材料化学第10讲-新型非金属材料B

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1、1Teacher: Ph. D. Tengyun Zhang(张腾云张腾云) E-mail: 20072008 学年第学年第 2 学期学期第第十十讲讲材料化学导论材料化学导论-第五章第五章New-style Non-metallic Inorganic Materials2主要内容：主要内容：v5 5.1 .1 半导体材料v5 5.2 .2 特种陶瓷v5 5.3 .3 敏感材料v5 5.4 .4 激光材料v5 5.5 .5 光导纤维v5 5.6 .6 超导材料35.2 特种陶瓷特种陶瓷5.2.2 制造工艺制造工艺v 冷等静压成型冷等静压成型单向加压成型单向加压成型因压力不均匀而使坯体易变形，难

2、以保证质量。因压力不均匀而使坯体易变形，难以保证质量。各向等压成型各向等压成型是是一种均匀加压法。先在一种均匀加压法。先在300MPa压力下预成型，然后在薄膜袋中，用水、甘压力下预成型，然后在薄膜袋中，用水、甘油为介质，在油为介质，在50MPa一一400Mpa压力下成型。压力下成型。（2）成型制备技术）成型制备技术v 热压铸成型热压铸成型v将原料粉末与粘结剂将原料粉末与粘结剂(如如石蜡石蜡)混合混合，调制成塑性瓷科，用注射成型，调制成塑性瓷科，用注射成型机把此料于机把此料于130300温度注射入金属模内，形成瓷坯。温度注射入金属模内，形成瓷坯。v 注浆成型注浆成型v将原料粉末、水将原料粉末、水

3、(或甘油、酒精等或甘油、酒精等)分散悬浮刑、粘结剂、除气剂等制分散悬浮刑、粘结剂、除气剂等制成一定浓度的料浆，注入石膏模内，经一定时向后形成注件，在室温成一定浓度的料浆，注入石膏模内，经一定时向后形成注件，在室温下干燥下干燥 。45.2 特种陶瓷特种陶瓷5.2.2 制造工艺制造工艺（3）烧结）烧结目的目的：增加致密度、机械强度、减：增加致密度、机械强度、减少气孔等。少气孔等。v烧结是吉布斯函数降低的过程。烧结是吉布斯函数降低的过程。v其动力来自粉末颗粒内外表面能的其动力来自粉末颗粒内外表面能的降低和晶格畸变能的降低。降低和晶格畸变能的降低。v能否进行烧结的热力学条件取决于能否进行烧结的热力学条

4、件取决于晶界能与表面能之比。晶界能与表面能之比。v热压烧结热压烧结v反应热压烧结反应热压烧结v热等静压烧结热等静压烧结v反应烧结法反应烧结法vCVD法法55.2 特种陶瓷特种陶瓷5.2.2 制造工艺制造工艺（3）烧结方法）烧结方法v热压烧结热压烧结: v已用于已用于A12O3：陶瓷车刀的制备，在：陶瓷车刀的制备，在CaF2、PZT、Si3N4等材料生等材料生产中也有广泛应用。产中也有广泛应用。 v粉体置于压模中，从上到下用粉体置于压模中，从上到下用1050MPa的压力，边的压力，边单轴单轴加压边加热到高温的烧结方法称热压烧结法。常加压边加热到高温的烧结方法称热压烧结法。常用的模具材料有石墨、氧

5、化铝和碳化硅等，石墨可承用的模具材料有石墨、氧化铝和碳化硅等，石墨可承受受70MPa压压 力，力，1500一一2000高温，高温，A12O3模可承模可承受受200MPa压力。压力。 65.2 特种陶瓷特种陶瓷5.2.2 制造工艺制造工艺（3）烧结方法）烧结方法v反应热压烧结反应热压烧结: 相变热压烧结相变热压烧结 氧化锆在相变温度氧化锆在相变温度(800一一1200)和和0.3MPa压压力下，进行热压烧结可以在比正常烧结温度低的情况下，几十分力下，进行热压烧结可以在比正常烧结温度低的情况下，几十分钟内烧结出高稳定性、高强度、高透明度的细晶陶瓷。钟内烧结出高稳定性、高强度、高透明度的细晶陶瓷。

6、v在热压铸过程中同时伴随化学反应过程。在热压铸过程中同时伴随化学反应过程。 分解热压烧结分解热压烧结 含含氢氧化物或水合物氧化物原料氢氧化物或水合物氧化物原料，在高温过程中发生，在高温过程中发生脱水脱水或或释气分解释气分解，此时施加合适的机械力进行热压烧结，则可在较低温度、压力，此时施加合适的机械力进行热压烧结，则可在较低温度、压力和短时间内获得高密度、高强度的优质陶瓷。和短时间内获得高密度、高强度的优质陶瓷。 例如用镁或铝的氢氧化物例如用镁或铝的氢氧化物(或或硫酸盐硫酸盐)来烧制氧化镁、氧化铝陶瓷，温度在来烧制氧化镁、氧化铝陶瓷，温度在900一一1200，加压，加压0.5h可获可获得相对密度

7、为得相对密度为99以上的制品。以上的制品。 分解合成热压烧结分解合成热压烧结 在热压铸过程中既有分解反应又有合成反应。例如，在热压铸过程中既有分解反应又有合成反应。例如，Ba(OH)或或BaCO3：分解的：分解的BaO与与TiO2合成合成BaTiO3。 75.2 特种陶瓷特种陶瓷5.2.2 制造工艺制造工艺（3）烧结方法）烧结方法v热等静压烧结热等静压烧结: v温度更高温度更高 2000 ，压力更大，压力更大50200MPa。 边加热边加热边各向施压。边各向施压。通过多孔坯体同气相或液相发生化学反应，使坯体质量增加，孔隙减小通过多孔坯体同气相或液相发生化学反应，使坯体质量增加，孔隙减小 。例如

8、反应烧结氮化硅坯体中的例如反应烧结氮化硅坯体中的Si、SiO2、和、和CaF2同氮反应生成同氮反应生成Si2ON2。 Si2ON2晶体从被氮饱和的玻璃相中析出，氮氧化硅的相对密度大于晶体从被氮饱和的玻璃相中析出，氮氧化硅的相对密度大于90。 v反应烧结反应烧结: 85.2 特种陶瓷特种陶瓷5.2.3 结构陶瓷结构陶瓷-工程陶瓷工程陶瓷氧化物陶瓷氧化物陶瓷 Al2O3陶瓷、陶瓷、ZrO2陶瓷陶瓷非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷 氮化物陶瓷、碳化物陶瓷氮化物陶瓷、碳化物陶瓷性能评价性能评价 强度、硬度、韧强度、硬度、韧性、耐温、耐磨、性、耐温、耐磨、耐蚀等耐蚀等95.2 特种陶瓷特种陶瓷（1）功能陶瓷的应

9、用）功能陶瓷的应用5.2.4 功能陶瓷功能陶瓷105.2 特种陶瓷特种陶瓷能够将机械能和能够将机械能和电能互相转换电能互相转换的功能陶瓷材的功能陶瓷材料。料。5.2.4 功能陶瓷功能陶瓷（3）压电陶瓷）压电陶瓷 介质在受到机械压力介质在受到机械压力时，导致其表面带电。时，导致其表面带电。 对介质施加激励电场，对介质施加激励电场，导致其产生机械变形。导致其产生机械变形。v压电陶瓷压电陶瓷Pachinko游戏机游戏机（2）介电陶瓷）介电陶瓷特点是：体积小、耐热性好、损耗小、绝缘电阻高，但容量小，适用于特点是：体积小、耐热性好、损耗小、绝缘电阻高，但容量小，适用于高频高压电路。高频高压电路。 115

10、.2 特种陶瓷特种陶瓷 具有电光特性的陶瓷，光学性质会随外具有电光特性的陶瓷，光学性质会随外电场的变化而改变，表现出电控双折射电场的变化而改变，表现出电控双折射和电控散射。和电控散射。5.2.4 功能陶瓷功能陶瓷（4）光电陶瓷）光电陶瓷立体电视的原理立体电视的原理 立体电视奥秘在一副能分离左立体电视奥秘在一副能分离左眼和右眼图像的立体观察镜，这眼和右眼图像的立体观察镜，这种观察镜的镜片是用电光陶瓷制种观察镜的镜片是用电光陶瓷制作的。作的。125.2 特种陶瓷特种陶瓷5.2.4 功能陶瓷功能陶瓷（5）磁性陶瓷）磁性陶瓷 由铁和其它一种或多种金属（由铁和其它一种或多种金属（Ba、Sr和稀土等）的氧

11、化物组成的复合和稀土等）的氧化物组成的复合氧化物。电阻率比金属磁性材料高，原料来源充足，生产方便，价低，氧化物。电阻率比金属磁性材料高，原料来源充足，生产方便，价低，在永磁、高频软磁、磁记录等方面的应用发展很快。在永磁、高频软磁、磁记录等方面的应用发展很快。主要应用主要应用 人造骨；人造骨； 人造齿；人造齿； 人造心脏瓣膜；人造心脏瓣膜； 人造关节；人造关节； 固定化酶载体等。固定化酶载体等。（6）生物陶瓷）生物陶瓷135.2 特种陶瓷特种陶瓷5.2.4 功能陶瓷功能陶瓷（6）生物陶瓷）生物陶瓷145.3 敏感材料敏感材料5.3.1 传感器与敏感材料传感器与敏感材料（1）敏感材料）敏感材料v传