陶瓷材料及其制备及加工工艺12

陶瓷材料及其制备和加工工艺第一章陶瓷材料基础第二章陶瓷原料的制备第三章陶瓷的成型原理及工艺第四章陶瓷的烧结原理及工艺第五章典型陶瓷材料第一章陶瓷材料基础第一节陶瓷材料的概念

第二节陶瓷材料的结构

第三节陶瓷材料的性能陶瓷材料基础玻璃、水泥、陶瓷石英钟表

手表上的“19钻”(人造红宝石轴承的数目)

金刚石钻头、刀片

隐形飞机（特殊光学材料）彩电（荧光材料）煤气炉中的电子打火(压电陶瓷)

海底电缆;信息高速公路（光导纤维）电脑的CPU（单晶硅）生活中的无机非金属材料陶瓷材料基础一、概念传统陶瓷：是指以粘土、长石、石灰石、石英等天然矿物为原料，经过原料配制、坯料成型后经高温烧成的一类制品，组成上以硅酸盐为主。

随着与陶瓷工艺相近的无机材料的不断出现，陶瓷概念的外延也不断扩大。近代陶瓷：以高纯度化工原料和合成矿物为原料制造而成，组成上以非硅酸盐为特征。广义陶瓷：是以离子键及共价键为主要结合的含有金属和非金属元素的复杂化合物和固溶体，泛指所有的无机非金属材料制品。它不仅包括传统的陶瓷材料（如：陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料、搪瓷、磨料等），还包括新型陶瓷材料（非金属磁性材料、铁电体、人造单晶、玻璃－陶瓷、氧化物及非氧化物陶瓷等）。陶瓷材料基础陶瓷材料的概念第一节陶瓷材料的概念与分类二、分类1、按原料和组成不同分：

按化学成分不同，新型陶瓷分为：氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷和硼化物陶瓷等。按性能和用途不同，新型陶瓷分为：传统陶瓷（录像）：以粘土等天然的硅酸盐矿物为原料制造而成，主要应用于日常生活和工业生产。（如：陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料、搪瓷、磨料等）新型陶瓷（工程陶瓷、精细陶瓷、特种陶瓷录像）：以高纯度化工原料和合成矿物为原料制造而成，组成上以非硅酸盐为特征。1）结构陶瓷：强调材料的高温力学性能或机械性能。如：高温结构陶瓷（刀具、轴承、发动机内的元件等）2）功能陶瓷：具有电、磁、声、光、热、化学及生物特性，且具有相互转化功能。如：（压电陶瓷、铁氧体、光导纤维、气敏陶瓷、生物陶瓷等）陶瓷材料基础陶瓷材料的分类2、按使用性能陶瓷可分为：建筑陶瓷、卫生陶瓷、日用陶瓷、艺术陶瓷、实验室用陶瓷和工业陶瓷。3、按陶瓷坯体之密度不同，可把陶瓷分为(书161)粗陶器特种陶瓷陶器瓷器精陶器细瓷陶瓷材料基础陶瓷材料的分类

材料

品种示例传

统

无

机

非

金

属

材

料

水泥和其他胶凝材料

硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、石灰、石膏等

陶

瓷

黏土质、长石质、滑石质和骨灰质陶瓷等

耐火材料

硅质、硅酸铝质、高铝质、镁质、铬镁质等

玻

璃

硅酸盐、硼酸盐、氧化物、硫化物和卤素化合物玻璃等

搪

瓷

钢片、铸铁、铝和铜胎等

铸

石

辉绿岩、玄武岩、铸石等

研磨材料

氧化硅、氧化铝、碳化硅等

多孔材料

硅藻土、蛭石、沸石、多孔硅酸盐和硅酸铝等

碳素材料

石墨、焦炭和各种碳素制品等

非金属矿

黏土、石棉、石膏、云母、大理石、水晶和金刚石等陶瓷材料基础陶瓷材料的分类新

型

无

机

非

金

属

材

料

高频绝缘材料

氧化铝、氧化铍、滑石、镁橄榄石质陶瓷、石英玻璃和微晶玻璃等

铁电和压电材料

钛酸钡系、锆钛酸铅系材料等

磁性材料

锰-锌、镍-锌、锰-镁、锂-锰等铁氧体、磁记录和磁泡材料等

导体陶瓷

钠、锂、氧离子的快离子导体和碳化硅等

半导体陶瓷

钛酸钡、氧化锌、氧化锡、氧化钒、氧化锆等过渡金属元素氧化物系材料等

光学材料

钇铝石榴石激光材料，氧化铝、氧化钇透明材料和石英系或多组分玻璃的光导纤维等

高温结构陶瓷

高温氧化物、碳化物、氮化物及硼化物

超硬材料

碳化钛、人造金刚石和立方氮化硼等

人工晶体

铌酸锂、钽酸锂、砷化镓、氟金云母等

生物陶瓷

长石质齿材、氧化铝、磷酸盐骨材等陶瓷材料基础陶瓷材料的分类第二节陶瓷材料的结构一、陶瓷材料的结合键

陶瓷材料的结合键主要为共价键和离子键。陶瓷材料中刚玉型结构便是典型的离子化合物。典型的共价化合物是金刚石。实际陶瓷材料中常存在一种或几种键。二、陶瓷材料的物相从陶瓷材料显微结构分析，陶瓷的显微组织是由晶相、玻璃相和气相组成。陶瓷材料基础陶瓷材料的结构晶相低熔物：玻璃相陶瓷显微组织气相返回陶瓷材料基础陶瓷材料的结构

1）晶相

是陶瓷材料的主要组成相，晶相相互交织形成陶瓷结构的骨架。

陶瓷中的晶相主要有硅酸盐、氧化物、非氧化物三种。①硅酸盐

硅酸盐是传统陶瓷的主要晶相。②氧化物氧化物是大多数典型陶瓷，特别是特种陶瓷的主要组成和晶体相。最重要的氧化物晶体相有AO、AO2、A2O3、ABO3和AB2O4等（A、B表示阳离子）。③非氧化物是指不含氧的金属碳化物、氮化物、硅化物及硼化物等，它们是新型陶瓷,特别是金属陶瓷的主要晶相和晶体相。主要由高键能的共价键结合，但也有离子键和金属键。陶瓷材料基础陶瓷材料的结构组成硅酸盐的基本结构是[SiO4]四面体。在化合物中，SiO4以不同方式共角连接。[SiO4]四面体粘土矿物的成分:高岭石结构陶瓷主要原料:粘土返回陶瓷材料基础陶瓷材料的结构AO类型的氧化物：如MgO、CaO、BaO、MnO等。氧离子排列成面心立方堆积，阳离子则填充在所有的八面体间隙位置上，形成完整的立方晶格。MgO结构AO2类型的几种氧化物：如TiO2、UO2、等。阳离子位于立方面心的结点位置上，氧离子位于立方体内8个小立方体的中心。UO2结构返回陶瓷材料基础陶瓷材料的结构ABO3类型氧化物。如钙钛矿CaTiO3。AB2O4类型氧化物为典型的尖晶石结构，如MgAl2O4。A2O3类型的氧化物是典型的刚玉结构(如Al2O3、Fe2O3)。氧离子作近似立方密堆，铝离子则充填三分之二的八面体位置

返回陶瓷材料基础陶瓷材料的结构2）玻璃相

玻璃是由熔体固化而成，是过冷状态的一种粘度极高的液体，结构不规则（原子排列近程有序，远程无序）。

玻璃态是物质无定形态的一种。物质的玻璃结构与晶体结构相似，是由离子多面体构成的空间网络，只是其排列缺少对称性及重复性，是无规则排列而已。晶体结构

玻璃结构

物质的晶体结构与玻璃结构陶瓷材料基础陶瓷材料的结构陶瓷中的玻璃相的主要作用是：1)填充晶体相之间的空隙，并将分散的晶相粘结起来，提高材料的致密度；

2)降低烧结温度，促进烧结；

3)玻璃相粘度高，阻止晶体转变，抑制晶体长大；

4)获得一定程度的玻璃特性，如透光性等。（釉）

但玻璃相的熔点低,对陶瓷的机械强度，介电性能（电容器），耐热性能等是不利的（高温结构陶瓷、耐火材料），不能成为陶瓷的主导组成相，陶瓷中玻璃相的体积分数一般为20%～40%。

陶瓷材料基础陶瓷材料的结构3）气相

气相是残存在陶瓷组织内部的孔隙。根据气孔的多少，陶瓷分为致密陶瓷、无开孔陶瓷和多孔陶瓷。除多孔陶瓷外，气孔的存在对陶瓷的性能不利，它常常是裂纹产生的根源，降低陶瓷的强度，使介电损耗增大等。普通陶瓷的气孔率为5%～10%，特种陶瓷的小于5%。金属陶瓷则要求低于0.5%。气孔对陶瓷相对强度的影响陶瓷材料基础陶瓷材料的结构介电损耗:绝缘材料在电压作用下所引起的能量损耗。介电损耗愈小，绝缘材料的质量愈好，绝缘性能也愈好。第三节陶瓷材料的性能

陶瓷材料突出的性能特点是：熔点高、耐热性好（陶瓷发动机）；硬度高，具有良好耐磨性和抗压能力（刀具、磨料）；化学稳定性好，不老化，具有良好的耐蚀性（耐火材料、坩埚材料）；陶瓷既是良好的绝缘体，又是半导体、导体和超导体。但陶瓷的脆性大，受力时很难产生塑性变形，裂纹敏感性强，抗温度急变能力低等，这也是影响其广泛应用的关键。陶瓷材料基础陶瓷材料的性能陶瓷，尤其是氮化硅和碳化硅陶瓷具有高温强度、耐蚀性和耐磨性，用它们来制造发动机已成为当前世界各国奋力追求的目标。陶瓷发动机的优越性为：①可以提高发动机的工作温度，从而大大提高效率。例如，对内燃机而言，目前作为其制造材料的镍基耐热合金，工作温度在1000℃左右。而采用陶瓷材料，则可以将工作温度提高到1300℃，使发动机效率提高30%左右。②工作温度高，可使燃料燃烧充分，所排废气中的有害成分大为降低，这不仅降低了能源消耗，而且减少了环境污染。③陶瓷的热传导性比金属低，这使发动机的热量不易散发，节省能源。④陶瓷具有较高的高温强度和热传导性，可延长发动机的使用寿命。

陶瓷首先在高温燃气轮机中，可用于制造叶片、燃烧筒、套管、主轴轴承等，用陶瓷代替镍基、钴基耐热合金，成本可降低到原来的1／30。同时，陶瓷也可用于制造内燃机，可用于制造活塞内衬、气缸、预燃烧室、挺杆、阀门、喷嘴、涡轮增压器转子及轴承等零部件。据测算，若汽车发动机的所有零部件都采用陶瓷制造，其重量可比合金发动机轻2／3，燃料费下降20%。

阻碍陶瓷发动机实用化的主要障碍是陶瓷的脆性和由此导致的低可靠性。若能解决这个问题，将会给人类社会的发展提供强大的推动力。习题与思考：一．填空1.按原料和组成不同陶瓷材料分为传统陶瓷和新型陶瓷。传统陶瓷以————为原料，经————

、

————后经————的一类制品。2.结构陶瓷作为结构材料用来制造结构零部件，主要利用其————和————等性能。3.组成硅酸盐的基本结构是以————为中心，周围排布————，构成[SiO4]四面体。二、选择题1.陶瓷的显微组织中包括————、玻璃相和气相组成。硅酸盐氧化物非氧化物晶相2.陶瓷材料的热性能包括熔点、热容、导热性、——及热稳定性等。热膨胀性能硬度塑性弹性模量

三、简答题1陶瓷材料的种类。2陶瓷材料的特点有哪些？3试述陶瓷材料的主要物相及作用。第二章陶瓷原料的制备

（录像）第一节粉体工程基础第二节陶瓷粉体的制备第三节陶瓷粉体的处理陶瓷原料的制备

一般而言，陶瓷原料大都是粉体状态。粉体是指大量固体颗粒的集合体。它由微粒固相和气相组成，表示物质的一种存在状态。依据粒径尺寸大小可划分为：〉100μm1—100μm〈1μm〈0.1μm0.05—40μm颗粒粉体超细粉体纳米粉体陶瓷粉体2.1粉体工程基础陶瓷原料的制备粉体工程基础2.1.1粉体的表征和测量一、颗粒形状

颗粒形状与物质的性能之间存在着密切的关系，它对颗粒群（粉体)的性质也会产生影响，由于颗粒形状千差万别，通常准确描述粉体颗粒的形状是困难的。为此，粗略地划分为规则形状和不规则形状两类，并以几何形状的名称近似地加以描述。

目前，测定颗粒形状的唯一方法是图像分析仪。

粉体颗粒的形状因粉体的制备方法不同而各异。工程上根据不同的目的，对颗粒形状有着不同的要求。

粉末颗粒形状a.球形b.近球形c.多角形d.片状e.树枝状f.不规则形g多空海绵状h.碟状颗粒的大小和形状是粉体材料最重要的物性表征量。陶瓷原料的制备粉体工程基础按ISO3252定义，晶粒（A）、颗粒（B）、聚合体（C）的区别如右图所示。二、粒度与粒径

由于细颗粒的团聚作用，粉体一般是大量颗粒的聚合体。

单颗粒粒径，是针对一个颗粒按照某一规定而获取的一个恒定数值；粉末粒径（particlesize），则是指对许多粉末颗粒采用一定的测量方法而得出的、具有统计学意义的一组值，包括统计平均值和统计分布。陶瓷原料的制备粉体工程基础

1、投影径：采用显微镜测试

2、三轴径：球形颗粒的直径就是粒径（particlediameter）。非球形颗粒的粒径则用球体、立方体或长方体的尺寸表示。粒径名称公式定义三轴平均径三轴算术平均径三轴几何平均径与颗粒外接长方体体积相等的立方体的棱长三轴调和平均径与颗粒外接长方体比表面及相等的球的直径陶瓷原料的制备粉体工程基础4、等沉降速度相当径（斯托克斯径）

斯托克斯假设：当速度达到极限值时．在无限大范围的粘性流体中沉降的球体颗粒的阻力，完全由流体的粘滞力所致。只要测得粉体在介质中的沉降速度，就可以求得该种粉体的斯托克斯径。3、球当量径:把颗粒看作相当的球,并以球的直径代表颗粒的有效直径(1)与颗粒同体积V的球直径称为等体积当量径以Dv表示，即

(2)与颗粒等表面积S的球的直径称为等表面积当量径以Ds表示，即

(3)与颗粒具有相同的表面积对体积之比即具有相同的体积比表面积Sv的球的直径称为比表面积球当量径，以De表示，陶瓷原料的制备粉体工程基础

对于某一粉体系统来说，若颗粒粒度都相同或近似相同，称为单分散体系。而实际粉体所含颗粒的粒度大都有一个分布范围，常称为多分散的体系。

由于实际粉体大都由粒度不等的颗粒组成，所以它就存在一个粒度分布范围，简称粒度分布。粒度分布通常用简单的图表或函数形式来表示。

三、粉体的粒度分布（particlediameterdistribution）

1）频度分布（微分型）：用横坐标表示粒径，纵坐标表示各粒径对应的颗粒百分含量。

2）累积分布（积分型）：用横坐标表示粒径，纵坐标表示小于(或大于)某粒径的颗粒占全部颗粒的百分含量。陶瓷原料的制备粉体工程基础Dm：出现几率最大的粉体尺寸。D50：该粒径尺寸两侧的粉体的质量（个数）相等。D平均：所有颗粒尺寸的平均值。陶瓷原料的制备粉体工程基础直径（μm)<50<75<100<125<150<175360克的积累质量(g)0601502703303601、颗粒分布粒度分布图

对同一粉体，由于采用不同的表征方法，其粒径值也不同。因此，粉末粒径不是一个固定值，在表示粉末粒径时，必须同时说明三点内容，即：粒径值、表征方法及测量方法。

陶瓷原料的制备粉体工程基础陶瓷原料的制备粉体工程基础四、粒度与粒径的测试1、筛分法：筛分法有标准筛制和非标准筛制，我国实行的是国际标准筛制，其单位是“目”。

①目：筛网口1英寸（25.4mm）长度内的网孔数。

②Tyler筛：0.075×的筛孔尺寸d目数(mesh)微米(μm)目数(mesh)微米(μm)目数(mesh)微米(μm)目数(mesh)微米(μm)2.5792512139760246325473588014116565220400384459916991801985002553962208331001656252063327247011101508001572794275891708812501082362324952007525005919813541725061625021016514035027053125001我国通常使用的筛网目数与粒径（μm）对照表。3、激光衍射法：（如图）

原理：

①光照到颗粒时产生衍射现象。

②小颗粒衍射角大，大颗粒衍射角小。

③某衍射角光强度与相应粒度的颗粒数量有关。

测量装置：（如图）2、显微镜法：陶瓷原料的制备粉体工程基础4、沉降法：

①原理：

a）沉降规律：在具有一定粘度的粉末悬浊液内，大小不等的颗粒自由沉降时，其速度是不同的，颗粒越大沉降速度越快。如果大小不同的颗粒从同一起点高度同时沉降，经过一定距离（时间）后，就能将粉末按粒度差别分开。（沉降天平）

b）光吸收率

I=f1（t）=f2（d）（光透过法）

②测量原理：依据上述沉降规律，人们设计制作了粉末粒度的沉降分析仪，测量原理如图所示。一束光照射到样品池后，内部的粉末悬浮液对光产生吸收，透射过的光束被另一端的光探测器接受。陶瓷粉体是由颗粒群构成的，其颗粒平均大小被定义为该粉体的粒度。描述粒度的方法等体积球相当径等比表面积球相当径等沉降速度相当径物理意义用与颗粒等体积球的直径来描述。用与颗粒等比表面积球的直径来描述。斯托克斯假设Vstk=测量参数体积比表面积斯托克斯相当球径测试方法和仪器激光法激光粒度仪透过法、吸附法（BET法）比表面仪沉降法、光透法；沉降天平、光透仪、X射线沉降仪优缺点测试范围宽0.04~500微米，操作简便，重复性和真实性好；不宜测粒度分布很窄的样品，分辨率相对较低

测量大于1微米的颗粒误差大；重复性好结果取决于分散相的密度，状态、表面积，分散介质的密度﹑粘度的影响；测量范围宽，有一定的精度和重复性

陶瓷原料的制备粉体工程基础陶瓷原料的制备粉体基本性质2.1.2粉体基本性质一、粉体的能量

①比表面积、表面能增大，表面与界面效应增强。（表1）

②表层原子数比例增大，表面结构成为影响材料性能的主要因素。（表2）

（3）粉末材料细化后的性能（表3）表1立方体细化的数据

项目

破碎前

破碎后

倍数

个数

1

80亿

80亿总体积

1000mm3

1000mm3

1总面积

600mm2

1200000mm2

2000

棱边数

12

960亿个

80亿

顶角数

8

640亿个

80亿

表3铜颗粒粒径与计算的比表面积、表面能粒径/mm比表面积/m2*g-1

表面能/J*mol-1

表面能/结合能104

103

102

10

1

6.7×10-2

5.9

7.1×10-5

6.7×10-1

5.9×10

7.1×10-4

6.7

5.9×102

7.1×10-3

6.7×10

5.9×103

7.1×10-2

6.7×102

5.9×104

7.1×10-1表2表面原子随颗粒粒径的变化规律粒径/（nm）1251020100总原子数表面原子数/总原子数309025080400403×1042025×104103×1072引起团聚的主要原因有:(1)分子间的范德华引力；(2)颗粒间的静电引力；(3)吸附水分产生的毛细管力（水的表面张力的收缩作用，引起颗粒间的牵引力）；(4)颗粒间的磁引力（单畴颗粒之间）；(5)颗粒表面不平滑引起的机械纠缠力。二、粉体颗粒的团聚

粉体颗粒是指在物质的结构不发生改变的情况下，分散或细化而得到的固体基本颗粒。这种基本颗粒，一般是指没有堆积、絮联等结构的最小单元，即一次颗粒。在实际应用的粉体原料中，往往都有一定程度的团聚颗粒，即所谓二次颗粒，尤其是特种陶瓷粉体原料，一般都比较细小，表面活性也比较大，更容易发生一次粒子间的团聚。

陶瓷原料的制备粉体工程基础为什么不同的方法表征同一种粉体，有时得到的结果会差别很大？1、基于的数学模型不同。一个非圆球形的颗粒，能表示颗粒大小的数值有一系列。而每一种测试方法的都是针对颗粒的某一个特定方面进行的，是一系列数值中的一个。所以相同样品用不同的粒度测试方法得到的结果有所不同是客观原因造成的。颗粒的形状越复杂，不同测试方法的结果相差越大。2、仪器原理不同。由于大多数的颗粒的形状复杂，不同原理的仪器所测出的等效粒径不同，所以测试结果不同。3、样品制备方法造成粉体的团聚状态不同。比如取样方法、分散剂的种类和数量、超声波分散时间、合适的介质以及电压、温度等环境因素影响。综上所述，测试结果的不一致性有样品本身的原因，有仪器的原因，有使用及样品制备方面的原因。陶瓷原料的制备粉体工程基础

陶瓷材料制品所用原料大部分是天然的矿物原料或岩石原料，其中多为硅酸盐和铝硅酸盐矿物，先进工程陶瓷材料用于具有特殊性能要求的场合，则需要采用均一而又高纯的人工合成原料。2.2.1陶瓷原料的种类

2.2陶瓷粉体的制备根据在陶瓷中的作用不同，分为主要原料和辅助原料。主要原料有粘土、膨润土、长石（碱金属和碱土金属的长石）、滑石、菱镁矿、方解石、石英、二氧化钛、工业氧化铝、二氧化锆、碱土金属碳酸盐、稀有及稀土金属氧化物(如Nb2O3、CeO2、La2O3、Y2O3等)及复合氧化物等，它们决定着陶瓷的性能。

辅助原料是用来改善坯料的性能，满足陶瓷的成形等生产工艺要求。常用的辅助原料：粘结剂原料有甲基纤维素、聚乙醇、聚苯乙烯等；塑化剂原料有石蜡、甘油、酞酸二丁酯等；悬浮剂原料有水玻璃、碳酸钠等。

陶瓷原料的制备陶瓷原料的制备粘土类原料是日用陶瓷的主要原料之一。粘土矿物主要是一些含水铝硅酸盐矿物，其化学成分主要是SiO2：、A12O3、和H2O，也含有少量的Fe2O3、FeO、TiO2、MnO、CaO、MgO、K2O、和Na2O等。粘土除可塑性外，通常还具有较高的耐火度、良好的吸水性、膨胀性和吸附性。

红色粘土返回钡冰长石

长石是陶瓷原料中最常用的熔剂性原料，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。长石主要有四种基本类型：钠长石：Na2O．Al2O3，6SiO2

钾长石：K2O．Al2O3，6SiO2钙长石：CaO．Al2O3，2SiO2钡长石：BaO．Al2O3，2SiO2陶瓷原料的制备陶瓷原料的种类

滑石和蛇纹石均属镁的含水硅酸盐矿物。是制造镁质瓷的主要原料。

滑石的结晶构造式为Mg3[Si4O10](OH)2，化学通式为3MgO·4Sl02·H20。成分中常含有铁、铝、锰、钙等杂质。蛇纹石结晶构造式为Mg3[Si2O5](OH)4，化学通式3MgO·2SiO2·2H20。

蛇纹石返回陶瓷原料的制备陶瓷原料的种类方解石的主要成分为碳酸钙CaCO3。方解石能和坯料中的粘土及石英在较低温度下起反应，缩短烧成时间。方解石在是釉料的重要原料。菱镁矿是一种天然矿石，化学通式为MgCO3。菱镁矿不仅是制造耐火材料的重要原料，也是新型陶瓷工业中用于合成尖晶石(MgO．AL2O3)钛酸镁(MgO·TiO2)和镁橄榄石瓷(2MgO．SiO2)等的主要原料。返回陶瓷原料的制备陶瓷原料的种类二氧化硅自然界中的二氧化硅结晶矿物可以统称为石英，其中最纯的石英晶体统为水晶。石英是陶瓷坯体中主耍组分之一，它在陶瓷生产中，不仅在坯体成形时可对泥料的可塑性起调节作用，缩短坯体的干燥时间；在烧成时石英的体积膨胀可部分地抵消坯体收缩的影响；石英颗粒构成坯体的骨架，可防止坯体发生软化变形等缺陷。返回陶瓷原料的制备陶瓷原料的种类

含二氧化钛的天然矿物有金红石、板钛矿和锐钛矿三种。

TiO2是陶瓷工业中常用原料之一。主要用作颜料工业、光学材料、宝石原料，以及制作介电陶瓷等。目前，绝大多数电容器陶瓷是含钛陶瓷；建筑、卫生陶瓷中，可用作坯料的着色剂，使坯体呈象牙黄色调。

金红石结构金红石返回氧化钛陶瓷原料的制备陶瓷原料的种类

陶瓷制品所用原材料的制备方法一般有两种：—种是物理制备法．另一种是化学合成法。一、物理制备法1．机械法（1）机械研磨法

1）定义：利用动能来破坏材料的内结合力，使材料分裂产生新的界面而达到制粉的目的。

2）球磨制粉的基本要素：球磨筒、研磨物料、研磨介质磨球3）提高球磨效率的基本原则

2.2.2陶瓷原料（粉体）的制备方法陶瓷原料的制备陶瓷粉体的制备动能准则：提高球磨的动能。碰撞几率准则：提高球磨的有效碰撞几率。

4）球磨方式分类：

滚筒式球磨、

振动球磨、搅拌球磨

返回滚筒式球磨研磨介质的运动形式(a)低转速(h)适宜转速（c)临界转速陶瓷原料的制备陶瓷粉体的制备①工作原理：磨机内的研磨介质凭借磨机旋转时所获得的能量对物料进行冲击粉碎和研磨粉碎.②特点

a、为获得最佳研磨效果，滚筒球磨的转速应有一个限定条件：

V临1〈V实际〈V临2，故影响球磨效率。

b、传动方式：电机---＞减速器---＞球磨筒。滚筒式球磨振动球磨示意图返回陶瓷原料的制备陶瓷粉体的制备①工作原理：偏心振动。通过机械振动使磨球间及磨球与磨筒间产生激烈的冲击和摩擦等作用，达到细化颗粒的目的。

②振动球磨特点：通过振动方式输入能量，不存在滚筒球磨的上下临界转速的限制，因而可在很高的振动速度（振幅+振动频率）下进行研磨，磨粉粒度小，生产效率高。振动球磨

返回陶瓷原料的制备陶瓷粉体的制备工作原理：研磨介质及物料间的作用是由高速旋转的叶片产生的。研磨介质间剧烈的运动产生剪切、挤压和摩擦力，使物料粒子产生破碎。

未被粉碎的颗粒受离心力作用被甩向砂磨机筒壁，此区研磨介质密度最大，从而强化了粉碎作用。粉碎后的微小颗粒经分离器与研磨介质分离后流出砂磨机。

搅拌球磨陶瓷原料的制备陶瓷粉体的制备（2）气流研磨法

1）定义：不需磨球及其它研磨介质，而通过气体传输粉料的研磨方法。

2）基本要素：粉磨设备、气体、研磨物料。

3）提高气流研磨效率的基本原则：

①动能原则：提高粉末颗粒的动能；

②碰撞几率准则：提高粉末颗粒的碰撞几率。

4）气流研磨类型：旋涡研磨、冷流冲击、流态化床气流磨返回压力气体通过加料喷射器所形成的高速射流，使粉碎原料被喷射入粉碎室。粉碎室外围的粉碎喷嘴，有方向性地向粉碎室喷射高速气流。使粉料间产生激烈的碰撞、摩擦、剪切、从而被粉碎。

高速射流在粉碎室内形成强烈的旋流，所产生的离心力使粉体粒子在粉碎室外围高速运动，当粒径被粉碎到分级粒径以下时，因离心力减小而受向心气流作用脱离分级旋流，由中心出口进入捕集系统。陶瓷原料的制备陶瓷粉体的制备机械粉碎法的特点：

机械粉碎方法具有生产量大，成本低的优点，但通常不易制得平均粒径在１μｍ以下的粉料，而且有粒径分布范围较宽，容易带入杂质的缺点。

采用同磨衬和磨介避免杂质。采用助磨剂提高粉碎效率。从机械方式粉碎过程和微粒运动的力学的角度看，可认为粉碎微粒以及微粒团聚的过程类似一种可逆反应过程，即：原料─→粗颗粒─→粉碎─→细微化─→细颗粒─→产品└←─粗大化←──团聚←──┘当粉碎和团聚的反应速度接近相等时，两个方向的反应流程趋向平衡，粉碎加工能力达到极限，几乎不会再有更多新的微粒产生。此后，即使是继续延长加工时间，也不可能提高超细粉的出产率。

陶瓷原料的制备陶瓷粉体的制备思考:为什么机械粉碎法很难得到粒径小于１μｍ的粉体？

1、陶瓷是脆性材料，当变成微粉时，表面能增加，粒子间的凝集就会增加。2、粉碎中粒子间相互滑动或颗粒产生弹性变形、点阵畸变、位错等缺陷，将外加能量消耗掉，造成粉碎效率降低，从而达到具有某种范围粒径的粉碎平衡。3、若继续粉碎，外力将对粒子起机械化学作用（能量转化为热能或其他能量），使这些粒子的溶解性、烧结性、腐蚀性都有所增加。助磨剂的作用机理1、助磨剂作用于固体颗粒表面，减小颗粒表面的晶格畸变，从而降低颗粒的强度或硬度。2、吸附在颗粒表面，减小了颗粒的表面能。3、助磨剂吸附在颗粒表面，平衡因粉碎产生的不饱和价键，防止颗粒再度聚集。陶瓷原料的制备陶瓷粉体的制备陶瓷原料的制备陶瓷粉体的制备2、雾化法雾化法是一种典型的物理制粉方法，通过高压雾化介质强烈冲击液流，或通过离心力使之破碎、冷却来实现。

1）

雾化制粉原理：

大聚集体分裂成小液体颗粒，然后凝固成小固体颗粒。

2）雾化制粉过程

3）提高雾化制粉效率的基本准则：

①能量交换准则：提高单位时间内单位质量液体从系统中吸收能量的效率，以克服表面自由能的增加；

②快速凝固准则：提高雾化液滴的冷却速度，防止液体微粒的再次聚集。雾化制粉过程陶瓷原料的制备陶瓷粉体的制备4）雾化类型：双流雾化：被雾化的液体流和喷射的介质流；

利用压缩空气(或水蒸气)以高速从喷嘴喷出，借助于空气(或蒸汽)和料液两相间相对速度的不同而产生的摩擦力，把料液分散成雾滴。

双流雾化法类型：气雾化、水雾化离心雾化法：（属于单流雾化）

离心雾化制粉是借助离心力的作用，将液态金属破碎为小液滴，然后凝固为固态粉末颗粒的方法。5）雾化制粉的应用:粉末冶金工业中金属或合金粉末的制备陶瓷原料的制备陶瓷粉体的制备

蒸发—凝聚法是将原料加热至高温，使之蒸发、汽化成为原子或分子，再使原子或分子在较大温度梯度条件下急冷，凝聚成超微颗粒。采用PVD方法所制得的陶瓷粉料直径在5~100nm。适用于制备单相氧化物、复合氧化物、碳化物和金属微粉。PVD法合成微颗粒过程示意图

3．蒸发—凝聚法（PVD法）（一）固相法

利用固态物质间所发生的各种固态反应来制取粉末。原料：固态物质。在制备陶瓷粉体原料中常用的固态反应包括化合反应、热分解反应和氧化物还原反应。二、化学合成法陶瓷原料的制备陶瓷粉体的制备1、热分解反应法

许多高纯氧化物粉末可以采用加热相应金属的硫酸盐、碳酸盐、硝酸盐的方法，通过热分解制得性能优异的粉未。例1：

CaCO3→CaO+CO2BaCO3→BaO+CO2例2：

铝的硫酸铵盐在空气中加热，可以得到性能优异的氧化铝粉末。陶瓷原料的制备陶瓷粉体的制备

2、化合反应:一般是两种或两种以上的固态物质、经混合后在一定的温度与气氛条件下生成另外一种或多种复合固态物质的粉末．有时也可能伴随某些气体的逸出.例：钛酸钡陶瓷粉末的合成

BaCO3十TiO2→BaTiO3十CO2Al2O3+MgO→MgAl2O4Si十C→SiC3、氧化物还原法

碳化硅和氮化硅是十分重要的先进工程陶瓷材料。在工业上经常采用氧化物还原法制备陶瓷材料原料粉末。

例：SiO2+C→SiO+CO→SiC3SiO2+6C+2N2→Si3N4+6CO（二)液相法

已在先进陶瓷材料的制造中得到了广泛的应用。液相法制备陶瓷粉末的主要优点在于能更好地控制粉末化学成分，获得混合均匀的多成分复合粉末，并有利于微量成份的添加。1、沉淀法

在金属盐溶液中添加或生成沉淀剂，并使溶液挥发，对所得到的盐和氢氧化物通过加热分解得到所需的陶瓷粉末。沉淀法分为直接沉淀法、均匀沉淀法和共沉淀法。直接沉淀法：直接加入沉淀剂，易产生不均匀沉淀

AlCl3+3NH4OH→Al(OH)3+4NH4Cl

Al(OH)3→Al2O3+3H2O

使用该方法时，一定要控制沉淀反应的速度，因为即使沉淀剂的含量较低，不断搅拌的情况下，沉淀剂的浓度在局部也会变得很高，产生不均匀沉淀。陶瓷原料的制备陶瓷粉体的制备

均匀沉淀法：无需外加沉淀剂，而是在溶液中缓慢均匀形成沉淀剂进行反应。该方法消除了外加沉淀剂产生的反应不均匀的现象，易于得到均匀性及重复性较好的粉体。

如工业上经常使用尿素溶液在加热时生成氨水的方法产生沉淀物，从而制备出超细粉体。尿素水溶液加热到70℃时产生沉淀剂的水解反应如下：（NH2)2CO+3H2O→2NH4OH+CO2

尿素水解产生的沉淀剂能与Fe、Al、Sn、Ga、Th、Zr等盐溶液反应，生成氢氧化物或碱式盐沉淀物。陶瓷原料的制备陶瓷粉体的制备Y2O3+ZrOCl2·8H2OY(OH)3↓Zr(OH)3↓滴加氨水加热ZrO2(Y2O3)YCl3ZrOCl2·8H2OAlCl3滴加氨水Zr(OH)3↓Y(OH)3↓Al(OH)3加热ZrO2(Y2O3)/Al2O3共沉淀法：同时沉淀两种及两种以上金属离子，加热后得到均匀性好的复合氧化物。在电子陶瓷中对复合粉体的粒度、纯度和均匀性要求较高，常规的机械粉碎及混合法难以满足要求。

例如：将氧氯化锆、氧化钇制成水溶液并均匀混合后再与氨水反应，控制反应的pH=9，就可使两个沉淀反应同时进行，反应产物在亚微米甚至纳米尺度上均匀混合。经过清洗去除其它离子杂质后，再经过800℃煅烧得到超细、高纯和均匀性好的复合粉体。陶瓷原料的制备陶瓷粉体的制备陶瓷原料的制备陶瓷粉体的制备2、溶剂蒸发法（1）冷冻干燥法将金属盐水溶液喷到低温有机液体中(用干冰或丙酮冷却的乙烷浴内)，使液滴进行瞬时冷冻和沉淀，然后在低温降压条件下升华、脱水，再在燃烧炉内通过分解制得粉体。（2）喷雾干燥法

喷雾干燥法是将溶液喷雾至热风中，使之急剧干燥的方法。（3）喷雾热解法

将金属盐溶液喷入高温气氛中，立即引起溶剂的蒸发和金属盐的热分解，从而直接合成氧化物粉体的方法。例如，将Mg(NO3)2+Mn(NO3)2+4Fe(NO3)3的乙醇溶液进行喷雾热解，就得到(Mg0.5Mn0.5)Fe2O4的微粉。

（2）醇盐水解法

金属醇盐（M-O-R）易水解生成金属氧化物、氢氧化物或水合物沉淀。将溶胶在90—100℃加热形成凝胶物质，经过滤、脱水、干燥，在适当的温度燃烧，就可制得高纯度超细氧化物粉末。金属醇盐一般具有挥发性，水解时只加水，不需要其它的物质，因而生成物的纯度高。

BaTiO3钠米粉体制备流程（1）无机盐水解法金属盐溶液在高温下可水解生成氢氧化物或水合氧化物沉淀，经过热分解后可得到氧化物粉末。如：NaAlO2水解可得Al(OH)3沉淀，热分解后得到Al2O3超细粉体。此法也可制备复合氧化物粉体，如用ZrOCl2和Y2O3混合液水解，热分解后可得到Y2O3和ZrO2的复合粉体。

3、水解法陶瓷原料的制备陶瓷粉体的制备化学气相反应法是采用挥发性金属化合物蒸气通过化学反应合成所需物质的方法。可分为两类：单一化合物的热分解：CH3SiCl3(g)→SiC+3HCl两种以上化学物质之间的反应：TiCl4(g)+O2→TiO2(g)+Cl21）特点：粉料纯度高；粒径分布窄；颗粒分散好。粉体大多为无定形态。2）可制备氧化物、氮化物、碳化物、硼化物和金属粉体。3）气相的过饱和度及形核率的控制是CVD法制粉的关键。固体表面气体中条件较低的过饱和度高过饱和度析出物形态薄膜、晶须、晶粒颗粒应用半导体、光学、表面保护；金属及陶瓷的复合增韧材料；块状高纯物质的合成制备粉体（加入成核剂、避免与容器接触）气相沉积产物示意图陶瓷原料的制备陶瓷粉体的制备（三）化学气相沉积法(CVD)陶瓷原料的制备陶瓷粉体的处理2.2.3陶瓷粉体的处理一、粉体的分级把粉体材料按某种粒度大小或不同种类颗粒进行分选的操作过程称为分级。分级的方式有两种：即用筛子筛分和在流体中进行分离。2、流体分级法

用于超微细粉体的分级

基本原理：利用不同粒径颗粒在流体中的沉降速度差进行分离。分为干式分级和湿式分级。1、筛分法：筛分——称重——求得质量百分比干式分级类型及机理

陶瓷原料的制备陶瓷粉体的制备二、热处理无机粉体热处理的主要目的是促进脱水及晶体转变，稳定晶体结构。减少在烧结时的体积变化。如对Al2O3、TiO2进行煅烧使之分别转变为γ-Al2O3、金红石结构，ZrO2粉体固溶使之转变为稳定或部分稳定ZrO2。有时热处理是为了破坏粉体颗粒的层状结构，避免成型时的定向排列，如云母、滑石等的热处理。三、表面改性在粉体的制备和应用过程中，为提高粉体的分散性、活性、相容性及使用功能，常常要对粉体进行表面改性。表面改性是指采用物理或化学方法对粉体颗粒进行表面处理，有目的地改变其表面物理化学性质的工艺。1．包覆改性2．沉淀(沉积)改性3．表面化学改性4．机械化学改性第三章陶瓷成型原理及工艺

陶瓷成型原理及工艺配料及混合一、配料：根据成分要求进行计算；然后称料；三、造粒

粉粒小，流动性差。在原料细粉中加入一定量的塑化剂，制成粒度较粗、具有一定假颗粒级配、流动性好的团粒（约20～80目），有利于陶瓷坯料的压制成形。

造粒的方法有：手工造粒法、加压造粒法、喷雾干燥造粒法、冻结干燥造粒法等。喷雾干燥造粒的质量最好。二、混合：使坯料成分均匀。方法：机械混合法、化学混合法注意：加料顺序、混料磨介的使用3.1配料及混和四、塑化新型陶瓷的原料很多是瘠性料，没有可塑性，因此必须对成形坯料进行塑化处理。塑化是利用塑化剂使原来无塑性的坯料具有可塑性的过程。常用的塑化剂有无机塑化剂（如粘土、水玻璃等）和有机塑化剂。有机塑化剂的组成：

粘结剂：常温下能将粉料颗粒粘合在一起，使坯料具有成型性能并具有一定强度，在高温烧成时它们会氧化、分解和挥发。如聚乙烯醇、聚醋酸乙烯酯等；

增塑剂：溶于有机粘合剂中，在粉料之间形成液态间层．提高坯料的可塑性。如甘油、酞酸二丁酯、乙基草酸；

溶剂：能溶解粘合剂、粘结剂和增塑剂。如无水乙醇、丙酮、甲苯醋酸乙脂）陶瓷成型原理及工艺配料及混合五、悬浮

注浆成形的陶瓷坯料，为避免浆料沉淀分层，必须采取一定措施，增加料浆的悬浮性。悬浮是将粉体分散于液体介质中形成稳定、均匀、流动性好的浆料。配制好的料浆要求具有：1）流动性好，以保证料浆充满模具型腔；2）稳定性好，料浆不易沉淀与分层；3）触变性好，保证料浆粘度不随时间而变化，同时脱模后坯体不会在外力作用下变软；4）含水（或含盐）量低，避免成型和干燥后收缩、变形、开裂；5）渗透性好，料浆中的水分容易通过已形成的坯体被模壁吸收；6）气体含量低等性质。常用的方法有两种：1）提高泥浆流动性：加热泥浆、加入电解质、控制料浆的pH值（即料浆的酸碱度）；2）良好的稳定性：良好的稳定性使泥浆易于输送，注浆成形时不易产生分层或开裂，成形的坯体不易产生变形。通过有机胶体和表面活性物质的吸附，可提高泥浆稳定性。

陶瓷成型原理及工艺配料及混合3.2陶瓷的成形

成形即形成一定形状和尺寸的陶瓷坯体的过程。根据研究和生产需要不同，常用的成形方法有：1、粉料成型:陶瓷粉料中加入少许或甚至不加塑化剂，坯料具有一定流动形态的干粉态。模压成形、等静压成形2、塑法成型：坯料需加入适量的塑化剂，混合均匀后利用其可塑性成形。挤压成形、轧膜成形。3、胶态法成型：坯料形成流动态的浆料，利用其流动性成形。注浆成形、热压铸成形、流延成形等方法。陶瓷成型原理及工艺陶瓷的成形（1）定义：是将粉料加入少量粘合剂，造粒，装模，然后加压形成一定形状的坯体。

（2）类型及原理：单向压制、双向压制、浮动凹模压制

（3）特点：

优点：粘结剂少，可直接焙烧，体积收缩小；操作简便，生产效率高，易于自动化。

缺点：粉料易团聚，坯厚密度易不均匀，形状复杂模具难设计。压力分布不均，不易成形大的坯体。

（4）模压成形步骤：原料制备-混和-筛分-造粒-添加成形剂-装模-加压-保压-脱模陶瓷成型原理及工艺陶瓷的成形钢模压制方式

(a)单向压制(b)双向压制(c)浮动凹模压制

加压方式和压力分布关系图（横条线为等密度线）(a)单向加压(b)双面同时加压(c)双面先后加压

一、模压成形：1、干压成型陶瓷成型原理及工艺陶瓷的成形粉料的各个方向同时均匀受压。利用液体介质的不可压缩性和均匀传递压力特性的成型方法。2、等静压成型湿等静压：整个工件连同胶套浸泡于传压液之中，每次操作放进取出都是在液体中进行。用于生产形状复杂，大型及产量小的制品；（1）冷等静压1钢模2传压液体3待压坯体4模心5弹性胶套陶瓷成型原理及工艺陶瓷的成形干式等静压：待压粉料的加添和压好工件的取出都是在干燥状态下进行。用于生产形状简单的长形、壁薄、管状制品。干式等静压过程示意图陶瓷成型原理及工艺陶瓷的成形热等静压成型原理示意图

（2）热等静压成型(HIP)将粉末装入包套内，放入带有加热炉的密闭高压容器中，抽出空气，然后压入30—60MPa的惰性气体(如氨气)，通过加热使粉末坯料达到烧结温度，此时由于气体的热膨胀，可使高压容器内的压力达到100MPa左右，借助于高温和各向均等的高压，使粉末坯料固结成全致密的材料。陶瓷成型原理及工艺陶瓷的成形二．可塑成型的方法1．挤压成型利用压力把具有塑性的粉料通过模具挤出来成形的，模具的形状就是成形坯体的形状。特点：生产效率高，产量大，操作简便，宜于自动化操作。应用：适宜成型各种管状产品，(如高温炉管、热电偶套管、电容器瓷管等)；柱状产品（电阻元器件）；和断面规则的产品(如圆形、椭圆形、方形

、六角型等)。工艺要求：

a.增塑剂或粘结剂要与粉末充分混合，使增塑剂均匀分布在混合料中。

b.增塑剂的加入量、预压压力、挤压温度以及挤压速度都会影响挤压过程的进行。

将加入粘结剂的粉料放入反向滚动的轧辊之间，使物料不断受到挤压，从而得到薄膜状坯体的一种成形方法。

应用：一些薄片状的陶瓷产品，如集成电路基板、电容器等，厚度一般在1mm~0.05mm。特点：

1）炼泥与成形同时进行；

2）坯体的机械强度和致密度具有各向异性。因此在轧辊过程中必须不断将坯片作90度倒向。2．轧制成形陶瓷成型原理及工艺陶瓷的成形轧制成型装置示意图

把粉料与热塑性树脂等有机物混练后得到的混合料，在注射机上于一定温度和压力下高速注入模具，迅速冷凝后脱模取出坯体的方法。应用：注射成型可制备形状复杂、尺寸精密的制品。

特点：能自动化、大规模生产，成本低，效率高。不适用于大截面的制品。在排塑时易存在残余应力和开裂。3．注射成形陶瓷成型原理及工艺陶瓷的成形下面是两种新型陶瓷制品注射成型的实例。（1）碳化硅制品：

坯料：碳化硅100%，可塑性聚苯乙烯16.5%，硬脂酸蜡3.5%，40#油8.3%，钛酸盐0.6%。在150℃情况下混合1h；射出温度150~325℃，射出压力7~70Mpa，脱脂条件从50℃至800℃，每小时1~10℃的升温速率，非氧化气氛。（2）氮化硅制品

坯料：氮化硅100%，聚苯乙烯13.8%，聚丙烯7.6%，硅烷3.6%，钛酸二乙酯1.9%，硬脂酸1.9，在180℃情况下加压混练，压力0.25Mpa，射出温度240℃，射出压力：100Mpa；脱脂条件：用N2作保护，常温至200℃，每小时30℃升温速率，200~350℃，每小时35℃升温速率，在350℃时保持10h。

1）原理：把一定浓度的浆料注入石膏模中，与石膏相接触的外围首先脱水（或脱其它有机溶液）、硬化，粉料沿石膏模内壁成形出所需形状，经脱模、干燥后得到具有一定形状和强度的坯体，待水分被石膏模具充分吸收后，坯体向内略有收缩，故脱模不会很困难。2）分类：空心注浆、实心注浆、压力注浆、离心注浆陶瓷成型原理及工艺陶瓷的成形1、注浆成形三、胶态成形法空心注浆用于小型簿壁产品实心注浆用于内外形状不同和大型、厚壁的产品；不用倾倒出浆料，且应不断加浆填平2、热压注成形陶瓷成型原理及工艺陶瓷的成形先将粉料与蜡或有机高分子粘结剂混合、加热，使混合料具有一定流动性，然后将混合料加压注入模具，冷却后即可得到致密的、较硬实的坯体。应用：能够生产形状复杂的中小形坯件。是各种复杂电子瓷件的主要成形方法。特点：设备简单，操作方便，劳动强度不大，生产效率较高，模具磨损小、寿命长，可对蜡坯进行少量的加工。烧结前埋堆加热进行排蜡处理。热压注成型示意图

陶瓷成型原理及工艺陶瓷的成形3、流延法成形流延成形又称带式浇注法、刮刀法。将超细粉中混入适当的粘结剂制成流延浆料，然后通过固定的流延嘴及依靠浆料本身的自重，将浆料刮成薄片状，经过烘干后得到所需的薄膜坯体。应用：流延法可制得厚度在0.05mm以下的陶瓷薄膜，经常用于规模生产电子器件、超薄型陶瓷独石电容器，氧化铝陶瓷基片、集成电路等新型陶瓷。流延法成形

一.坯体的干燥

1、干燥原理及过程

1）干燥实质：坯体水分存在的状态：一是化学结合水，二是吸附水，三是游离水。干燥实质是利用热能使坯体中的水分汽化，排除部分吸附水与游离水（即物理排水过程）。

2）干燥原理

干燥过程是坯体与干燥介质之间的传热过程和传质过程。干燥过程中排除水分，同时引起坯体的体积发生收缩，形成一定的气孔。传热过程是热气体从介质中将热传递给湿坯表面，再由表面传递到湿坯内部。坯体表面的水分获得热量而汽化。传质过程即水分的扩散过程。包括外扩散和内扩散过程。外扩散是湿坯表层的水蒸汽向周围介质中扩散。内扩散是水分由湿坯内部向表面扩散。

陶瓷成型原理及工艺压坯的干燥与脱脂2.3压坯的干燥与脱脂干燥与脱脂的必要性：

1）含水的坯体具有可塑性，强度低且易变形，烧成易开裂且延长烧成时间。

2）含有较多有机物的坯体烧成前必须单独氧化和分解掉，否则易形成烧成缺陷。

陶瓷成型原理及工艺陶瓷的成形2、干燥制度

1）主要指坯体干燥各阶段的干燥速度，一般希望速度尽量快，以节省时间和能源。

2）影响干燥速度的因素：坯体本身特性、干燥介质温度与湿度、干燥介质流速与流量、干燥方法等，此外，干燥设备结构，坯体初始温度等因素也影响干燥速度。3、干燥方法：热气干燥、电热干燥、高频干燥、微波干燥、近红外与远红外高燥、喷雾干燥远红外干燥：大部分物体吸收红外线的波长范围都在远红外区，水和陶瓷坯体在远红外区也有强的吸收峰，能够强烈地吸收远红外线，产主激烈的共振现象，使坯体迅速变热而使之干燥。

微波是指介于高频与远红外线之间的电磁波，波长为O.001—1m，频率为300-300000MHz。微波干燥是用微波照射湿坯体，电磁场方向和大小随时间作周期性变化使坯体内极性水分子随着交变的高频电场变化，使分子产生剧烈的转动，发生摩擦转化为热能，达到坯体整体均匀升温、干燥的目的二、排胶

新型陶瓷成形时加入较多的有机粘合剂和塑化剂等，如热压注成形的石蜡及轧膜、流延成形中的聚乙烯醇等，烧成时，坯体中大量的有机物熔融、分解、挥发，会导致坯体变形、开裂，同时有机物含碳多，当氧气不足形成还原气氛时，会影响烧结质量。因此，需要在坯体烧成前将其中的有机物排除干净，以保证产品的形状、尺寸和质量的要求，这个过程即为排胶。其作用为：①排除坯体中的有机物，为烧成创造条件；②使坯体获得一定的机械强度；③避免坯体中的有机物在烧成时产生还原作用。排胶阶段控制不当会引起变形、裂纹等废品现象。陶瓷成型原理及工艺陶瓷的成形思考与习题：选择：1、————成型是利用离心力加快浆料中水分的排除，加速坯体形成。浇注成型压力注浆空心注浆离心注浆2、下列陶瓷制品中，正确的成形方法的是（）A.用空心注浆法制造瓷盘B.用轧模法制造0.02mm厚的集成电路基板C.用模压法制造电容器瓷管D.用热压铸法制造电子瓷件判断：1、造粒是为了有利于陶瓷坯料的压制成形，将原料细粉压制成粒度较粗、具有流动性好的团粒的过程。2、热压铸成形是在常温下将石蜡与坯料混合成蜡浆，在一定压力下，将蜡浆注入金属模，冷凝后即成为有一定形状的坯体。3、陶瓷坯体进行排胶的原因是由于陶瓷原料中含有大量胶体物质。4、陶瓷材料混合的方法有机械混合法，球磨或搅拌混合法。5、陶瓷成形常用的方法有干法成形、流法成形和模压成型。

陶瓷成型原理及工艺陶瓷的成形2、热压铸成形的制件，为何要进行埋烧脱蜡，而不将脱蜡和烧成一次完成？直接将蜡坯烧结，随着温度的升高，蜡浆会流失、挥发、燃烧，瓷料将失去支持粘结而解体，不能保持原有的形状。将蜡坯埋入疏松、惰性、颗粒较粗的保护粉中（吸附剂），在升温过程中，石蜡向吸附剂中流渗、扩散，但吸附剂却始终支持着坯体。继续升温，石蜡全部挥发、燃烧，直至坯体中的瓷料之间有一定程度的烧结，具有一定的机械强度，而坯体与吸附剂之间又不发生粘结为止。如果继续升温，直至坯件完全烧结成瓷，这可能使瓷件表面与吸附剂之间出现严重粘结。所以，必须及时降温，清除埋粉，然后再一次装窑烧结成瓷。陶瓷成型原理及工艺陶瓷的成形简答：1、比较陶瓷材料各种成形方法的特点及应用。2、热压注成形的制件，为何要进行埋烧脱蜡，而不将脱蜡和烧成一次完成？化学组成、矿物组成烧结材料性质结构显微结构晶粒尺寸分布气孔尺寸分布晶界体积分数改变（如何改变材料的性质）目的：粉状物料变成致密体。陶瓷、耐火材料、粉沫冶金、超高温材料……现代无机材料如：功能瓷：热、声、光、电、磁、生物特性。结构瓷：耐磨、弯曲、湿度、韧性……应用第四章陶瓷的烧结原理及工艺（录像）陶瓷的烧结原理及工艺烧结理论如何改变材料性质断裂强度晶粒尺寸G强度2、气孔

强度(应力集中点)；透明度(散射)；铁电性和磁性(气孔对畴壁运动起阻碍作用）。3、材料的电导性和电磁性受晶粒尺寸的影响。（大而均匀的晶粒和薄的晶界有利于介电性能的提高）1、说明：a:颗粒聚焦b:开口堆积体中颗粒中心逼近c:封闭堆积体中颗粒中心逼近粉料成型后颗粒之间只有点接触，坯体内气体（约35％～60％）在高温下颗粒间接触面积扩大→颗粒聚集→颗粒中心距逼近→形成晶界→气孔形状变化，体积缩小→最后气孔从晶体中排除。烧结现象示意图收缩a收缩收缩b无气孔的多晶体c§4.1概述

一、烧结的定义及分类

1.定义宏观定义：粉体原料经过成型、加热到低于熔点的温度，发生固结、气孔率下降、体积收缩、致密度提高、晶粒增大，变成坚硬的烧结体，这个现象称为烧结。物理性质变化：V、气孔率、强度、致密度缺点：只描述宏观变化，未揭示本质。微观定义：固态中分子（或原子）的相互吸引，通过加热，质点获得足够的能量，进行迁移使粉末体产生颗粒粘结，产生强度并导致致密化和再结晶的过程称为烧结。衡量烧结的指标：收缩率、气孔率、吸水率、实际密度/理论密度常规烧结（是否出现液相）

2.分类固相烧结：在烧结温度下基本上无液相出现的烧结，如高纯氧化物之间的烧结过程液相烧结：有液相参与下的烧结，如多组分物系在烧结温度下常有液相出现，<45%。反应烧结热压烧结电火花烧结等静压烧结活化烧结微波烧结非常规烧结（特种烧结）3、与烧结有关的一些概念

1）烧结与烧成烧成：在多相系统内产生一系列物理和化学变化。例如脱水、坯体内气体分解、多相反应和熔融、溶解、烧结等。在一定的温度范围内烧制成致密体的过程。烧结：指粉料经加热而致密化的简单物理过程，不包括化学变化。烧结仅仅是烧成过程的一个重要部分。烧结是在低于固态物质的熔融温度下进行的。

2）烧结与熔融

熔融：固体融化成熔体过程。熔融时全部组元都转变为液相，而烧结时至少有一组元是处于固态。烧结温度（TS）和熔点（TM）关系：金属粉末：TS≈0.3～0.4TM盐类：TS≈0.57TM硅酸盐：TS≈0.8～0.9TM

陶瓷的烧结原理及工艺烧结理论3)烧成过程一般来说，烧成过程大致分为三个阶段：①升温阶段残余的吸附水和有机胶粘剂的挥发、结晶水或结构水的排除、盐类的分解与合成、晶相转变等物理和化学反应的过程。由于这个过程中伴有大量的气体排出，因此升温速度不能太快，否则会造成坯体结构疏松、变形和开裂。通常吸附水在200℃以前逐步挥发掉，有机胶粘剂在200—550℃挥发完。②保温阶段配料中的各组分进一步进行物理变化和化学反应，是获得要求的致密、结构和性能的陶瓷件的重要阶段。因此，严格控制烧成制度，尤其是烧成温度及相应的保温时间是烧成工艺的关键。③冷却阶段冷却阶段是从烧成温度冷却至常温的过程。在冷却过程中，瓷料伴随着玻璃相凝固、析晶、晶体生长、相变等物理和化学变化发生。冷却方式、冷却速度快慢对陶瓷材料的相织成、结构和性能均有很大的影响。陶瓷的烧结原理及工艺烧结理论二、烧结过程及推动力（一）烧结过程1.烧结温度对烧结体性质的影响当密度达到理论密度的90～95％后，其增加速度显著减小，且常规条件下很难达到完全致密。说明坯体中的空隙(气孔)完全排除是很难的。1）随T↑，电阻↓（电导率↑）、强度↑，表明：在颗粒空隙被填充之前(即气孔率显著下降以前)，颗粒接触处就已产生某种键合，使得电子可以沿着键合的地方传递，故电导率和强度增大2）随T继续↑，物质开始向空隙传递，密度↑烧结初期：坯体中颗粒重排，接触处产生键合，空隙变形、缩小（即大气孔消失），固-气总表面积没有变化。烧结中期：传质开始，粒界增大，空隙进一步变形、缩小，但仍然连通，形如隧道。烧结后期：传质继续进行，粒子长大，气孔变成孤立闭气孔，密度达到95%以上，制品强度提高。烧结过程可以分为三个阶段：烧结初期、中期和后期。2.烧结过程的模型示意图（二）烧结推动力近代烧结理论认为：粉状物料的表面能大于多晶烧结体的晶界能，这就是烧结的推动力，即烧结的热力学驱动力是粉体表面能的降低和系统自由能的降低的过程。烧结的推动力与相变、固相反应相比，还是极小的如：粒度为1μm的材料烧结后，△G↓8.3J/g；α-石英与β-石英之间的多晶转变时，△G1.7KJ/mol；一般化学反应前后能量变化超过200KJ/mol.∴烧结不能自发进行，必须对粉体加以高温，才能促使粉末体转变为烧结体烧结的难易以γGB晶界能/γSV表面能的比值来衡量：γGB/γSV↑，烧结越困难例：Al2O3:两者差别较大，易烧结；共价化合物如Si3N4、SiC、AlN难烧结。§9.2烧结过程中的物质传递对象：

单一粉体的烧结。固体颗粒之间的高温固结过程，没有液相参与。主要传质方式：蒸发－凝聚扩散塑性流变和粘滞性流动固相烧结气相烧结：物质的蒸汽压较高，气相传质为主。固相烧结：物质的蒸汽压较低，固相扩散为主。液相烧结：烧结过程中有液相存在。固相烧结（无液相）陶瓷的烧结原理及工艺物质传递：固相烧结烧结机制就是研究烧结过程中各种可能的物质迁移形式及其速率。根据物相的传质角度，烧结可分为：一、物质的传递——传质过程气相传质——蒸发-凝聚传质扩散传质流动传质塑性流动粘性流动溶解-沉淀传质

固相烧结相结液烧（A）模型是球型颗粒的点接触，烧结过程中心距离不变。（B）模型是球型颗粒的点接触，但是烧结过程中心距离变小。（C）模型是球型颗粒与平面的点接触，烧结过程中心距离也变小。以上三个模型对烧结初期一般是适用的，但随烧结的进行，球形颗粒逐渐变形，因此在烧结中、后期应采用其它模型。

陶瓷的烧结原理及工艺烧结理论烧结模型（烧结初期适用）（一）蒸发-凝聚传质1.概念固体颗粒表面的曲率不同，高温时在系统的不同部位有不同的蒸气压，质点通过蒸发，再凝聚实现质点的迁移，促进烧结。2、蒸发－凝聚传质（气相传质）存在范围：在高温下蒸汽压较大的系统。如氧化铅、氧化铍和氧化铁的烧结。硅酸盐材料不多见。rx根据开尔文公式：传质原因：曲率差别产生P物质将从蒸气压高的凸形颗粒表面蒸发，通过气相传递而凝聚到蒸气压低的凹形颈部，从而使颈部逐渐被填充。陶瓷的烧结原理及工艺固相烧结条件：颗粒足够小，r<10m根据烧结的模型(双球模型中心距不变)

蒸发－凝聚机理(凝聚速率＝颈部体积增加)球形颗粒接触面积颈部生长速率关系式讨论：1、x/r～t1/3，证明初期x/r增大很快，但时间延长，很快停止。

说明：此类传质不能靠延长时间达到烧结。t2、颗粒粒度

，愈小烧结速率愈大。3、特点：烧结时颈部扩大，气孔形状改变，但双球之间中心距不变，因此坯体不发生收缩，密度不变。陶瓷的烧结原理及工艺固相烧结（二）扩散传质1、颈部应力分析库津斯基，1949年，颈部应力模型弯曲的曲颈基元ABCD对象：多数固体材料，由于其蒸汽压低。在扩散传质中要达到颗粒中心距离缩短必须有物质向气孔迁移，气孔作为空位源，空位进行反向迁移。应力分布：无应力区：球体内部压应力区：两球接触的中心部位的σ2张应力区：颈部的σρ烧结开始阶段，在局部剪应力和流体静压力影响下，颗粒间出现重新排列，从而使坯体堆积密度提高，气孔率下降，坯体收缩，但是晶粒形状没有变化，颗粒重排不可能导致气孔完全消除。在扩散传质中要达到颗粒中心距离缩短必须有物质向气孔迁移，气孔作为空位源，空位进行反向迁移。颗粒点接触处的应力促使扩散传质中物质的定向迁移。2、颈部空位浓度分析1）无应力区（晶体内部）的空位浓度c0b）ct>c0>cn，表明：颈表面张应力区空位浓度大于晶体内部；受压应力的颗粒接触中心空位浓度最低c）△1c>△2c，表明：由晶界（接触点）向颈部扩散比晶体内部向颈部扩散能力强。a）只有存在浓度差，才能使质点迁移2）应力区的空位浓度：张应力区空位浓度为ct压应力区空位浓度为cn陶瓷的烧结原理及工艺固相烧结扩散首先从空位浓度最大部位（颈表面）向空位浓度最低的部位（颗粒接触点）进行。其次是颈部向颗粒内部扩散。空位扩散即原子或离子的反向扩散。因此，扩散传质时，原子或离子由颗粒接触点向颈部迁移，达到气孔充填的结果。

颈部生长速率

假设颈部为空位源、按体积扩散机制进行烧结速度公式为：陶瓷的烧结原理及工艺固相烧结扩散传质途径表面扩散：扩散沿颗粒表面进行。晶界扩散：沿着两颗粒之间的界面或晶粒内的晶界进行。晶格扩散：在晶粒内部进行，原子从一正常的晶格位置到邻近空的晶格位置或与空位的交换。不论扩散途径如何，扩散的终点是颈部。随着颈部填充和颗粒接触点处结构基元的迁移出现了气孔的缩小和颗粒中心距逼近、表现在宏观上则气孔率下降和坯体的收缩。机理编号传质路径物质来源物质壑1表面扩散表面颈部2晶格扩散3气相扩散4晶界扩散晶界颈部5晶格扩散6晶格扩散位错陶瓷的烧结原理及工艺固相烧结1、液态烧结特点

液态烧结概念：凡有液相参加的烧结过程称为液态烧结。大多数材料在烧结中都会或多或少地出现液相。即使在没有杂质的纯固相系统中，高温下还会出现“接触”熔融现象。因而纯粹的固态烧结