第十章陶瓷材料合成与制备(一)

1、第十章第十章 陶瓷材料合成与制备陶瓷材料合成与制备 如果说要寻找一种最能体现华夏民族文如果说要寻找一种最能体现华夏民族文明史的物质载体，那么就非陶瓷莫属了。明史的物质载体，那么就非陶瓷莫属了。chinaChina中国人早在公元前中国人早在公元前8000-2000年（新石器时代）年（新石器时代）就发明了陶器。就发明了陶器。1.1.陶瓷材料分类及特点陶瓷材料分类及特点 陶瓷的定义：无机非金属粉末经成型后在低于熔点的高陶瓷的定义：无机非金属粉末经成型后在低于熔点的高温下烧结而制成的固体材料。（狭义的，由工艺而来）温下烧结而制成的固体材料。（狭义的，由工艺而来）“传统陶瓷传统陶瓷” 主要以天然的硅酸盐

2、为原料，因此又被称主要以天然的硅酸盐为原料，因此又被称为为“硅酸盐材料硅酸盐材料”。由于陶瓷的化学组成是以离子键和共价键为主要键的无由于陶瓷的化学组成是以离子键和共价键为主要键的无机非金属化合物，故又称陶瓷为机非金属化合物，故又称陶瓷为“无机非金属材料无机非金属材料” 。1.1.陶瓷材料分类及特点陶瓷材料分类及特点 n化学健主要是离子键、共价健以及它们的混合键；化学健主要是离子键、共价健以及它们的混合键；n硬而脆、韧性低、抗压不抗拉、对缺陷敏感；硬而脆、韧性低、抗压不抗拉、对缺陷敏感；n熔点高，具有优良的耐高温和化学稳定性；熔点高，具有优良的耐高温和化学稳定性；n一般自由电子数目少、导热性和导

3、电性较小；一般自由电子数目少、导热性和导电性较小；n耐化学腐蚀性好；耐化学腐蚀性好；n耐磨损。耐磨损。1.1.陶瓷材料分类及特点陶瓷材料分类及特点 陶瓷的特点：陶瓷的特点：优点：硬度大，机械强度高，化学稳定性好（耐优点：硬度大，机械强度高，化学稳定性好（耐腐蚀），熔点高，绝缘性能好，抗电强度高腐蚀），熔点高，绝缘性能好，抗电强度高（10kv/mm),导电性能可变（半导体、超导体、导电性能可变（半导体、超导体、绝缘体）及成本低。绝缘体）及成本低。缺点：脆性大，分散性大。缺点：脆性大，分散性大。1.1.陶瓷材料分类及特点陶瓷材料分类及特点 随着新型材料的发展，陶瓷概念扩展到整个无机非随着新型材料的

4、发展，陶瓷概念扩展到整个无机非金属固体材料或无机化合固体材料，除了一般的多金属固体材料或无机化合固体材料，除了一般的多晶烧结体外，还包括单晶、玻璃、薄膜、纤维、粉晶烧结体外，还包括单晶、玻璃、薄膜、纤维、粉体等，其制备方法也不再局限于常规烧结法，因此体等，其制备方法也不再局限于常规烧结法，因此是是“广义陶瓷广义陶瓷”。1.1.陶瓷材料分类及特点陶瓷材料分类及特点 陶瓷研究的发展历程陶瓷研究的发展历程陶器陶器 瓷器（瓷器（传统陶瓷传统陶瓷） 先进陶瓷先进陶瓷 纳米陶瓷纳米陶瓷 新石器时代新石器时代 东汉晚期东汉晚期 第二次世界大战后第二次世界大战后 20世纪世纪90年代年代1.1.陶瓷材料分类及

5、特点陶瓷材料分类及特点 陶瓷是陶器与瓷器的总称。陶瓷是陶器与瓷器的总称。陶瓷材料的发展经历了三次重大飞跃。陶瓷材料的发展经历了三次重大飞跃。第一次第一次: :从陶器发展到瓷器从陶器发展到瓷器第二次第二次: :从传统陶瓷发展到先进陶瓷从传统陶瓷发展到先进陶瓷第三次第三次: :从先进陶瓷发展到纳米陶瓷从先进陶瓷发展到纳米陶瓷1.1.陶瓷材料分类及特点陶瓷材料分类及特点 一万一万年前，我们的祖先就已能制造并使用陶器。年前，我们的祖先就已能制造并使用陶器。1.1.陶瓷材料分类及特点陶瓷材料分类及特点 1.1.陶瓷材料分类及特点陶瓷材料分类及特点 1.1.陶瓷材料分类及特点陶瓷材料分类及特点 烧成温度低

6、烧成温度低(1000-1200)(1000-1200) 吸水率高吸水率高（4-12%4-12%）; ;无釉无釉、有釉有釉强度低强度低; ;能经受温度急变能经受温度急变烧成温度高烧成温度高(1250 -1450),(1250 -1450),吸水率在吸水率在0.5%0.5%以下以下; ;色白，胎薄有透光性色白，胎薄有透光性; ;胎体上有无色透明釉胎体上有无色透明釉; ;不能经受温度的急变不能经受温度的急变; ;质脆易碎质脆易碎陶陶瓷瓷1.1.陶瓷材料分类及特点陶瓷材料分类及特点 陶陶 器器瓷瓷 器器原料原料一般为粘土一般为粘土含铁量含铁量 3%瓷土、高铝质粘土瓷土、高铝质粘土含铁量含铁量 3%温度

7、温度1000以下以下1200 以上以上釉釉无釉或低温釉无釉或低温釉1200 以上的高温釉以上的高温釉1.1.陶瓷材料分类及特点陶瓷材料分类及特点 胎体胎体附着在陶瓷胎体表面的附着在陶瓷胎体表面的玻璃质玻璃质层。层。使陶瓷表面光滑，不透水，易使陶瓷表面光滑，不透水，易清洁，并提高陶瓷的装饰性。清洁，并提高陶瓷的装饰性。主要由主要由莫来石晶体、石英晶莫来石晶体、石英晶体体 、玻璃质及少量气孔组、玻璃质及少量气孔组成成赋予陶瓷制品以一定的形状赋予陶瓷制品以一定的形状和强度等和强度等装饰层装饰层釉上彩釉上彩釉下彩釉下彩釉中彩釉中彩釉釉1.1.陶瓷材料分类及特点陶瓷材料分类及特点 几个有用的名词：几个有

8、用的名词：特种陶瓷特种陶瓷 special ceramics先进陶瓷先进陶瓷 advanced ceramics精细陶瓷精细陶瓷 fine ceramics高性能陶瓷高性能陶瓷 high performance ceramics新型陶瓷新型陶瓷 new ceramics近代陶瓷近代陶瓷 modern ceramics1.1.陶瓷材料分类及特点陶瓷材料分类及特点 结构陶瓷结构陶瓷主要利用其热、机械、化学功主要利用其热、机械、化学功能，有耐磨损材料、高强度材料、耐热材料，能，有耐磨损材料、高强度材料、耐热材料，硬质材料、耐冲击材料、低膨胀材料、隔热硬质材料、耐冲击材料、低膨胀材料、隔热材料等结构材

9、料。材料等结构材料。功能陶瓷功能陶瓷利用其电、磁、声、光、催化、利用其电、磁、声、光、催化、生物化学等功能，其中最主要的是绝缘材料、生物化学等功能，其中最主要的是绝缘材料、电介质材料、压电材料、磁性材料、半导体电介质材料、压电材料、磁性材料、半导体材料和透光性陶瓷等电子材料、具有生物化材料和透光性陶瓷等电子材料、具有生物化学功能的生物医用材料、抗菌陶瓷材料等。学功能的生物医用材料、抗菌陶瓷材料等。1.1.陶瓷材料分类及特点陶瓷材料分类及特点 结构陶瓷和功能陶瓷没有严格的界限：结构陶瓷和功能陶瓷没有严格的界限：例如：压电陶瓷，虽然属于功能陶瓷，但对其力例如：压电陶瓷，虽然属于功能陶瓷，但对其力学

10、性能，如抗压强度、韧性、硬度、弹性模量等学性能，如抗压强度、韧性、硬度、弹性模量等有一定的要求。首先必须有足够的强度，在承受有一定的要求。首先必须有足够的强度，在承受压力时不致破坏，才能实现其压电特性。压力时不致破坏，才能实现其压电特性。1.1.陶瓷材料分类及特点陶瓷材料分类及特点 (1) (1) 陶瓷材料的组成与结合键陶瓷材料的组成与结合键 陶瓷是金属和非金属元素组成的化合物。当含有一陶瓷是金属和非金属元素组成的化合物。当含有一 种以上的化合物时，其晶体结构可能变得非常复杂。种以上的化合物时，其晶体结构可能变得非常复杂。 陶瓷晶体是以离子键和共价键为主要结合键，一般为陶瓷晶体是以离子键和共价

11、键为主要结合键，一般为 两种以上的不同键合的混合形式。两种以上的不同键合的混合形式。陶瓷材料的结构特点陶瓷材料的结构特点1.1.陶瓷材料分类及特点陶瓷材料分类及特点 陶瓷材料离子键和共价键的混合比陶瓷材料离子键和共价键的混合比1.1.陶瓷材料分类及特点陶瓷材料分类及特点 陶瓷材料的显微结构陶瓷材料的显微结构n陶瓷材料由晶相、玻璃相、气相组成。陶瓷材料由晶相、玻璃相、气相组成。n晶相是陶瓷材料的主要组成相，决定陶瓷材料的物理化晶相是陶瓷材料的主要组成相，决定陶瓷材料的物理化学特性。学特性。n玻璃相是非晶态低熔点固体相，起粘结晶相，填充气孔，玻璃相是非晶态低熔点固体相，起粘结晶相，填充气孔，降低烧

12、结温度等作用。降低烧结温度等作用。n气相和气孔是陶瓷材料在制备过程中不可避免留下的。气相和气孔是陶瓷材料在制备过程中不可避免留下的。气孔率增大，陶瓷材料的致密度降低，强度和硬度下降。气孔率增大，陶瓷材料的致密度降低，强度和硬度下降。1.1.陶瓷材料分类及特点陶瓷材料分类及特点 1.1.陶瓷材料分类及特点陶瓷材料分类及特点 1.1.陶瓷材料分类及特点陶瓷材料分类及特点 空间技术微电子技术激光技术光纤技术光电子技术超导技术日用领域生物医学Long-range missileEyes of missile-Windows materials整流罩材料整流罩材料-透明陶瓷、红外陶瓷透明陶瓷、红外陶瓷耐

13、高温、透红外根据目标红外源自动跟踪耐高温、透红外根据目标红外源自动跟踪1.1.陶瓷材料分类及特点陶瓷材料分类及特点 传统陶瓷传统陶瓷以粘土（塑性组分），长石（熔剂组分），以粘土（塑性组分），长石（熔剂组分），石英（惰性组分）等天然矿物为原料，经粉碎、混合、石英（惰性组分）等天然矿物为原料，经粉碎、混合、磨细、成型、干燥、烧成等工序制成的产品。磨细、成型、干燥、烧成等工序制成的产品。 特种陶瓷特种陶瓷以人工合成化合物为原料制备，用于技术以人工合成化合物为原料制备，用于技术和工程领域，如电子信息、能源、机械、化工、动力、和工程领域，如电子信息、能源、机械、化工、动力、生物、航天航空和其它高新技术领

14、域。生物、航天航空和其它高新技术领域。1.1.陶瓷材料分类及特点陶瓷材料分类及特点 陶瓷材料中以陶瓷材料中以共价键和离子键共价键和离子键为主要结合键。以氧化物和硅为主要结合键。以氧化物和硅酸盐为主，其中硅酸盐矿物在自然界中分布极为广泛已知的酸盐为主，其中硅酸盐矿物在自然界中分布极为广泛已知的硅酸盐矿物有硅酸盐矿物有600多种，约占已知矿物种的多种，约占已知矿物种的1/4，占地壳岩石，占地壳岩石圈总质量的圈总质量的85%。在硅酸盐结构中，每个。在硅酸盐结构中，每个Si原子一般为四个原子一般为四个O原子包围，构成原子包围，构成SiO4四面体，即硅氧骨干，它是硅酸盐的基四面体，即硅氧骨干，它是硅酸盐

15、的基本构造单位。本构造单位。1.1.陶瓷材料分类及特点陶瓷材料分类及特点 1. 岛状硅氧骨干：硅氧骨干被其它阳离子所隔开，彼此岛状硅氧骨干：硅氧骨干被其它阳离子所隔开，彼此 分离犹如孤岛，包括孤立的分离犹如孤岛，包括孤立的SiO4单四面体及单四面体及Si2O7双双 四面体。四面体。 岛状岛状 1.1.陶瓷材料分类及特点陶瓷材料分类及特点 三方环三方环 四方环四方环 六方环六方环 2. 环状硅氧骨干：环状硅氧骨干：SiO4四面体以角顶联结形成封闭四面体以角顶联结形成封闭的环，根据的环，根据SiO4四面体环节的数目可以有三环、四四面体环节的数目可以有三环、四环、六环，环还可以重叠起来形成双环，如六

16、方双环。环、六环，环还可以重叠起来形成双环，如六方双环。 1.1.陶瓷材料分类及特点陶瓷材料分类及特点 单链单链 双链双链 3、链状硅氧骨干：、链状硅氧骨干：SiO4四面体以角顶联结成沿一个四面体以角顶联结成沿一个 方向无限延伸的链，其中常见的有单链和双链。方向无限延伸的链，其中常见的有单链和双链。 1.1.陶瓷材料分类及特点陶瓷材料分类及特点 层状层状 长石架状硅氧骨干长石架状硅氧骨干 4、层状硅氧骨干：、层状硅氧骨干：SiO4四面体以角顶相连，形成在两度空间上四面体以角顶相连，形成在两度空间上 无限延伸的层。层中每一个无限延伸的层。层中每一个SiO4四面体以三个角顶与相邻的四面体以三个角顶

17、与相邻的 SiO4四面体相联结。与两个硅相联结的氧电价饱和，为四面体相联结。与两个硅相联结的氧电价饱和，为“惰惰性性 氧氧”或称或称“桥氧桥氧” ，SiO4四面体也可有不同的联结方式。四面体也可有不同的联结方式。 1.1.陶瓷材料分类及特点陶瓷材料分类及特点 石英架状石英架状 5、架状硅氧骨干：、架状硅氧骨干： SiO4四面体四个角顶全部与其相邻的四面体四个角顶全部与其相邻的四个四个SiO4四面体共用，每个氧与两个硅相联系，形成惰性四面体共用，每个氧与两个硅相联系，形成惰性氧，石英（氧，石英（SiO2）族矿物即具此结构。）族矿物即具此结构。 1.1.陶瓷材料分类及特点陶瓷材料分类及特点 陶瓷的

18、相组成及结构陶瓷的相组成及结构晶体相晶体相, ,主晶相主晶相 玻璃相是一种非晶态物质，没有方向性玻璃相是一种非晶态物质，没有方向性(即各向同性即各向同性)，没有显著的熔点，只有一个软化的温度范围，没有显著的熔点，只有一个软化的温度范围， 所以在所以在瓷坯的烧成过程中，玻璃相的数量和软化范围，常常瓷坯的烧成过程中，玻璃相的数量和软化范围，常常是决定烧成的关键。是决定烧成的关键。气孔气孔2.2.陶瓷材料的显微结构陶瓷材料的显微结构 n晶相晶相n晶界晶界n玻璃相玻璃相n气孔气孔陶瓷材料显微结构的常见表征手段：陶瓷材料显微结构的常见表征手段：金相显微镜（金相显微镜（OM）扫描电镜（扫描电镜（SEM）透

19、射电镜（透射电镜（TEM）高分辨电镜（高分辨电镜（HREM）2.2.陶瓷材料的显微结构陶瓷材料的显微结构 n晶相、玻璃相和气孔的分布情况晶相、玻璃相和气孔的分布情况 （形状、大小、数量等形状、大小、数量等）n晶粒取向晶粒取向n晶粒均匀度晶粒均匀度n晶界性质晶界性质n杂质分布杂质分布 2.2.陶瓷材料的显微结构陶瓷材料的显微结构 n晶相是功能陶瓷材料的基本组成晶相是功能陶瓷材料的基本组成n主晶相的性能就是材料的性能主晶相的性能就是材料的性能n主晶相的大小、数量、均匀程度及晶粒的取向等主晶相的大小、数量、均匀程度及晶粒的取向等是决定材料的性能重要因素是决定材料的性能重要因素2.2.陶瓷材料的显微结

20、构陶瓷材料的显微结构 单相多晶陶瓷显微组织单相多晶陶瓷显微组织1500烧结烧结ZrO22mol%Y2O3等轴晶等轴晶粒形态粒形态 晶粒形态规则完整，大晶粒形态规则完整，大体上为等轴形。由于烧结体上为等轴形。由于烧结时没加烧结剂，晶界结合时没加烧结剂，晶界结合致密，无其它晶界相存在致密，无其它晶界相存在2.2.陶瓷材料的显微结构陶瓷材料的显微结构 复相多晶陶瓷显微组织复相多晶陶瓷显微组织 ZrO2 t+c复相组织复相组织大晶粒为高温大晶粒为高温c相；相；小晶粒为小晶粒为t相相单斜四方立方CCoo11002370ZrO2存在三种晶型存在三种晶型2.2.陶瓷材料的显微结构陶瓷材料的显微结构 复合陶瓷

21、显微组织复合陶瓷显微组织ZrO2/Al2O3的显微组织的显微组织2.2.陶瓷材料的显微结构陶瓷材料的显微结构 晶界晶界n晶界是无序的非晶态结构，由于缺陷较多，晶界内晶界是无序的非晶态结构，由于缺陷较多，晶界内的扩散要比晶粒内大得多的扩散要比晶粒内大得多n晶界是物质迁移和空位迁移的重要通道城市交晶界是物质迁移和空位迁移的重要通道城市交通中的街道的作用通中的街道的作用n相邻晶粒的边界，是多晶材料的主要组成部份，对相邻晶粒的边界，是多晶材料的主要组成部份，对材料的性能有显著的影响材料的性能有显著的影响n由于晶界有这样的特性，可以用扩散的方法把加入由于晶界有这样的特性，可以用扩散的方法把加入物的离子或

22、气氛中的离子取道晶界而渗入瓷坯，获物的离子或气氛中的离子取道晶界而渗入瓷坯，获得新的材料或元件，如得新的材料或元件，如晶界层电容器晶界层电容器等等2.2.陶瓷材料的显微结构陶瓷材料的显微结构 玻璃相玻璃相n玻璃相是一种低熔物，在达到烧成温度前即熔融玻璃相是一种低熔物，在达到烧成温度前即熔融n玻璃相的作用：玻璃相的作用： （1）起粘结作用；）起粘结作用； （2）降低烧结温度；）降低烧结温度； （3）阻止多晶转变和抑制晶粒生长；）阻止多晶转变和抑制晶粒生长；n玻璃相的来源：玻璃相的来源： （1）混入瓷料中的微量杂质；）混入瓷料中的微量杂质； （2）助烧结）助烧结2.2.陶瓷材料的显微结构陶瓷材料的

23、显微结构 ZnOBi2O3陶瓷的组织形态陶瓷的组织形态2.2.陶瓷材料的显微结构陶瓷材料的显微结构 Al2O3 陶瓷的玻璃相陶瓷的玻璃相2.2.陶瓷材料的显微结构陶瓷材料的显微结构 气气 孔孔n陶瓷材料一般含有陶瓷材料一般含有510左右的残余气孔左右的残余气孔n气孔是烧结过程中残留在晶粒中间的，由于它们离气孔是烧结过程中残留在晶粒中间的，由于它们离晶界较远，扩散途径长而难以排除晶界较远，扩散途径长而难以排除n气孔的存在，对烧结不利，不仅影响材料的机械强气孔的存在，对烧结不利，不仅影响材料的机械强度，也影响材料的热学性能、光学性能和介电性能度，也影响材料的热学性能、光学性能和介电性能等等2.2.

24、陶瓷材料的显微结构陶瓷材料的显微结构 2.2.陶瓷材料的显微结构陶瓷材料的显微结构 降低材料中气孔率的方法降低材料中气孔率的方法n通过某种加入物生成第二相来抑制晶粒的长大，通过某种加入物生成第二相来抑制晶粒的长大，使残余气孔从晶界易于排除使残余气孔从晶界易于排除n通过气氛烧结通过气氛烧结 封闭在气孔中的气体如氧通常能通过溶解和封闭在气孔中的气体如氧通常能通过溶解和扩散过程，从封闭的气孔中溢出；扩散过程，从封闭的气孔中溢出； 但对于氮气，由于它的溶解度低，不易从封但对于氮气，由于它的溶解度低，不易从封闭的气孔逸出；闭的气孔逸出； 为了使这些气体易于排除，在氧气氛或高真为了使这些气体易于排除，在氧

25、气氛或高真空中烧结比较有利空中烧结比较有利 2.2.陶瓷材料的显微结构陶瓷材料的显微结构 显微结构对材料性能的影响显微结构对材料性能的影响n组织结构的均匀性组织结构的均匀性n晶粒大小晶粒大小n晶界晶界n加入物加入物n气孔率或瓷坯密度气孔率或瓷坯密度n玻璃相玻璃相2.2.陶瓷材料的显微结构陶瓷材料的显微结构 组织结构的均匀性对材料性能的影响组织结构的均匀性对材料性能的影响均匀性的极限是均匀性的极限是n各晶粒化学组成相同各晶粒化学组成相同n各相物理性质相同各相物理性质相同n气孔率为零气孔率为零n晶粒大小相近晶粒大小相近陶瓷材料中不均匀性表现在：陶瓷材料中不均匀性表现在：v 陶瓷是多晶体，各晶粒组成

26、在某一陶瓷是多晶体，各晶粒组成在某一范围内波动，材料性能必然分散，它范围内波动，材料性能必然分散，它的性能是的性能是多晶粒性能的统计平均多晶粒性能的统计平均v气孔的存在气孔的存在v各向异性各向异性v含易挥发物，从晶粒至晶界会形成浓含易挥发物，从晶粒至晶界会形成浓度梯度度梯度v缺陷缺陷2.2.陶瓷材料的显微结构陶瓷材料的显微结构 总之，组织结构对材料性能的影响是多方面的。我们总之，组织结构对材料性能的影响是多方面的。我们只有在生产实践和科学试验中，不断总结经验，才能只有在生产实践和科学试验中，不断总结经验，才能逐步充实这方由的知识，并使之完善起来，为进一步逐步充实这方由的知识，并使之完善起来，为

27、进一步控制生产提供依据控制生产提供依据2.2.陶瓷材料的显微结构陶瓷材料的显微结构 原料的制备及加工原料的制备及加工（预烧、造粒等）（预烧、造粒等）坯体的成型坯体的成型烧成方法烧成方法烧后处理工艺烧后处理工艺（热处理或化学处理）（热处理或化学处理）材料性能材料性能提高坯体致密度、提高坯体致密度、减少气孔及裂纹减少气孔及裂纹控制晶相含量及晶控制晶相含量及晶粒的大小粒的大小3. 陶瓷材料的制备陶瓷材料的制备原料的预烧原料的预烧n在不同的温度下，很多原料的结晶状态或结构不同，在不同的温度下，很多原料的结晶状态或结构不同，晶型结构相互转变时常伴随体积效应，对烧成有不利晶型结构相互转变时常伴随体积效应，

28、对烧成有不利的影响，通常采取将这类原料进行锻烧的方法解决。的影响，通常采取将这类原料进行锻烧的方法解决。n通过锻烧可促进晶型转化，获得具有优良电性能的晶通过锻烧可促进晶型转化，获得具有优良电性能的晶型，改变材料结构，改善工艺性能，减少陶瓷样品最型，改变材料结构，改善工艺性能，减少陶瓷样品最终烧结时的收缩率，保证产品质量，提高和保证功能终烧结时的收缩率，保证产品质量，提高和保证功能陶瓷材料的性能陶瓷材料的性能 3. 陶瓷材料的制备陶瓷材料的制备原料原料预烧目的预烧目的预烧条件预烧条件Al2O3使使-Al2O3转化为转化为-Al2O3，提高原，提高原料纯度，改善产料纯度，改善产品性能品性能 采用采

29、用H3BO3作添加剂时，预作添加剂时，预烧温度烧温度14001450C左右，左右，保温保温23h。采用。采用NH4F作添作添加剂时，预烧温度加剂时，预烧温度1250C，保温保温12h MgO 提高提高MgO的活性，的活性，改善水化性能改善水化性能预烧温度在预烧温度在1400C以上以上滑石滑石 破坏滑石的层状破坏滑石的层状结构，避免定向结构，避免定向排列，降低收缩，排列，降低收缩，减少瓷件开裂减少瓷件开裂预烧温度一般在预烧温度一般在13001500C之间，加矿化剂（如之间，加矿化剂（如苏州土、硼酸、碳酸钡等）苏州土、硼酸、碳酸钡等）可降低预烧温度，含可降低预烧温度，含Fe2O3时，时，可采用还原

30、气氛可采用还原气氛 3. 陶瓷材料的制备陶瓷材料的制备3. 陶瓷材料的制备陶瓷材料的制备陶陶瓷瓷制制作作工工艺艺流流程程3. 陶瓷材料的制备陶瓷材料的制备粘粘 土土n粘土是多种微细的矿物的混合体，其矿物的粒径多数粘土是多种微细的矿物的混合体，其矿物的粒径多数小于小于2m，主要是由粘土矿物和其他矿物组成的并且，主要是由粘土矿物和其他矿物组成的并且具有一定特性的（其中主要是可塑性）土状岩石。具有一定特性的（其中主要是可塑性）土状岩石。 n主要化学组成主要化学组成：SiO2，Al2O3，少量，少量K2O，Na2OnCaO，MgO：为碳酸盐杂质矿物（方解石，菱镁矿）：为碳酸盐杂质矿物（方解石，菱镁矿）

31、在高温下分解的产物，起熔剂作用，能降低陶瓷烧成在高温下分解的产物，起熔剂作用，能降低陶瓷烧成温度。温度。n有害杂质有害杂质：Fe2O3，TiO2，烧成时产生膨胀的缺陷，烧成时产生膨胀的缺陷，影响瓷体的电绝缘性，并使瓷体染色。影响瓷体的电绝缘性，并使瓷体染色。3. 陶瓷材料的制备陶瓷材料的制备1. 粘土的可塑性是陶瓷坯泥服从成型的基础。粘土的可塑性是陶瓷坯泥服从成型的基础。2. 粘土使注浆泥料与釉料具有悬浮性与稳定性。粘土使注浆泥料与釉料具有悬浮性与稳定性。3. 粘土一般呈细分散颗粒，同时具有结合性。粘土一般呈细分散颗粒，同时具有结合性。4. 粘土是陶瓷坯体烧结时的主体，粘土中的粘土是陶瓷坯体烧

32、结时的主体，粘土中的Al2O3含量和杂含量和杂质含量是决定陶瓷坯体的烧结程度，烧结温度和软化温质含量是决定陶瓷坯体的烧结程度，烧结温度和软化温度的主要因素。度的主要因素。5. 粘土是形成陶器主体结构和瓷器中莫来石晶体的主要来粘土是形成陶器主体结构和瓷器中莫来石晶体的主要来源。源。粘土在陶瓷生产中的作用粘土在陶瓷生产中的作用 3. 陶瓷材料的制备陶瓷材料的制备高岭土高岭土(Al2O3 、 SiO2 、 H2O 、 Fe2O3 、TiO2 )高岭土俗称瓷土，制造瓷器的主要原料之一。高岭土俗称瓷土，制造瓷器的主要原料之一。不能单独成瓷，用量不能单独成瓷，用量.3. 陶瓷材料的制备陶瓷材料的制备石英石

33、英主要成分：主要成分：SiO2作用：降低坯收缩，减少干燥和烧成变形；增加瓷的机作用：降低坯收缩，减少干燥和烧成变形；增加瓷的机械强度、白度和透光度。械强度、白度和透光度。 加入量加入量20%30%3. 陶瓷材料的制备陶瓷材料的制备n种类：种类： 自然界中的二氧化硅结晶矿物可以统称为石英。自然界中的二氧化硅结晶矿物可以统称为石英。最纯的石英晶体统称为水晶。陶瓷工业中常用的石英类最纯的石英晶体统称为水晶。陶瓷工业中常用的石英类原料和材料有：脉石英、砂岩、石英岩、石英砂、燧石原料和材料有：脉石英、砂岩、石英岩、石英砂、燧石和硅藻土。和硅藻土。n性质：性质：外观视其种类不同而异，有的呈乳白色，有的呈外

34、观视其种类不同而异，有的呈乳白色，有的呈半透明灰白状态，表面具有玻璃光泽或脂肪光泽，莫氏半透明灰白状态，表面具有玻璃光泽或脂肪光泽，莫氏硬度值为硬度值为7 7，相对密度因晶型而异。石英的主要成分为，相对密度因晶型而异。石英的主要成分为SiOSiO2 2，常含有少量杂质成分，如，常含有少量杂质成分，如AlAl2 2O O3 3，FeFe2 2O O3 3，CaOCaO，MgOMgO，TiOTiO2 2等。等。 石石 英英3. 陶瓷材料的制备陶瓷材料的制备n在烧成前是瘠性原料，可对泥料的可塑性起调节作用，能降低坯体在烧成前是瘠性原料，可对泥料的可塑性起调节作用，能降低坯体的干燥收缩，缩短干燥时间并

35、防止坯体变形。的干燥收缩，缩短干燥时间并防止坯体变形。n在烧成时石英的加热膨胀可部分地抵消坯体收缩的影响，防止坯体在烧成时石英的加热膨胀可部分地抵消坯体收缩的影响，防止坯体发生软化变形等缺陷。发生软化变形等缺陷。n在瓷器中，合理的石英颗粒能大大提高瓷器坯体的强度。同时，石在瓷器中，合理的石英颗粒能大大提高瓷器坯体的强度。同时，石英也能使瓷坯的透光度和白度得到改善。英也能使瓷坯的透光度和白度得到改善。n在釉料中二氧化硅是生成玻璃质的主要组分，增加釉料中石英含量在釉料中二氧化硅是生成玻璃质的主要组分，增加釉料中石英含量能提高釉的熔融温度与粘度，并减少釉的膨胀系数，同时它是赋予能提高釉的熔融温度与粘

36、度，并减少釉的膨胀系数，同时它是赋予釉以高的力学强度，硬度，耐磨性和耐化学侵蚀性的主要因素。釉以高的力学强度，硬度，耐磨性和耐化学侵蚀性的主要因素。石英在陶瓷生产中的作用石英在陶瓷生产中的作用 3. 陶瓷材料的制备陶瓷材料的制备长石长石钾长石：钾长石：K2O SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2钠长石：钠长石：Na2O SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2作用作用：坯体中和石英作用一样；坯体中和石英作用一样；以上，熔以上，熔融成玻璃态，并熔解其他物质，降低成瓷温度，减少融成玻璃态，并熔解其他物质，降低成瓷温度，减少气孔，增加半透明度；在釉中是主要熔剂。加入量气孔，增加半透明度；在釉

37、中是主要熔剂。加入量10%25%3. 陶瓷材料的制备陶瓷材料的制备长长 石石n长石是地壳上分布广泛的造岩矿物。它呈架状硅酸盐长石是地壳上分布广泛的造岩矿物。它呈架状硅酸盐结构，化学成分为不含水的碱金属与碱土金属铝硅酸结构，化学成分为不含水的碱金属与碱土金属铝硅酸盐，主要是钾，钙，钠和少量钡的铝硅酸盐，有时含盐，主要是钾，钙，钠和少量钡的铝硅酸盐，有时含有微量的铯，锶等金属离子，晶粒粗大。有微量的铯，锶等金属离子，晶粒粗大。n根据架状硅酸盐的结构特点，长石主要有四种基本类根据架状硅酸盐的结构特点，长石主要有四种基本类型：钠长石，钾长石，钙长石和钡长石。型：钠长石，钾长石，钙长石和钡长石。3. 陶

38、瓷材料的制备陶瓷材料的制备n长石在高温下熔融形成粘稠的玻璃熔体是坯料中碱金属氧化物长石在高温下熔融形成粘稠的玻璃熔体是坯料中碱金属氧化物（K K2 2O O，NaNa2 2O O）的主要来源，能降低陶瓷坯体组分的熔化温度，）的主要来源，能降低陶瓷坯体组分的熔化温度，有利于成瓷和降低烧成温度。有利于成瓷和降低烧成温度。n熔融后的长石熔体能熔解部分高岭土分解产物和石英颗粒。液熔融后的长石熔体能熔解部分高岭土分解产物和石英颗粒。液相中相中AlAl2 2O O3 3和和SiOSiO2 2相互作用，促进莫来石晶体的形成和长大，赋相互作用，促进莫来石晶体的形成和长大，赋予了坯体的力学性能和化学稳定性。予了

39、坯体的力学性能和化学稳定性。n长石熔体能填充于各结晶颗粒之间，有助于坯体致密和减少空长石熔体能填充于各结晶颗粒之间，有助于坯体致密和减少空隙。隙。n在釉料中长石是主要熔剂。在釉料中长石是主要熔剂。n长石作为瘠性原料，在生坯中还可以缩短坯体干燥时间，减少长石作为瘠性原料，在生坯中还可以缩短坯体干燥时间，减少坯体的干燥收缩和变形等。坯体的干燥收缩和变形等。长石的作用长石的作用 3. 陶瓷材料的制备陶瓷材料的制备特种陶瓷原料特种陶瓷原料 （1）化工原料）化工原料n氧化物类：氧化铝、氧化锆、氧化钛、氧化锌、铅丹（氧化铅）、稀氧化物类：氧化铝、氧化锆、氧化钛、氧化锌、铅丹（氧化铅）、稀土类、着色类土类、

40、着色类n各种盐类：硼化合物（硼酸、硼砂）、碳酸盐（碳酸钾、碳酸钠、碳各种盐类：硼化合物（硼酸、硼砂）、碳酸盐（碳酸钾、碳酸钠、碳酸钡）、硫酸盐（硫酸钠、硫酸钡）、硝酸盐（硝酸钾、硝酸钠）酸钡）、硫酸盐（硫酸钠、硫酸钡）、硝酸盐（硝酸钾、硝酸钠） （2）合成原料）合成原料 n氧化物：莫来石（氧化物：莫来石（3Al2O32SiO2）、堇青石（）、堇青石（Mg2Al3AlSi5O18）n碳化物：碳化硅（碳化物：碳化硅（SiC）、碳化钛（）、碳化钛（TiC）、碳化钨（）、碳化钨（WC）、石墨）、石墨n氮化物：氮化硅（氮化物：氮化硅（Si3N4）、氮化铝（）、氮化铝（AlN）、氮化硼（）、氮化硼（BN）

41、n钛酸盐：钛酸钡（钛酸盐：钛酸钡（BaTiO3）3. 陶瓷材料的制备陶瓷材料的制备n坯料是指将陶瓷原料经筛选，破碎等工序后进行配料，坯料是指将陶瓷原料经筛选，破碎等工序后进行配料，再经混合、细磨等工序后得到的具有成型性能的多组再经混合、细磨等工序后得到的具有成型性能的多组分混合物。分混合物。 n坯料的制备过程可大致分为原料处理、配料、混合制坯料的制备过程可大致分为原料处理、配料、混合制备三部分。备三部分。陶瓷坯料的制备陶瓷坯料的制备 3. 陶瓷材料的制备陶瓷材料的制备（1） 原料处理原料处理 na、预烧、预烧对原料进行的预先烧制对原料进行的预先烧制nb、精选、精选对原料进行分离，提纯，除去原料

42、中的各种杂质（尤其对原料进行分离，提纯，除去原料中的各种杂质（尤其含铁杂质），使之在化学组成、矿物组成、颗粒尺寸上更符合原料含铁杂质），使之在化学组成、矿物组成、颗粒尺寸上更符合原料的质量要求的质量要求 。S物理方法：水选、筛选、磁选、超声波选物理方法：水选、筛选、磁选、超声波选S化学方法：溶解法、升华法化学方法：溶解法、升华法S物理化学方法：电解法、浮选法物理化学方法：电解法、浮选法 ( 2 ) 配配 料料n根据制品的化学性能要求、生产工艺确定坯料的组成；根据制品的化学性能要求、生产工艺确定坯料的组成；n根据原料的性质选择合适的原料；根据原料的性质选择合适的原料；n根据特定的方法（如成分满足

43、法）确定配方。根据特定的方法（如成分满足法）确定配方。 3. 陶瓷材料的制备陶瓷材料的制备n(3)(3)混合制备混合制备 na a、粉碎、粉碎 粒度分析、比表面测定和粒度分析、比表面测定和X X射线衍射技术射线衍射技术 影响研磨效果的因素：研磨工艺和设备、研磨时间、强度和研影响研磨效果的因素：研磨工艺和设备、研磨时间、强度和研磨介质。磨介质。nb b、脱水、脱水 注浆料的含水量为注浆料的含水量为303035%35%时才能浇注成型时才能浇注成型 可塑泥料是采用压滤机脱水至含水量为可塑泥料是采用压滤机脱水至含水量为202025 25 压制粉料可分为：压制粉料可分为： 湿法压制粉料：含水量湿法压制粉

44、料：含水量8 81515； 干法压制粉料：含水量干法压制粉料：含水量3 37 7 脱水操作：压滤脱水法脱水操作：压滤脱水法 、喷雾干燥技术、喷雾干燥技术3. 陶瓷材料的制备陶瓷材料的制备nc c、陈腐与练泥、陈腐与练泥（）陈腐）陈腐 所谓陈腐就是把泥饼置于避光、空气不流通的室内或密闭容器内，所谓陈腐就是把泥饼置于避光、空气不流通的室内或密闭容器内，保持一段时间，该工艺也叫困料。因料室内温度应保持在保持一段时间，该工艺也叫困料。因料室内温度应保持在2020左左右，相对湿度要求在右，相对湿度要求在80%-90%80%-90%。坯料在困制过程中，在毛细管的作。坯料在困制过程中，在毛细管的作用下，水分

45、分布渐趋均匀。坯料困制时间越长，水分分布就越均用下，水分分布渐趋均匀。坯料困制时间越长，水分分布就越均匀，其成型性也就越好。一般困料时间为匀，其成型性也就越好。一般困料时间为1010天左右。天左右。（）练泥）练泥 经过压滤得到的泥饼和困料得到的坯料的组织疏松且不均匀，含有经过压滤得到的泥饼和困料得到的坯料的组织疏松且不均匀，含有大量的气泡。这样既降低了坯料的可塑性，难以挤压成型，通常大量的气泡。这样既降低了坯料的可塑性，难以挤压成型，通常采用真空练泥机多次练泥的方法，排除泥饼中的残留空气，提高采用真空练泥机多次练泥的方法，排除泥饼中的残留空气，提高泥料的致密度和可塑性，并使泥料组织均匀，改善成

46、形性能，提泥料的致密度和可塑性，并使泥料组织均匀，改善成形性能，提高干燥强度和成瓷后的机械强度。高干燥强度和成瓷后的机械强度。3. 陶瓷材料的制备陶瓷材料的制备n固相法固相法 包括化合或还原包括化合或还原- -化合法。制取硼化物的碳化硼法、化合法。制取硼化物的碳化硼法、热分解法、自蔓延高温合成法等。热分解法、自蔓延高温合成法等。n气相法气相法 包括气相合成法、气相热分解法。包括气相合成法、气相热分解法。n液相法液相法 有直接沉淀法、均匀沉淀法、共沉淀法、醇盐水解有直接沉淀法、均匀沉淀法、共沉淀法、醇盐水解法、溶胶法、溶胶- -凝胶法。凝胶法。n机械法机械法 有球磨、振动球磨、搅动球磨、气流粉碎

47、等。有球磨、振动球磨、搅动球磨、气流粉碎等。n溶剂蒸发法溶剂蒸发法 有酒精干燥法、冷冻干燥法、热石油干燥法和有酒精干燥法、冷冻干燥法、热石油干燥法和喷雾干燥法等。喷雾干燥法等。n气相法和液相法是制取超细粉的主要方法。气相法和液相法是制取超细粉的主要方法。特种陶瓷的粉料制备特种陶瓷的粉料制备3. 陶瓷材料的制备陶瓷材料的制备粉体制备方法粉体制备方法n先进陶瓷粉体：先进陶瓷粉体： 通常为通常为0.0540微米粒径范围的物料体系。微米粒径范围的物料体系。n粉体制备方法：粉体制备方法： 机械粉碎法：（尺寸降低过程）机械粉碎法：（尺寸降低过程） 外力克服内聚力实现表面积增大。外力克服内聚力实现表面积增大

48、。 合成法：（构筑过程）合成法：（构筑过程） 离子、原子、分子经反应、成核离子、原子、分子经反应、成核生长、收集、生长、收集、后处理等获得微细粉体。后处理等获得微细粉体。3. 陶瓷材料的制备陶瓷材料的制备机械制粉方法的实质就是利用机械制粉方法的实质就是利用动能动能来破坏材料的内结来破坏材料的内结合合力，使材料分裂产生新的界面。力，使材料分裂产生新的界面。能够提供动能的方法可以设计出许多种，例如有锤捣、能够提供动能的方法可以设计出许多种，例如有锤捣、研磨、辊轧、等，其中除研磨外，其他几种粉碎方法主研磨、辊轧、等，其中除研磨外，其他几种粉碎方法主要是用于物料破碎及粗粉制备的。要是用于物料破碎及粗粉

49、制备的。机械粉碎加工粉体方法机械粉碎加工粉体方法3. 陶瓷材料的制备陶瓷材料的制备混混 料料 混料的两种基本形式混料的两种基本形式： 1）干混）干混 2）湿混）湿混根据计算的结果称料，多种组分的原料经过一定的根据计算的结果称料，多种组分的原料经过一定的方法混合均匀的过程称为混料。（在方法混合均匀的过程称为混料。（在球磨机球磨机中的混料过中的混料过程可同时实现粉碎和混合的双重目的。）程可同时实现粉碎和混合的双重目的。）3. 陶瓷材料的制备陶瓷材料的制备n球磨是最常用的一种粉碎和混合装置球磨是最常用的一种粉碎和混合装置n被粉碎的物料和磨球装在一个圆筒形球磨罐中。被粉碎的物料和磨球装在一个圆筒形球磨

50、罐中。n球磨罐旋转时，带动球撞击和研磨物料，达到球磨罐旋转时，带动球撞击和研磨物料，达到粉碎的目的。粉碎的目的。n一般来说，磨机转速越大，粉碎效率越高。但一般来说，磨机转速越大，粉碎效率越高。但当磨机转速超过临界转速时就失去粉碎作用。当磨机转速超过临界转速时就失去粉碎作用。3. 陶瓷材料的制备陶瓷材料的制备物料颗粒受机械力作用而被粉碎时，还会发生物质物料颗粒受机械力作用而被粉碎时，还会发生物质结构及表面物理化学性质的变化，这种因机械载荷结构及表面物理化学性质的变化，这种因机械载荷作用导致颗粒晶体结构和物理化学性质的变化称为作用导致颗粒晶体结构和物理化学性质的变化称为机械力化学。机械力化学。研磨

51、的理论基础研磨的理论基础 机械力化学机械力化学3. 陶瓷材料的制备陶瓷材料的制备球磨制粉包括四个基本要素：球磨制粉包括四个基本要素：球磨筒球磨筒磨球（球料比）磨球（球料比）研磨物料研磨物料研磨介质研磨介质3. 陶瓷材料的制备陶瓷材料的制备1.1.动能准则：动能准则： 提高磨球的动能提高磨球的动能2.2.碰撞几率准则：碰撞几率准则： 提高磨球的有效碰撞几率提高磨球的有效碰撞几率球磨制粉的基本原则球磨制粉的基本原则3. 陶瓷材料的制备陶瓷材料的制备滚筒式滚筒式行星式行星式振动式振动式搅动式搅动式球磨制粉的基本方式球磨制粉的基本方式3. 陶瓷材料的制备陶瓷材料的制备滚筒式球磨滚筒式球磨3. 陶瓷材料

52、的制备陶瓷材料的制备振动球磨振动球磨3. 陶瓷材料的制备陶瓷材料的制备行星球磨行星球磨3. 陶瓷材料的制备陶瓷材料的制备搅动球磨搅动球磨3. 陶瓷材料的制备陶瓷材料的制备助磨剂助磨剂：粉碎中能显著提高粉碎效率或降低能耗的化学物质。多粉碎中能显著提高粉碎效率或降低能耗的化学物质。多为表面活性物质。如醇类、胺类、油酸及有机酸的无机为表面活性物质。如醇类、胺类、油酸及有机酸的无机盐类等。盐类等。 通过湿润、吸附通过湿润、吸附颗粒表面能降低颗粒表面能降低助磨剂进入粒子助磨剂进入粒子微裂缝中产生劈裂作用微裂缝中产生劈裂作用3. 陶瓷材料的制备陶瓷材料的制备n常用助磨剂：常用助磨剂： 液体助磨剂：如醇类（

53、甲醇、丙三醇）、胺液体助磨剂：如醇类（甲醇、丙三醇）、胺类（三乙醇胺、二异丙醇胺）、油酸及有机酸类（三乙醇胺、二异丙醇胺）、油酸及有机酸的无机盐类（可溶性质素磺酸钙、环烷酸钙）的无机盐类（可溶性质素磺酸钙、环烷酸钙） 气体助磨剂：如丙酮气体、惰性气体气体助磨剂：如丙酮气体、惰性气体 固体助磨剂：如六偏磷酸钠、硬脂酸钠或钙、固体助磨剂：如六偏磷酸钠、硬脂酸钠或钙、硬脂酸、滑石粉等。硬脂酸、滑石粉等。3. 陶瓷材料的制备陶瓷材料的制备n助磨剂选择依据：助磨剂选择依据： 一般来说，助磨剂与物料的润湿性愈好，则助磨一般来说，助磨剂与物料的润湿性愈好，则助磨作用愈大。当细碎酸性物料（如二氧化硅、二氧作用愈大。当细碎酸性物料（如二氧化硅、二氧化钛、二氧化钴）时，可选用碱性表面活性物质，化钛、二氧化钴）时，可选用碱性表面活性物质，如羧甲基纤维素、三羟乙基胺磷脂等；当细碎碱如羧甲