陶瓷材料的设计与高温制备

1、陶瓷材料的设计与高温制备陶陶 瓷瓷 陶瓷（陶瓷（ceramics）是我们日常生活接触较多，在）是我们日常生活接触较多，在国民经济中有许多重要应用的无机非金属材料之一。国民经济中有许多重要应用的无机非金属材料之一。 传统概念的陶瓷是指所有一粘土为主要原料，传统概念的陶瓷是指所有一粘土为主要原料，并与其他矿物原料经过破碎混和成型烧成等过程而并与其他矿物原料经过破碎混和成型烧成等过程而制得的制品制得的制品, ,就是常见的日用陶瓷建筑卫生陶瓷等普就是常见的日用陶瓷建筑卫生陶瓷等普通陶瓷通陶瓷(ordinary ceramics )。 随着社会的发展，出现了有一类性能特殊，在随着社会的发展，出现了有一类

2、性能特殊，在电子、航空、生物医学等领域有广泛用途的陶瓷材电子、航空、生物医学等领域有广泛用途的陶瓷材料，称之为特种陶瓷料，称之为特种陶瓷(specieal ceramics )。 陶瓷综合实验设计思路陶瓷综合实验设计思路 将特定的陶瓷产品设计、制造工艺流程与产品性能将特定的陶瓷产品设计、制造工艺流程与产品性能测定分析结为一个有机的整体。建立起新的实验体测定分析结为一个有机的整体。建立起新的实验体系。系。加强实验的科学性、系统性，增加学生动脑、动手加强实验的科学性、系统性，增加学生动脑、动手的机会，强化技能的训练，调动学生实验的积极性的机会，强化技能的训练，调动学生实验的积极性和主动性，提高分析

3、问题和解决问题的能力。和主动性，提高分析问题和解决问题的能力。为毕业论文和将来工作打下一定的基础为毕业论文和将来工作打下一定的基础 实实 验验 目目 的的 1了解陶瓷各种工艺实验在生产中的作用与实际意义。了解陶瓷各种工艺实验在生产中的作用与实际意义。 2掌握陶瓷主要工艺实验的原理、方法与一定的操作掌握陶瓷主要工艺实验的原理、方法与一定的操作技能。技能。 3通过陶瓷工艺综合实验了解陶瓷产品的设计程序与通过陶瓷工艺综合实验了解陶瓷产品的设计程序与工艺过程。工艺过程。 4培养学生综合设计实验的能力，提高分析问题、解培养学生综合设计实验的能力，提高分析问题、解决问题和动手能力。决问题和动手能力。 实实

4、 验验 要要 求求 1 1掌握陶瓷原料、泥浆性能、坯体干燥性能、掌握陶瓷原料、泥浆性能、坯体干燥性能、烧成性能和产品性能测试原理、方法和影响实验烧成性能和产品性能测试原理、方法和影响实验结果的因素。结果的因素。 2 2熟悉陶瓷配料计算。熟悉陶瓷配料计算。 3 3掌握陶瓷产品的试制工艺和分析影响产掌握陶瓷产品的试制工艺和分析影响产品性能的因素。品性能的因素。 4 4写出实验学术论文。写出实验学术论文。1.1陶瓷的组成、结构与性能陶瓷的组成、结构与性能 陶瓷（材料及其制品）都有特定的性能要求。陶瓷（材料及其制品）都有特定的性能要求。日用餐具要有一定的强度（日用餐具要有一定的强度（strength）

5、、白度（）、白度（whiteness）、抗热）、抗热冲击性（热稳定性）；冲击性（热稳定性）；电瓷有强度和介电性能要求；电瓷有强度和介电性能要求；特种陶瓷对性能及其热稳定性要求更高。特种陶瓷对性能及其热稳定性要求更高。 研究表明，陶瓷的性能一方面受到其本征物理量研究表明，陶瓷的性能一方面受到其本征物理量（如热稳定系数、电阻率、弹性模量等）的影响，同（如热稳定系数、电阻率、弹性模量等）的影响，同时又与其显微结构密切相关。而决定显微结构和本征时又与其显微结构密切相关。而决定显微结构和本征物理量的是陶瓷的物理量的是陶瓷的组成组成及其及其加工工艺过程加工工艺过程。 其中其中 陶瓷组成对显微结构、性能起决

6、定作用陶瓷组成对显微结构、性能起决定作用。 1.2陶瓷的理论设计陶瓷的理论设计根据材料的使用要求进行设计.根据手册或其他 参考资料进行设计（相图是重要的资料） CaO、Al2O3、Si2O系统包括一系列重要的硅酸盐工业产品、高炉矿渣、以及某些矿物与岩石。具有实际意义。 1.2陶瓷的理论设计陶瓷的理论设计.根据他人（单位）或自己（单位）的经验进行设计.从头摸索1.3 陶瓷化学组成设计陶瓷化学组成设计 陶瓷坯料（陶瓷坯料（body material）一般是由几种不同的原）一般是由几种不同的原料配只制而成的。性能不同的陶瓷产品，其所用原料料配只制而成的。性能不同的陶瓷产品，其所用原料的种类和配比不同

7、，也即所谓坯料组成或配方不同。的种类和配比不同，也即所谓坯料组成或配方不同。 一一. 成分设计原则成分设计原则 1 根据科研需要或用户的要求确定产品（根据科研需要或用户的要求确定产品（充分考虑充分考虑产品的物理化学性能和实用性能要求产品的物理化学性能和实用性能要求） ； 2参考前人的经验和数据；参考前人的经验和数据； 3了解各种原料对产品性质的影响了解各种原料对产品性质的影响 ； 4 应满足生产工艺的要求应满足生产工艺的要求 ； 5 了解原料的品位、来源和到厂价格了解原料的品位、来源和到厂价格 1.3 陶瓷化学组成设计陶瓷化学组成设计 传统概念的陶瓷是指所有传统概念的陶瓷是指所有以粘土为主要原

8、料，并与其他矿物原料以粘土为主要原料，并与其他矿物原料经过破碎、混合、成形、烧成等过程而制得的制品经过破碎、混合、成形、烧成等过程而制得的制品。1.3 陶瓷化学组成设计陶瓷化学组成设计二二. 本次实验的参考资料本次实验的参考资料1.3 陶瓷化学组成设计陶瓷化学组成设计1.3 陶瓷化学组成设计陶瓷化学组成设计1.3 陶瓷化学组成设计陶瓷化学组成设计三坯体组成的表示方法三坯体组成的表示方法 坯体组成的表示方法可分为坯体组成的表示方法可分为 4 种种1. 1. 配料量表示法配料量表示法 配料量表示法也称配料比表示法，是生产中常用的方法。它配料量表示法也称配料比表示法，是生产中常用的方法。它直接列出所

9、用原料的名称和质量比（各种原料质量比之和应为直接列出所用原料的名称和质量比（各种原料质量比之和应为100）。这种方法便于工厂计量配料，直观方便。）。这种方法便于工厂计量配料，直观方便。 2. 化学组成表示法化学组成表示法 即用坯料中各种化学组分所占质量百分数来表示坯料组成。即用坯料中各种化学组分所占质量百分数来表示坯料组成。其优点是可以根据坯料中化学成分的多少来推断或比较坯体的某其优点是可以根据坯料中化学成分的多少来推断或比较坯体的某些性能。些性能。 1.3 陶瓷化学组成设计陶瓷化学组成设计3. 示性矿物组成表示法示性矿物组成表示法 普通陶瓷坯体一般是由粘土、石英及熔剂类矿物原料组成。普通陶瓷

10、坯体一般是由粘土、石英及熔剂类矿物原料组成。用这三类矿物的百分含量可表示坯料的组成，这样的表示方法叫用这三类矿物的百分含量可表示坯料的组成，这样的表示方法叫示性矿物表示法。它有助于了解坯料的一些工艺性能，比如烧成示性矿物表示法。它有助于了解坯料的一些工艺性能，比如烧成性能等。性能等。 4. 实验式表示法实验式表示法 实验式表示法也称坯式表示法，它是采用各种氧化物摩尔数实验式表示法也称坯式表示法，它是采用各种氧化物摩尔数来表示坯料组成的一种方法，将坯料中的氧化物分为碱性、中性来表示坯料组成的一种方法，将坯料中的氧化物分为碱性、中性和酸性氧化物，并计算出其摩尔数后按比例排列。和酸性氧化物，并计算出

11、其摩尔数后按比例排列。 坯式是陶瓷理论研究中常用的方法，它可以明显地表示出各坯式是陶瓷理论研究中常用的方法，它可以明显地表示出各组分之间的数量关系，进而分析坯料的性能。组分之间的数量关系，进而分析坯料的性能。实际工作中，往往是同时用两种或两种以上的方法表示组成。实际工作中，往往是同时用两种或两种以上的方法表示组成。 1.3 陶瓷化学组成设计陶瓷化学组成设计四坯体配料计算四坯体配料计算 由于坯料组成有多种表示方法，故必须了解这几由于坯料组成有多种表示方法，故必须了解这几种不同表示方法之间的换算。种不同表示方法之间的换算。 由产品的化学组成和原料的化学组成进行计算由产品的化学组成和原料的化学组成进

12、行计算 上面给出产品的配方组成（参考）和实验室所供上面给出产品的配方组成（参考）和实验室所供应原料的组成，利用这些数据可以顺利进行坯体配料应原料的组成，利用这些数据可以顺利进行坯体配料的计算。的计算。1.4 陶瓷实验流程陶瓷实验流程一一. . 制备工艺流程制备工艺流程 可以归纳如下可以归纳如下1.4 陶瓷实验流程陶瓷实验流程1配料配料 按计算结果，用药用天平准确称量，精确到小数按计算结果，用药用天平准确称量，精确到小数点后点后2位。每份料的位。每份料的总量总量为为300克克。2研磨、造粒研磨、造粒 将称量好的料放入快速磨内研磨，磨料时间为将称量好的料放入快速磨内研磨，磨料时间为2030分钟。分

13、钟。 将磨好的料放入干净而且干燥的白瓷盘内，用喷将磨好的料放入干净而且干燥的白瓷盘内，用喷水壶喷入少量的水，造粒。水壶喷入少量的水，造粒。3陈腐陈腐 将造好的粒用塑料袋（保鲜袋）装好，密封袋口，将造好的粒用塑料袋（保鲜袋）装好，密封袋口，贴上标签，存放贴上标签，存放2448小时即可用于压制成形。小时即可用于压制成形。 1.4 陶瓷实验流程陶瓷实验流程4压制成形压制成形 为方便性能测试，可分别压制成条、片的试样。为方便性能测试，可分别压制成条、片的试样。条状试样条状试样，6条，条，3克克 / 条条 ，成型压力，成型压力 20 30 KN .片状试样片状试样，24片，片，13克克 / 片（片径片（

14、片径4 cm ），或），或8克克 / 片片（片径（片径3 cm ），成型压力），成型压力 30 40 KN 。 压制成形后立即对试压制成形后立即对试样编号，用游标卡尺样编号，用游标卡尺量尺量尺寸寸并记录。并记录。1.4 陶瓷实验流程陶瓷实验流程5干燥干燥 将试样放入将试样放入100105的烘箱中烘的烘箱中烘810小时（也小时（也可自然干燥可自然干燥23天）后，取出，放入干燥器。天）后，取出，放入干燥器。 试样冷却后，试样冷却后，量取干燥后的尺寸量取干燥后的尺寸并记录，并记录，计算计算 干干燥收缩率燥收缩率 。6烧成烧成 上述上述5种产品种的烧成温度基本一致，但最高烧成种产品种的烧成温度基本一致

15、，但最高烧成温度不同。温度不同。 因为各地原料的成分不同，每种产品的烧成温度因为各地原料的成分不同，每种产品的烧成温度都有波动。需经烧成实验确定。都有波动。需经烧成实验确定。1.4 陶瓷实验流程陶瓷实验流程二二. 烧成制度的制定烧成制度的制定 烧成制度包括温度制度、气氛制度和压力制度。对一个特定烧成制度包括温度制度、气氛制度和压力制度。对一个特定的产品而言，制定好温度制度（建立温度与时间的关系）和控制的产品而言，制定好温度制度（建立温度与时间的关系）和控制好烧成气氛是关键。压力制度起保证前两个制度顺利实施的作用。好烧成气氛是关键。压力制度起保证前两个制度顺利实施的作用。三者之间互相协调构成一个

16、合理的烧成制度。三者之间互相协调构成一个合理的烧成制度。 烧成温度曲线的性质决定于下列因素：烧成温度曲线的性质决定于下列因素： （1 1）烧成时坯体中的反应速度。坯体的组成、原料性质以及高）烧成时坯体中的反应速度。坯体的组成、原料性质以及高温中发生的化学变化均影响反应的速度。温中发生的化学变化均影响反应的速度。 （2 2）坯体的厚度、大小及坯体的热传导能力。）坯体的厚度、大小及坯体的热传导能力。 （3 3）窑炉的结构、型式和热容，以及窑具的性质和装窑密度。）窑炉的结构、型式和热容，以及窑具的性质和装窑密度。 1.4 陶瓷实验流程陶瓷实验流程二二. 烧成制度的制定烧成制度的制定 因为是在实验室进

17、行烧成，使用硅碳棒电路或硅钼棒电炉，因为是在实验室进行烧成，使用硅碳棒电路或硅钼棒电炉，主要技术烧成最高温度。主要技术烧成最高温度。 最高烧成温度按下式进行计算：最高烧成温度按下式进行计算：1.4 陶瓷实验流程陶瓷实验流程烧成曲线的制定烧成曲线的制定 根据经验公式计算出最高烧结温度后，制定烧成根据经验公式计算出最高烧结温度后，制定烧成曲线。参考数据如下：曲线。参考数据如下：地砖和仿花岗岩玻化砖地砖和仿花岗岩玻化砖 T烧烧 = 12001280；釉面砖釉面砖 T烧烧 = 12001280；低温快烧的釉面砖低温快烧的釉面砖 T烧烧 = 10001080； 耐热瓷耐热瓷 T烧烧 = 12801320

18、；1.4 陶瓷实验流程陶瓷实验流程升温速率与保温的确定升温速率与保温的确定 升温速率升温速率：小于：小于 1000时，时， 810/分钟；分钟； 大于大于 1000时，时， 58 /分钟；分钟； 保温与取样保温与取样： 当温度为当温度为100、200、300、400、500、600、700 各保温各保温30min ，取出样品；，取出样品； 当温度为当温度为800、900、1000 时，各保温时，各保温60min ，取出样品；，取出样品； 当温度为当温度为“最高烧成温度最高烧成温度”时，保温时，保温60min ，取出，取出样品。样品。1.5 确定陶瓷烧结温度范围确定陶瓷烧结温度范围三确定烧结温度范围三确定烧结温度范围 用气孔率、吸水率、收缩率的数据绘制曲线图，用气孔率、吸水率、收缩率的数据绘制曲线图，求烧结温度范围。求烧结温度范围。 1.6 陶瓷试样性能测定陶瓷试样性能测定四样品性能的测定四样品性能的测定1. 试样干燥强度的测定试样干燥强度的测定2. 试样试样干燥线收缩干燥线收缩 3. 3. 试样试样烧结强度测定烧结强度测定 4试样试样烧成烧成收缩率收缩率的测定的测定5试样试样气孔率气孔率的测定的测定6试样试样吸水率吸水率的测定的测定7. 7. 体积密度测定体积密度测定 试样干试样干燥强度燥强度的测定的测定试样吸试样吸水率与水率与气孔率气孔率的测定的测定1.7 确定陶瓷烧结温度范围