功能陶瓷的生产工艺过程(共41页).ppt

1、方必军方必军江苏工业学院材料科学与工程学院江苏工业学院材料科学与工程学院1、原料及其加工工艺、原料及其加工工艺区区 别别传统陶瓷传统陶瓷新型陶瓷新型陶瓷原材料原材料天然矿物原料天然矿物原料人工精制合成原料人工精制合成原料成成 型型可塑、注浆、挤压可塑、注浆、挤压干压、等静压、挤压、轧膜、流干压、等静压、挤压、轧膜、流延、热压铸延、热压铸烧烧 成成温度在温度在1350以下，燃以下，燃料以煤、油、气为主料以煤、油、气为主结构陶瓷烧结温度很高结构陶瓷烧结温度很高 （1600），功能陶瓷需精确控），功能陶瓷需精确控制温度，燃料以电为主制温度，燃料以电为主加加 工工一般不需加工一般不需加工切割、打孔、研

2、磨、抛光等切割、打孔、研磨、抛光等性性 能能以外观效果为主以外观效果为主侧重力学性能侧重力学性能以内在性能为主：耐磨、耐温、以内在性能为主：耐磨、耐温、耐腐蚀、高强度及各种敏感性耐腐蚀、高强度及各种敏感性用用 途途 日用、建筑、卫生装饰日用、建筑、卫生装饰和艺术品和艺术品 宇航、能源、冶金、化工、交通、宇航、能源、冶金、化工、交通、电子、家电等行业电子、家电等行业l气相凝聚法制备超微纳米粉体气相凝聚法制备超微纳米粉体l用微波加热代替传统烧结用微波加热代替传统烧结l陶瓷脆性的致命弱点将得到改变陶瓷脆性的致命弱点将得到改变l纳米材料的应用纳米材料的应用l智能陶瓷的开展智能陶瓷的开展l陶瓷的晶界工程

3、设计陶瓷的晶界工程设计l 研究晶界的作用研究晶界的作用-晶界组成对材料性能的影响；晶界组成对材料性能的影响；晶界设计晶界设计-设计晶界，获得所要求的材料性能；制设计晶界，获得所要求的材料性能；制备符合实用要求的电子陶瓷产品。备符合实用要求的电子陶瓷产品。 1、原料及其加工工艺、原料及其加工工艺l天然矿物原料：可塑性原料、脊性原料天然矿物原料：可塑性原料、脊性原料l化工原料化工原料l化学试剂分级化学试剂分级l工业纯工业纯IR Industrial Reagent 98.0% l化学纯化学纯CP Chemical Purity 99.0% l分析纯分析纯AR Analytical Reagent

4、99.5% l光谱纯光谱纯GR Guarateend Reagent 99.9% l电子级原料电子级原料 专用专用 1、原料及其加工工艺、原料及其加工工艺l原料的评价原料的评价l 化学成份、结构、颗粒度、形貌化学成份、结构、颗粒度、形貌l原料的选择原料的选择l保证产品性能的前提下，尽量选择低纯度原料保证产品性能的前提下，尽量选择低纯度原料l杂质对产品性能的影响要具体分析杂质对产品性能的影响要具体分析 l 利：克制影响产品性能的不利因素；降低烧结温度、利：克制影响产品性能的不利因素；降低烧结温度、促进烧结形成固溶体、低共熔物促进烧结形成固溶体、低共熔物l 害：杂相、晶格缺陷，影响产品性能害：杂相

5、、晶格缺陷，影响产品性能l 主晶相原料采用化学纯、电子级粉料，掺杂原料采主晶相原料采用化学纯、电子级粉料，掺杂原料采用光谱纯粉料用光谱纯粉料1、原料及其加工工艺、原料及其加工工艺l粉碎方法粉碎方法l 用机械装置对原料进行撞击、碾压、磨擦，使用机械装置对原料进行撞击、碾压、磨擦，使原料破碎、圆滑原料破碎、圆滑l粉碎原理粉碎原理l 能量转换过程：机械能能量转换过程：机械能外表能、缺陷能外表能、缺陷能l粉碎要求粉碎要求l效率高：短期内到达预定的细度；或者到达某一效率高：短期内到达预定的细度；或者到达某一细度所消耗的能量少、时间短细度所消耗的能量少、时间短l防止混入杂质：减少粉碎机械装置的杂质引入防止

6、混入杂质：减少粉碎机械装置的杂质引入 1、原料及其加工工艺、原料及其加工工艺l球磨工艺原理球磨工艺原理l l影响球磨效率的因素影响球磨效率的因素l转速、球磨时间转速、球磨时间l磨介填充率磨介填充率25-35%、磨介级配、磨介级配l料、球、溶剂的配比：料、球、溶剂的配比：1:1:0.6-1l筒体直径、磨球与内衬的质料、磨球形状筒体直径、磨球与内衬的质料、磨球形状1、原料及其加工工艺、原料及其加工工艺l助磨剂作用原理助磨剂作用原理l粉碎机械的粉碎粒度极限粉碎机械的粉碎粒度极限l 破碎后粉粒外表带有电荷、偶极矩破碎后粉粒外表带有电荷、偶极矩聚合；比聚合；比外表增大、活性增强、外表吸附力增大外表增大、

7、活性增强、外表吸附力增大聚合聚合l助磨剂屏蔽粉粒外表电荷的原理助磨剂屏蔽粉粒外表电荷的原理l 助磨剂：含极性官能团的有机液体助磨剂：含极性官能团的有机液体l 例：油酸例：油酸CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2)7-COOH，羧基具有明显羧基具有明显“极性，屏蔽负电荷，烷基朝极性，屏蔽负电荷，烷基朝外外削弱粉粒之间的相互作用力削弱粉粒之间的相互作用力l助磨剂的作用：分散作用、润滑作用、劈裂作用助磨剂的作用：分散作用、润滑作用、劈裂作用1、原料及其加工工艺、原料及其加工工艺l机械粉碎机械粉碎l 增加粉料外表和外表能；增加粉料晶格缺陷能增加粉料外表和外表能；增加粉料晶格缺陷能l低温煅烧：含氧

8、酸、含氧酸盐、碱低温煅烧：含氧酸、含氧酸盐、碱氧化物氧化物l影响煅烧产物活性的因素影响煅烧产物活性的因素l 粉料粒度、杂质、煅烧温度、气氛粉料粒度、杂质、煅烧温度、气氛l 活性粉料对空气、水分的吸附活性粉料对空气、水分的吸附l煅烧活化机理煅烧活化机理 l 煅烧分解：临界温度煅烧分解：临界温度l 假晶结构假晶结构l 生成微晶生成微晶1、原料及其加工工艺、原料及其加工工艺2、配料计算、配料计算陶瓷陶瓷原料原料原料纯原料纯度（度（A）摩尔摩尔质量质量（M）摩尔摩尔比（比（x）相对重相对重量量（W=xW）百分百分含量含量实际实际投量投量PLZTPb3O496%685.600.91/3207.9762.

9、89 6551La2O394%325.800.09/214.664.43471ZrO298%123.220.65 180.0924.22 2471TiO295%79.900.35 127.978.46891l粉料的性能粉料的性能l 高度活性、合成主晶相的微晶高度活性、合成主晶相的微晶l原料煅烧原料煅烧l 改变矿物结构、促进晶型转变、改善工艺性能改变矿物结构、促进晶型转变、改善工艺性能l熔块合成熔块合成l合成主晶相：减少烧结过程因为原料反响而造成的膨合成主晶相：减少烧结过程因为原料反响而造成的膨胀、收缩、气孔胀、收缩、气孔l完成多晶转变：减少烧结过程因为晶型转变产生的应完成多晶转变：减少烧结过程

10、因为晶型转变产生的应力力产品变形、开裂产品变形、开裂l促进原料混合均匀、反响彻底促进原料混合均匀、反响彻底3、粉料制备、粉料制备l固相反响固相反响l 配料、反响煅烧预烧温度：配料、反响煅烧预烧温度：TG-DTA；晶相鉴定；晶相鉴定；粉料性能粉料性能-最多数径、中位径、平均粒径、标准偏差、偏最多数径、中位径、平均粒径、标准偏差、偏度度l溶液法溶液法l 制备金属盐溶液、溶液反响、固液别离沉淀、沉制备金属盐溶液、溶液反响、固液别离沉淀、沉淀物枯燥、低温煅烧淀物枯燥、低温煅烧l溶胶溶胶-凝胶法：溶胶制备、凝胶形成、低温煅烧凝胶法：溶胶制备、凝胶形成、低温煅烧l气相法气相法l蒸气冷凝法：加热气化、急速冷

11、却蒸气冷凝法：加热气化、急速冷却l气相反响法：热分解；化学反响气相反响法：热分解；化学反响 3、粉料制备、粉料制备l塑化原因塑化原因 获得可塑性获得可塑性l塑化途径塑化途径 增塑剂：增塑剂：无机塑化剂、有机塑化剂无机塑化剂、有机塑化剂l有机塑化剂的组成有机塑化剂的组成l粘结剂：粘结剂：聚乙烯醇、聚醋酸乙烯酯、羧甲基纤维素聚乙烯醇、聚醋酸乙烯酯、羧甲基纤维素l增塑剂：增塑剂：甘油、乙二醇；邻苯二甲酸二丁脂、癸二甘油、乙二醇；邻苯二甲酸二丁脂、癸二酸二丁脂酸二丁脂l溶剂：溶剂：水、有机醇、环己酮水、有机醇、环己酮3、粉料制备、粉料制备l有机塑化剂的使用有机塑化剂的使用l防止复原作用防止复原作用l

12、有机粘合剂高温下有可能产生强复原性物质，有机粘合剂高温下有可能产生强复原性物质，对陶瓷原料产生复原作用对陶瓷原料产生复原作用l用量适当用量适当l 用量过多：粘模具压制成型；用量过少：用量过多：粘模具压制成型；用量过少：坯体开裂、分层压制成型坯体开裂、分层压制成型l 塑化剂用量：总质量的塑化剂用量：总质量的3%-10%l控制挥发温度控制挥发温度3、粉料制备、粉料制备l造粒：磨得很细的粉料，枯燥、加一定量的塑化剂造粒：磨得很细的粉料，枯燥、加一定量的塑化剂流动性好、较粗的颗粒流动性好、较粗的颗粒l造粒的原因造粒的原因l 细粉粒细粉粒相对较大、较粗、较圆的粗颗粒相对较大、较粗、较圆的粗颗粒增加流增加

13、流动性，有利于压制成型动性，有利于压制成型l造粒要求造粒要求 l粉体密度：愈大愈好，取决于塑化剂的性质和用量、粉体密度：愈大愈好，取决于塑化剂的性质和用量、造粒压强、造粒次数造粒压强、造粒次数l粉体形状：球状，流动性好、工艺简单粉体形状：球状，流动性好、工艺简单l粒度配合粒度配合3、粉料制备、粉料制备l造粒工艺造粒工艺 l手工造粒法手工造粒法l加压造粒法加压造粒法l冻结枯燥造粒法冻结枯燥造粒法l喷雾枯燥造粒法喷雾枯燥造粒法l实验室加压造粒手工造粒法流程：实验室加压造粒手工造粒法流程：l 粉料参加粘合剂混合均匀粉料参加粘合剂混合均匀过筛过筛在压力机上在压力机上用圆钢模具压实用圆钢模具压实破碎破碎

14、过筛过筛球形颗粒球形颗粒3、粉料制备、粉料制备4、成型、成型l压制成型的坯体密度压制成型的坯体密度l加压方式的影响加压方式的影响l成型压力的影响成型压力的影响l加压速度、保压时间加压速度、保压时间4、成型、成型4、成型、成型l流延法成型浆料制备流延法成型浆料制备l 细磨、煅烧的熟粉料细磨、煅烧的熟粉料参加溶剂抗凝聚剂、除泡参加溶剂抗凝聚剂、除泡剂、烧结促进剂、粘结剂、增塑剂、润滑剂剂、烧结促进剂、粘结剂、增塑剂、润滑剂湿法湿法混磨混磨真空除气真空除气稳定、流动性良好的浆料稳定、流动性良好的浆料4、成型、成型4、成型、成型4、成型、成型l热压铸成型的粉料热压铸成型的粉料l 熟料煅烧过的料熟料煅烧

15、过的料l 含水量小于含水量小于0.5%l热压铸成型的粘结剂热压铸成型的粘结剂l 石蜡：石蜡：50-55熔化、冷凝后体积收缩熔化、冷凝后体积收缩5%-7%l 添加少量外表活性剂硬脂酸、油酸、蜂添加少量外表活性剂硬脂酸、油酸、蜂蜡蜡，增加铸浆的流动性，增加铸浆的流动性4、成型、成型l铸浆的配制铸浆的配制l铸浆的配比：粉料含铸浆的配比：粉料含0.4-0.8%的油酸的油酸87.5-86.5%，石蜡含外表活性剂，石蜡含外表活性剂12.5-13.5%l铸浆配制工艺铸浆配制工艺l 蜡饼制备：加热石蜡至蜡饼制备：加热石蜡至70-90、使之熔化，把、使之熔化，把已加热的粉料倒入石蜡液中，边加热、边搅拌已加热的粉

16、料倒入石蜡液中，边加热、边搅拌l 将蜡饼放入和蜡机中：快速和蜡机，将蜡饼放入和蜡机中：快速和蜡机，100-110、转筒速度转筒速度40r/min，熔化蜡饼；慢速和蜡机，熔化蜡饼；慢速和蜡机，60-70、搅拌速度、搅拌速度30r/min，排除气泡，排除气泡4、成型、成型4、成型、成型l铸浆性能的影响因素铸浆性能的影响因素l铸浆的粘度、流动性铸浆的粘度、流动性l 粘结剂含量大、铸浆粘度小、流动性好，成型粘结剂含量大、铸浆粘度小、流动性好，成型性能好；收缩率、气孔率增加性能好；收缩率、气孔率增加l 参加外表活性剂，提高铸浆的流动性参加外表活性剂，提高铸浆的流动性l铸浆的可铸性铸浆的可铸性l 粘度小、

17、流动性好、成型压力大，可铸性好粘度小、流动性好、成型压力大，可铸性好l铸浆的稳定性铸浆的稳定性l 粉料粒度大、粗颗粒多、密度大，铸浆稳定性粉料粒度大、粗颗粒多、密度大，铸浆稳定性差差4、成型、成型l热压铸成型工艺热压铸成型工艺l铸浆温度铸浆温度65-90l模具温度模具温度0-20l加压速度、压力持续时间加压速度、压力持续时间l热压铸坯体的排胶工艺热压铸坯体的排胶工艺 热压铸成型坯体埋入疏松、惰性的吸附剂之中，热压铸成型坯体埋入疏松、惰性的吸附剂之中，在高温下进行脱蜡在高温下进行脱蜡4、成型、成型4、成型、成型5、烧成、烧成l烧结推动力：物系自由能的降低烧结推动力：物系自由能的降低l外表能、界面

18、能的降低外表能、界面能的降低l位错、结构缺陷、弹性应力的减少或消失位错、结构缺陷、弹性应力的减少或消失l外来杂质的排除外来杂质的排除l 高温下物系自由能差降低、传质势垒较小、晶粒质高温下物系自由能差降低、传质势垒较小、晶粒质点平均热动能较大，点平均热动能较大，P-外表自由能成为物质传递的外表自由能成为物质传递的主要推动力。主要推动力。5、烧结、烧结1211dWPdVdAPrr G. C. Kuczynski等径球体模型等径球体模型球体颈部曲率半径球体颈部曲率半径、颈部体积、颈部体积V、颈部外表积、颈部外表积A、颗粒、颗粒半径半径r、接触颈部半径、接触颈部半径x5、烧结、烧结5、烧结、烧结传质方

19、式传质方式蒸发蒸发-凝聚凝聚扩散扩散流动流动溶解溶解-沉淀沉淀原因原因压力差压力差 P空位浓度差空位浓度差 C应力应力-应变应变溶解度溶解度 C条件条件 P 1-10 Par n0/Nr f可观的液相量可观的液相量固相在液相中溶解度大固相在液相中溶解度大固固-液润湿液润湿特点特点凸面蒸发，凹面凸面蒸发，凹面凝聚凝聚 L/L = 0空位与结构基元相空位与结构基元相对扩散对扩散中心距缩短中心距缩短流动同时引起颗粒重排流动同时引起颗粒重排 L/L t 致密化速率最致密化速率最高高接触点溶解到平面上沉积，接触点溶解到平面上沉积，小颗粒溶解到大颗粒沉积小颗粒溶解到大颗粒沉积传质同时又是晶粒生长过程传质同

20、时又是晶粒生长过程公式公式x/r = Kr-2/3t1/3x/r = Kr-3/5t1/5 L/L = Kr-6/5t2/5 L/L = 3/2 / r td /dt = K(1- )/rx/r = Kr-2/3t1/6 L/L = Kr-4/3t1/3工艺控制工艺控制温度（蒸气压）温度（蒸气压）粒度粒度温度（扩散系数）温度（扩散系数）粒度粒度粘度粘度粒度粒度粒度粒度温度（溶解度）温度（溶解度）粘度粘度液相数量液相数量l升温阶段升温阶段 升温速率、装炉方式、粉料掩埋升温速率、装炉方式、粉料掩埋 特殊升温方式特殊升温方式l保温阶段保温阶段l最高烧结温度：最高烧结温度：0.95TS-1.05TSl

21、保温时间：保温时间：l降温阶段降温阶段l冷却速度冷却速度l冷却方式：保温缓冷、随炉冷却、淬火急冷冷却方式：保温缓冷、随炉冷却、淬火急冷5、烧结、烧结0expSttb Tl热锻热锻l无侧向压力，坯体横向自由变形无侧向压力，坯体横向自由变形l加上负荷，坯体轴向以加上负荷，坯体轴向以10-2-10-4/min速率减小，至所速率减小，至所需厚度需厚度l卸压降温卸压降温l -Al2O3、含铋层状铁电体、铁氧体、含铋层状铁电体、铁氧体l热拉和热轧热拉和热轧l陶瓷坯体具有极好的高温可塑性；拉模、轧辊具有良陶瓷坯体具有极好的高温可塑性；拉模、轧辊具有良好的耐热性、外表光滑性、机械强度好的耐热性、外表光滑性、机

22、械强度l产品添加少量玻璃或金属作为增塑剂产品添加少量玻璃或金属作为增塑剂6、陶瓷材料的热加工、陶瓷材料的热加工l急冷淬火：油冷、风冷急冷淬火：油冷、风冷l保存高温相组成，防止缓冷过程中的分凝、析晶、保存高温相组成，防止缓冷过程中的分凝、析晶、相变相变l产生外表压应力，提高坯体的拉伸强度产生外表压应力，提高坯体的拉伸强度l 独石电容器独石电容器l缓冷退火缓冷退火l促使晶粒长大、分凝、析晶、相变促使晶粒长大、分凝、析晶、相变l 微波陶瓷、晶界层电容器微波陶瓷、晶界层电容器l消除外表、内部应力，使相平衡过程充分进行消除外表、内部应力，使相平衡过程充分进行6、陶瓷材料的热加工、陶瓷材料的热加工l机床：

23、机床：专用超精度加工机床专用超精度加工机床 高精度、高生产率、高可靠性、高重复性高精度、高生产率、高可靠性、高重复性l刀具刀具 金刚石刀具金刚石刀具l硬度、刚度大、寿命长，加工稳定、精密硬度、刚度大、寿命长，加工稳定、精密l金刚石刀口可以磨成数纳米，切削量小于亚微金刚石刀口可以磨成数纳米，切削量小于亚微米级米级l切削点能保持较低的温度切削点能保持较低的温度7、陶瓷材料的冷加工、陶瓷材料的冷加工l瓷介电容器电极浆料要求瓷介电容器电极浆料要求l浆料中银含量大于浆料中银含量大于65%l烧渗温度适宜烧渗温度适宜l粘度适宜粘度适宜l存放时间和使用寿命长存放时间和使用寿命长l银浆组成银浆组成l银及其化合物银及其化合物l助熔剂：助熔剂：Bi2O3、PbB4O7；各种熔块；各种熔块l粘合剂：悬浮能力、粘结性、挥发性粘合剂：悬浮能力、粘结性、挥发性8、陶瓷材料的外表金属化、陶瓷材料的外表金属化l银粉的制备银粉