无机非金属材料工学陶瓷部分复习资料

1、 陶瓷复习一、 1、什么是陶瓷：陶瓷的狭义定义以粘土为主要原料，经高温烧制的制品。 陶瓷的广义定义经高温烧制的无机非金属材料的总称 精确定义用天然原料或人工合成的粉状化合物，经成形和高温烧结制成的，由金属和非金属元素构成的多晶固体材料。2、无机非金属材料：无机非金属材料指某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、硫系化合物（包括硫化物、硒化物及碲化物）和硅酸盐、钛酸盐、铝酸盐、磷酸盐等含氧酸盐为主要组成的无机材料。 3、陶瓷的分类： 陶器与瓷器的区别 性能类别吸水率（）透光性胎 体 特 征敲击声 陶 器一般3不透光未玻化或玻化程度差，结构不致密，断面粗糙沉 浊 瓷 器一般3 透光玻化程度高，结

2、构致密，断面呈石状或贝壳状清 脆 现代陶瓷的分类 主要种类类 别按用途、性能等细分的品种普通陶瓷日用陶瓷餐茶具中西餐茶具：盘，碗，杯，碟，壶等陈设瓷花瓶，陶瓷雕塑，陶瓷画，建筑卫生陶瓷墙地砖外墙砖，内墙砖，地砖卫生陶瓷洗面器，大小便器，洗涤器，手纸盒电瓷低压电瓷用于1KV的电瓷高压电瓷用于1KV的电瓷，特种陶瓷功能陶瓷电子陶瓷利用本征特性，如装置瓷，电阻等 功能陶瓷利用功能特性，如敏感、压电陶瓷特种陶瓷结构陶瓷利用本征特性，如高强度，耐高温，  耐磨，耐腐蚀等二、原料1、粘土：粘土是自然界中硅酸盐岩石（主要是长石）经过长期风化作用而形成的一种疏松的或呈胶

3、状致密的土状或致密块状矿物，是多种微细矿物和杂质的混合体。 特征：自然界的粘土呈白、黄、红、黑、灰等多种颜色，颗粒微细，多数均小于2m，晶体有片状、管状、球状及六角鳞片状等。将其与水拌和能塑成各类形状，干后形状不变，且有一定机械强度，煅烧后坚硬如石。 性质：（1）可塑性：当粘土与适量的水混练后形成泥团，此泥团在外力作用下产生变形但不开裂，当外力去掉以后，仍能保持其形状不变，粘土的这种性质称为可塑性。常用“可塑性限度（塑限）”、“液性限度（液限）”、“可塑性指数”、“可塑性指标”和相应含水率等参数来表示粘土可塑性的大小。（2）结合性：粘土的结合性是指粘土能够结合非塑性原料而形成良好的可塑泥团，并

4、且有一定干燥强度的能力。粘土的结合性由其结合瘠性料的结合力的大小来衡量，而结合力的大小又与粘土矿物的种类、结构等因素有关。一般而言，可塑性强的粘土其结合力也大。（3）离子交换性：粘土颗粒带有电荷，其来源是SiO4四面体中的Si4+被Al3+取代而出现负电荷，为了保持粘土颗粒表面的电价平衡，粘土颗粒在水系统中则吸附其他异电荷离子。然而，被吸附的离子又会被其他同性电荷的离子置换，发生离子交换。（4）触变性：粘土泥浆或可塑泥团受到振动或搅拌时，粘度会降低，泥浆的流动性会增加，静置后恢复原状。此外，当泥浆放置一段时间后，在原水分不变的情况下会出现变稠和固化现象。这种性质我们叫它为触变性。（5）收缩：粘

5、土的收缩分为干燥收缩和烧成收缩。粘土泥料在干燥时颗粒间的水分排出，颗粒互相靠拢，引起体积收缩，称为干燥收缩。当粘土泥料煅烧时，由于发生一系列物理化学变化（如脱水作用、分解作用、莫来石的生成、易熔杂质的熔化，以及这些熔化物充满质点间空隙等等） ，粘土泥料再度收缩，称为烧成收缩。成型试样经干燥、煅烧后的尺寸总变化称总收缩。（6）烧结性能：粘土是由多种矿物组成的物质，它无固定熔点，而是在一个较大的温度范围内逐渐软化。 就是当粘土被加热到一定温度时（一般八九百度），由于易熔融而开始出现液相。液相填充在未熔颗粒之间的空隙中，靠其表面张力作用的拉紧力，使粘土的气孔率下降，密度提高，体积收缩，变得致密坚实，

6、在气孔率下降到最低值、密度达到最大值时的状态称为烧结状态。烧结时对应的温度称为烧结温度。 什么叫烧结范围呢？ ：粘土烧结后，温度继续上升时，会出现一个稳定价段。在此阶段中，气孔率与体积密度不发生显著变化。持续一段时间后，当温度继续升高时，气孔率又开始逐渐增大，密度逐渐下降，出现过烧膨胀。从开始烧结到过烧膨胀之间的温度间隔称为烧结范围。 （7）耐火度 refractoriness耐火度系粘土原料抵抗高温作用不致熔化的能力。它反映了材料在无荷重时抵抗高温作用的稳定性。表征物体抵抗高温而不熔化的性能指标。耐火度不是物质的物理常数，而是一个技术指标，它的高低由物料的化学组成、分散度、液相在其中所占比例

7、以及液相粘度等所决定。2、石英类原料: 由二氧化硅单独形成的矿物,地壳中石英的含量约为12%,仅次于长石族矿物的含量。 (1) 石英砂的性质 石英是一种坚硬、耐磨、化学性能稳定的硅酸盐矿物，其主要矿物成分是SiO2 ，石英砂的颜色为乳白色或无色半透明状，硬度7，性脆无解理，贝壳状断口，油脂光泽，相对密度为2.65，其化学、热学和机械性能具有明显的异向性，不溶于酸，微溶于KOH溶液，熔点1750。 (2) 石英的种类: 由于地质产状不同，石英呈现为多种状态，其中最纯的石英称为水晶。因水晶产量很少，除了制造石英玻璃外，一般无机非金属材料制品无法采用。在陶瓷、玻璃、耐火材料生产中采用得较多的石英类原

8、料主要有脉石英、砂岩、石英岩、石英砂、硅藻土、隧石等。(3) 石英的晶型转化(变): 又称多晶转变。同种物质由于环境温度变化，材料中晶体结构发生相应变化的现象。 晶型转变的温度称为转变点，也即相变点。 晶型转变可分为可逆和不可逆转变两大类。还有快速转变(即位移型)和慢速转变(即断键重组型)之分。 由于不同晶型比重不同，内部质点排列不同，因此晶型转变时伴有体积变化、导电率变化和比热容变化等现象发生，对材料生产工艺和使用有重要影响。 习惯上，把该图中的横向转变，即石英、鳞石英与方石英间的转变，称为一级变体间的转变；把图中的纵向转变，即同系列的、和 变体间的转变，称为二级变体间的转变，也叫做高低温型

9、转变。石英转变的作用：工艺控制：若制品中含有石英时，可以通过控制升温和 冷却速率，来避免体积效应引起的开裂。石英粉碎：如将石英加热到10001100，后急冷，使其内部产生微裂纹，便于粉碎。石英在陶瓷工业中的作用是什么？ 石英在瓷坯中的作用1） 石英是瘠性原料，在坯内可调节泥料的可塑性，降低干燥收缩，缩短干燥时间，防止坯体变形。2） 在烧成时，由于石英的膨胀适当地抵消了坯体烧成收缩；而且当玻璃质大量出现时，石英又成为陶瓷的骨架，可以防止变形等缺陷。3） 石英在高温下化学亲和力甚强，能与多种氧化物化合，高温粘度甚高。4） 增加坯体的机械强度和透明度。 石英在瓷釉中的作用:1）石英在釉内被多种易熔物

10、CaO、Na2O、K2O、MgO熔融生成透明状石英玻璃，使釉面光亮，提高其光泽度。2）石英在釉中的热膨胀系数小，耐热性能好。3）石英软化温度高，高温下液相粘度大。4）石英能增加釉的机械强度，提高釉面硬度，使釉面耐磨，且化学稳定性也好，受酸碱腐蚀的影响也较小。5）能使釉面透明光亮。3、长石类原料 ：长石是熔剂性原料。在陶瓷坯料、釉料和玻璃配合料中作为熔剂的基本组分。 自然界中长石的种类很多，归纳起来都是由钾长石、钠长石、钙长石和钡长石四种简单的长石组合而成。名称化学式熔点相对密度钾长石K2O·Al2O3·6SiO21150 2.602.65钠长石 Na2O·Al2O

11、3·6SiO2 1100 2.562.59钙长石 CaO·Al2O3·2SiO2 1550 2.742.76钡长石 BaO·Al2O3·2SiO2 1715 3.37常用的长石类型及其特点类型钾钠长石族斜长石族透长石正长石微斜长石斜长石基本特点钠长石含量50%，单斜晶系，生成温度900950，产于喷出岩钠长石含量30%，单斜晶系，生成温度900950，产于侵入岩和变质岩钠长石含量20%，三斜晶系，生成温度900以下，多产于伟晶岩和变质岩钠长石和钙长石形成的连续固溶体长石在陶瓷工业中的作用 长石在瓷坯中的作用1） 与石英一样都是瘠性原料，在坯内可

12、增快坯件干燥，减少干燥收缩和变形。2） 长石作为熔剂物质，能降低陶瓷产品的烧成温度。3） 长石加热到1100度以上，熔融后生成玻璃态物质具有熔解其它物质的能力，能促使高岭土与其它瓷土的颗粒，互相扩散，相互渗透，因而加速坯体莫来石晶体的生成和发育。4） 长石熔融成玻璃态后，填充于各结晶颗粒之间，气孔率显著下降，减少了空隙，使坯体致密，可提高制品的机械强度及电气性能。 长石在瓷釉中的作用:1） 长石和石英等原料高温熔化后所形成的玻璃态物质是釉层的主要成份。2） 熔点低，易玻化。在1100度就开始熔融，高温下生成的长石玻璃能溶解粘土及石英等原料。3） 能使釉有较高的光泽度，透明融亮。4） 熔融范围宽

13、，熔融物粘度高。5） 降低釉子的膨胀系数及高温流动性。6） 耐浸蚀性能好。 4、其他陶瓷原料 钙质原料：方解石、石灰石、白云石 镁质原料：滑石是天然的含水硅酸镁矿物。化学通式为3MgO·4SiO2·H2O，常含有Fe、Al、Mn、Ca等杂质。 高铝质矿物原料：这类原料主要是高铝矾土及硅线石族矿物。它们可用于制造高铝陶瓷、窑具和耐火材料。三、坯料的制备原料的预烧与风化 原料的预烧1.稳定晶型 工业氧化铝的主晶相是-Al2O3，属立方紧密堆积晶体 。 要得到性能良好、高温稳定的-Al2O3，六方紧密堆积晶体。 进行预烧，为促进晶型转变，常加入0.33%的H3BO3。2、改变物性

14、 滑石具有片状结构，成形时易造成泥料分层和颗粒的定向排列，引起产品的变形和开裂。大量使用时要预烧，使其转变为偏硅酸镁，破坏原有的片状结构。 大块石英岩质地坚硬，粉碎困难。利用石英573晶型转变所发生的体积效应，将石英粉碎前预烧，然后急冷，使之产生内应力，原料变脆，可大大提高粉碎效率。 原料的风化风化是将开采出来的粘土原料堆放在露天，经过长期（一般为46个月）阳光的照射、雨雪的溶解和冰冻的作用后原料内部即发生分散、崩裂变化。对于某些原料，如硬质页岩和具有中下等可塑性的粘土，风化可起到如下作用：1.能使原料中的水分均匀；2.能增加耐火度可溶盐被洗去一部分；3.能增加原料的可塑性提高颗粒细度；4.促

15、进原料分裂，利于粉碎处理，便于选料。 原料的合成坯料的制备：（一）破碎 （二）过筛和除铁 三、泥浆的储存、搅拌和运输 泥浆的脱水和造粒 四、练泥四、成形1、概念：陶瓷成形简单地说，将制备好的坯料制成具有一定大小形状的坯体的过程称之为成形。 成形是将配合料制成浆体、可塑泥团、半干粉料或熔体，经适当的手段和设备变成一定形状制品的过程。2、成形三要素：设备、模具、材料 3、成形分类:(1)注浆成形：空心注浆，又叫单面注浆，将泥浆注满石膏模后放置一段时间，待模型内壁粘附一定厚度的坯体后，再将余将倒出，坯体的形状在模型内固定下来，待注件在模型中进一步脱水收缩后，即可脱模取出。 实心注浆, 又叫双面注浆，

16、石膏模型从两侧吸取泥浆中的水分，直到模心内腔吸满为止，脱模后坯体为一实心的物体。(2) 可塑成形利用模具或刀具等运动所产生的外力（如压力、剪力、挤压等）使可塑泥料产生塑性变形而制成某种形状的制品的工序。(3) 压制成形是将粉状的坯料在钢模（橡胶模）中压成致密坏体的一种成形方法。4、选择成形方法选择的依据： 产品的形状和大小。五、坯体的干燥 1、干燥 脱水的方法一般有三种： 根据水和物料的密度不同实现重力脱水，如沉淀等； 利用机械的方法脱水，如压滤等； 用加热的方法使物料的水分蒸发，达到脱水的目的。用加热的方法达到除去物料中部分物理水分的过程称之为干燥。2、物料中水的存在形式(1).结构水（结晶

17、水、化学结合水）水分参与物料的构造，如高岭土（Al2O3·2SiO2·2H2O）中的结晶水。该水分结合最为牢固，温度一般要到400700才能将其分解排出，它不属于干燥范围。(2).吸附水（物理化学结合水）物料周边的水膜、渗透水和细毛细管水，它们与物料结合较为紧密，在干燥过程中可以部分排除，且物料基本上不产生收缩。(3).自由水（机械结合水）主要包括润湿水、空隙水和粗毛细管水，它们与物料呈机械混合状态，结合最弱。该水分排除，物料颗粒之间相互靠拢，体积收缩，产生收缩力，干燥时尤为注意。3、坯体的三个干燥过程（1）传热过程，干燥介质的热量以对流方式传给坯体表面，又以传导方式从表面

18、传向坯体内部的过程。坯体表面的水分得到热量而汽化，由液态变为气态。 （2）外扩散过程：坯体表面产生的水蒸汽，通过层流底层，在浓度差的作用下，以扩散方式，由坯体表面向干燥介质中移动。 （3）内扩散过程：由于湿坯体表面水分蒸发。使其内部产生湿度梯度，促使水分由浓度高的内层向浓度较低的外层扩散，称湿传导或湿扩散。 4、干燥的三个阶段（1）加热阶段 在干燥初期阶段，干燥介质传给物料的热量大于物料中水分蒸发所需的热量，多余的热量使物料温度不断升高。随着物料温度不断升高，水分的蒸发量又不断加大，这样很快达到一种动态平衡。（2）等速干燥阶段 在此阶段，干燥介质传给物料的热量等于物料中水分蒸发所需的热量，所以

19、物料温度保持不变。（3）降速干燥阶段 这一阶段中，坯体含水量减少，内扩散速度赶不上表面水分蒸发速度和外扩散速度，表面不再维持潮湿，干燥速率逐渐降低。 六、烧成1、烧成的动力机制及方法 从热力学观点来看，烧成是是系统总能量减少的过程。粉碎后的粉料比块状物料具有较大的比表面积和较高比表面能，晶格缺陷也高的多，任何体系都有向最低能量转变的趋势，这就是烧成过程的动力。 粉料坯体烧制为陶瓷制品是系统由介稳状态向稳定状态转变的过程。但烧成一般不能自动进行，因为它本身具有的能量难以克服势垒，必须加热倒一定的温度才能进行。 烧成是一个复杂的物理、化学变化过程，是多种机制作用的结果。2、坯、釉在烧成过程中的物理

20、化学变化 以普通粘土质陶瓷为例： 低温预热阶段（室温300）此阶段主要是排除坯体干燥后的残余水分，坯体的入窑水分一般不能超过1，否则会炸坯。 质量减轻水分排出； 气孔增加水分排出； 体积收缩水分排出，固体颗粒逐渐靠拢。 氧化分解阶段（300950） 炭素和有机物的氧化；C（有机物）+ O2 CO2（350）C（炭素）+ O2 CO2 （600）2H2 + 2O2 2H2OS + O2 SO2 （250920）CO + O2 2CO2 硫化铁的氧化；FeS2+O2 FeS+SO2 （350450）4FeS+7O2 2Fe2O3+4SO2 (500800)Fe2（SO3）3 Fe2O3+SO2 (

21、560770) 碳酸盐、硫酸盐的分解MgCO3 MgO+CO2 (500850) CaCO3 CaO+CO2 (6001000) 4FeO3+O2 2Fe2O3+4CO2 (8001000) Fe2(SO4)3 Fe2O3+3SO3 (580755) FeSO4 FeO+SO3 4FeO+O2 2Fe2O3 结晶水的排出高岭石脱水：Al2O3·2SiO2·2H2O Al2O3·2SiO2（偏高岭石）+ 2H2O (400600)滑石脱水：3MgO·4SiO2·2H2O 3(MgO·SiO2)(顽火辉石)+ SiO2 +H2O (600

22、970)蒙脱石脱水：Al2O3·4SiO2·nH2O Al2O3·4SiO2 + nH2O 晶型转变石英在573时，SiO2石英迅速转变为石英SiO2，体积膨胀；在870石英缓慢地转变为鳞石英，体积膨胀16%。 由粘土脱水分解生产的无定形Al2O3，在950时转化为Al2O3，随温度的再升高，与SiO2反应生成莫来石 。 高温玻化成瓷阶段（950最高烧成温度） 氧化分解阶段未完成的反应继续进行； 熔融长石与低共熔物构成瓷坯中的玻璃相；粘土颗粒及石英部分地熔解在这些玻璃相中；未被熔解颗粒间地空隙逐渐被玻璃物质填充，体积密度提高。 高温下，粘土中高岭石的转变：Al2O

23、3·2SiO2 Al2O3+2SiO2Al2O3（无定形）- Al2O33（- Al2O3）+2SiO23Al2O3·2SiO2 一次莫来石3（Al2O3·2SiO2）3Al2O3·2SiO2+ 4SiO2 二次莫来石 由于玻璃相及莫来石的生成，制品的强度增加，气孔率减少，坯体急剧收缩。 釉料熔融成为玻璃体。 冷却阶段（最高烧成温度室温）此阶段坯釉发生如下变化： 随着温度降低，液相析晶，玻璃相物质凝固； 游离石英的晶型转变，石英在573时，SiO2石英迅速转变为石英SiO2，体积收缩0.82；方石英转变为方石英，体积收缩2.8。3、烧成制度：烧成制度包括

24、温度制度、气氛制度和压力制度。 烧成温度制度的确定烧成温度制度的确定也就是烧成温度曲线的确定，烧成温度曲线是由室温加热到烧成最高温度，保温时间，再由烧成最高温度冷却到室温的烧成过程全部的温度时间变化情况。决定烧成曲线的因数： 烧成时坯体中物质的反应速度； 坯体的厚度、大小及其传热能力； 窑炉的结构、形式和热容量，以及窑具的性质和装窑密度。 升温速度的确定 烧成温度及保温时间的确定 冷却速度的确定 气氛制度窑内气氛性质是根据燃烧产物中游离氧的含量来决定的。 若游离氧含量为45时，为氧化气氛，又称普通氧化焰，简称氧化焰； 若游离氧含量为810时，为强氧化气氛，又称强氧化焰； 若游离氧含量为11.5

25、时，为中性气氛，又称中性焰； 若游离氧含量为01时，而CO48为还原气氛，又称还原焰。 压力制度窑内合理的压力制度是实现温度制度和气氛制度的保证。 压力制度是靠风机（鼓风机和抽风机）来实现，靠闸板来调节。4、设备-隧道窑隧道窑（tunnel kiln）具有固定的隧道式窑体、活动窑车，并由预热带、烧成带、冷却带组成，对坯件、素烧件或釉烧体进行焙烧的横焰式连续窑。七、陶瓷的性能1、陶瓷拥有不同的组成，其内部就具有不同的结构，陶瓷材料就显现不同的性能成、结构与性能。2、陶瓷性能与材料键性、结构的关系陶瓷材料的键性主要是离子键与共价键，而且往往是两种键杂交在一起组成的混合键。氧化物陶瓷以离子键为主，非

26、氧化物陶瓷以共价键为主。它们排列整齐、结构紧密。硬度大、强度高、耐高温、耐磨、稳定性好。3、陶瓷强度的控制和脆性的改善原因：裂纹、错位、气孔；脆性：材料在外力作用下瞬间断裂；解决：减少缺陷，增韧。4、坯体组成的表示方法（1）配料量表示法：直接列出所用原料的名称和质量比（各种原料的质量比为100）特点：直观方便、便于计量。（2）.化学组成表示法：用坯料中各种化学组分所占的质量百分数来表示。特点：可根据坯料中的化学成分的多少来判断或比较坯体的某些性能。Na2O、K2O含量高，坯体易烧结；Al2O3、SiO2含量高，则坯体比较难烧结；TiO2、Fe2O3含量高，则坯体着色较重；I.L.大，则说明坯体中有机物或其它挥发物多。（3）.试验式表示法：用各种氧化物莫尔数来表示坯料组成的一种方法。特点：理论研究常用此表示法，可以明显表示出各组分之间的数量关系。5、配料计算（看书P314） 坯料主要有以上三种表示法，但它们之间是可以换算的。主要掌握以下几种： 1.由坯料的化学组成计算坏式；2.由坯式计算配方；3.由配方计算化学组成。八、釉料1、釉及其作用 釉是覆盖在陶瓷坯体表面上的一层极薄的玻璃体。作用：使坯体对液体或气体具有不透过性；覆盖坯体表面并使之具有美感；防止沾