陶瓷部分

这是一篇关于陶瓷部分的思维导图，主要内容包括：陶于瓷的区别，陶瓷发展历程，陶瓷材料分类，陶瓷材料的显微组织，陶瓷材料的性能，陶瓷材料的制备工艺，AL2O3陶瓷性能与应用，透明陶瓷，氧化镁（MgO），氧化铍（BeO），二氧化锆(ZrO2），纳米材料的制备。

陶瓷部分

• 陶于瓷的区别
• 陶瓷发展历程
  • 陶器
  • 瓷器（传统陶瓷）
  • 先进陶瓷
    • 结构陶瓷
      • 具有特殊力学或机械性能，以及部分热学或化学性能的先进陶瓷，特别适用于高温下应用的称为高温结构陶瓷
    • 功能陶瓷
      • 利用电磁声光力等直接效应及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瓷
  • 二者区别
    • 传统
      • 粘土为原料
      • 制备工艺
        • 炉窑
      • 应用
        • 日用器皿、卫生洁具
    • 新型
      • 人工合成的氧化物、氮化物、硅化物、硼化物、碳化物等为原料
      • 制备工艺
        • 真空烧结、保护气氛烧结、热压
      • 性能
        • 特种陶瓷具有不同特殊性质和功能：高强度、硬度、导电、绝缘等
      • 应用
        • 工业技术、高新技术
  • 纳米陶瓷
• 陶瓷材料分类
  • 按原料分
    • 普通陶瓷
      • 以天然原料长石、黏土和石英烧制而成，即典型的硅酸盐材料。 主要元素为硅、铝、氧这三种占地壳元素总量90%。
      • 特点
        • 来源丰富、成本低、工艺成熟
    • 特种陶瓷
      • 采用高纯人工合成的原料，利用精密控制工艺成型烧结制成
      • 特点
        • 具有特殊的力学、光、电、磁、热等性能
  • 按化学成分
    • 氧化物陶瓷
    • 碳化物
    • 氮化物硼化物复合瓷、金属陶瓷和纤维增强陶瓷等
• 陶瓷材料的显微组织
  • 多相材料
    • 晶相
      • 主晶相 ---- 主体 次晶相 ---- 次体 析出相 ---- 黏土和长石 莫来石 夹杂相 ---- 少
    • 玻璃相
      • 高温熔体凝固下来的非晶态固体
      • 作用
        • 1. 黏结剂和填充剂，提高致密化 2. 降低烧成温度，加速烧结过程 3. 抑制晶粒长大，使晶粒细化
      • 副作用
        • 降低陶瓷的机械强度和热稳定性等
    • 气相
      • 陶瓷内部的气体孔洞
      • 副作用
        • 使陶瓷材料的密度、机械强度、透明性、介电性、绝缘性等下降
      • 分为开口气孔和闭口气孔，开口气孔易排除
    • 子主题
• 陶瓷材料的性能
  • 力学性能
    • 硬度极高（1000~5000HV），耐磨性极高
    • 弹性模量高、刚度大、是各种材料中最高的
    • 强度：抗拉强度很低、抗弯强度稍高，抗压强度很高
    • 塑性、韧性低、脆性大、在室温下几乎没有塑性、难以进行塑性加工
  • 物理化学性能
    • 熔点很高，大多在2000℃以上，具有很高的耐热性
    • 线膨胀系数小，导热性和抗热震性差，受热易破裂
    • 化学稳定性高，抗氧化性优良，对酸碱盐具有良好的耐腐蚀性
    • 高电阻率、少数具有半导体性质
• 陶瓷材料的制备工艺
  • 原料加工
    • 原料
      • 石英 （主要是SiO2或硅酸盐 + Al2O3、Fe2O3等杂质）
      • 长石 （网架状硅酸盐结构）
        • 用途
          • 原料/坯料、釉料、色料、熔剂
        • 特点
          • 一般为几种长石的固溶物，没有固定的融融温度
      • 粘土
        • （含水铝硅酸盐的矿物，Al2O3、SiO2和H2O及其他杂质） 高岭石（Al2O3·2SiO2·2H2O）、伊利石类（云母） 、 蒙脱石（膨润土）。
        • 特点
          • 可塑性与结合性强、原料分布广、种类多、储量大
    • 配料准备
      • 通过原料粉碎细化与水、电解质混合制成具有良好可塑 性或流动性的坯料
  • 成型
    • 干压成型
    • 冷等静压成型
      • 此法得到的坯体密度高、 不开裂、不分层、不变形
    • 注浆成型
    • 凝胶浇注成型
    • 超高压成型
    • 橡胶等静压成型
  • 配体干燥
    • 排除湿法成型坯体中的水分，使坯体具有一 定的强度
  • 施釉
    • 配料、制浆、施于坯体上（浸、喷、浇、刷等）
    • 作用
      • 美观、增加陶瓷强度、绝缘性、耐腐蚀性等
  • 机械加工
    • 对烧结样品表面进行处理，以降低陶瓷表 面粗糙度，提高透过率。其过程主要包括打磨和抛光两部 分。
  • 烧结
    • 高温烧结
      • 常压烧结
      • 热压烧结
      • 热等静压烧结
      • 真空烧结
      • 气氛烧结
      • 放电等离子烧结
      • 微波烧结
      • 毫米波烧结
    • 定义
      • 烧结是指高温条件下，通过扩散作用粒子发生迁移和长大、 孔隙率降低、机械能提高的致密化过程
    • 驱动力
      • 系统过剩的自由能
    • 主要阶段
      • 烧结初期
        • 颗粒发生重排和键合，颗粒和空隙形状变化很小，颈部相 对变化x/r<0.3，线收缩率ΔL/L0<0.06 (ΔL为烧结后缩短值 ， L0为两球心距离）
        • 特点
          • 不规则气孔
      • 烧结中期
        • 颈部进一步扩大，球形颗粒相互粘结而变形，气孔由不规则 的形状逐渐变成近似圆柱形气孔，且保持连通。气孔率最大 降为5%左右，收缩可达90%
      • 烧结末期
        • 气孔封闭，相互孤立，晶粒明显长大，收缩率达90-100%， 相对密度大于95%
      • 再结晶和晶粒长大
• AL2O3陶瓷性能与应用
  • 高强度、高温稳定性
    • 喷嘴、火箭、螺栓、装饰瓷
  • 高硬度、高耐磨性
    • 切削工具、模具、磨料、轴承、人造宝石
  • 低介电损耗、高电阻率、高绝缘性
    • 火花塞、电路基板、管座
  • 熔点高、抗腐蚀
    • 耐火材料、坩埚、炉管、热电偶保护套
  • 表面改性
    • 太阳能电池材料、蓄电池材料
  • 生物相容性
    • 人工骨骼、人造关节
  • 透明氧化铝陶瓷
    • 高压钠灯极的灯管材料
• 透明陶瓷
  • 光学陶瓷像玻璃一样透明，一般陶瓷不透明的原因是其内部存在有杂质和气孔，前者能吸收光，后者令光产生散射。选用高纯原料，通过工艺手段排除气孔就能得到透明陶瓷
  • 分类
    • 氧化物透明陶瓷
      • 氧化铝、氧化钇、 氧化镁、钇铝石榴 石、二氧化锆
    • 非氧化物透明陶瓷
      • 氮化铝、 氮氧化 铝、 硫化锌、氟 化钙、砷化镓、 硫化锌、硒化锌、 氟化镁、氟化钙
  • 对陶瓷材料透光性产生重要影响的主要因素
    • 多相性
    • 各向异性
    • 晶粒尺寸
    • 气孔率
    • 表面光洁度
    • 空位、位错
  • 获得透明陶瓷的条件
    • (1)高致密度，烧结体密度接近理论密度，大于99.5%； (2)晶界处不存在气孔，或气孔尺寸远小于可见光波长； (3)晶界处不存在杂质及玻璃相，或者很少，而且晶界的光学性 质与晶粒光学性质的差异十分微小； (4)晶粒尺寸较小且均匀，烧结时晶粒生长速度小，气孔不封闭 在结晶体内； (5)晶体对入射光的选择吸收很小； (6)无光学各向异性，晶体结构最好是立方晶系且表面的光洁度 要高。
  • 透明陶瓷对粉体的要求
    • 高纯度（99.5%以上）
      • 有机杂质在坯体致密化过程中被烧除而留下不规则形状的孔洞； 无机杂质则可能与粉体发生反应形成杂质相或在烧结后的冷却 过程中使烧结体产生微裂纹。
    • 颗粒粒度小（0.06-1μ m）
      • • 原料的粒度很小，烧结时微细颗粒可缩短气孔扩散的路程，颗粒越细， 气孔扩散到晶界的路程就越短，越容易排除气孔，提高透过率
    • 分散性好(粒度分布窄)
    • 颗粒呈成类球形
• 氧化镁（MgO）
  • MgO在空气中容易吸潮水化生成Mg(OH)2
• 氧化铍（BeO）
  • 利用BeO制备的BeO陶瓷可用来作散热器件、熔炼稀有金属和高 纯金属Be、Pt、V等的坩埚、磁流体发电通道的冷壁材料、高温比 体积电阻高的绝缘材料。
  • BeO有剧毒，操作时必须注意防护，经烧结的BeO陶瓷是无毒
• 二氧化锆(ZrO2）
• 纳米材料的制备
  • 纳米材料的定义
    • 在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（1-100nm）或由他们作为基本单元构成的材料的单晶体或多晶体
  • 分类
    • 维度
      • 零维
      • 一维
      • 二维
      • 三维
    • 形态
      • 纳米颗粒型材料 纳米固体型材料 颗粒膜材料 纳米磁性液体材料
  • 性质
    • 三个主要特性效应
      • 小尺寸效应
        • 当材料的尺寸与光波波长、传导电子的德布罗意波长以及超导态的相干长度等物 理特征尺寸相当或更小时，材料中周期性的边界条件将会打破，由此造成声、光、 电、磁、热力学等性质呈现新的特征。
      • 表面与界面效应
        • 呈现新的理化性质‒高活性、不稳定、易结合。
      • 量子尺寸效应
        • 量子尺寸效应会造成磁、光、声、热、电性能的变化。
          •  纳米金属呈现电绝缘性  纳米金属不再具有金属光泽  惰性金属呈现极大催化性  纳米金属材料强度成倍增加等
    • 工业界对超微细粉制备工艺的要求主要包括：
      •  产品粒度细而且均匀稳定、粒度分布要窄、产品纯度高  无污染、环境友好  能耗低、产量高、产出率高、生产成本低  工艺简单连续，自动化程度高，生产安全可靠
  • 粉体材料的物理制备方法
    • 球磨式、气流式粉碎机
      • SiC B4C 的工业规模的制备
    • 蒸发凝聚法
      • 特别适合制备液相法和固相法难以直接合成的非氧化物 超细粉和纳米粉，分散性好，纯度高。
  • 化学制备方法
    • 沉淀法：把沉淀剂加入到金属盐溶液中进行沉淀，再将沉淀物过 滤，加热分解即得所需粉料。
      • 化学沉淀法
      • 共沉淀法
        • 共沉淀法中pH值的控制非常重要
          • 一个重要的问题是如何保证所有的金属离子的同时沉淀。 因为不同金属离子其沉淀条件是不同的。因此造成成分不均匀 性。特别是微量掺加物的均匀性难以保证。
      • 均匀沉淀法
    • 溶胶凝胶法
    • 蒸发溶剂法
    • 水热与溶剂热合成