由「超材料」到「变换光学」的发展简史与基本原理 「超材料」(Metamaterial) 并不是一个定义得很清楚的术语,其中的字根"meta" 意指「超越」,相当於英文的"beyond".一般而言,此一术语意指一些特别设计的人工结构,能像均匀材料那样对电磁场(波)或声波,弹性波反应(response),但却具有天然材料所没有的反应特性[1].这些特性包括:高频人工磁性(artificial magnetism) [2], 负磁导率(negative permeability) [3], 负折射指数(negative index of refraction) [4], 以及双曲型色散关系(hyperbolic dispersion) [5,6] 等.这些有趣的特性导致一些迷人的现象,例如负折射(negative refraction) [7], 次波长成像(subwavelength imaging) [8], 电磁场增益(field enhancement) [9], 以及近场—远场转换(near-to-far field conversion) [5,6] 等.根据这些现象,在过去数年已有许多新颖的元件被设计与制作出来,并已被测试.例如超透镜(superlens) [8,10], 双曲透镜(hyperlens) [6], 工作频率在微波频段的隐形斗篷(invisibility cloak) [11], 以及电浆子波导(plasmonic waveguide) [12] 等.这些工作显示了超材料研究在微波与光波研究方面都有很好的理论与应用前景. 研究超材料的最初目的主要是为了创造一种具有很强的高频磁响应(strong magnetic response at high frequency) 特性的人工材料或结构[2].当这个目的实现后,研究人员又成功的设计并制作了能同时具有等效负磁导率与负介电常数(negative permittivity) [13] 的周期性金属结构.此种「双负」(double negative, or DNG) 材料会具有等效的负折射率[3,4],因而可以具体实现V. G. Veselago 在40 年前[7] 就预测过的「把光折
超硬材料的结构特征与材料硬度的关系 材料中的化学键按其特性可分成三类：即金属键、共价键和离子键材料。一般说来，共价键材料具有最高的硬度；离子键材料具有较好的化学稳定性；金属键材料具有较好的综合性能。 材料硬度的大小，主要决定于物质内部结构中原子间结合力的强弱。结合力越强，抵抗外力作用的强度就越大，材料的硬度就越高。金属键一般不很强，故金属键结合成的材料硬度通常不高。共价键则因其键力很强，所以共价键结合成的材料均具有很高的硬度，如金刚石是世界上最硬的材料。离子键的键力较强，因而离子键材料有较高的硬度。 材料的硬度与材料的内部结构特征如离子半径、价键、配位数有关。其规律如下： ①对于结合力类型相同的材料，其离子半径减小，硬度也可提高； ②离子电价高，键力提高，硬度也可提高； ③质点堆积越紧密，密度越大，硬度越高； ④阳离子配位数越高，硬度越高。 1.元素的共价半径 元素周期表中给出了元素的共价半径。共价半径小，材料硬度高。为什么碳是最符合生成超硬材料的元素呢?下面我们分析一下元素的性能。 ①惰性气体 它们是满壳层的元素，其化合价为零，通常呈气态，可用降温或加压的方式使其变为液态，但是除去温度、压力条件则又变成气体，所以它很难变为超硬材料。 ②氢 在通常状况下呈气态。氢原子(H)只有一个电子，当它与其他原子(x)形成共价键后，氢核就暴露在外面，于是可通过库仑作用再与其他电负性较大的原子(Y)相结合。因而，氢键可表示为X —H —Y 的形式。当X 与H 结合时，形成共价键x —H ，结合得紧密；当H 再与Y 结合时，形成氢键，结合力弱。尽管氢还可以通过特殊的形式形成有诸多性能的固态金属氢，但它没有超硬的性能。 ③第二周期中的元素 当把第二周期以外的元素分析过之后，就余下第二周期的锂（Li ）、铵(Be)、硼(B)、碳(C)、氮(N)、氧(O)、氟(F)等几种元素了，它们的共价半径见表1—3。 对于N ，O ，F ：通常呈气态，凡气体从其特性出发，不可能形成超硬的材料。 对于Li ，Be ，B ：它们的共价半径均大于碳，若从共价半径小，硬度高的规律来考虑，就只剩下碳元素了。 综上所述，碳是最符合生成最坚硬物质的元素。 2.价键 从价键的观点出发，半满键的碳，呈4价，它既可“捕获”4个电子变成稳定态，也可“奉献”4个电子而呈稳定态。因此，碳通常以共价键结合，具有很高的硬度。 (1)杂化轨道理论 杂化轨道是相当普遍的原子结合形式之一。杂化轨道理论最先是由鲍林(Paning L)和斯来托(Slater J ．C)于1931年提出的。鲍林把d 轨道组合进去，得到了s —p —d 杂化轨道(图l —3)。唐敖庆等把f 轨道组合进去，得到了s —p —d —f 杂化轨道，使该理论更加完善。对金刚石而言，仅讨论s —p 轨道杂化，而不去讨论d —f 更为复杂的杂化轨道。 在量子力学里有叠位原理和简并状态，如金刚石的3 sp ，可写为s 、x p 、y p 、z p ，它
陶瓷材料的应用与前景 作者：李倩 单位：辽宁工程技术大学 一、陶瓷材料发展历史及其概念的内涵 陶瓷是人类生活和生产中不可缺少的一种材料。陶瓷产品的应用范围遍及国民经济各个领域。它的发展经历了从简单列复杂、从粗糙到精细、从无油到施釉、从低温到高温的过程。随着生产力的发展和技术水平的提高．各个历史阶段赋予陶瓷的涵义和范围也随之发生变化。 原来的陶瓷就是指陶器和瓷器的通称。也就是通过成型和高温烧结所得到的成型烧结体。传统的陶瓷材料主要是指硅铝酸盐。刚开始的时候人们对硅铝酸盐的选择要求不高，纯度不大，颗粒的粒度也不均一，成型压强不高。这时得到陶瓷称为传统陶瓷。后来发展到纯度高，粒度小且均一，成型压强高，进行烧结得到的烧结体叫做精细陶瓷。 接下来的阶段，人们研究构成陶瓷的陶瓷材料的基础，使陶瓷的概念发生了很大的变化。陶瓷内部的力学性能是与构成陶瓷的材料的化学键结构有关，在形成晶体时能够形成比较强的三维网状结构的化学物质都可以作为陶瓷的材料。这重要包括比较强的离子键的离子化合物，能够形成原子晶体的单质和化合物，以及形成金属晶体的物质。他们都可以作为陶瓷材料。其次人们借鉴三维成键的特点发展了纤维增强复合材料。更进一步拓宽了陶瓷材料的范围。因此陶瓷材料发展成了可以借助三维成键的材料的通称。 陶瓷的概念就发展成为可以借助三维成键的材料，通过成型和高温烧结所得到的烧结体。（这个概念把玻璃也纳入了陶瓷的范围） 现代陶瓷材料具有高新技术内涵。与传统材料相比．主要具有以下三个特点： (1)以现代科技发展的要求为背景．是现代科技发展的产物，为高新技术产品。 (2)制造工艺复杂，需要现代科技成果的指导．因而为技术知识密集型产品。 (3)具有优异的威特殊的性能，能满足商新技术产业的要求。 二、陶瓷材料的分类 研究陶瓷的结构和性能的理论也得到了展开：陶瓷材料，内部微结构（微晶晶面作用，多孔多相分布情况）对力学性能的影响得到了发展。材料（光，电，热，磁）性能和成形关系，以及粒度分布，胶着界面的关系也得到发展，陶瓷应当成为承载一定性能物质存在形态。
史上最全的瓷材料3D打印技术解析 南极熊3D打印网2017-07-11 现在已经陆续出现一些瓷3D打印机，价格100万到500万人民币的都有。南极熊希望下文可以给读者带来全面的认识。“增材制造”的理念区别于传统的“去除型”制造。传统数控制造一般是在原材料基础上，使用切割、磨削、腐蚀、熔融等办法，去除多余材料，得到零部件，再以拼接、焊接等方法组合成最终产品。而“增材制造”与之不同，无需原胚和模具，就能直接根据计算机图形数据，通过增加材料的方法生成任何形状的物体，简化产品的制造程序，缩短产生的研制周期，提高效率并降低成本。瓷材料具有优良高温性能、高强度、高硬度、低密度、好的化学稳定性，使用其在航天航空、汽车、生物等行业得到广泛应用。而瓷难以成型的特点又限制了它的使用，尤其是复杂瓷制件的成型均借助于复杂模具来实现。复杂模具需要较高的加工成本和较长的开发周期，而且，模具加工完毕后，就无法对其进行修改，这种状况越来越不适应产品的改进即更新换代。采用快速成型技术制备瓷制件可以克服上述缺点。快速成型也叫自由实体造型，是20世纪60年代中期兴起的高兴技术。1.瓷3D打印快速成型技术的本质是采用积分法制造三维实体，在成型过程中，先用三维造型软件在计算机生成部件的三维实体模型，而后用
分层软件对其进行分层处理，即将三维模型分成一系列的层，将每一层的信息传送到成型机，通过材料的逐层添加得到三维实体制件。跟传统模型制作相比，3D 打印具有传统模具制作所不具备的优势： 1.制作精度高。经过20年的发展，3D 打印的精度有了大幅度的提高。目前市面上的3D打印成型的精度基本上都可以控制在0.3 mm 以下；2. 制作周期短。传统模型制作往往需要经过模具的设计、模具的制作、制作模型、修整等工序，制作的周期长。而3D打印则去除了模具的制作过程，使得模型的生产时间大大缩短，一般几个小时甚至几十分钟就可以完成一个模型的打印；3. 可以实现个性化制作。3D打印对于打印的模型数量毫无限制，不管一个还是多个都可以以相同的成本制作出来，这个优势为3D打印开拓新的市场奠定了坚实的基础；4. 制作材料的多样性。一个3D 打印系统往往可以实现不同材料的打印，而这种材料的多样性可以满足不同领域的需要。比如金属、石料、高分子材料都可以应用于3D 打印。5. 制作成本相对低。虽然现在3D 打印系统和3D 打印材料比较贵，但如果用来制作个性化产品，其制作成本相对就比较低了。加上现在新的材料不断出现，其成本下降将是未来的一种趋势。有人说在今后的十年左右，3D 打印将会走进普通百姓家里。 2 瓷3D打印的主要技术分类3D打印用的瓷粉末是瓷粉末和某一种粘结剂粉末所组成的混合物。由
超硬材料的性能和应用 材料成型及控制工程2009级2班张天珍学号：20091420224 摘要：超硬材料在工业发展进程中扮演了至关重要的角色。随着时代发展和技术的更新，将越来越受到人们的关注。本文立足事实基础，以超硬材料多年的发展历史为背景，详细介绍了超硬材料的基本性能以及在工业、军工、航空航天、电子、机械、汽车、机床工具、精密制造、医疗、石材、建材等方面的应用。重点介绍了金刚石和立方氮化硼的性能和应用关键词：超硬材料金刚石立方氮化硼性能应用 1、引言 金刚石及立方氮化硼称为超硬材料,是因为它们具有超凡的高硬度特性。金刚石是自然界已知物质中最硬的物质, 还具有高绝缘性、优异的耐磨性和良好的导热性。立方氮化硼的硬度仅次于金刚石, 还具有高耐磨、低摩擦系数、优异的耐热性和化学稳定性,特别是对铁族金属呈化学惰性,尤其适合于加工硬而脆的铁族金属材料。立方氮化硼的这一特点是金刚石所不能比拟的。这样, 立方氮化硼就以其独特的优越性与金刚石相互补充,构成了超硬材料的两大体系。超硬材料具有其他材料无可比拟的优异力学、热学、光学、声学、电学和生物等性能，享有“材料之王”赞誉，是用途广泛的极端材料，不仅可加工世界上所有的已知材料，而且可制成性能极端的功能性器件，在诸多应用领域具有不可替代性。超硬材料及制品已广泛应用于军工、航空航天、电子、机械、汽车、机床工具、精密制造、医疗、石材、建材、机场、清洁能源、高速铁路、公路、石油与天然气钻井、地质勘探、煤炭及矿物采掘、救灾抢险、家庭装修等国计民生的各个领域。 2、金刚石的性能和应用 2.1金刚石的发展史 人类最早发现先金刚石是在公元前800年，但直到18实际末，才开始对金刚石有了系统科学的研究。法国人拉瓦锡发现金刚石可燃烧，英国人费南腾研究证实金刚石是碳的同素异形体。1955年由美国通用电气公司首次以石墨为原料在高温高压条件下合成出金刚石，从此，工业技术领域进入新的时代。 2.2金刚石的性能 金刚石是自然界已知物质中硬度最高的材料。莫氏硬度为10 ,是石英8.5倍，刚玉的4.4倍，立方氮化硼的1.56倍。特别指出，（111）面的硬度大于（110）
陶瓷的概念详解 陶瓷的概念是指所有以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经过粉碎混炼、成型、煅烧等过程而制成的各种成品。包括日用陶瓷、建筑陶瓷、卫生陶瓷、电瓷等等。陶瓷与玻璃、搪瓷、水泥、耐火材料同属于硅酸盐材料的范畴。广义的陶瓷已是指使用陶瓷生产方法制造的无机非金属固体材料的通称。国际上陶瓷通用名为“Ceramics”。陶器为“pottery”；瓷器为“china ”原为“昌南”（瓷都景德镇旧称昌南镇），外族口传为“China”即指中国。传统意义上的陶瓷是指所有以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经过粉碎、成型、煅烧等过程制成的各种制品。 广义上陶瓷是用陶瓷生产方法制造的无机非金属固体材料和制品的通称。 陶器和瓷器的主要区别 凡是通俗地讲:用陶土烧制的器皿叫陶器,用瓷土烧制的器皿叫瓷器.陶瓷则是陶器,炻器和瓷器的总称.凡是用陶土和瓷土这两种不同性质的粘土为原料,经过配料, 成型,干燥,焙烧等工艺流程制成的器物都可以叫陶瓷.陶瓷包括的范围较广,有些能耐水,有些并能耐酸.广泛应用于建筑, 化工, 电力,机械等工业及日用装饰等方面.此外,用粘土以外的其它料,依陶瓷制造的工艺方法制成的制品,也叫做陶瓷,如块滑石瓷,金属陶瓷,电容器陶瓷, 磁性瓷等. 广泛应用于无线电,原子能,火箭,半导体等工业.目前,将所有陶瓷制品通称为"无机非金属固体材料。 凡是陶器和瓷器是人们经常接触的日用品，有时从表面看来很相似，但是，它们毕竟各有其特色而不同。陶器一般是用陶土作胎。烧制陶器的温度大体在900－1050℃之间。若温度太高，陶器就要被烧坏变形。陶器的胎体质地比较疏松，有不少孔隙，因而有较强的吸水性。一般的陶器表面无釉，即使有釉也是低温釉。我国烧制陶器的历史约有1万年之久。原始社会制造陶器，开始是用手工捏制的方法制成一定器形，后来发展为将陶土搓成粗细一样的泥条，再把泥条盘筑成一定器形，将其内外用手抹平。到父系社会阶段出现了轮制法。进入封建社会后，又发明了模制法，即将陶泥填入模中，脱出器物的全形。人们推测，最原始的烧制方法是堆烧法，把晒干的陶坯放在露天柴草中烧。在六七千年前，开始使用陶窑烧制陶器。文物考古工作者根据陶器的颜色，把陶器分为红陶、灰陶、彩陶、白陶、彩绘陶、黑陶和釉陶等系列。红陶是原始社会最常见的一种陶器，它的颜色有如红砖色。这是在烧窑时，充分供应气体，形成氧化气氛，使陶土中的铁转化为三价铁，便呈现出红色了。（一）灰陶 灰陶是在烧窑后期，采用还原焰，使制陶原料中铁的氧化物大部分转化为二价铁，在这种情况下，烧成的陶器呈灰色或灰黑色。灰陶是人们日用陶器中最多的一种，质地较疏松、粗糙。 （二）红陶 红陶是在氧化焰气氛中烧成的，质地较坚硬细致。 （三）彩陶 彩陶是新石器时代文化遗存中最精美的陶器，仰韶文化的彩陶堪称其代表作。彩陶花纹是陶坯未入窑焙烧前，用铁、锰等颜料在坯体上绘画纹饰，入窑后用氧化焰烧成。彩绘牢固地结合在器物表面，不易脱落。彩陶上的纹饰有变化多端的植物纹、形态各异的动物纹和几何形纹饰等。常见的器皿有饮食器、贮藏器和吸水器。如钵、碗、盆、盘、杯、罐、瓶等。西安半坡遗址的人面鱼纹盆即为一例。 还有一种彩陶是在陶器烧成后进行彩绘的，称"烧后彩绘陶"，彩色易剥落。秦始皇陵兵马俑即为彩绘陶。是彩绘陶也是带彩色的，它和彩陶的区别是陶器烧成后再着色。由于颜色
超硬材料及制品基本知识 一、超硬材料概念:对于超硬材料的含义至今没有一 个公认为满意的解释。1981年国际硬物质科学会议认为,硬度大于1000HV的物质均可称为硬物质，这就自然包括了金刚石和立方碳化硼。后来对这个定义进行了补充,认为能加工诸如硬质合金(硬度1600—1８00ＨV)、刚玉（—２00０ＨV）、碳化硅(—22００HV）等这一类物质的材料称为超硬材料。目前由于金刚石和立方氮化硼等材料有其极高的硬度，所以统称为超硬材,具有硬度高、耐磨和热传导性能好、热膨胀系数低等优异性能。 二、超硬材料的分类:分为单晶超硬材料和聚晶超硬 材料(也称为“复合超硬材料”）及3．金刚石薄膜三类。 单晶超硬材料和聚晶超硬材料的主要区别为:单晶金刚石/立方氮化硼材料的特点为硬度更高、耐热性更好,但尺寸较小，多用于制造锯片等切割工具;聚晶金刚石/立方氮化硼是指以金刚石和立方氮化硼微粉等单晶超硬材料为主要原料,添加金属或非金属粘结剂通过超高压高温烧结工艺制成的聚晶复合材料。它的特点是硬度、耐热性略逊于单晶材料,但是由于聚晶超硬材料是内部结构紧密的金刚石致密体,可以增加工具的切割面积，同时克服了单晶超硬材料由于粘结面积小造成的轻易从锯片表面脱落的弊端,具有更高的耐磨性。 金刚石薄膜是用化学气相沉积(CVＤ）法或其它方法在非金刚石衬底上制备出的超硬薄
膜。它不仅可用于制作各种金刚石刀具,还可作为功能材料用于制作声传感器、扬声器振动膜、红外窗口、Ｘ光检测窗口等，应用领域十分广泛。国际上从七十年代初开始进行金刚石薄膜的试制并迅速掀起金刚石薄膜研究开发热潮。我国从八十年代中期开始此项研究，并已列入国家“863计划”，现已能制备出8０ｍm、厚2mm的金刚石薄膜，并在应用研究方面取得了不少成果,但目前总体上仍处于研制阶段,尚未达到工业化应用阶段。有人预计,金刚石薄膜将是２１世纪金刚石工业的主要材料，各国科学家都在为使金刚石薄膜产业化而不懈努力。 三、金刚石按用途分为两类:质优粒大可用作装饰品的称宝石级金刚石，质差粒细用于工业的称工业用金刚石。 宝石级金刚石,又称钻石，光泽灿烂,晶莹剔透,被誉为“宝石之王”,价值昂贵，是世界公认的第一货品，其占有程度和消费水平往往被视为是衡量个人和国家经济富裕程度的标志。达不到宝石级的金刚石(工业用金刚石）,以其超硬性广泛用于机电、光学、建筑、交 ?总的来说，复合超硬材料相对于传统合金材料具有强大的替代性,市场潜力更大,广泛应用于机械、冶金、地质、石油、煤炭、石材、建筑等传统领域,电子信息、航天航空、国防等高技术领域以及汽车、家电等新兴产业。 1．1复合超硬材料的主要产品用途?当前,复合超硬材料的产品主要分为四类:石油天然气钻头用聚晶金刚石复合片、煤田矿山用聚晶金刚石复合片、聚晶金刚石高品级拉丝模坯和刀具用聚晶金刚石/聚晶立方氮化硼复合片。 (1）石油天然气钻头用聚晶金刚石复合片 石油天然气聚晶金刚石复合片是由无数微小金刚石颗粒和粘结剂混合组成的切削层和硬质合金衬底层在高温高压下烧结合成的，具有很高强度、硬度、耐磨性、抗冲击
现代陶瓷材料发展及应用 摘要:本文简述了现代技术陶瓷最新研究、发展动态以及在实际中的应用,其中包括结构陶瓷、陶瓷基复合材料和功能陶瓷三个部分。还介绍了绿色陶瓷的发展及前景,科 学家试图使陶瓷生产与环境和谐完美的结合,开发出新型的绿色陶瓷材料。 关键词:陶瓷材料绿色陶瓷碳化硅晶须切削刀具氧化铝非氧化物陶瓷功能陶瓷结构陶瓷陶瓷基复合材料发展应用环境和谐 参考文献:《陶瓷材料概述》《现代技术陶瓷展与应用》《绿色陶瓷的发展前景》《陶瓷生产与环境和谐》 我国是一个具有悠久历史的陶瓷古国,在世界长期享有盛誉。当今陶瓷可以说已然成为了对我们生活产生重大影响的一门重要学科。近半个多世纪以来,随着先进陶瓷材料的研究和开发,在与人类生活息息相关的各个领域,如电子、通讯、能源、交通、宇宙探索和国家安全等,都能找到陶瓷的身影。可以说现代人的生活离不开陶瓷,陶瓷的进步给人类带来的是生活方式的日新月异。 陶瓷材料一般分为传统陶瓷和现代技术陶瓷两大类。传统陶瓷是指用天然硅酸盐粉末(如黏土、高岭土等为原料生产的产品。因为原料的成分混杂和产品的性能波动大,仅用于餐具、日用容器、工艺品以及普通建筑材料(如地砖、水泥等,而不适用于工业用途。现代技术陶瓷是根据所要求的产品性能,通过严格的成份和生产工艺控制而制造出来的高性能材料,主要用于高温和腐蚀介质环境,是现代材料科学发展最活跃的领域之一。 现代陶瓷材料主要有三大领域:结构陶瓷、陶瓷基复合材料和功能陶瓷。 一、结构陶瓷 同金属材料相比,陶瓷的最大优点是优异的高温机械性能、耐化学腐蚀、耐高温氧化、耐磨损、比重小(约为金属的1/3,因而在许多场合逐渐取代昂贵的超高合
功能陶瓷材料总复习
功能陶瓷材料总复习 绪论 什么是功能陶瓷？常见的功能陶瓷的分类、特性与用途。 1、定义：指具有电、磁、光、声、超导、化学、生物等特性，且具有相互转化功能的一类陶瓷。 2、分类：电容器陶瓷、压电、铁电陶瓷、敏感陶瓷、磁性陶瓷、导电、超导陶瓷、生物与抗菌陶瓷、发光与红外辐射陶瓷、多孔陶瓷。 3、特性：性能稳定性高、可靠性好、资源丰富、成本低、易于多功能转化和集成化等 4用途：在自动控制、仪器仪表、电子、通讯、能源、交通、冶金、化工、精密机械、航空航天、国防等部门均发挥着重要作用。举例：电容器陶瓷、谐振器元器件基材料、压电式动态力传感器、压电式振动加速度传感器。 介电陶瓷 以感应的方式对外电场作出响应，即沿着电场方向产生电偶极矩或电偶极矩的改变，这类材料称为电介质 各种极化机制以及频率范围。 极化机制：电子极化、离子极化、偶极子极化、空间电荷极化 松弛极化 频率范围：
铁电体， 晶体在某温度范围内具有自发极化Ps,且自发极化Ps的方向能随外电场而取向，称为铁电体。材料的这种性质称为铁电性。 电畴:铁电体中自发极化方向一致的微小区域 铁电体的特性:铁电体特性包括电滞回线Hysteresis loop、电畴Domains、居里点Tc及居里点附近的临界特性。 电滞回线: 铁电体的P 滞后于外电场E而变化的轨迹（如图
居里点Tc:顺电相→铁电相的转变温度 T>Tc 顺电相 T
精心整理史上最全的陶瓷材料3D打印技术解析 南极熊3D打印网2017-07-11现在已经陆续出现一些陶瓷3D打印机，价格100万到500万人民币的都有。南极熊希望下文可以给读者带来全面的认识。“增材制造”的理念区别于传统的“去除型”制造。传统数控制造一般是在原材料基础上，使用切割、磨削、腐蚀、熔融等办法，去除多余 体模型，而后用分层软件对其进行分层处理，即将三维模型分成一系列的层，将每一层的信息传送到成型机，通过材料的逐层添加得到三维实体制件。跟传统模型制作相比，3D打印具有传统模具制作所不具备的优势：1.制作精度高。经过20年的发展，3D打印的精度有了大幅度的提高。目前市面上的3D打印成型的精度基本上都可以控制在0.3mm以下；2.制作周
期短。传统模型制作往往需要经过模具的设计、模具的制作、制作模型、修整等工序，制作的周期长。而3D打印则去除了模具的制作过程，使得模型的生产时间大大缩短，一般几个小时甚至几十分钟就可以完成一个模型的打印；3.可以实现个性化制作。3D打印对于打印的模型数量毫无限制，不管一个还是多个都可以以相同的成本制作出来，这个优势为3D打印开 陶瓷材料烧结性能非常重要，陶瓷颗粒越小，表面越接近球形，陶瓷层的烧结质量越好。陶瓷粉末在激光直接快速烧结时，液相表面张力大，在快速凝固过程中会产生较大的热应力，从而形成较多的微裂纹。目前，陶瓷直接快速成型工艺尚未成熟，国内外正处于研究阶段，还没有实现商品化。目前，比较成熟的快速成型方法有如下几种：分层实体制造(简称LOM）；
熔化沉积造型（简称FDM）；形状沉积成型（简称SDM）；立体光刻（简称SLA）；选区激光烧结（简称SLS)；喷墨打印法(简称IJM）。2.1分层实体制造（LOM）分层实体制造采用背面涂有热熔胶的薄膜材料为原料，用激光将薄膜依次切成零件的各层形状叠加起来成为实体件，层与层间的粘结依靠加热和加压来实现。LOM最初使用的材料是纸，做出的部件相当于木 和 面LOM LOM ABS 末和有机粘结剂相混合，用挤出机或毛细血管流变仪做成丝后用FDM设备做出陶瓷件生胚，通过粘结剂的去除和陶瓷生胚的烧结，得到较高密度的陶瓷件。适用于FDC工艺的丝状材料必须具备一定的热性能和机械性能，黏度、粘结性能、弹性模量、强度是衡量丝状材料的四个要素。基于这样的限制条件，Rutgers大学的陶瓷研究中心开放出称为RU系列的有机粘结
1 复合超硬材料简介 1.1 复合超硬材料基本情况 金刚石和立方氮化硼等材料由于其极高的硬度，统称为超硬材料，具有硬度高、耐磨和热传导性能好、热膨胀系数低等优异性能。 目前，超硬材料主要分为单晶超硬材料和聚晶超硬材料（也称为“复合超硬材料”）两类。单晶超硬材料主要为单晶金刚石/立方氮化硼微粉；聚晶超硬材料主要是指以金刚石或立方氮化硼与相关粘结剂经过烧结工艺制备的复合材料。 两类材料的主要区别为：单晶金刚石/立方氮化硼材料的特点为硬度更高、耐热性更好，但尺寸较小，多用于制造锯片等切割工具；聚晶金刚石/立方氮化硼的特点是硬度、耐热性略逊于单晶材料，但是由于聚晶超硬材料是内部结构紧密的金刚石致密体，可以增加工具的切割面积，同时克服了单晶超硬材料由于粘结面积小造成的容易从锯片表面脱落的弊端，具有更高的耐磨性。 总的来说，复合超硬材料相对于传统合金材料具有强大的替代性，市场潜力更大，广泛应用于机械、冶金、地质、石油、煤炭、石材、建筑等传统领域，电子信息、航天航空、国防军工等高技术领域以及汽车、家电等新兴产业。 1.2 复合超硬材料的主要产品用途
当前，复合超硬材料的产品主要分为四类：石油天然气钻头用聚晶金刚石复合片、煤田矿山用聚晶金刚石复合片、聚晶金刚石高品级拉丝模坯和刀具用聚晶金刚石/聚晶立方氮化硼复合片。 （1）石油天然气钻头用聚晶金刚石复合片 石油天然气聚晶金刚石复合片是由无数微小金刚石颗粒和粘结 剂混合组成的切削层和硬质合金衬底层在高温高压下烧结合成的，具有很高强度、硬度、耐磨性、抗冲击性以及良好的自锐性，这些优良特性使其能够应用在岩石的钻探领域。该产品主要作为石油天然气钻头的切削齿，是钻头上起到切削和掘进的核心部件。 （2）煤田矿山钻头用聚晶金刚石复合片 由于具有硬度高、耐磨性强、抗冲击韧性良好等特点，复合超硬材料除了可用于制作石油天然气用钻头外，还可用于制作煤田矿山钻头用PCD复合片，其用途并不局限制造于煤田和矿山作业用的钻进和切割工具，还可广泛应用于制造建筑建造、水电工程施工、凿岩破碎、公路修补等众多领域的钻进工具。 （3）聚晶金刚石高品级拉丝模坯 拉丝模是各种金属线材生产厂家（如电线电缆厂、钢丝厂、焊条焊丝厂等）拉制线材的一种非常重要的易消耗性模具。拉丝模的适用范围十分广泛，主要用于拉拔棒材、线材、丝材、管材等直线型难加
新型陶瓷材料的应用与 发展 Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998
新型陶瓷材料的应用与发展摘要：本文首先简单介绍了传统陶瓷材料向现代新型陶瓷材料转变的过程，新型陶瓷材料克服了传统陶瓷本身内部的缺陷，故使其性能大大提高，扩大了应用领域。然后论述了新型陶瓷材料分为结构陶瓷和功能陶瓷，以及它们耐高温、生物相容性能、电磁性、质量轻等特性及各自的应用领域，重点讨论了新型陶瓷材料在航空航天、军事、生物工程、电子工业等的应用，最后简单说明了新型陶瓷材料的近况和发展趋势。 关键字：新型陶瓷材料应用发展 引言：在当今科技高度发展的工业社会,每一项工业化的成就都与材料科学、材料的制造及实际使用有着密不可分的关联,它使得某些新的科学设想、构思及生产过程得以实现。离开了材料科学与材料工业,世界上的许多科学创造和发明都是难以实现或达到的。陶瓷材料是继金属材料,非金属高分子材料之后人们所关注的无机非金属材料中最重要的一种，因为它同时兼有金属和高分子材料两者的共同优点,此外在不断的改性过程中,已使它的易碎裂的性能有了很大的改善。因此,它的应用领域和各类产品都有一个十分明显的提高。 1.传统陶瓷材料到新型陶瓷材料的演变 陶瓷一词(Ceramics) 来源于古希腊Keramos 一词,意为地球之神。传统的陶瓷材料含意很广泛,它主要指铝、硅的氮化物,碳化物,玻璃及硅酸盐类。虽然传统陶瓷具有一定的耐化学腐蚀特性和较高的电阻率、熔点高,可耐高温,硬度高,耐磨损,化学稳定性高,不腐蚀等优点。但它也存在着塑料变形能力差,易发生脆性破坏和不易加工成型等缺点,这些原因大大地限制了在工业的应用范围，特别是在机械工业上的应用。而在电器上的应用也主要局限在高压电瓷瓶及其绝缘体部件等少数几个方面。 为此人们开展对传统的陶瓷材料进行改性研究和有关材料的人工合成开发,现代合成技术已经能够通过物理蒸发溅射(Vapor processing) 溶液法(Aqueous precipitation) 溶胶—凝胶技术(Solgel-technology) 及其它先进技术改造传统陶瓷或人工合成极少缺陷的陶瓷材料,其中较为重要的有Si3N4 ,A12O3 等。合成的陶瓷材料与传统陶瓷材料相比，它的性能大大提高,与其它材料相比,在同样强度下这些材料具有良好的化学、热、机械及摩擦学(tribology)特性。它质轻,可以耐高温,硬度高,抗压强度有时超过金属及合金,具有较强的抗磨性和化学隋性、电及热的绝缘性都相当好,特别是由于采用纯净材料,消除了缺陷( eliminate-defects) , 它的易脆性( brittleness) 得到了极大的改善,因此其应用,特在现代机械业的应用日益广泛。目前巳有大量的新型陶瓷材料被用于工业高温抗磨器件、机械基础元器件,除此之外,电子及电信行业,生物医疗器件乃至于陶瓷记忆材料,超导陶瓷等应用都与新型陶瓷材料的研制与开发有关。 2.新型陶瓷材料特性与分类 新型陶瓷材料按照人们目前的习惯可分为两大类，即结构陶瓷（Structural ceramics）（或工程陶 瓷）和功能陶瓷（ Functional ceramics），将具有机械功能、热功能和部分化学功能的陶瓷列为结构陶瓷， 而将具有电、光、磁、化学和生物体特性，且具有相互转换功能的陶瓷列为功能陶瓷。随着科学技术的发展， 各种超为基数和符合技术的运用，材料性能和功能相互交叉渗透，确切分类已经逐渐模糊和淡化。根据现代科 学技术发展的需要，通过对材料结构性能的设计，新型陶瓷材料的各种特性得到了充分的体现。 3.新型陶瓷的应用与发展 新型陶瓷是新型无机非金属材料, 也称先进陶瓷、高性能陶瓷、高技术陶瓷、精细陶瓷, 为什么能得到高 速发展, 归纳起来有四方面原因：①具有优良的物理力学性能、高强、高硬、耐磨、耐腐蚀、耐高温、抗热震 而且在热、光、声、电、磁、化学、生物等方面具有卓越的功能, 某些性能远远超过现代优质合金和高分子材料, 因而登上新材料革命的主角地位, 满足现代科学技术和经济建设的需要。②其原料取于矿土或经合成而得, 蕴藏量十分丰富。③产品附加值相当高, 而且未来市场仍将持续扩展。④应用十分广泛, 几乎可以渗透到各 行各业。 应用领域 功能陶瓷主要在绝缘、电磁、介电以经济光学等方面得到广泛应用；结构陶瓷除了耐低膨胀、耐磨、耐腐 蚀外，还有重量轻、高弹性、低膨胀、电绝缘性等特性。因而在很多领域得到应用应该是以陶瓷燃气轮机为代 表的耐高温陶瓷部件陶瓷广泛用于道具及模具等耐磨零件，这方面的应用主要是利用陶瓷的高硬度、低磨耗 性、低摩擦系数等特性。另一方面，陶瓷材料具有其他材料所没有的高刚性、重量轻、耐蚀性等特性，从而被 有效地应用在精密测量仪器和精密机床等上面。另外，因为陶瓷材料具有很好的化学稳定性和耐腐蚀性，在生 物工程以及医疗等方面也得到广泛的应用。下面将分几方面来介绍新型陶瓷材料的应用领域。 1)航空航天材料:陶瓷基复合材料（Ceramic Matrix Composites） 当前耐高温材料已经成为航天先进材料中的由此岸优先发展方向，材料在高温下的应用对航天技术特别 是固体火箭等领域具有极其重要的推动作用。随着航空技术的发展气体涡轮机燃烧室中燃气的温度要求越来越高，并更紧密地依赖于高温材料的研究开发，而先进陶瓷及其陶瓷基复合材料具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀质 量轻等优异性能，是最具有希望代替金属材料用于热端部件的候选材料[4]。为此世界各国开展对陶瓷发动机的 研究工作。美、欧、日等越来越多的人体涡轮机设计者们开始用陶瓷基复合材料来制作旋转件和固定件。当前 对高温结构陶瓷的研究主要集中于Sic、Si3N4、Al2O3和ZrO2等，尤其以Si3N4高温结构陶瓷最引人注目。这类 陶瓷的综合性能较突出，它们有良好的高温强度，已经在航空涡轮发动机等方面得到了应用，非常适用于制作
史上最全的陶瓷材料3D打印技术解析 南极熊3D打印网2017-07-11 现在已经陆续出现一些陶瓷3D打印机，价格100万到500万人民币的都有。南极熊希望下文可以给读者带来全面的认识。“增材制造”的理念区别于传统的“去除型”制造。传统数控制造一般是在原材料基础上，使用切割、磨削、腐蚀、熔融等办法，去除多余材料，得到零部件，再以拼接、焊接等方法组合成最终产品。而“增材制造”与之不同，无需原胚和模具，就能直接根据计算机图形数据，通过增加材料的方法生成任何形状的物体，简化产品的制造程序，缩短产生的研制周期，提高效率并降低成本。陶瓷材料具有优良高温性能、高强度、高硬度、低密度、好的化学稳定性，使用其在航天航空、汽车、生物等行业得到广泛应用。而陶瓷难以成型的特点又限制了它的使用，尤其是复杂陶瓷制件的成型均借助于复杂模具来实现。复杂模具需要较高的加工成本和较长的开发周期，而且，模具加工完毕后，就无法对其进行修改，这种状况越来越不适应产品的改进即更新换代。采用快速成型技术制备陶瓷制件可以克服上述缺点。快速成型也叫自由实体造型，是20世纪60年代中期兴起的高兴技术。1.陶瓷3D打印快速成型技术的本质是采用积分法制造三维实体，在成型过程中，先用三维造型软件在计算机生成部件的三维实体
模型，而后用分层软件对其进行分层处理，即将三维模型分成一系列的层，将每一层的信息传送到成型机，通过材料的逐层添加得到三维实体制件。跟传统模型制作相比，3D 打印具有传统模具制作所不具备的优势： 1.制作精度高。经过20年的发展，3D 打印的精度有了大幅度的提高。目前市面上的3D打印成型的精度基本上都可以控制在0.3 mm 以下； 2. 制作周期短。传统模型制作往往需要经过模具的设计、模具的制作、制作模型、修整等工序，制作的周期长。而3D打印则去除了模具的制作过程，使得模型的生产时间大大缩短，一般几个小时甚至几十分钟就可以完成一个模型的打印；3. 可以实现个性化制作。3D打印对于打印的模型数量毫无限制，不管一个还是多个都可以以相同的成本制作出来，这个优势为3D打印开拓新的市场奠定了坚实的基础； 4. 制作材料的多样性。一个3D 打印系统往往可以实现不同材料的打印，而这种材料的多样性可以满足不同领域的需要。比如金属、石料、高分子材料都可以应用于3D 打印。 5. 制作成本相对低。虽然现在3D 打印系统和3D 打印材料比较贵，但如果用来制作个性化产品，其制作成本相对就比较低了。加上现在新的材料不断出现，其成本下降将是未来的一种趋势。有人说在今后的十年左右，3D 打印将会走进普通百姓家里。 2 陶瓷3D打印的主要技术分类3D 打印用的陶瓷粉末是陶瓷粉末和某一种粘结剂粉末所组成
[转载]西苑沙龙第一次会议——超材料技术发展战略研讨会召开 2013年5月8日，第一次西苑沙龙会议在北京西苑饭店召开。此次会议的主题为“超材料技术发展战略”。超材料是新材料技术发展的热点方向，备受科技界和产业界的关注。来自863计划新材料技术领域主题专家、科技界和工业部门等的14位专家参加了会议。 会议邀请了863计划新材料领域新型功能与智能材料专家组召集人周少雄教授，做了题为“超材料技术发展战略思考”的主题报告，并邀请深圳光启研究院刘若鹏院长等4位专家就工业级超材料技术的创建与发展、超材料在微波光波等领域应用、超材料与自然材料的融合等方面问题做了专题报告。与会专家就超材料概念、应用前景、面临的挑战、技术路线、发展重点等展开了热烈的讨论和争论，各抒己见，并就我国超材料技术发展战略与对策提出宝贵的意见和建议。 附： “西苑沙龙”是科技部高技术研究发展中心为了推动国家科技计划相关领域发展战略研究，举办的以西苑饭店为场地的系列科技发展战略和学术研讨沙龙活动。沙龙重点围绕高技术、基础研究及其学科交叉领域的发展前沿与趋势、重大应用和产业发展需求方面的重大问题，探讨科技前沿、讨论最新突破性进展，展望未来发展趋势。沙龙鼓励与会者本着“客观、求实，融合、创新”的原则，以客观求实的态度，发表自己的学术观点；鼓励和引导多学科交叉融合，激励创新思想。 德国研制出“隐热”衣让热“弯曲”传导 利用特殊的超介质材料让光线、声音绕过物体传播，能达到隐形、隐身的效果。据物理学家组织网5月9日（北京时间）报道，最近，德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）研究人员成功演示了超材料同样也能影响热的传导。他们的“隐热”衣能让热力“弯曲”似的、绕过中央的隐藏区而传导。相关论文发表在最近的《物理评论快报》上。 这种“隐热”衣是用铜和硅制造的一个盘子，盘子虽能导热但其中心的圆形区域却不会受热力影响。“这两种材料必须排列得十分巧妙。”论文第一作者、KIT的罗伯特·斯奇特尼解释说，铜是热的良导体，而所用的硅材料叫做PDMS，是一种不良导体。“我们给一个薄铜盘制作了多重环形花纹的硅结构，使它能从多个方向，以不同的速度来传导热量，这样绕过一个隐藏目标所需的时间就能互相弥补。” 如果给一个简单的金属盘的左边加热，热量会一致地向右传导，盘子的温度从左到右会呈下降趋势。如果用这种铜硅超介质材料来做这个实验，也会表现出类似现象，但却只在盘子外圈呈现温度从左到右的下降，没有热量能穿透到内部，在内圈没有任何被加热的迹象。
超硬磨料及其磨具的选择与应用 磨削过程就是磨具中的磨粒对工件的切削过程。选择磨具就是要充分利用磨粒的切削能力去克服工件材料的物理力学性能产生的抗力。由于磨具的品种规格繁多，而每一种磨具都不是万能的切削工具，只有一定的适用范围。因此对每一种磨削工作，都必须适当选择磨具的特性参数，才能达到良好的磨削效果。磨具特性主要包括磨粒、粒度、硬度、结合剂、组织、形状和尺寸。这里从磨具特性方面叙述选择磨具的一般原则。 一.超硬磨料及其磨具 (一)超硬磨料磨具的加工特点 超硬磨料系指金刚石和立方氮化硼均属立方晶系。与刚玉和碳化硅相比，具有硬度高、强度好、颗粒形状好、良好的导热性和低的热膨胀系数等特点。磨削能力强及良好的磨削性能。是非常优异的磨削材料。 由超硬磨料制成的磨具，其磨削性能突出，主要加工特点有： 1．极高的磨料硬度 2．耐磨损性能好 3．形状和尺寸保持性能好 4．能长时间保持磨粒微刃的锋锐性 5．磨削温度低 (二)超硬磨料磨具的特性 1.超硬磨料磨具结构 超硬磨料磨具的结构与普通 磨具不同，其结构形式由工作 层、过渡层和基体三部分组成。 如图一所示。工作层即磨料层， 由金刚石或立方氮化硼磨料、结 合剂及填料组成。是磨具 进行磨削加工的部分。过渡层是 由结合剂和其它材料组成，以保图一超硬磨料金刚石、立方氮化硼磨具结构
证工作层的充分使用，不含超硬磨料，将工作层牢固把持在基体上。近年来，有些厂家取消了过渡层，直接将过渡层把持在基体上。基体是磨具的基本形体，起支承工作层的作用。 2.超硬磨料磨具的特性及标志 ⑴磨料超硬磨料的品种有天然金刚、人造金刚石及立方氮化硼（CBN）。人造金刚石又有多种牌号。人造金刚石、立方氮化硼的品种、代号及适用范围列于表一表一人造金刚石和立方氮化硼品种、代号及适用范围（摘自GB/T6405-1994） ⑵粒度粒度系标志超硬磨料金刚石、立方氮化硼颗粒尺寸的大小。粒度的标记按国家标准的规定，超硬磨料的各粒度颗粒尺寸范围及粒度组成按表二规定。 ⑶结合剂结合剂起着把持超硬磨料和使磨具具有正确的几何形状的作用。超硬磨料磨具的结合剂分四大类，即树脂结合剂(B)、金属(青铜)结合剂(M)，陶瓷结合剂(V)，电镀金属结合剂(M) ⑷浓度浓度是超硬磨料磨具所特有的概念。它表示磨具工作层单位体积中超硬磨料的含量。一般规定为每立方厘米体积中含4.4克拉(1克拉＝0.2g，0.88g/cm3)的超硬磨料磨具的浓度为100%；每增加或减少1.1克拉磨料，则浓度增加或减少25%。不同浓度超硬磨料磨具中磨料含量及代号列于表三。
超硬材料的性能与应用 摘要：本文在超硬材料的基础上讨论了其良好性能及在工业上的应用，同时提出超硬材料在其领域内所应该开发的新应用。重点分析了超硬材料在应用过程中所表现出其他材料所不能替代的性能。本文通过查阅相关文献阐述了超硬材料综述了超硬料的结构及其性能特点,为今后超硬材料在工业上的进一步发展有提供前景。关键字：超硬材料、金刚石、立方碳化硼、性能、应用等 一、超硬材料的简介所谓的超硬材料则是指硬度可与金刚石相比拟的材料。目前使用的超硬材料主要是立方氮化硼与金刚石，但是还是许多超硬材料正在研发中，如碳化硼，富硼氧化物等。金刚石包括天然金刚石和人造金刚石，天然金刚石是目前世界上最硬的工业材料，它具有硬度高、耐磨损、热稳定性能好等特性，而且抗压强度高、散热速率快、传声速率快、电流阻抗、防蚀能力、透光、低热胀率等物理性能，是工业材料中不可替代的材料；人造金刚石是加工业最硬的磨料，电子工业最有效的散热材料，半导体最好的晶片，通讯元器件最高频的滤波器，音响最传真的振动膜，机件最稳定的抗蚀层等等，已经被广泛应用于冶金、石油钻探、建筑工程、机械加工、仪器仪表、电子工业、航空航天以及现代尖端科学领域。 立方氮化硼CBN是硬度仅次于金刚石的材料，但是目前并未发现天然立方氮化硼的存在，工业和日常生活中使用的都是人造的。它具有与金刚石的许多特性相比拟的特点，同时也具有更高的热稳定性和对铁族金属及其合金的化学惰性。它作为工程材料，已经广泛应用于黑色金属及其合金材料加工工业。同时，它又具有优异的热学、电学、光学和声学等性能，在一系列高科技领域得到应用，成为一种具有发展前景的功能材料。 二、超硬材料的性能A）结构组成：金刚石是碳原子按四面体成键方式互相连接，组成无限的三维骨架，是典型的原子晶体。每个碳原子都以SP3杂化轨道与另外4个碳原子形成共价键，构成正四面体。由于C-C键很强，所以所有的价电子都参与了共价键的形成，没有自由电子，所以钻石不仅硬度大，熔点极高，而且不导电。氮化硼是立方结构。 B）力学性能：金刚石是目前地球上最硬的物质，莫氏硬度为10。新摩氏硬度15，显微硬度10000kg/mm2，显微硬度比石英高1000倍，比刚玉高150倍。金刚石硬度具有方向性，八面体晶面硬度大于菱形十二面体晶面硬度，菱形十二面体晶面硬度大于六面体晶面硬度。较脆，在不大的冲动力下会沿晶形解理面裂开质纯、结晶完好的为3520 kg/m3，一般为3470~3560 kg/m3。具有平行八面体的中等或完全解理，平行十二面体的不完全解理。呈贝壳状或参差状。金刚石具有极大的弹性模量，是自然界最高的磨削材料，弹性模量达90000kg/mm。摩擦系数小，有极高的抗磨能力，因此在金刚石选矿中利用这一特性，采用球磨机、锥形磨矿机来分离金刚石。但金刚石极脆，不能承受正向的外力撞击。硬度高、耐磨性好。 立方氮化硼烧结体的硬度一般在3500~4000Hv，陶瓷；2400 Hv，硬质合金1800 Hv左右。高硬度带来了相当好的耐磨性，一般讲，立方氮化硼的耐磨性是涂层合金的30倍，是无涂层硬质合金的50倍，是陶瓷刀片的15~20倍。C）热学性能：熔点：金刚石熔点达4000℃，在空气中燃烧温度为850~1000℃，在纯氧中720~800℃燃烧，金刚石发出浅蓝色火焰，并转化成二氧化碳。热导率一般为138.16W/(m?K)。但Ⅱa型金刚石的热导率特别高，在液氮温度下为铜的25倍，并随温度的升高而急剧下降。低温时热膨胀系数极小，随温度的升高，热膨胀系数迅速增大。 立方氮化硼在1370o以上才开始由立方晶体向六方晶体转化；在1000oC的高温下切削，其表面不会产生氧化，高温下硬度降低程度也比硬质合金和陶瓷刀片小的多，这就为高速切削创造了条件。导热系数为79.54w/m,k，仅次于金刚石，随温度提高，导热系数逐渐增大，有利于散热。D）磁电性能：金刚石为无磁性重部分矿物(p>2.9)因此在选矿中不能采用电