大截面尺寸的部件。部件。 342022-4-17/11:02:013. 陶瓷的烧结方法陶瓷的烧结方法烧结烧结是指高温条件下，坯体表面积减小，孔隙率降低、是指高温条件下，坯体表面积减小，孔隙率降低、机械性能提高的致密化过程。机械性能提高的致密化过程。烧结驱动力：烧结驱动力：粉体的表面能降低和系统自由能降低。粉体的表面能降低和系统自由能降低。目的：目的：使坯体在高温下发生一系列的物理化学反应，使坯体在高温下发生一系列的物理化学反应， 形成预期的矿物组成的显微结构，通过物资传递变形成预期的矿物组成的显微结构，通过物资传递变成致密的具有一定强度和固定外形的陶瓷成致密的具有一

36、定强度和固定外形的陶瓷陶瓷的烧结方法分类：陶瓷的烧结方法分类： 按压力分：常压烧结、压力烧结。按压力分：常压烧结、压力烧结。 按反应分：固相、液相、气相、活化、反应烧结。按反应分：固相、液相、气相、活化、反应烧结。 352022-4-17/11:02:01362022-4-17/11:02:01（1）液相烧结）液相烧结 在煅烧阶段有较多的液相生产的烧结过程。在煅烧阶段有较多的液相生产的烧结过程。使陶瓷致密化的驱动力来自细小固体颗粒间使陶瓷致密化的驱动力来自细小固体颗粒间液相的毛细管压力；液相的毛细管压力； 影响烧结的因素有坯料起始粒度、烧结温影响烧结的因素有坯料起始粒度、烧结温度和液相相对固相

37、的润湿能力等。一般，细度和液相相对固相的润湿能力等。一般，细颗粒有利于烧结，提高温度对致密化有利，颗粒有利于烧结，提高温度对致密化有利，固固-液接触角愈小，对烧结愈有利。普通陶液接触角愈小，对烧结愈有利。普通陶瓷、滑石瓷的烧结为液相烧结。瓷、滑石瓷的烧结为液相烧结。 372022-4-17/11:02:01（2）固相烧结）固相烧结p 以固相反应为主，没有液相或只有以固相反应为主，没有液相或只有10以下以下的液相参与反应的烧结过程；的液相参与反应的烧结过程； 烧结主要为颗粒间的扩散传质作用，包括表面扩散和体扩烧结主要为颗粒间的扩散传质作用，包括表面扩散和体扩散两种散两种(见图见图)；烧结驱动力主

38、要来自坯料的表面能和晶粒界面；烧结驱动力主要来自坯料的表面能和晶粒界面能，少量的液相起促进烧结、改善显微结构的作用。影响扩能，少量的液相起促进烧结、改善显微结构的作用。影响扩散的一些因素都会影响固相烧结，包括材料的组成、温度、散的一些因素都会影响固相烧结，包括材料的组成、温度、气氛、显微结构和晶格缺陷等。特种陶瓷，如刚玉瓷、钛酸气氛、显微结构和晶格缺陷等。特种陶瓷，如刚玉瓷、钛酸钡瓷等的烧结属固相烧结。钡瓷等的烧结属固相烧结。 382022-4-17/11:02:01烧结工艺一般分为四个阶段：烧结工艺一般分为四个阶段： 低温低温(室温室温300)排除残余水分；排除残余水分； 中温中温(分解氧化

39、阶段，分解氧化阶段，300950)排除结构水，有排除结构水，有机物分解、碳和无机物的氧化，碳酸盐、硫化物的分机物分解、碳和无机物的氧化，碳酸盐、硫化物的分解，晶型转变等；解，晶型转变等； 高温高温(950烧成温度烧成温度)继续氧化、分解，形成新晶继续氧化、分解，形成新晶相和晶粒长大；相和晶粒长大； 冷却阶段，冷却凝固，晶型转变。冷却阶段，冷却凝固，晶型转变。 392022-4-17/11:02:01在陶瓷制备工艺中还常常需要保温：在陶瓷制备工艺中还常常需要保温：保温的作用是是物理化学反应更充分更完全，组织保温的作用是是物理化学反应更充分更完全，组织结构更趋于一致；结构更趋于一致；要求保温时间适

40、中，不能过长，否则会使一些晶粒要求保温时间适中，不能过长，否则会使一些晶粒溶解，或过分长大发生二重结晶，影响机电性能。溶解，或过分长大发生二重结晶，影响机电性能。一般陶瓷最高烧成温度为一般陶瓷最高烧成温度为11501250，保温时间，保温时间在在1h以内；精陶素烧温度为以内；精陶素烧温度为11201250，保温，保温23h；日用陶瓷烧成温度为；日用陶瓷烧成温度为12301400，保温，保温12h；一般电瓷类产品须保温；一般电瓷类产品须保温46h； 402022-4-17/11:02:017.2 7.2 高温超导陶瓷高温超导陶瓷 19111911年年19571957年：人类对超导电性的基本探索和

41、认识阶段年：人类对超导电性的基本探索和认识阶段 1908年，荷兰莱顿大学的物理学家昂纳斯（H. Kamerlingh-Onnes）首次成功地把称为“永久气体”的氮液化，因而获得4.2K （-268.8）的低温源，为研究低温条件下物质性质打开了方便之门。 1911年，在测试纯金属电阻率的低温特性时，他又发现，汞的直流电阻在4.2K时突然消失，多次精密测量表明，汞柱两端压降为零，他认为这时汞进入了一种以零阻值为特征的新物态，并称为“超导态”。昂纳斯在1911年12月28日宣布了这一发现。412022-4-17/11:02:01 1913 1913年，年， Kamerlingh-OnnesKamer

42、lingh-Onnes在诺贝尔领奖演说中指出：在诺贝尔领奖演说中指出：低温下金属电阻的消失低温下金属电阻的消失“不是逐渐的，而是突然的不是逐渐的，而是突然的”，水，水银在银在4.2K4.2K进入了一种新状态，由于它的特殊导电性能，可进入了一种新状态，由于它的特殊导电性能，可以称为超导态以称为超导态” . .422022-4-17/11:02:0119581958年年19861986年年 ：人类对超导技术应用的准备阶段：人类对超导技术应用的准备阶段这在本世纪这在本世纪6060年代达到高峰，主要有四大方面发展：年代达到高峰，主要有四大方面发展： 实用超导材料的发展；实用超导材料的发展；超导电子器件

43、的发展；超导电子器件的发展；大量技术应用的实验室初探；大量技术应用的实验室初探；千方百计寻找超导转变温度高的新超导材料。千方百计寻找超导转变温度高的新超导材料。432022-4-17/11:02:0119861986年年：发现高温铜氧化物超导体，揭开了人类对超导技术的开发的：发现高温铜氧化物超导体，揭开了人类对超导技术的开发的序幕序幕 1986年初高温超导研究取得了突破性的发展，物理学家年初高温超导研究取得了突破性的发展，物理学家Mueller和和Bednorz发现了高温铜氧化物超导体发现了高温铜氧化物超导体La2-xBaxCuO4，超导临界温度达超导临界温度达40K。“The Nobel P

44、rize in Physics in 1987” for their important break-through in the discovery of superconductivity in ceramic materials442022-4-17/11:02:01C19871987年初，美籍华人科学家朱经武、吴茂琨和年初，美籍华人科学家朱经武、吴茂琨和中科院物理中科院物理所赵忠贤相继所赵忠贤相继发现了另外一种材料：发现了另外一种材料： Y-Ba-Y-Ba-Cu-OCu-O ，使超，使超导记录提高到了导记录提高到了93K93K。在这个温度区上，超导体可以用廉。在这个温度区上，超导体可以

45、用廉价而丰富的液氮来冷却。价而丰富的液氮来冷却。把超导临界温度提高到把超导临界温度提高到90K90K以上，以上，液氮的禁区（液氮的禁区（77K77K）也奇迹般地被突破了。）也奇迹般地被突破了。 C19871987年底，年底，Tl-Ba-Ca-Tl-Ba-Ca-Cu-OCu-O系材料又把临界超导温度的记系材料又把临界超导温度的记录提高到录提高到125K125K。 CHighest critical temperature to date 138 K Hg-Ba-Ca-Cu-O series （ 1993年年4月月）452022-4-17/11:02:01零电阻现象 Zero resistance

46、 完全抗磁性 Expulsion of magnetic flux 超导体两个独立的基本性质超导体两个独立的基本性质 462022-4-17/11:02:01p 临界温度（临界温度（Tc）、临界磁场（）、临界磁场（Hc）、临界）、临界电流电流Ic是约束超导现象的三大临界条件。是约束超导现象的三大临界条件。p 当温度超过临界温度时，超导态就消失；同当温度超过临界温度时，超导态就消失；同时，当超过临界电流或者临界磁场时，超导时，当超过临界电流或者临界磁场时，超导态也会消失，三者具有明显的相关性。只有态也会消失，三者具有明显的相关性。只有当上述三个条件均满足超导材料本身的临界当上述三个条件均满足超导

47、材料本身的临界值时，才能发生超导现象。值时，才能发生超导现象。 472022-4-17/11:02:01超导材料按照组成分为超导材料按照组成分为v低温超导材料（金属单质及金属间化合物）低温超导材料（金属单质及金属间化合物） v高温超导材料（无机非金属复合氧化物）高温超导材料（无机非金属复合氧化物） v其他新型超导材料（其他新型超导材料（C60、碳化物、硼化物等无、碳化物、硼化物等无机非金属化合物，某些有机化合物）机非金属化合物，某些有机化合物）氧化物超导体主要是指超导陶瓷氧化物超导体主要是指超导陶瓷 482022-4-17/11:02:01 1964 1964年，发现具有缺氧钙钛矿结构的年，发

48、现具有缺氧钙钛矿结构的SrTiOSrTiO3 3存在超导电存在超导电性，尽管性，尽管T Tc c只有只有0.55 K0.55 K，但作为陶瓷材料具有超导电性则意，但作为陶瓷材料具有超导电性则意义重大。义重大。19751975年，人们又发现年，人们又发现Ba(PbBa(Pb0.750.75BiBi0.250.25)O)O3 3氧化物的超氧化物的超导转变温度达导转变温度达13 K13 K。19861986年发现年发现La-Ba-Cu-OLa-Ba-Cu-O氧化物在氧化物在35 K35 K左左右开始出现超导转变。随后，发现了超导转变温度在液氮温右开始出现超导转变。随后，发现了超导转变温度在液氮温度以

49、上的度以上的YBaYBa2 2CuCu3 3O O7-7- （简称（简称123123或或Y-123Y-123）、）、BiBi2 2SrSr2 2CaCuCaCu2 2O O8+8+ （简称（简称22122212或或Bi-2212Bi-2212）与）与BiBi2 2SrSr2 2CaCa2 2CuCu3 3O O10+10+ （简称（简称22232223或或Bi-Bi-22232223），以及），以及TaTa系和系和HgHg系氧化物超导体。系氧化物超导体。高高Tc氧化物超导体氧化物超导体 492022-4-17/11:02:02高高Tc氧化物超导体共性氧化物超导体共性 高温氧化物超导体具有以下共

50、性：高温氧化物超导体具有以下共性： 层状类钙钛矿（畸变）结构，电子结构为准二维结构；层状类钙钛矿（畸变）结构，电子结构为准二维结构； CuCu存在存在CuCu1+1+、CuCu2+2+和和CuCu3+3+等混合价态离子；等混合价态离子； 除除YBCOYBCO含含Cu-O2Cu-O2面和面和Cu-OCu-O链外，其余氧化物超导体只含链外，其余氧化物超导体只含Cu-O2Cu-O2面；面； 存在氧空位，氧的非化学计量对晶体结构畸变和物理特性具有重要存在氧空位，氧的非化学计量对晶体结构畸变和物理特性具有重要作用；作用； 随着成分和掺杂浓度的变化，氧化物超导体发生从超导体随着成分和掺杂浓度的变化，氧化物