陶瓷的工藝及功能1a目錄一、簡介二、陶瓷的成分三、傳統陶瓷的根本分類四、新型陶瓷材料的特點及分類五、金屬／陶瓷功能梯度涂層工藝的應用現狀六、總結2a一、簡介陶是瓷的源，瓷是陶的流，源遠流長的陶瓷，是古代華夏文明的起點。陶土經500至600度的火焰燒成陶器，陶離土地近，陶罐一般為盛水器，實用又純樸。瓷土經1200至1300度的窯火燒成瓷，瓷瓶大多供賞花用，漂亮飄逸。陶的屬性更多地帶有男性的陽剛之氣，瓷的屬性更多地帶有女性的陰柔之美。陶與瓷的結合，精與神的交融，便有了千古佳話，精彩喜劇。3a4a一、簡介狹義陶瓷(傳統陶瓷〕：陶器、瓷器等以粘土為主要原料的制品的通稱。早在歐洲人掌握瓷器制造技術一千多年前，中國人就已經制造出很精美的陶瓷器。中國是世界上最早應用陶器的國家之一，而中國瓷器因其極高的實用性和藝術性而備受世人的推崇。考古發現中國人早在新石器時代〔約公元前8000－2000年〕就創造了陶器。原始社會晚期出現的農業生產使中國人的祖先過上了比較固定的生活，客觀上對陶器有了需求。人們為了提高生活的方便，提高生活質量，逐漸通過燒制粘土燒制出了陶器。5a二、陶瓷的成分陶瓷，陶器和瓷器的總稱。陶瓷的傳統概念是指所有以粘土等無機非金屬礦物為原料的人工工業產品。它包括由粘土或含有粘土的混合物經混煉，成形，煅燒而制成的各種制品。由最粗糙的土器到最精細的精陶和瓷器都屬于它的范圍。對于它的主要原料是取之于自然界的硅酸鹽礦物(如粘土、長石、石英等)，因此與玻璃、水泥、搪瓷、耐火材料等工業，同屬于“硅酸鹽工業〞的范疇。6a三、傳統陶瓷的根本分類陶瓷制品的品種繁多，它們之間的化學成分、礦物組成，物理性質，以及制造方法，常常互相接近交錯，無明顯的界限，而在應用上卻有很大的區別。因此很難硬性地歸納為幾個系統，詳細的分類法各家說法不一，到現在國際上還沒有一個統一的分類方法。常見的分類法是按用途應該分為五大系列，分別是工業陶瓷、建筑陶瓷、衛生陶瓷、日用陶瓷、還有藝術陶瓷。7a三、傳統陶瓷的根本分類1、日用陶瓷：如餐具、茶具、缸，壇、盆、罐、盤、碟、碗等。2、藝術〔工藝〕陶瓷：如花瓶、雕塑品．園林陶瓷器皿陳設品等。3、工業陶瓷：指應用于各種工業的陶瓷制品。比方說像供電的瓷瓶，坦克、汽車、火箭里面都有用陶瓷。一般我們老百姓很少涉足。4、建筑陶瓷：如磚瓦，排水管、面磚，外墻磚等。5、衛生陶瓷：潔具衛生間用的陶瓷，有如陶瓷馬桶、陶瓷面盆等。8a9a四、新型陶瓷材料的特點及分類陶瓷材料中已崛起了精細陶瓷，它以抗高溫、超強度、多功能等優良性能在新材料世界獨領風騷。精細陶瓷是指以精制的高純度人工合成的無機化合物為原料，采用精密控制工藝燒結的高性能陶瓷，因此又稱先進陶瓷或新型陶瓷。精細陶瓷有許多種，它們大致可分成三類。10a四、新型陶瓷材料的特點及分類(一)結構陶瓷。這種陶瓷主要用于制作結構零件。機械工業中的一些密封件、軸承、刀具、球閥、缸套等都是頻繁經受摩擦而易磨損的零件，用金屬和合金制造有時也是使用不了多久就會損壞，而先進的結構陶瓷零件就能經受住這種“磨難〞。11a四、新型陶瓷材料的特點及分類(二)電子陶瓷指用來生產電子元器件和電子系統結構零部件的功能性陶瓷。這些陶瓷除了具有高硬度等力學性能外，對周圍環境的變化能“無動于衷〞，即具有極好的穩定性，這對電子元件是很重要的性能，另外就是能耐高溫。12a四、新型陶瓷材料的特點及分類(三)生物陶瓷生物陶瓷是用于制造人體“骨骼一肌肉〞系統，以修復或替換人體器官或組織的一種陶瓷材料。13a四、新型陶瓷材料的特點及分類精細陶瓷是新型材料巾特別值得注意的一種，它有廣闊的開展前途。這種具有優良性能的精細陶瓷，有可能在很大的范圍內代替鋼鐵以及其他金屬而得到廣泛應用，到達節約能源、提高效率、降低本錢的目的；精細陶瓷和高分子合成材料相結合．可以使交通運輸工具輕量化、小型化和高效化。14a四、新型陶瓷材料的特點及分類精陶材料將成為名副其實的耐高溫的高強度材料，從而可用作包括飛機發動機在內的各種熱機材料、燃料電池發電部件材料、核聚變反響堆護壁材料、無公害的外燃式發動機材料等。精細陶瓷與高性能分子材料、新金屬材料、復合材料并列為四大新材料。有些科學家預言．由于精細陶瓷的出現，人類將從鋼鐵時代重新進入陶瓷時代。15a五、金屬／陶瓷功能梯度涂層工藝的應用現狀金屬具有高的熱導率、韌性及延展性等性能，陶瓷硬度高、耐磨、耐蝕、耐高溫，有些陶瓷還具有隔熱、絕緣或光能轉換等特殊性能。因此，如何把金屬與陶瓷的優異性能結合起來，多年來一直是材料科學與工程研究的方向。16a五、金屬／陶瓷功能梯度涂層工藝的應用現狀金屬外表陶瓷涂層依其功能大致可分為耐熱涂層(熱障涂層)、耐磨涂層、耐蝕涂層、生物功能涂層及其它特殊功能涂層等。然而，陶瓷和金屬的熱膨脹系數(CTE)及彈性模量等性能不相匹配，且基體與涂層間存在明顯界面，因此，外表具有陶瓷涂層的金屬零部件在應用過程中會發生涂層開裂或剝落損壞等現象。雙層涂層及多層涂層體系也不能消除基體與涂層間及涂層內部層與層間性能不匹配問題。17a五、金屬／陶瓷功能梯度涂層工藝的應用現狀為此，開發了功能梯度涂層(FGM涂層)。在FGM涂層中，沿涂層厚度方向，隨涂層厚度增加，陶瓷相成分含量逐漸增加，金屬相成分含量那么相應減小，即金屬相與陶瓷相涂層間無明顯界面，很好地解決了二者性能不相匹配的問題，最大程度地削弱或消除了涂層中的應力，提高涂層與基體間結合強度。18a五、金屬／陶瓷功能梯度涂層工藝的應用現狀目前，FGM涂層在航空、航天、能源和生物醫學等各個領域均已獲得應用［4，9～11］。而且，FGM深層制備工藝也迅速開展，日本、美國、英國、中國和德國等許多國家均在進行FGM深層工藝的研究。19a五、金屬／陶瓷功能梯度涂層工藝的應用現狀1、FGM涂層工藝及應用目前制備FGM涂層的工藝方法多種多樣，主要有氣相沉積法、自蔓延高溫合成法、等離子噴涂法及激光熔覆法等。20a五、金屬／陶瓷功能梯度涂層工藝的應用現狀2、氣相沉積法制備FGM涂層的氣相沉積法包括物理氣相沉積法(PVD)和化學氣相沉積法(CVD)。這兩種方法又可細分為許多具體的工藝方法。一般地說，氣相沉積法可以制得很薄的梯度涂層。但是，PVD法難以在復雜形狀外表沉積涂層，而CVD法可以在形狀復雜的零件外表制備出梯度涂層，而且沉積層外表光滑致密，沉積率較高。21a五、金屬／陶瓷功能梯度涂層工藝的應用現狀近年來，CVD和PVD技術已廣泛應用于航空航天、汽車、化工、能源和生物工程等領域制備功能梯度涂層，同時不斷與其它外表涂層技術相結合，開發出了一些改進型外表涂層技術制備梯度涂層，如電子束物理氣相沉積法(EB-PVD)、離子束增強物理氣相沉積法(IBEB)、燃燒化學氣相沉積法(CCVD)、物理化學沉積法(PCVD)、反響濺射及陰極磁控濺射等。而且，隨著科學技術的開展，CVD和PVD梯度涂層技術在材料制備及改善零部件外表性能等方面的應用不斷增加，有著美好的應用前景。22a五、金屬／陶瓷功能梯度涂層工藝的應用現狀3、自蔓延高溫合成法自蔓延高溫合成法(簡稱SHS)又稱燃燒合成法，是一種制備材料與制造零部件的新技術。SHS法是由前蘇聯科學家Merzhanov于1967年首次正式提出來的［34］，其根本特點是利用能夠發生高效熱反響的原料反響時放出的熱使反響持續進行，從而到達合成與制備材料的目的。SHS反響溫度高，速度快，整個反響過程在幾秒至幾十秒間即可迅速完成；反響時只需局部或整體點火，反響一旦進行，即不需外加能源；采用SHS技術，材料合成與形成可以同時完成。到了80年代，SHS技術已應用于制備涂層，在過去的15～20年中，原蘇聯及俄羅斯對SHS涂層技術及物理機制等進行了廣泛研究［35］。現在，世界上許多國家，包括俄羅斯、美國、日本、中國、德國和法國等均在從事SHS法制備FGM和涂層的研究，并在某些方面已經獲得了成功應用。23a五、金屬／陶瓷功能梯度涂層工藝的應用現狀SHS梯度涂層技術的根本原理是在金屬基體上預先鋪敷或粘結成分呈梯度變化的涂層，在壓力下局部點火引燃化學反響，利用反響放出的熱使反響持續進行，同時使基體金屬外表短時間內達高溫熔化，涂層與基體間形成冶金結合，從而制得高粘結強度的梯度涂層。另外，也可以預置成分均勻的陶瓷粉涂層，由于反響過程中的陶瓷粉涂層中往往產生至少一種液相的移動有助于成分的再分布，最終可以在純陶瓷層和純金屬基體間形成一個成分連續變化的梯度過渡層。24a五、金屬／陶瓷功能梯度涂層工藝的應用現狀現在，俄羅斯、美國、日本和中國等許多國家采用SHS涂層工藝，已成功地制備出了在圓形鋼管內壁，具有成分梯度分布的陶瓷復合鋼管。SHS梯度陶瓷復合鋼管具有優良的耐磨、耐蝕性能，且耐燒蝕。因此，在石油、化工、海洋和軍事等工業中有廣泛應用前景。可見，由于SHS法制備功能梯度涂層具有節能省時、本錢低廉、設備簡單和操作方便等優點，SHS法已成為制備功能梯度涂層中非常有吸引力的工藝方法。隨著研究的深入，其應用范圍會不斷擴大。25a五、金屬／陶瓷功能梯度涂層工藝的應用現狀4、等離子噴涂法等離子噴涂法是制備FGM涂層中非常有吸引力的工藝方法［14］。等離子噴涂方法具有如下特點［15～17］：①等離子焰熱量高度集中，可以獲得很高的溫度(噴槍出口處火焰平均溫度可以高達10000K以上)，足以熔化任何一種難熔材料；②等離子流速度較高，使得噴涂粒子以較大速度撞擊到基體上，形成的涂層與基體間結合強度較大；③對基體熱影響小，可以對已加工成形的工件進行外表噴涂；④易于實現自動化，且本錢適中。26a五、金屬／陶瓷功能梯度涂層工藝的應用現狀等離子噴涂依據環境介質和壓力的不同可以細分為大氣等離子噴涂(APS)、高能等離子噴涂(HPPS)、真空等離子噴涂(VPS)、低壓等離子噴涂(LPPS)、保護氣氛等離子噴涂(IPS)、水下等離子噴涂(UPS)和感應電偶等離子噴涂等［15，16］。按噴涂時送粉方式或噴槍數目可以分為單槍等離子噴涂法和雙槍等離子噴涂法。27a五、金屬／陶瓷功能梯度涂層工藝的應用現狀5、激光熔覆法制備FGM涂層是90年代由D.R.Fwest和R.D.Rauliys等人開展起來的一種新方法［14，24］。這種工藝的根本原理和過程見圖2。把少量B陶瓷粉置于A金屬基體外表，采用激光照射，使B和A上外表薄層區同時熔化，通過冶金結合形成B-A合金金屬。重復以上過程，并合理控制B涂層厚度，激光束能量及激光束掃描速度或工件A移動速度等參數，可以制得含有多層薄層的梯度涂層。在涂層中，A成分含量沿厚度方向上逐漸減少。28a29a五、金屬／陶瓷功能梯度涂層工藝的應用現狀熔覆層材料B的初始狀態有粉末狀、絲狀及膏狀等。涂層材料B的添加方式主要有預置法和同步法兩種。預置法主要包括火焰噴涂、等離子噴涂、粘結劑法和粉末松散鋪展法等；同步法包括重力送粉法、氣動動態送粉法、送膏法和送線法等。涂層材料的不同添加方法最終會影響熔覆過程的冶金行為和涂層性能。30a五、金屬／陶瓷功能梯度涂層工藝的應用現狀該工藝具有如下特點：①涂層溫度冷卻快(高達106℃／s)，產生快速凝固組織；②熱輸入小，基體畸變小，涂層與基體呈冶金結合；③適用的材料體系廣泛；④可以進行選區熔覆，材料消耗少等。但是，在制備陶瓷金屬梯度涂層過程中，由于激光溫度非常高，所以，涂層中有時會出現裂紋和孔洞等缺陷。并且，陶瓷顆粒與金屬往往發生化學反響。采用激光熔覆梯度涂層工藝可以顯著改善基體材料外表的耐磨、耐蝕、耐熱及電氣特性和生物活性等性能。目前，該工藝已應用于改善航空渦輪發動機葉片、汽車