材料工程基础第六章

1、材料工程基础第六章第1页，共56页，2022年，5月20日，22点10分，星期四第一节陶瓷的概述第2页，共56页，2022年，5月20日，22点10分，星期四陶瓷:指所有以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经过粉碎、混炼、成型、烧结等过程而制成的各种制品广义的陶瓷概念：用陶瓷生产方法制造的无机非金属固体材料和制品的通称。 德国陶瓷协会：“陶瓷是化学工业或化学生产工艺的一个分支，包括陶瓷材料和器物的制造或进一步加工成陶瓷制品(元件)。陶瓷材料属于无机非金属材料，最少含30结晶体。一般是在室温中将原料成型，通过800以上的高温处理，以获得这种材料的典型性质。有时也在高温下成型，甚至可经过熔化及析晶等

2、过程。” 美国和日本等国：Ceramics是包括各种硅酸盐材料和制品在内的无机非金属材料的通称，不仅指陶瓷，还包括水泥、玻璃、搪瓷等材料。狭义的陶瓷概念一、 陶瓷的概念第3页，共56页，2022年，5月20日，22点10分，星期四二、陶瓷的分类陶瓷普通陶瓷特种陶瓷日用陶瓷(包括艺术陈列陶瓷) 建筑卫生陶瓷 化工陶瓷 化学瓷 电瓷及其它工业陶瓷 结构陶瓷 功能陶瓷 第4页，共56页，2022年，5月20日，22点10分，星期四传统陶瓷（普通陶瓷） 第5页，共56页，2022年，5月20日，22点10分，星期四第6页，共56页，2022年，5月20日，22点10分，星期四性能及特征陶器瓷器吸水性/

3、一般大于3一般不大于3透光性不透光有一定透光性胎体特征未玻化或玻化程度差、断面粗糙玻化程度高、结构致密、细腻，断面呈石状或贝壳状敲击声沉浊清脆日用陶瓷分类炻器（半瓷）第7页，共56页，2022年，5月20日，22点10分，星期四陶器是一种坯体结构较疏松、致密度较差的陶瓷制品，通常有一定吸水率，断面粗糙无光，没有半透明性，敲之声音粗哑。名称粗陶器普通陶器细陶器特征吸水率15%；不施釉，制作粗糙吸水率12；断面颗粒较粗，气孔较大，表面施釉，制作不够精细吸水率5；断面颗粒细，气孔较小，结构均匀，施釉或不施釉，制作精细第8页，共56页，2022年，5月20日，22点10分，星期四 瓷器的坯体致密，基本

4、上不吸水，有一定的半透明性，断面成石状或贝壳状。名称炻瓷类普通瓷器细瓷器特征吸水率3；透光性差，通常胎体较厚，呈色，断面呈石状，制作较精细吸水率 1；有一定透光性，断面呈石状或贝壳状，制作较精细吸水率 0.5；透光性好，断面细腻，呈贝壳状，制作精细第9页，共56页，2022年，5月20日，22点10分，星期四具有各种特殊力学、物理或化学性能等优异特性的陶瓷。人造牙齿压电陶瓷点火器特种陶瓷（新型陶瓷、精细陶瓷、高技术陶瓷）结构陶瓷功能陶瓷电子绝缘件第10页，共56页，2022年，5月20日，22点10分，星期四第二节普通陶瓷的生产工艺第11页，共56页，2022年，5月20日，22点10分，星期

5、四 普通陶瓷生产工艺流程P-F-H1、坯料制备（粉体制备）2、成型3、烧成（烧结）第12页，共56页，2022年，5月20日，22点10分，星期四粘土类原料； SiO2、A12O3和结晶水（H2O）石英类原料； SiO2长石类原料； 坯料中碱金属氧化物的主要来源镁质原料；菱镁矿MgCO3；滑石3MgO4SiO2H2O；透辉石CaOMgO2SiO2钙质原料; 方解石CaCO3；石灰石CaCO3；硅灰石CaOSiO2；碳酸盐、硫酸盐和硼酸盐原料氧化物原料（ZrO2、TiO2、PbO和ZnO）1、原料第13页，共56页，2022年，5月20日，22点10分，星期四1、增加坯体的可塑性2、骨架作用，提

6、高坯体强度、 减少干燥和烧成收缩4、降低烧结温度, 熔剂作用5、加速烧结进程7、提高釉料质量6、扩大烧结范围塑性原料：粘土类瘠性原料：石英类、长石类、硅酸、碳酸盐类掺入碱土、碱金属离子：长石、碱土硅铝酸盐、硼酸盐、氧化物硅灰石、透辉石滑石石英、长石类：硅酸、碳酸、硼酸盐类；氧化物类3、提高烧结体强度促进莫来石生长 ：粘土、长石、石英类、滑石第14页，共56页，2022年，5月20日，22点10分，星期四2、坯料制备 （1）注浆坯料，含水率2835%； （2）可塑坯料，含水率1825%； （3）压制坯料，含水率37% （干压坯料）； 含水率815%（半干压坯料）；坯料： 陶瓷原料经配料和一定的工

7、艺加工，得到的具有成型性能的多组分均匀的配合料。第15页，共56页，2022年，5月20日，22点10分，星期四坯料制备的主要工序一、原料的处理（原料精选、原料预烧）二、原料粉碎（粗碎、中碎和细碎（磨）三、筛分、除铁、搅拌四、泥浆脱水（浆料 泥团；浆料 粉料）五、练泥（塑性泥料）六、造粒（压制粉料）七、陈腐压力脱水：2025%喷雾干燥脱水: 8% 第16页，共56页，2022年，5月20日，22点10分，星期四常用成型方法：成型的目的：将坯料加工成具有一定形状和尺寸、并具有一定的致密度和必要的强度的坯体。 可塑成型塑性坯料（泥料）注浆成型浆料压制成型粉料2、成型第17页，共56页，2022年，

8、5月20日，22点10分，星期四压制成型第18页，共56页，2022年，5月20日，22点10分，星期四 注浆成型空心注浆实心注浆第19页，共56页，2022年，5月20日，22点10分，星期四可塑成型-滚压成型 模型和滚压头分别绕自己的轴线以一定速度旋转。滚压头面转动面对坯泥进行“滚”和“压”而成型。 阳模滚压外滚压：滚压头决定坯体外形的大小，适合扁平状、宽口且坯体内表面有花纹的产品。阴模滚压内滚压： 滚压头形成坯体内表面，适合内径小而宽口制品。第20页，共56页，2022年，5月20日，22点10分，星期四四、普通陶瓷的烧成一次烧成 成型、干燥或施釉后的生坯，在陶瓷窑内一次烧成陶瓷产品的工

9、艺路线。特点：工艺流程简化； 劳动生产率高； 成本低，占地少； 节约能源。二次烧成 即先素烧后施釉。特点：避免气泡，增加釉面的白度和光泽度； 因瓷坯有微孔，易上釉； 素烧可增加坯体的强度，降低破损率； 成品变形小（因素烧已经收缩）； 通过素检可降低次品率。“高温素烧，低温（中温）釉烧”。“低温素烧，高温釉烧”。普陶精陶第21页，共56页，2022年，5月20日，22点10分，星期四1、强度增加生成莫来石2、体积收缩3、气孔率降低致密化4、质量减小陶瓷的烧成过程烧成温度第22页，共56页，2022年，5月20日，22点10分，星期四陶瓷的烧成过程氧化分解阶段300950低温阶段室温300 高温阶

10、段950烧成温度保温阶段烧成温度冷却阶段烧成温度室温机械水、吸附水质量减小；气孔率增大氧化、分解反应晶型转变质量减小；气孔率增大；强度增加形成液相、莫来石生成质量减小；气孔率降低；强度增加；体积收缩液相增多；晶体增多致密化液相结晶晶型转变；强度增加第23页，共56页，2022年，5月20日，22点10分，星期四陶瓷显微结构的组成 陶瓷材料是多晶相的复合体第24页，共56页，2022年，5月20日，22点10分，星期四1、 间歇式窑：普通陶瓷的烧成设备2、 连续式窑：隧道窑高温推板窑 辊道窑高温倒焰窑梭式窑钟罩窑电炉第25页，共56页，2022年，5月20日，22点10分，星期四1）、高温倒焰窑

11、（reverse flame kiln） 倒焰窑工作流程1-窑室；2-燃烧室；3-灰坑；4-窑底吸火孔；5-支烟道；6-主烟道；7-挡火墙；8-窑墙；9-窑顶；10-喷火口1、 间歇式窑：第26页，共56页，2022年，5月20日，22点10分，星期四2）、梭式窑（drawer kiln） 梭式窑结构示意图1-窑室；2-窑墙；3-窑顶；4-烧嘴；5-升降窑门；6-支烟道；7-窑车；8-轨道第27页，共56页，2022年，5月20日，22点10分，星期四 箱式电阻炉实物图（a）和炉体结构示意图（b） 3） 电炉（electric furnace）是电热窑炉的总称。一般是通过电热元件把电能转变为热

12、能，可分为电阻炉、感应炉、电弧炉等。第28页，共56页，2022年，5月20日，22点10分，星期四1）、隧道窑（tunnel kiln）2、 连续式窑：第29页，共56页，2022年，5月20日，22点10分，星期四第30页，共56页，2022年，5月20日，22点10分，星期四2）、辊道窑（roller kiln） 辊道窑是电热式隧道窑的一种，只是传递烧结样品的传递系统不是传统的窑车、推板，而是同步转动的陶瓷或金属辊棒。每条辊子在窑外传动机构的作用下不断地转动。第31页，共56页，2022年，5月20日，22点10分，星期四第三节特种陶瓷的生产工艺第32页，共56页，2022年，5月20日

13、，22点10分，星期四特陶生产工艺1、原料制备2、成型、干燥3、烧结普陶、特陶P-F-H第33页，共56页，2022年，5月20日，22点10分，星期四1、原料粉体制备方法机械法：球磨法、切磨法、气流喷射粉碎法、 高能球磨法-机械化学法物理化学法：还原法、溶剂蒸发化学合成法固相：高温高压、微波、 等离子、激光、自蔓延。由大小的过程由小大的过程物理法: 蒸发-冷凝、雾化、PVD液相：沉淀法、水热法、溶胶-凝胶气相：CVD第34页，共56页，2022年，5月20日，22点10分，星期四1）干压成型模压+等静压（冷、热）2）塑性成型挤出、注射、轧膜3）注浆成型热压铸、流延2、成型第35页，共56页，

14、2022年，5月20日，22点10分，星期四挤压成型工艺：是将经过真空练制的泥料，放入挤坯机内，只要更换挤坯机的机器，就可挤压出各种形状坯体的方法。适用：此法适生产棒形制品、片状坯膜（半干后再冲刷成型）。第36页，共56页，2022年，5月20日，22点10分，星期四热压铸成型工艺 热压铸成型适用于外形复杂、精密度高的中小型制品更为适宜。蜂窝状或筛格状陶瓷电阻基片，营式电容，线圈滑架等电子陶瓷第37页，共56页，2022年，5月20日，22点10分，星期四陶瓷热蜡铸工艺流程图 第38页，共56页，2022年，5月20日，22点10分，星期四3、特种陶瓷的烧结 （1）特种烧结方法：）热压烧结）热

15、等静压）放电等离子体烧结）微波烧结）反应烧结）爆炸烧结第39页，共56页，2022年，5月20日，22点10分，星期四（2）烧结驱动力 烧结的驱动力就是总界面能的减少。烧结过程 = 致密化过程+ 晶粒长大过程 第40页，共56页，2022年，5月20日，22点10分，星期四（3）烧结宏观变化:1）体积收缩；2）气孔率下降；3）致密度提高；4）强度增加；5）晶粒长大；6）电阻率减小。性质温度气孔率密度电阻晶粒尺寸强度 烧结温度对材料性质的影响是一个物理过程，没有化学反应发生！第41页，共56页，2022年，5月20日，22点10分，星期四（3）烧结过程： a:坯体中气孔率达35-60%，颗粒间点

16、接触或没有接触； b :随着温度升高，颗粒间接触面积增大颗粒聚集颗粒中心靠近； c:逐渐形成晶界气孔变形，晶粒变形气孔收缩，坯体收缩，气体排除； d:连通气孔孤立的封闭气孔，直至绝大部分气体被排除。 无气孔的多晶体bac 烧结现象示意图d第42页，共56页，2022年，5月20日，22点10分，星期四第43页，共56页，2022年，5月20日，22点10分，星期四（5） 烧结机理 从烧结的物质状态分：1）液相烧结 2）固相烧结3）气相烧结 从烧结的物质传递机理：1）蒸发-凝聚传质2）扩散传质3）溶解-沉淀传质4）粘性流动传质5）塑性流变传质第44页，共56页，2022年，5月20日，22点10

17、分，星期四蒸发凝聚传质（气相传质）烧结的驱动力主要来源于半径为r的曲面上的蒸汽压差。凸面：半径R为正PP0物质蒸发凹面：半径R为负PP0物质凝聚P=P0exp(2M / kTR)第45页，共56页，2022年，5月20日，22点10分，星期四1、粉体制备制备AlON相主要有以下几种方法:AlON透明陶瓷研究第46页，共56页，2022年，5月20日，22点10分，星期四2、成型工艺制备出性能优异的粉末之后就需要进一步的压实,AlON粉末可以通过干压、注射成型等压制方式来实现。最典型的常用压制方法是等静压成型,利用这种方式选择合适的模具可以把粉末压制成各种形状和尺寸。在此过程中主要是控制好压制产

18、品的致密程度,致密程度的好坏将直接影响到后面的生产工艺,适宜的致密度可以使成分在随后的烧结程序中更容易反应,透明性更好。第47页，共56页，2022年，5月20日，22点10分，星期四3、 烧结1)常压烧结：将试样在化学气相渗透炉中进行烧结。先以6的升温速率升温到300后，将炉内抽真空，然后通入N2，再以6的升温速率在气氛作为保护气，常压状态下升至1850或1900保温一小时后，获得透明氮氧化铝陶瓷。2)热压烧结在1950、25MPa 、 N2气氛中热压烧结制备出透明氮氧化铝陶瓷。第48页，共56页，2022年，5月20日，22点10分，星期四普通陶瓷特种陶瓷原料天然矿物原料人工精制化工原料和

19、合成原料成型干压、石膏模注浆、可塑法成型为主模压、热压铸、轧膜、流延、等静压、注射成型为主烧成/烧结温度一般在1350以下，燃料以煤、油、气为主结构陶瓷常需1600左右高温烧结，功能陶瓷需精确控制烧成温度，燃料以电、气、油为主加工一般不需加工常需切割、打孔、磨削、研磨和抛光性能以外观效果为主，较低力学性能和热性能以内在质量为主，常呈现耐温、耐腐蚀、耐磨和各种电、光、热、磁、敏感、生物性能用途炊、餐具、陈设品和墙地砖、卫生洁具主要用于宇航、能源、冶金、机械、交通、家电等行业普通陶瓷与特种陶瓷的区别第49页，共56页，2022年，5月20日，22点10分，星期四谢 谢 大 家第50页，共56页，2022年，5月20日，22点10分，星期四（1）氧化反应碳素和