第三篇_陶瓷材料及其制备工艺

第三篇陶瓷材料及其制备工艺一、概述三、粉体的制备二、陶瓷原料五、烧结原理与工艺四、配料及成形的原理与工艺六、陶瓷烧结后处理与加工粉末制备坯料制备成形干燥烧结后处理成品热压或热等静压烧结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：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用陶瓷结构陶瓷功能陶瓷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)Na[AlSi3O8]或Na2O·Al2O3·6SiO2钾长石(Or)K[AlSi3O8]或K2O·Al2O3·6SiO2钙长石(An)Ca[Al2Si2O8]或CaO·Al2O3·2SiO2钡长石(Cn)Ba[Al2Si2O8]或BaO·Al2O3·2SiO2三、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，1μm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。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)：Sl→S2十G13.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→Si3N4+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950C）(3)高温阶段（950C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。T1T3T2TmBTmA烧结过程示意相图(一)概念（二）几种常用烧结方法１）热压烧结２）热等静压３）放电等离子体烧结４）微波烧结５）反应烧结６）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１０～４０ＭＰａ），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）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。机械加工可以使陶瓷制品适应尺寸公差的要求，也可以改善陶瓷制品表面的光洁度或去除表面的缺陷。方法有磨削、激光和超声波加工等。金属化为了满足电性能的需要或实现陶瓷与金属的封接，需要在陶瓷表面牢固地镀上一层金属薄膜，常見的陶瓷金属化方法有被银法、电镀法等。陶瓷与金属的封接形式包括玻璃釉封接、金属焊接封接、活化金层封接、激光焊接、固相封接等。