陶瓷材料设计与高温制备实验(陶瓷材料的设计2015)

1、冯小平联系：WHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUT 一、陶瓷的种类一、陶瓷的种类 传统陶瓷：传统陶瓷：以粘土为主要原料，并与其他矿物原料经过破以粘土为主要原料，并与其他矿物原料经过破碎混和成型烧成等过程而制得的制品。如：碎混和成型烧成等过程而制得的制品。如： 特种陶瓷：特种陶瓷： 热学功能、力学性能、热学功能、力学性能、 生物功能、电磁功能生物功能、电磁功能WHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUT 二、陶瓷的组成、结构与性能二、陶瓷的组成、结构与性能 陶瓷材料的性能与其化学成分、显微结构是密切相关的，陶瓷材料的性能与其化学成分、显微结构是密切相关的，

2、成型工艺对显微结构也有重要影响。其中组成对显微结构、成型工艺对显微结构也有重要影响。其中组成对显微结构、性能起决定作用。性能起决定作用。结构缺陷对陶瓷性能也有显著影响。结构缺陷对陶瓷性能也有显著影响。WHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUT 三、陶瓷的成分设计依据三、陶瓷的成分设计依据 根据材料的使用要求进行设计根据材料的使用要求进行设计 . .根据相关手册或其他参考资料根据相关手册或其他参考资料进行设计（如：相图）进行设计（如：相图） CaO-AlCaO-Al2 2O O3 3-SiO-SiO2 2系统系统 MgO-Al MgO-Al2 2O O3 3-SiO-SiO2 2系统系统

3、Li Li2 2O-AlO-Al2 2O O3 3-SiO-SiO2 2系统系统。 . .根据他人的经验进行设计根据他人的经验进行设计 . .从头摸索从头摸索WHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUT 四、陶瓷制备的原料四、陶瓷制备的原料 三大类天然矿物原料：以粘土粘土为代表的可塑性原料；以长长石石为代表的熔剂类原料和以石英石英为代表的瘠性类原料。 1、粘土粘土 多种微细矿物的混合体，其矿物的粒径多数小于2m，粘土矿物主要是一些含水铝硅酸盐矿物（40%60）。 常见常见粘土主要有粘土主要有：高岭石类、蒙脱石类、伊利石类：高岭石类、蒙脱石类、伊利石类 高岭石类（高岭石类（Al2O32SiO

4、22H2O） 高岭土(由高岭石作为主要成分的粘土） 吸附能力小，可塑性和结合性较差，杂质少，白度高，耐火度高。WHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUT 蒙脱石类（蒙脱石类（AlAl2 2O O3 34SiO4SiO2 2nHnH2 2O O，n2n2） 遇水体积膨胀形成胶状物，具有很强的吸附和阳离子交换能力。 膨润土（由蒙脱石作为主要矿物的粘土），其颗粒细小，可塑性极强，能提高坯体的可塑性和干燥强度，但杂质较多，收缩大，烧结温度低。 伊利石伊利石类类 属于水云母类矿物，是云母水解成高岭石的中间产物。 一般可塑性低，干燥强度小，干燥收缩小，烧结温度低，800开始烧结，完全烧结温度在100

5、01150。WHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUT 粘土粘土的的工艺性能工艺性能 （1）可塑性：可塑性：可塑性是指含工作水分的泥团，在一定外力作用下产生形变，除去外力仍保持其形变性能的能力（可塑性指标和可塑性指数） （2）离子交换离子交换性：性：粘土粒子因表面层的断键和晶格内部离子的不等价置换而带电，它能吸附溶液中的异性离子，这种被吸附的离子又可被其他离子所置换。 （3）触变性：触变性：粘土泥浆或可塑泥团在静置以后变稠或凝固，当受到搅拌或振动时，粘度降低而流动性增加，再放置一段时间后又能恢复原来状态， （4）膨化膨化性：性： 粘土加水后体积膨胀的性质。 （5）收缩：收缩：干燥收缩和烧

6、成收缩。WHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUT （6 6）烧结）烧结性能：性能： 粘土试样加热到800以上时，体积开始剧烈收缩，气孔率明显减少（开始烧结温度了T1）； 温度继续升高，液相量增加，气孔率降至最低，收缩率最大（烧结温度T2）； 继续升温，试样因液相太多而发生变形（软化温度T3）； T3与T2的温度差即烧结范围 （7 7）耐火度：）耐火度：材料在高温作用下达到特定软化程度时的温度。它反映了材料抵抗高温作用的性能。WHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUT 粘土粘土在陶瓷生产中的作用在陶瓷生产中的作用 a. 粘土的可塑性是陶瓷坯泥赖以成型的基础。 b. 粘土使注浆泥料与

7、釉料具有悬浮性与稳定性。 c. 粘土一般呈细分散颗粒，同时具有结合性。 d. 粘土是坯体烧结时的主体，粘土中的Al2O3含量决定着陶瓷的烧结程度、烧温度。WHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUT 2 2、石英类原料石英类原料 用于陶瓷工业的石英主要有砂岩、石英岩、石英砂等。 这些矿物中它们的主要成分是SiO2，常含有少量杂质成分，如Al2O3、Fe2O3等 石英石英在陶瓷生产中的作用在陶瓷生产中的作用 a. 在烧结前，石英是瘠性原料，对泥料的可塑性起调节作用，防止坯体变形。 b. 在高温由于部分石英溶解于液相中，增加熔体的粘度。未溶解的石英颗粒，则构成骨架。可防止坯体变形。 c. 由于

8、有石英颗粒存在可大大提高陶瓷坯体的强度。 d. 石英的存在，可使制品耐磨，耐化学浸蚀。WHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUT 3 3、长石类长石类原料原料（熔剂类原料） 长石主要有： 钠长石（Na2OAl2O36SiO2）、钾长石（K2OAl2O36SiO2）、钙长石（CaOAl2O36SiO2） 长石长石在陶瓷生产中的作用在陶瓷生产中的作用 a.长石在高温下熔融，形成粘稠的玻璃熔体。Na+ K+ 有断网助熔作用。 b.提高机械强度和化学稳定性。熔融后的长石能溶解部分高岭土分解产物和石英颗粒，促进莫来石晶体的形成。 c.长石熔融后充填于各结晶颗粒之间，有助于坯体致密化。WHUTWHU

9、TWHUTWHUTWHUTWHUT 4 4、其它其它原料原料 （1 1）碳酸盐类碳酸盐类：方解石、石灰石 （2 2）滑石滑石（3MgO4SiO2H2O） （3 3）硅灰石硅灰石（CaOSiO2） （4 4）各类化学原料）各类化学原料WHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUT 五、实验方案的确定五、实验方案的确定 1 1、实验室已有的条件、实验室已有的条件 设备设备：硅碳棒炉（：硅碳棒炉（13501350） 硅钼棒炉（硅钼棒炉（16501650 ） 原料原料：矿物原料、化学：矿物原料、化学原料原料WHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUT 实验室现有矿物原料化学组成实验室现有矿物原料

10、化学组成原料名称原料名称SiOSiO2 2AlAl2 2O O3 3MgOMgOCaOCaONaNa2 2O OK K2 2O OFeFe2 2O O3 3TiOTiO2 2灼减灼减温石英温石英99.2099.201.141.140.020.020.060.060.070.070.070.070.080.080.020.020.110.11熟滑石粉熟滑石粉62.7362.730.680.6829.8429.844.554.550.070.070.070.070.050.050.010.010.730.73高州洗泥高州洗泥47.5447.5436.5536.550.130.130.050.050

11、.100.101.751.750.610.610.060.0612.5312.53井沙洗泥井沙洗泥48.3548.3537.2837.280.070.070.030.030.090.092.022.020.20.20.010.0111.9411.94钠长石钠长石70.3470.3418.4318.430.110.110.570.579.669.660.30.30.140.140.070.070.650.65钾长石钾长石70.570.516.8416.840.050.050.330.333.123.129.189.180.070.070.020.020.320.32碳酸锂碳酸锂碳粉碳粉碳化硅碳化

12、硅 TiOTiO2 2WHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUT 五、实验方案的确定五、实验方案的确定 1 1、实验室已有的条件、实验室已有的条件 2 2、关于选题、关于选题 本学期以本学期以LiLi2 2O-AlO-Al2 2O O3 3-SiO-SiO2 2系统低膨胀陶瓷系统低膨胀陶瓷进行实验进行实验LASLAS系统的平均线热膨胀系数系统的平均线热膨胀系数矿物名称矿物名称-锂辉石锂辉石-锂霞石锂霞石透锂长石透锂长石LAS+TiO210-6C-10.9-6.20.3-0.071.3WHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUTLAS系统的平均线热膨胀系数系统的平均线热膨胀系数矿物名称

13、-锂辉石-锂霞石透锂长石LAS+TiO210-6C-10.9-6.20.3-0.071.3组组 号号内容内容C15（5班）班）-锂辉石锂辉石， 分分2小组，自由组合小组，自由组合C16（6班）班）-锂霞石锂霞石C17（6班）班）-锂霞石锂霞石C18（7班）班）透锂长石透锂长石， 分分2小组，自由组合小组，自由组合C19（8班）班）LAS（-锂锂辉辉石石）+TiO2C20（9班）班）LAS（-锂锂辉辉石石）+ZrO2分组安排：分组安排：WHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUT 五、实验方案的确定五、实验方案的确定 1 1、实验室已有的条件、实验室已有的条件 2 2、关于选题、关于选题 3

14、 3、最高烧成温度的估算（查阅相关资料）、最高烧成温度的估算（查阅相关资料）288.036032ROOAlt烧1002323232SiOOAlOAlmmmOAl2322221002SiOOAlOLiMgOCaOONaOKmmOKnnnnnROWHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUT 烧成温度计算烧成温度计算 计算配方中计算配方中AlAl2 2O O3 3与与SiOSiO2 2总量为总量为100%100%时的时的AlAl2 2O O3 3含量含量 78.2310079.2158.6979.2132OAl计算举例计算举例地砖实验配方地砖实验配方成分SiO2Al2O3Fe2O3TiO2CaO

15、MgOK2ONa2O含量（wt%）69.8521.790.690.021.080.330.573.70WHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUT 计算配方中计算配方中AlAl2 2O O3 3与与SiOSiO2 2总量为总量为100%100%时，所有时，所有熔剂氧化物含量（熔剂氧化物含量（RORO）。熔剂氧化物包括）。熔剂氧化物包括K K2 2O O、NaNa2 2O O、CaOCaO、MgOMgO。以。以K K2 2O O为标准熔剂，其他氧为标准熔剂，其他氧化物各乘以转换系数。化物各乘以转换系数。286.979.2185.69100946033.05608.16270.39457.0R

16、O计算举例计算举例（续）WHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUT1300288.0286.978.23360288.036032烧ROOAlt 最高烧成温度定为最高烧成温度定为13001300计算举例计算举例（续）WHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUT六六、烧成制度的烧成制度的制定制定1、估算最高烧成温度288.036032ROOAlt烧2 2、烧成温度曲线、烧成温度曲线 取56个温度点； 每个温度点保温30分钟，取3个样品； 升温速率3/minWHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUT七七、烧成、烧成设备设备WHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUT七七、烧成、

17、烧成设备设备（续）WHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUT八八、操作步骤操作步骤1、取两块平整的垫砖，抹上一薄层氧化铝粉；2、将做了干燥收缩的试样，按照一定顺序摆放到垫砖上；WHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUT八八、操作步骤操作步骤（续）3、放入炉膛中，关好炉门；4、在温控仪表上设置的烧成温度曲线，开启电炉进行升温；5、当到达第一个保温点，保温后，取出试样，立即放到马弗炉中进行退火；6、继续升温，直到达到最高烧成温度点，最后一个试样可以不取出，随炉冷却即可。7、当试样冷却至室温时放在干燥器中待用。WHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUT九、九、陶陶瓷瓷基本性能基本性

18、能测定测定 坯体的干燥强度、线收缩； 陶瓷的体积密度、气孔率、收缩率、吸水率等基本性能的测定（确定所设计坯料的烧成温度和基本性能）。 热膨胀系数的测定。WHUTWHUTWHUTWHUTWHUTWHUT十、实验报告的书写十、实验报告的书写要求要求实验目的实验目的 描述低膨胀陶瓷的种类、成分系统、用途、成型方法等内容，本次实验所要达到实验效果。（查阅科技文献资料，相关文献不查阅科技文献资料，相关文献不少于少于6篇篇）实验原理实验原理1、成分设计的依据，配料计算、最高烧结温度的计算、烧成工艺参数的确定；2、描述实验过程中涉及到的测试方法的原理。（坯体干燥强度、干燥收缩、陶瓷强度的测定、陶瓷体积密度、吸水率、气孔率测定、热膨胀系数测定等