陶瓷粉体制备

NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYNPU陶瓷粉料的制备建筑用砖瓦：采用低品质粘土制造，十分广泛的地方性工业。传统陶瓷：天然原材料有比较严格的控制，要求对原材料进行精选，这些工业一般集中在有较高质量的原材料产地。先进工程陶瓷：着眼于制造高性能、高附加值的特殊产品，用于航空、航天、新能源、原子能、信息产业等具有特殊性能要求的场合，使用化学提纯甚至用化学的方法来制备原料。第一种是用细颗粒陶瓷原料加上粘结剂制成泥浆，成型，然后高温烧结成所需的制品。第二种基本工艺方法是将原料熔融成液体、然后在冷却和固化时成型，例如制备玻璃制品。机械破碎法：粗颗粒变成细颗粒，成本低生产量大。合成法：气相或液相变成固相陶瓷颗粒，成本高生产量小。常规的制备方法NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYNPU机械破碎法制备粉料陶瓷粉料的制备常规的制备方法球磨机高压空气碎料空气高压空气旋风分离器破碎物气滚粉碎机盘式粉碎机破碎物破碎物碎料轮碾机轧辊破碎机回旋破碎机颚式破碎机锤式破碎机碎料冲击板锤破碎物金属丝网NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYNPU球磨机球磨机临界转速(最大转速)：（1）D1.25m（2）D1.25mDN/35DN/40磨球直径：D（磨筒直径）／24＞d（磨球最大直径）＞90do（原料粒度）水与电解质加入量：料／水＝1／（1.16～1.2），加入AlCl3等电解质装载量：总装料占磨筒空间4／5。原料：磨球：水=1:（1.2~1.5）:(1.0~1.2)重量比高效率球磨的条件：球磨机功能：破碎及混料陶瓷粉料的制备常规的制备方法转速过高球被甩在罐子内壁，不能起到撞击作用转速过低则粉碎效率太低NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYNPU气流粉碎机也称气流磨，可以得到粉料的最小颗粒尺寸为0.1~0.5μm原理：利用压缩机产生的压缩空气，通过喷嘴在空间形成高速气流，使分体在这种气流中互相碰撞达到破碎的目的。获得的粉料粒度均匀，粉碎效率高，能保证粉料的纯度，气体也可以选择氮气及惰性气体。NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYNPU一、固相法制备粉料固相原料配料混合合成粉碎粉体陶瓷粉料的制备先进陶瓷的粉料制备方法NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYNPU混合物需在一定温度下，经过固相反应到尽可能完全后，才能获得所需物相，为了使合成进行得足够充分，经常采用压块合成和粉末合成。压块合成：将混合物的粉料加压压制成块状，再进行合成。由于原料之间接触比较紧密，再加上压力的作用，可以使合成进行得比较充分，且可以在较低温度下进行。粉末合成法：将混合物粉末直接进行合成反应。二次粉末合成：一次合成后过筛，再进行温度稍高一些的二次合成反应。先进陶瓷粉料的制备固相法制备粉料NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYNPU（1）BaTiO3粉末合成BaCO3+TiO2→BaTiO3+CO2在1100℃～1150℃之间保温2～4h，BaTiO3含量最大。加热温度高于1150℃，则会出现对钦酸钡性能有害的Ba2TiO4相。继续升高温度至1250℃时，BaTiO3含量又将继续增加。至1350℃可获得100％的BaTiO3，但这时已经发生BaTiO3陶瓷的烧结。严格控制温度在1100℃～1150℃之间，得到性能优异的钛酸钡陶瓷粉料。（2）尖晶石粉末与莫来石粉末的合成尖晶石：Al2O3+MgO→MgAl2O4莫来石：3Al2O3+2SiO2→3Al2O3·2SiO2先进陶瓷粉料的制备A(S)+B(S)→C(S)+D(g)固相法制备粉料两种或者两种以上的固态粉末，经混合后在一定的热力学条件和气氛下反应而成为复合粉末。NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYNPUAl2(NH4)2(SO4)4·24H2OAl2(SO4)3·(NH4)2SO4·H2O+23H2O（约200℃）Al2(SO4)3·(NH4)2SO4·H2OAl2(SO4)3+2NH3+SO3+2H2O（500～600℃）Al2(SO4)3Al2O3+3SO3（800～900℃）Al2O3Al2O3（1300℃）900℃5h1300℃2h先进陶瓷粉料的制备固相法制备粉料可以获得高纯的Al2O3，粒度小于1μmNORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYNPU用于碳化硅生产的阿奇逊电炉(a)炉役开始前；(b)炉役结束后分步反应：SiO2＋C→SiO（气）＋COSiO＋2C→SiC＋COSiO＋C→Si（气）＋COSi＋C→SiCSiC制备基本反应：SiO2＋3C→SiC＋2CO先进陶瓷粉料的制备固相法制备粉料随着SiC生成电阻越来越大，炉芯区域温度达2700～2800℃，SiC分解，SiC＝Si+CSiC＋2SiO2=3SiO+COSiC＋SiO＝2Si＋CO分解生成的Si及SiO蒸气向低温区扩散与C反应生成SiC将SiC结晶块挑选出来，经过复杂的粉碎过程获得各种粒度的SiC粉料NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYNPU先进陶瓷粉料的制备固相法制备粉料1500℃以上时，SiO2表面开始蒸发，蒸汽吸附在C颗粒表面，并与C生成SiC：SiO2＋3C＝SiC＋2CO进一步的反应受到C与Si原子通过SiC扩散的控制SiC的生成导致配料热导率的升高，炉芯附近的温度达到2700－2800℃SiC分解：SiC＋2SiO2=3SiO（气）+COSiC＋SiO＝2Si（气）＋COαβ未反应层2000℃以下合成主要为β2200℃以上合成主要为αβα2000－2400℃不可逆转变NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYNPU在N2的存在下，通过SiO2与C粉的还原－氮化，可以制备Si3N4粉末，其基本反应如下：3SiO2＋6C＋4N2→2Si3N4＋6CO（1600℃）Si3N4粉末的制备先进陶瓷粉料的制备固相法制备粉料NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYNPU该方法可制备C/SiC、C/C-SiC复合材料，用于先进的航空航天耐热构件或飞机、高速列车、高级跑车等刹车系统。优点在于：第一，这种采用硅碳复合材料的刹车盘比铸铁材料的刹车盘重量轻50％左右。第二，陶瓷刹车盘的摩擦系数比铸铁刹车盘高25％左右，大大提高了制动效率。第三，在高温下陶瓷刹车盘的摩擦系数和刚度几乎不受影响。许多碳化物陶瓷材料的原料可以直接用固态反应法制备。使用硅粉与碳粉直接反应可以在1000—1400℃制备SiC，反应式：Si+C=SiC先进陶瓷粉料的制备固相法制备粉料NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYNPU碳化物组分炉内气氛温度范围TiCTi（TiH2）+炭黑；TiO2+炭黑H2，CO,CnHm2200－2300℃TiO2+炭黑真空1600－1800℃ZrCZr（ZrH2）+炭黑；ZrO2+炭黑H2，CO,CnHm1800－2300℃ZrO2+炭黑真空1700－1900℃HfCHf+炭黑，Hf+炭黑H2，CO,CnHm1900－2300℃VCV+炭黑；V2O5+炭黑H2，CO,CnHm1100－1200℃NbCNb+炭黑H2，CO,CnHm1400－1500℃真空1200－1300℃Nb2O5+炭黑H2，CO,CnHm1900－2000℃真空1600－1700℃TaCTa+炭黑H2，CO,CnHm1400－1600℃真空1200－300℃Ta2O5+炭黑H2，CO,CnHm2000－2100℃真空1600－1700℃Mo2CMo+炭黑，MoO3+炭黑1200－1400℃Mo+炭黑H2，CO,CnHm1100－1300℃WCW+炭黑，WO3+炭黑1400－1600℃W+炭黑H2，CO,CnHm1200－1400℃SiCSi+CSiO2+C1500－1700℃Cr3C2Cr+炭黑，Cr2O3+炭黑H2，CO,CnHm1400－1600℃NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYNPUNORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYNPUNORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYNPUNORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYNPU放出大量热/3000KFe2O3+AlFe+Al2O3基材过渡层Al2O3先进陶瓷粉料的制备固相法制备粉料自蔓延燃烧技术是利用反应物之间高化学反应热的自加热和自传导作用来合成材料的一种技术。点火电极已反应区燃烧区预热区未反应区NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYNPU13Al+6B2O3=6Al2O3+AlB12AlB12具有高熔点、低比重、高硬度和耐磨性等特点，有希望用作装甲材料。装甲材料要求高的弹性模量、压溃强度及断裂前能承受大的拉应力的能力，单相材料很难同时符合这些要求。因此，开发Al2O3/AlB12复相陶瓷比AlB12更有意义。NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYNPU铝粉和B2O3粉料在刚玉罐中球磨混合1h，经真空干燥后，压坯，置入充满氩气的反应器中，进行燃烧合成。反应器内压力可在500Pa～0.1Mpa之间调节，用钨丝通电点火。热电偶插入试样心部测温。球磨后得到粉料。Al2O3AlB12NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYNPU自蔓延法有以下优点：1、工艺简单2、消耗外部能量少3、可在真空或者控制气氛下进行，得到高纯产品4、材料烧成与合成可同时完成例如合成TiC，将钛粉及炭粉等原料按比例混合均匀，然后置于装置中，通电点火，整个过程只要几秒或者几分。先进陶瓷粉料的制备固相法制备粉料NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYNPUSi在N2中燃烧生成Si3N4：3Si+2N2＝Si3N4如果自蔓延合成反应在固相和气相混杂系统中进行称为“气体渗透合成”Ti在N2中燃烧生成TiN：2Ti+2N2＝2TiNNORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYNPUNORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYNPU沉淀法（包括共沉淀法）AlCl3水溶液Al(OH)3Al2O3+H2O（滴入氨水）YCl3+ZrCl4水溶液YZr(OH)7YSZ＋H2O（滴入氨水）溶胶－凝胶法Al+HCOOH+CH3COOH+H2O(HO)Al(HCOO)(CH3COO)+H2Si(OC2H5)4+H2OSi(OC2H5)4-m(OH)m+C2H5OH(HO)Al(HCOO)(CH3COO)+Si(OC2H5)3OH(Al-O-Si)n水热法金属盐在高温高压水中水解获得超细氧化物溶剂蒸发法（喷雾冷冻／喷雾干燥／喷雾热分解）利用有机溶剂的易燃特点先进陶瓷粉料的制备液相法制备粉料金属盐溶液盐或氢氧化物氧化物粉末NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYNPU沉淀生成基础：1、形成过饱和态2、成核3、生长4、生成相的稳定化先进陶瓷粉料的制备液相法制备粉料NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITYNPU直接沉淀容易造成溶液内局部过饱和而使得沉淀不均匀影响粉料粒度。直接沉淀法：先进陶瓷粉料的制备液相法制备粉料在溶液中加入沉淀剂，反应后得到沉淀物经洗涤、干燥、热分解而获得所需氧化物微粉。例如合成氧化铝、氧化锆时采用氨水与相应的盐溶液反应AlCl3水溶液Al(OH)3Al2O3+H2O（滴入氨水）YCl3+ZrCl4水溶液YZr(OH)7YS