第三篇 陶瓷材料及其制备工艺

1、.,第三篇,陶瓷材料及其制备工艺,.,.,陶瓷的制备工艺过程：,.,一、概述,1. 陶瓷的概念,传统上，“陶瓷”是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、成形、烧结等过程而制成的各种制品。 传统陶瓷包括常见的日用陶瓷制品和建筑陶瓷、电瓷等。 广义上， “陶瓷”是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。,日用陶瓷餐具,建筑陶瓷地砖,电瓷,.,传统陶瓷的主要原料：取之于自然界的硅酸盐矿物(如粘土、长石、石英等)，所以传统陶瓷可归属于硅酸盐类材料和制品。 因此，陶瓷工业可与玻璃、水泥、搪瓷、耐火材料等工业同属“硅酸盐工业”的范畴。,粘土矿物高岭石,钾长石,石英,.,a超声

2、波雾化器用 压电陶瓷晶片,氧化锆陶瓷,金属陶瓷阀门,这些氧化物陶瓷、压电陶瓷、金属陶瓷等的生产过程基本上还是原料处理、成形、烧结这种传统的陶瓷生产方法，但原料已不再使用或很少使用粘土等传统陶瓷原料，而已扩大到化工原料和合成矿物，甚至是非硅酸盐、非氧化物原料，组成范围也延伸到无机非金属材料的范围中，并且出现了许多新的工艺。,.,2. 陶瓷的分类,(1) 按陶瓷概念和用途来分类：,.,结构陶瓷主要是用于耐磨损、高强度、耐热、耐热冲击、硬质、高刚性、低热膨胀性和隔热等结构陶瓷材料；,不同形状的特种结构陶瓷件,.,功能陶瓷中包括电磁功能、光学功能和生物-化学功能等陶瓷制品和材料，此外还有核能陶瓷和其它

3、功能材料等。,电子绝缘件,氧化锆陶瓷光学导管,.,4. 陶瓷在现代化建设中的作用,首先，陶瓷是人民日常生活中听不可缺少的日用品，几千年来一直是人类用以生活的主要餐具、茶具和容器。 其次，陶瓷又是制造美术陈设器皿的最耐久最富于装饰性的材料，在我国外贸中占有一定的地位。 再次，陶瓷又是一个原料来源丰富，传统技艺悠久，具有坚硬、耐用及一系列优良性质的材料，在建筑、电力、电子、化学、冶金工业等，甚至农业和农产品加工中都大量应用。 最后，随着现代科学技术的飞速发展，使得具有优良性能的特种陶瓷得到了广泛应用。,.,二、陶瓷原料,粘土类原料 石英类原料 长石类原料 其他矿物原料 （瓷石，叶腊石，高铝质矿物原

4、料， 碱土硅酸盐类原料，碳酸盐类） 新型陶瓷原料（氧化物原料，碳化物类原料，氮化物原料）,.,1.粘土类原料,粘土很少由单一矿物组成，而是多种微细矿物的混合体。,粘土矿物主要为高岭石类（包括高岭石、多水高岭石等）、蒙脱石类（包括蒙脱石、叶蜡石等）和伊利石类（也称水云母）等等。,高岭石,叶腊石,伊利石,.,二氧化硅（sio2）在地壳中的丰度约为60。含sio2的矿物种类很多，部分以硅酸盐化合物的状态存在，构成各种矿物、岩石。另一部分则以独立状态存在，成为单独的矿物实体，其中结晶态二氧化硅统称为石英。 a.水晶 b.脉石英 c.砂岩 d.石英岩 e.石英砂,2.石英类原料,石英,水晶,.,长石是陶

5、瓷生产中的主要熔剂性原料，一般用作坯料、釉料、色料熔剂等的基本成分，用量较大，是日用陶瓷的三大原料之一。自然界中长石的种类很多，归纳起来都是由以下四种长石组合而成：,3.长石类原料,钠长石(ab) naalsi3o8或na2oal2o36sio2 钾长石(or) kalsi3o8或k2oal2o36sio2 钙长石(an) caal2si2o8或ca oal2o32sio2 钡长石(cn) baal2si2o8或baoal2o32sio2,.,三、粉体的制备,粉体制备方法： 粉碎法：机械粉碎，气流粉碎；杂质多，1m以上； 合成法：固相法、液相法和气相法；纯度、粒度可控，均匀性好，颗粒微细。,.

6、,粉碎法,机械粉碎法： 冲击式粉碎、球磨粉碎 行星式研磨、振动粉碎等,1-动锥2-定锥 3-破碎后的物料4-破碎腔,1-电动机2-离合器操纵杆3-减速器4-摩擦离合器5-大齿圈6-筒身7-加料口 8-端盖9-旋塞阀10-卸料管11-主轴头12-轴承座13-机座14-衬板；15-研磨,.,气流粉碎：,扁平式气流粉碎机,管道式气流粉碎机,.,（1）固相法 1.烧结法： a(s)+b(s)c(s)十d(g) 2.热分解反应基本形式(s代表固相，g代表气相)：sls2十g1 3.化合反应法：a(s)+b(s)c(s)+d(g) 4.氧化还原法或还原碳化、还原氮化 如：3sio2+6c+2n2 si3n

7、4+6co （2）液相法 盐溶液盐晶体或氢氧化物粉末 a.化学共沉淀法 b.溶胶凝胶法 c.喷雾热分解法,合成法,.,(3)气相法,cvd方法原理及气象沉淀产物示意图,.,四、配料及成型的原理与工艺,配料：方法两种 (1)已知化学计量的配料计算 (2)根据化学成分的配料计算 混料：方法两种 干混和湿混 注意加料程序和混料磨介的使用,.,塑化 就是指利用塑化剂，使原料坯料具有可塑性，而可塑性是指坯料在外力的作用下发生无裂纹的变形。塑化剂一般有两类：一类是无机塑化剂、另一类是有机塑化剂。 造粒 就是在较细的原料中加入塑化剂，制成粒度较粗、具有一定假颗粒度级配、流动性较好的粒子。造粒方法可以分为一般

8、造粒法、加压造粒法、喷雾造粒法、冷冻干燥法等。,.,成型,陶瓷粉体、坯料进一步加工成坯体的这一过程称为成形。 1.干压成形,干净压成型示意图1.粉体造粒；2.模具充填；3.单轴向加压；4.脱模,.,2.等静压成型,等静压成型系统构造图,.,3.热压铸成型 4.塑性成形,棒(a)和管材(b)的挤制成形示意图,.,5.流延法成型,(a)刮刀工艺,(b)带式浅注工艺 流延法成型示意图,.,五、烧结原理与工艺,烧结是指多孔状陶瓷坯体在高温条件下，表面积减小、孔隙率降低、机械性能提高的致密化过程。,陶瓷烧结示意图 (a)颗粒间的松散接触；(b)颗粒间形成颈部；(c)晶界向小晶粒方向移动并逐渐消失，晶粒逐

9、渐长大；(d)颗粒互相堆积形成多晶聚合体,(一) 概念,.,陶瓷的烧结过程一般分为五个阶段： (1)低温阶段（室温至300左右） (2)中温阶段（亦称分解氧化阶段，300 至950c） (3)高温阶段（950c至烧成温度） (4)保温阶段 (5)冷却阶段,陶瓷的烧结类型可以分固相烧结、液相烧结。,烧结过程示意相图,(一) 概念,.,（二）几种常用烧结方法,）热压烧结 ）热等静压 ）放电等离子体烧结 ）微波烧结 ）反应烧结 ）爆炸烧结,常压烧结：常压 热压烧结：加压 热等静压烧结：高温恒压 气氛烧结：防氧化、加气 反应烧结：加入气相或者液相以获得一 定强度和精度,帮助理解,.,热压烧结,2.热压

10、烧结： 包括一般热压烧结和等静压烧结。 热压烧结指在烧成过程中施加一定的压力 （在），促使材料加速流动、重排与致密化。连续热压烧结生产效率高，但设备与模具费用较高，又不利于过高过厚制品的烧制。 热等静压烧结可克服上述弊缺，适合形状复杂制品生产。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、亦可采用此种烧结工艺。,优点：压力有助于致密化，降低烧结温度， 缩短烧结时间；烧成的陶瓷晶粒度 小，力学性质好；气孔率接近于零， 密度接近于理论密度。,.,热等静压烧结,高温等静压工艺设备系统简图,.,烧结系统大致由四个部分组成：真空烧结腔（图中6），加压系统（图中3），测温系统（图中7）

11、和控制反馈系统。图中1示意石墨模具，2代表用于电流传导的石墨板，4是石墨模具中的压头，5是烧结样品。,放电等离子体烧结,.,微波烧结,微波烧结陶瓷装置示意图,微波烧结系统,.,高温倒焰窑结构示意图,梭式窑结构示意图,1.间歇式窑炉,按其功能新颖性可分为电炉、高温倒焰窑、梭式窑和钟罩窑。,（三）烧结设备,.,2.连续式窑,连续式窑炉按制品的输送方式可分为隧道窑、高温推板窑和辊道窑。,高温隧道窑,.,六、陶瓷烧结后处理加工,常见的后续加工处理方式主要有表面施釉、机械加工及表面表面金属化。 施釉 (1)提高瓷件的机械强度与耐热冲击性能； (2)防止工件表面的低压放电； (3)使瓷件的防潮功能提高。 机