郑州大学复合材料学课件第六章2.ppt

1、2020/8/1,国家精品课程陶瓷工艺原理,6.6 陶瓷坯体的烧成,烧成过程是将坯体在一定的条件下进行热处理，使之发生质变成为陶瓷产品的过程。,6.6.1 普通陶瓷坯体形成过程的变化,6.6.1.1 粘土矿物煅烧时的变化,高岭石500-700之间分解而失去结构水，出现吸热效应。 一般认为，高岭石脱水后还保留着硅氧四面体的Si-O网络结构，四面体层仍然继续存在，而八面体层中的Al-OH键断裂，Al3+与O2-重新排列组成键Al-O，Al的配位数由6变为4，由此形成偏高岭石(Al2O3 2SiO2)。,2020/8/1,国家精品课程陶瓷工艺原理,2020/8/1,国家精品课程陶瓷工艺原理,一般认为

2、，高岭石转变为莫来石过程中，一面保持一定程度的结构连续性，一面进行反应。高岭石加热至9801000 oC出现第一个放热效应，但无重量变化，这是出现Al-Si尖晶石相(2Al2O3 3SiO2)的结果。,2020/8/1,国家精品课程陶瓷工艺原理,尖晶石相继续受热，便从1000 oC开始转变为莫来石与方石英，这时出现第二个放热效应。如右图所示：,2020/8/1,国家精品课程陶瓷工艺原理,现在认为：温度上升并接近1000 oC时就开始生成莫来石，同时游离出活性较大的非晶态SiO2。,温度达1200 oC左右时，莫来石晶体生成反应接近平衡而逐渐长大，晶形完整，数量不再发生变化。 同时，非晶态逐渐转

3、变为方石英，且方石英含量随温度升高迅速升高，但到1400oC以上时，方石英逐步熔解于杂质所生成的熔体中。,2020/8/1,国家精品课程陶瓷工艺原理,6.6.1.2 坯料中莫来石的生成,（1）由粘土矿物转变生成的细粒、鳞片状一次莫来石。,（2）由熔体中析出的针状二次莫来石。,莫来石：鳞片状、人字形、针状或细柱状晶体，机械强度高，热稳定、化学稳定性好。密度3.15 g/cm3，熔点1810，熔融后分解为刚玉和石英玻璃。,普通陶瓷坯体中的莫来石来源：,2020/8/1,国家精品课程陶瓷工艺原理,坯料中加入矿化剂可以影响莫来石的形成，其中二价阳离子如Ca2+、Ba2+、Mg2+能促进莫来石的生成。,

4、矿化剂：为降低熔化或烧成温度，促进或抑制矿物多晶转变、再结晶、重结晶等作用的添加剂。 其它添加剂：晶核剂、结合剂、发泡剂、澄清剂等。,瓷坯中的莫来石受熔体作用还会再熔解甚至分解。针状二次莫来石在1400oC以下熔解，而鳞片状稳定，1810oC所有莫来石熔解为刚玉、石英玻璃。,2020/8/1,国家精品课程陶瓷工艺原理,2020/8/1,国家精品课程陶瓷工艺原理,2020/8/1,国家精品课程陶瓷工艺原理,主要作为熔剂，高温下形成硅酸盐熔体。其熔剂作用是由长石与石英及粘土矿物（分解生成的活性SiO2）形成的低共熔点熔体引起。,钾长石：1150 ，异成分熔融。生成白榴石 （K2O Al2O3 4S

5、iO2）和液相。石英存在下990出现低共熔体熔滴，熔融范围宽（几百度）。熔体粘度高。,钠长石：1120 ，同成分熔融。与石英的共熔温度为 1070，熔融范围窄（50）。熔体粘度低。,6.6.1.3 长石在坯体形成中的作用,2020/8/1,国家精品课程陶瓷工艺原理,在无矿化剂存在情况下，从1000oC开始至1470oC，-石英经过亚稳方石英转变为-方石英。,烧成过程中的变化：,6.6.1.4 烧成时石英的变化,2020/8/1,国家精品课程陶瓷工艺原理,石英在熔体中的熔解速度、熔解量与液相熔体的化学成分、液相量、粘度、烧成温度与时间、石英的结晶程度、粒度等因素有关。,石英颗粒越细，比表面积越大

6、，增加了与液相的接触面积，从而促进了石英的熔解。,2020/8/1,国家精品课程陶瓷工艺原理,1. 水分的排除,2. 有机物的分解和氧化,3. 晶型的转化,坯料中的残余水分100-120oC排出，吸附水100-200 oC排出，粘土矿物的结晶水在450-600oC间排出。,粘土中的有机物和添加剂一般在500oC左右氧化。,主要是-石英在573oC转化为-石英，石英颗粒边缘转化为方石英，另外无定形硅氧会转变为方石英。,6.6.1.5 坯体烧成时结构与物理性能的变化,2020/8/1,国家精品课程陶瓷工艺原理,5. 新晶体的产生,6. 溶解与析晶,粘土矿物受热分解经过尖晶石相（950oC）生成莫来

7、石（1100oC）。,液相会熔解石英、粘土分解物和一次莫来石，再从中析出方石英及二次莫来石 。,4. 液相的出现,长石石英、长石粘土矿物及长石石英粘土矿物于950oC出现低共熔物质，碱性氧化物和石英、铁质也会生成低共熔物；长石颗粒在1100oC以上熔融。随着温度升高液相增多，组成发生变化。,2020/8/1,国家精品课程陶瓷工艺原理,2020/8/1,国家精品课程陶瓷工艺原理,2020/8/1,国家精品课程陶瓷工艺原理,2020/8/1,国家精品课程陶瓷工艺原理,2020/8/1,国家精品课程陶瓷工艺原理,2020/8/1,国家精品课程陶瓷工艺原理,6.6.2 烧成制度的制定,烧成制度包括温度

8、制度、气氛制度和压力制度。影响产品性能的关键是温度及其与时间的关系，以及烧成时的气氛。压力制度旨在保证窑炉按照要求的温度制度与气氛制度进行烧成。,温度制度包括升温速度、烧成温度、保温时间及冷却速度。,2020/8/1,国家精品课程陶瓷工艺原理,（一）烧成温度对产品性能的影响,从理论上说，烧成温度是指陶瓷坯体烧成时获得最优性质时的相应温度，即烧成时的止火温度。 由于坯体性能随温度的变化有一个渐变过程，所以烧成温度实际上是指一个允许的温度范围，习惯上称之为烧成范围。 烧成温度的高低除了与坯料的种类有关外，还与坯料的细度及烧成时间密切相关。,6.6.2.1 烧成制度与产品性能的关系,2020/8/1

9、,国家精品课程陶瓷工艺原理,烧成温度的高低，直接影响晶粒尺寸，液相的组成和数量，以及气孔的形貌和数量。它们综合的对陶瓷产品的物化性能有重大影响。,2020/8/1,国家精品课程陶瓷工艺原理,2020/8/1,国家精品课程陶瓷工艺原理,对传统配方的烧结陶瓷来说，烧成温度决定瓷坯的显微结构与相组成。,长石质日用瓷坯在不同温度下的相组成,2020/8/1,国家精品课程陶瓷工艺原理,2020/8/1,国家精品课程陶瓷工艺原理,在烧成范围内，适当提高烧成温度，有时却会有利于电瓷的机电性能和日用细瓷的透光度。,2020/8/1,国家精品课程陶瓷工艺原理,由于硅酸盐系统的反应是在颗粒接触不十分充分的条件下进

10、行的，反应的速度也较低，因此影响高温反应速度的因素，除温度外，不能忽视时间的作用。总而言之，不能孤立地考虑温度的作用。,烧成温度的确定，主要应取决于配方组成、坯料的细度和产品的性能要求，同时还与烧成时间相互制约。,2020/8/1,国家精品课程陶瓷工艺原理,（二）保温时间对产品性能的影响,在止火温度或稍低于此温度的某一特定温度下保持一定的时间，一方面使物理化学变化更趋完全，使坯体具有足够的液相量和适当的晶粒尺寸，另一方面使组织结构亦趋于均一。,2020/8/1,国家精品课程陶瓷工艺原理,对希望釉面析晶的产品(如结晶釉等艺术釉产品)，保温时间和保温温度的作用显得更重要。,对于特种陶瓷来说，保温虽

11、能促进扩散和重结晶，但过长的保温却使晶体过分长大或发生二次重结晶，反而起到有害的作用，故保温时间也要求适当。,2020/8/1,国家精品课程陶瓷工艺原理,(三）烧成气氛对产品性能的影响,气氛会影响陶瓷坯体高温下的物化反应速度，改变其体积变化、晶粒与气孔大小、烧结温度甚至相组成等，最终得到不同性质的产品。,1.对日用瓷的影响,日用瓷坯体在氧化气氛和还原气氛中烧成，会使它们在烧结温度、最大烧成收缩、过烧膨胀率、线收缩速率和釉面质量等方面都有所变化。,（1）不同气氛对烧结温度影响,坯体在还原气氛中的烧结温度比氧化氛围中低。,2020/8/1,国家精品课程陶瓷工艺原理,2020/8/1,国家精品课程陶

12、瓷工艺原理,(2) 不同气氛对最大烧结收缩的影响,瓷石质坯体在还原气氛中的最大烧结线收缩都比氧化气氛中要大，但是长石质坯体在还原气氛中的最大线收缩却比氧化气氛中小。,2020/8/1,国家精品课程陶瓷工艺原理,(3) 不同气氛对坯体过烧膨胀的影响,所有瓷石质坯与未加膨润土的长石质坯在还原气氛中过烧40oC的膨胀比在氧化气氛中要小的多， 但加入后反而大。,2020/8/1,国家精品课程陶瓷工艺原理,2020/8/1,国家精品课程陶瓷工艺原理,(4) 不同气氛对瓷体线收缩率的影响,所有瓷坯在还原气氛中的最大线收缩速率都比在氧化气氛中大。,2020/8/1,国家精品课程陶瓷工艺原理,(5) 气氛对瓷

13、坯的颜色和透光度及釉面质量的影响,a.影响铁和钛的价数。 b.还原气氛使氧化硅和一氧化碳还原。,2020/8/1,国家精品课程陶瓷工艺原理,2. 对特种陶瓷的影响,在还原气氛中，对氧化物陶瓷的烧结有促进作用。氧化物之间的反应速度随烧成气氛中氧分压的减小而增大。,2020/8/1,国家精品课程陶瓷工艺原理,气氛中的水蒸气对某些氧化物陶瓷也有很大影响。气氛中存在的水蒸气能促进氧化镁陶瓷坯体的初期烧结。,2020/8/1,国家精品课程陶瓷工艺原理,对于BaTiO3半导体陶瓷，在还原性、中性和惰性气氛中烧成都有利于BaTiO3陶瓷的半导体化，即有利于陶瓷材料室温阻值的降低。对于施主掺杂的高纯BaTiO

14、3陶瓷来说，在缺氧气氛中烧成时，不仅可以使陶瓷材料半导体化更充分，而且往往可以有效地拉宽促使陶瓷半导体的施主掺杂的浓度范围。,对于含挥发组分（铅、铋等）的压电陶瓷等坯料，一定要控制窑炉内铅的分压，让炉内耐火材料中吸收一定量的铅。,2020/8/1,国家精品课程陶瓷工艺原理,（四）升、降温速度对产品性能的影响,普通陶瓷坯体在快速加热时的收缩要比缓慢加热的小，因为快速烧成时，熔体为粘土及石英所饱和的时间不长，而这类低粘度的熔体尚需一定时间以发挥其表面张力的最大效果。,75%Al2O3瓷的升温速度与性能的关系 曲线：1抗折强度；2电容的温度系数；3介质损耗角正切,2020/8/1,国家精品课程陶瓷工

15、艺原理,普通陶瓷烧成后缓慢冷却时，收缩率会大些，相对的气孔率小些。冷却速度对机械强度的影响复杂得多。,冷却速度的快慢对坯体中晶相的大小，尤其是对晶体的应力状态有很大的影响。,几种瓷坯的冷却速度与抗弯强度的关系,2020/8/1,国家精品课程陶瓷工艺原理,6.6.2.2 拟定烧成制度的依据,（一）坯料在加热过程中的性状变化,通过分析坯料在加热过程中的性状变化，初步得出坯体在各温度或时间阶段可以允许的升、降温速率等。这些是拟定烧成制度的重要依据之一。具体可利用现有的相图、热分析资料、高温相分析、烧结曲线等技术资料。,2020/8/1,国家精品课程陶瓷工艺原理,2020/8/1,国家精品课程陶瓷工艺原理,（二）坯体形状、厚度和入窑水分,同一种坯体采用不同的烧成方法时，