《材料成型工艺基础》课件第7章

第7章工业陶瓷及其成型7.1工业陶瓷

7.2工业陶瓷的生产过程陶瓷是各种无机非金属材料的通称，它同金属材料、高分子材料一起被称为三大固体材料。陶瓷在传统上是指陶瓷与瓷器，但也包括玻璃、搪瓷、耐火材料、砖瓦、水泥、石灰、石膏等无机非金属材料。由于这些材料都是用天然的硅酸盐矿物(即含二氧化硅的化合物，如黏土、石灰石、长石、石英、砂子等原料)生产的，因此陶瓷材料也是硅酸盐材料。

近20多年来，陶瓷材料有巨大的发展，许多新型陶瓷材料的成分远远超出了硅酸盐的范围，陶瓷的性能也面临重大的突破，陶瓷的应用已渗透到各类工业、各种工程和各个技术领域，已成为现代工程材料的主要支柱。

7.1.1陶瓷材料的性能

陶瓷材料的性能主要取决于以下两个因素：第一是物质结构，主要是化学键和晶体结构，它们决定了陶瓷材料本身的性能，如电性能、热性能、磁性能和耐腐蚀性能等；第二是组织结构，包括相分布、晶粒大小和形状、气孔大小和分布、杂质、缺陷等，它们对陶瓷材料的性能影响极大。7.1工业陶瓷

1.陶瓷材料的力学性能

陶瓷材料的弹性模量和硬度是各类材料中最高的，比金属高若干倍，比有机高聚物高2~4个数量级，这是由于陶瓷材料具有强大的化学键所致。陶瓷材料的塑性变形能力很低，在室温下几乎没有塑性，这是因为陶瓷晶体中的滑移系很少，共价键有明显的方向性和饱和性，离子键的同号离子接近时斥力很大，当产生滑移时，极易造成键的断裂，再加上有大量气孔的存在，所以陶瓷材料呈现出很明显的脆性特征，韧性极低。因为陶瓷内有气孔、杂质和各种缺陷的存在，所以陶瓷材料的抗拉强度和抗弯强度均很低，而抗压强度非常高，这是由于在受压时裂纹不易扩展所致。

2.陶瓷材料的物理性能

1)陶瓷材料的热性能

陶瓷材料的熔点高，大多在2000℃以上，具有比金属材料高得多的抗氧化性和耐热性，并且高温强度好，抗蠕变能力强。此外，它的膨胀系数低，导热性差，是优良的高温绝热材料。但大多数陶瓷材料的热稳定性差，这是它的主要弱点之一。

2)陶瓷材料的电性能

陶瓷材料的导电性变化范围很广。由于离子晶体无自由电子，因此大多数陶瓷都是良好的绝缘体。但不少陶瓷既是离子导体，又有一定的电子导电性，因而也是重要的半导体材料。此外，近年来出现的超导材料，大多数也是陶瓷材料。

3)陶瓷材料的光学特性

陶瓷材料一般是不透明的，随着科技发展，目前已研制出了诸如固体激光器材料、光导纤维材料、光存储材料等透明陶瓷新品种。

3.陶瓷材料的化学性能

陶瓷的组织结构很稳定，这是由于陶瓷以强大的离子键和共价键结合，并且在离子晶体中金属原子被包围在非金属原子的间隙中，从而形成稳定的化学结构。因此陶瓷材料具有良好的抗氧化性和不可燃烧性，即使在1000℃的高温下也不会被氧化。此外，陶瓷对酸、碱、盐等介质均具有较强的耐蚀性，与许多金属熔体也不发生作用，因而是极好的耐蚀材料和坩埚材料。7.1.2常用的工业陶瓷

陶瓷的种类繁多，大致可以分为传统陶瓷(也叫普通陶瓷)和特种陶瓷(也叫近代工业陶瓷)两大类。虽然它们都是经过高温烧结而合成的无机非金属材料，但其在所用粉体、成型方法和烧结制度及加工要求等方面却有着很大的区别。两者的主要区别见表7-1。表7-1工业陶瓷与传统陶瓷的主要区别传统陶瓷是以黏土、长石和石英等天然原料，经粉碎、成型和烧结制成的，主要用作日用陶瓷、建筑陶瓷、卫生陶瓷，以及工业上应用的电绝缘陶瓷、过滤陶瓷、耐酸陶瓷等。

特种陶瓷是以人工化合物为原料的陶瓷，如氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硅化物陶瓷、硼化物陶瓷，以及石英质、刚玉质、碳化硅质陶瓷等，主要用于化工、冶金、机械、电子、能源和某些高技术领域。

特种陶瓷是20世纪发展起来的，在现代化生产和科学技术的推动和培育下，它们发展得非常快，尤其在近30年，新品种层出不穷，令人眼花缭乱。表7-2各种陶瓷的性能特点及应用

工业陶瓷的品种繁多，生产工艺过程也各不相同，但一般都要经历以下几个步骤：坯料制备、成型、坯体干燥、烧结以及后续加工，如图7-1所示。7.2工业陶瓷的生产过程

图7-1陶瓷的生产工艺过程7.2.1坯料制备

1.配料

制作陶瓷制品，首先要按瓷料的组成，将所需各种原料进行称量配料，它是陶瓷工艺中最基本的一环。称料务必精确，因为配料中某些组分加入量的微小误差也会影响到陶瓷材料的结构和性能。

2.混合制备坯料

配料后应根据不同的成型方法，混合制备成不同形式的坯料，如用于注浆成型的水悬浮液，用于热压注成型的热塑性料浆，用于挤压、注射、轧膜和流延成型的含有机塑化剂的塑性料，用于干压或等静压成型的造粒粉料等。坯料混合一般采用球磨或搅拌等机械混合法。7.2.2成型

成型是将坯料制成具有一定形状和规格的坯体。成型技术与方法对陶瓷制品的性能具有重要意义，由于陶瓷制品品种繁多，性能要求、形状规格、大小厚薄不一，产量不同，所用坯料性能各异，因此可以采用多种不同的成型方法。陶瓷的成型方法大致分为湿塑成型、注浆成型、模压成型、注射成型、热压铸成型、等静压成型、塑性成型、带式成型等方法。

1.湿塑成型

湿塑成型是在外力作用下，使可塑坯料发生塑性变形而制成坯体的方法，包括刀压、滚压、挤压和手捏等。这是最传统的陶瓷成型工艺，在日用瓷和工艺瓷中应用最多。

2.注浆成型

注浆成型是将陶瓷悬浮料浆注入石膏模或多孔质模型内，借助模型的吸水能力将料浆中的水吸出，从而在模型内形成坯体。该方法适用于形状复杂、大型薄壁、精度要求不高的日用陶瓷、建筑陶瓷和美术陶瓷制品，电子陶瓷行业由于禁用黏土，因而很少使用该方法成型。

注浆成型工艺简单，但劳动强度大，不易实现自动化，且坯体烧结后的密度较小，强度较差，收缩、变形较大，所得制品的外观尺寸精度较低，因此性能要求较高的陶瓷一般不采用此法生产。但随着分散剂的发展，均匀性好的高浓度低黏度浆料的获得，以及强力注浆的发展，注浆成型制品的性能与质量在不断提高。

3.模压成型

模压成型也叫干压成型，是将造粒工序制备的团粒(水的质量分数小于6%)松散装入模具内，在压机柱塞施加的外压力作用下，团粒产生移动、变形、粉碎而逐渐靠拢，所含气体同时被挤压排出，形成较致密的具有一定形状、尺寸的压坯，然后卸模脱出坯体的过程。

模压成型的特点是操作方便，生产周期短，效率高，易于实现自动化生产，适宜大批量生产形状简单(圆截面形、薄片状等)、尺寸较小(高度为0.3mm～60mm、直径为5mm～50mm)的制品。由于坯体含水或其他有机物较少，因此坯体致密度较高，尺寸较精确，烧结收缩小，瓷件力学强度高。但模压成型坯体具有明显的各向异性，也不适于尺寸大、形状复杂制品的生产，并且所需的设备、模具费用较高。

4.注射成型

注射成型是将陶瓷粉和有机黏结剂混合后，加热混炼并制成粒状粉料，经注射成型机，在130℃～300℃温度下注射到金属模腔内，冷却后黏结剂固化成型，脱模取出坯体。

注射成型适于形状复杂、壁薄(0.6mm)、带侧孔制品(如汽轮机陶瓷叶片等)的大批量生产，坯体密度均匀，烧结体精度高，且工艺简单、成本低；但生产周期长，金属模具设计困难，费用昂贵。

5.热压铸成型

热压铸成型利用蜡类材料热熔冷固的特点，将配料混合后的陶瓷细粉与熔化的蜡料黏结剂加热搅拌成具有流动性与热塑性的蜡浆，在热压注机中用压缩空气将热熔蜡浆注满金属模空腔，蜡浆在模腔内冷凝形成坯体，再进行脱模取件。

热压铸成型用于批量生产外形复杂、表面质量好、尺寸精度高的中小型制品，且设备较简单，操作方便，模具磨损小，生产效率高；但坯体密度较低，烧结收缩较大，易变形，不宜制造壁薄、大而长的制品，且工序较繁，耗能大，生产周期长。

6.等静压成型

等静压成型是利用液体或气体介质均匀传递压力的性能，把陶瓷粒状粉料置于有弹性的软模中，使其受到液体或气体介质传递的均衡压力而被压实成型的一种新型压制成型方法。

等静压成型的特点是坯体密度高且均匀，烧结收缩小，不易变形，制品强度高、质量好，适于形状复杂、较大且细长制品的制造；但等静压成型设备成本高。

等静压成型可分为湿式等静压成型与干式等静压成型两种。

1)湿式等静压成型

如图7-2(a)所示，将配好的粒状粉料装入塑料或橡胶做成的弹性模具内，密封后置于高压容器内，注入液体压力传递介质(压力通常在100MPa以上)，此时模具与高压液体直接接触，压力传递至弹性模具对坯料加压成型，然后释放压力取出模具，并从模具中取出成型好的坯体。湿式等静压容器内可同时放入几个模具，压制不同形状的坯体，该法生产效率不高，主要适用于成型多品种、形状较复杂、产量小和大型制品。

图7-2等静压成型示意图

(a)湿式等静压成型；(b)干式等静压成型

2)干式等静压成型

如图7-2(b)所示，在高压容器内封紧一个加压橡皮袋，加料后的模具送入橡皮袋中加压，压成后又从橡皮袋中退出脱模；也可将模具直接固定在容器橡皮袋中。此法的坯料添加和坯件取出都在干态下进行，模具也不与高压液体直接接触。而且，干式等静压成型模具的两头(垂直方向)并不加压，适于压制长型、薄壁、管状制品。

7.其他成型方法

1)塑性成型

塑性成型包括挤制成型与轧膜成型。这类成型方法的共同特点是要求泥料必须具有充分的可塑性，故其中所含有机黏结剂和水分比干压成型时多。

挤制成型是指将炼好并通过真空除气的泥料置于挤制筒内，在压力的作用下，通过挤嘴挤出各种形状的坯体，如棒状、管状等。

轧膜成型是一种非常成熟的薄片瓷坯成型工艺，大量地用于轧制厚度在1mm以下的薄片状制品，如瓷片电容、厚膜电路基片等瓷坯。轧膜成型的过程是将预烧过的陶瓷粉料与一定量的有机黏结剂和溶剂拌和，置于两辊轴之间进行混炼，使这些成分充分混合均匀，伴随着吹风，使溶剂逐渐挥发，形成一层厚膜，然后，逐步调近轧辊间距，多次折叠，90°反向，反复轧炼，以达到必需的均匀度、致密度、光洁度和厚度为止。

2)带式成型方法

对于0.08mm以下的坯体，如独石电容片等，用轧膜法难以成型，带式成型法就应运而生了。此类成型方法包括刮刀工艺、纸带浇注工艺和滚筒工艺。其中，以刮刀法(流延法)应用最为广泛，用于制造50μm以下的膜材，见图7-3。

图7-3流延成型7.2.3坯体干燥

成型后的各种坯体，一般含有水分，为提高成型后的坯体强度和致密度，需要进行干燥，以除去部分水分，同时坯体也失去可塑性。干燥的目的在于提高生坯的强度，便于检查、修复、搬运、施釉和烧制。

生坯内的水分有三种：一是化学结合水，是坯料组分物质结构的一部分；二是吸附水，是坯料颗粒所构成的毛细管中吸附的水分，吸附水膜厚度相当于几个到十几个水分子，并受坯料组成和环境的影响；三是游离水，处于坯料颗粒之间，基本符合水的一般物理性质。生坯干燥时，游离水很容易排出。随着周围环境湿度与温度的变化，吸附水也有部分在干燥过程中被排出，但排出吸附水没有什么实际意义，因为它很快又从空气中吸收水分达到平衡。结合水要在更高温度下才能排出，这已不是在干燥过程中所能排除的。

生坯的干燥形式有外部供热式和内热式。在坯体外部加热干燥时，往往外层的温度比内层高，这不利于水分由坯内向表面扩散。若对坯体施以电流或电磁波，使坯体内部温度升高，增大内扩散速度，就会大大提高坯体的干燥速度。7.2.4烧结

烧结是对成型坯体进行低于熔点的高温加热，使其内的粉体间产生颗粒黏结，经过物质迁移导致致密化和高强度的过程。只有经过烧结，成型坯体才能成为坚硬的具有某种显微结构的陶瓷制品(多晶烧结体)，烧结对陶瓷制品的显微组织结构及性能有着直接的影响。

烧结的方法很多，如常压烧结法、压力烧结法(热压烧结法、热等静压烧结法)、反应烧结法、液相烧结法、电弧等离子烧结法、自蔓延烧结法和微波烧结法等，以下对部分方法进行简要介绍。

1.常压烧结法

普通烧结有时也称常压烧结，是指在通常的大气压下进行烧结的方法。传统陶瓷大多都是在隧道窑中进行烧结的，而特种陶瓷大都在电窑中烧成。普通烧结因无需加压，故成本较低。

2.压力烧结法

压力烧结法可以分为普通热压烧结法、热等静压烧结法和超高压烧结法。

1)热压烧结法

热压烧结是将干燥粉料充填入石墨或氧化铝模型内，再从单轴方向边加压边加热，使成型与烧结同时完成，如图7-4所示。由于加热加压同时进行，陶瓷粉料处于热塑性状态，有利于粉末颗粒的接触、流动等过程的进行，因而可减小成型压力，降低烧结温度，缩短烧结时间，容易得到晶粒细小、致密度高、性能良好的制品。不过此烧结法不易生产形状复杂的制品，烧结生产规模较小，成本高。

图7-4热压(成型)烧结示意图

2)热等静压烧结法

热等静压(HIP)烧结方法是借助于气体压力而施加等静压的方法。除SiC、Si3N4使用该法外，Al2O3、超硬合金等也使用该法，它是很有希望的新烧结技术之一。热等静压烧结法可克服普通热压烧结的缺点，适合形状复杂制品的生产。目前一些高科技制品，如陶瓷轴承、反射镜及军工需用的核燃料、枪管等，也可采用此种烧结工艺。

3)超高压烧结法

超高压烧结法与合成金刚石的方法相同，在烧结金刚石和立方氮化硼时常采用这种方法；在其他难烧结物质的研究中也可采用此法。

3.反应烧结法

反应烧结法是通过气相或液相与基体材料相互反应而对材料进行烧结的方法。最典型的代表性产品是反应烧结碳化硅和反应烧结氮化硅制品。此种烧结方法的优点是工艺简单，制品可稍微加工或不加工，也可制备形状复杂制品；缺点是制品中最终有残余未反应产物，结构不易控制，太厚制品不易完全反应烧结。

4.液相烧结法

许多氧化物陶瓷采用低熔点助剂促进材料烧结。助剂的加入一般不会影响材料的性能或反而为某种功能产生良好的影响。作为高温结构使用的添加剂，要注意晶界玻璃是造成高温力学性能下降的主要因素。通过选择使液相有很高的熔点或黏度，或者选择合适的液相组成，然后作高温热处理，使某些晶相在晶界上析出，以提高材料的抗蠕变能力。

5.电弧等离子烧结法

电弧等离子烧结加热方法与热压不同，它在施加应力的同时，还在制品上施加一个脉冲电源，材料被韧化的同时也致密化。实验已证明，此种方法烧结快速，能使材料形成细晶高致密结构，预计对纳米级材料烧结更为适合。但迄今为止仍处于研究开发阶段，许多问题仍需深入探讨。

随着科技进步，新的烧结方法不断出现。目前，具有一定实用价值和应用前景的方法，如