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陶瓷基础知识2008年07月19日主讲：主要内容第一讲陶瓷的概念第二讲陶瓷的组织结构与性能第三讲陶瓷的生产工艺原理第四讲陶瓷的加工技术第五讲石英及石英玻璃的简介第一讲陶瓷的概念随着科学的进步，无机非金属材料研究取得了很大的发展，新技术、新材料正日益改变着人们的生活。70年代人们把材料与能源、信息称为现代技术的三大支柱。我们都知道，陶瓷是一种材料（用来制造器件、构件和其它可供使用物质的总称），是人类生活和现代化建设中不可缺少的一种材料。陶瓷、金属、高分子材料则是当代固体材料中的三大支柱。由此可见，陶瓷在现代技术中占有非常重要的地位。今天，我在这里与大家一起来探讨陶瓷，其意义是深远的。一、研究陶瓷的目的。1、了解和掌握现有陶瓷的性能状况及制作工艺过程；2、发掘陶瓷新的性能或改善其性能；3、研究制品的最佳制作工艺与烧后制品的冷加工技术；二、陶瓷与工程材料体系工程材料金属材料高分子材料非金属材料按性能与用途分复合材料陶瓷材料特殊陶瓷金属陶瓷普通陶瓷涂料橡胶纤维胶粘剂塑料黑色金属有色金属三、陶瓷的定义：2、广义：由于近代无机非金属材料的发展，陶瓷的概念不仅包括了硅酸盐材料、氧化物，连单晶硅这种无机材料也属于这个范畴。其定义为“经高温处理工艺所合成的无机非金属材料”。实际上是各种无机非金属材料的通称。1、狭义：“用火烧结的制品”，在传统上是指陶器与瓷器。后来发展到泛指整个硅酸盐材料，包括陶器、瓷器、耐火材料、粘土制品、搪瓷、玻璃和水泥等材料。其共性是含有SiO2的化合物或氧化物成分。四、陶瓷的分类：陶瓷材料一般可分为普通陶瓷、特殊陶瓷与金属陶瓷三类1、普通陶瓷：以天然硅酸盐矿物（粘土、长石、石英）经粉碎、压制成型、烧结而成的制品，如日用陶瓷、建筑陶瓷、电绝缘陶瓷等。2、特殊陶瓷：采用高纯度的人工合成材料烧结而成，具有特殊力学、物理、化学性能的陶瓷。如高温陶瓷、磁性陶瓷、压电陶瓷等。3、金属陶瓷：用粉末冶金的方法制成，是金属与陶瓷组成的非均匀复合材料制品。如金属陶瓷硬质合金等。思考题：有机玻璃是不是属陶瓷材料的范畴？为什么？有机玻璃是一种通俗的名称，这种高分子透明材料的化学名称叫聚甲基丙烯酸甲酯，是由甲基丙烯酸甲酯聚合而成的。属于高分子材料中的塑料。第二讲陶瓷的组织结构与性能陶瓷是高温烧结形成的致密固体物质，组织结构比金属要复杂，尽管不同类别的陶瓷有着不同的显微结构，但可归纳为晶体相（晶相）、玻璃相和气相。各相的数量、形状、分布不同，陶瓷的性能也不同。一、陶瓷的组织结构。1、晶体相：它是陶瓷的主要组成相，决定陶瓷的主要性能。组成陶瓷晶体相的晶体通常有硅酸盐、氧化物和非氧化物（氮化物）。其结合键是离子键或共价键。构成的陶瓷的“骨架”。只有晶料越小，晶界越多，裂纹扩散阻力越大，晶粒越细，其材料的韧性等性能就越好。2、玻璃相：它是陶瓷烧结时各组分通过物理化学作用而形成的非晶态物质。熔点较低，结构疏松。它的主要作用是粘接分散的晶体，抑制晶粒的长大并填充气孔。还可以获得一定程度的玻璃特性，如透光性。玻璃相对陶瓷的机械强度、介电性能、耐热耐火等性能是不利的，不能成为陶瓷的主要组成，工业陶瓷中一般控制20%-40%。二、陶瓷的性能。3、气相：它是陶瓷孔隙中的气体。在陶瓷的形成过程中除被玻璃相填充之外，还有少部分残留下来变成气孔。降低陶瓷的强度和抗电击穿能力，材料的脆性增大。因此应力求气孔越少越好。普通陶瓷气孔率在5%-10%，特种陶瓷小于5%，金属陶瓷则要求低于0.5%。1、力学性能：弹性模量比金属高，硬度高，抗压强度高，但脆性大，抗拉强度低，塑性和韧性也很小。陶瓷的性能是受化学键（离子键或共价键）、晶体结构、相分布及各种缺陷等影响。以下讲述其共性：A、硬度:是各类材料中最高的，是陶瓷的最大特佂几种常用材料的硬度和弹性模量见表1B、刚度:是各类材料中最高的(刚性由弹性模量来衡量)比金属高数倍材料弹性模量E/MPa硬度HV橡胶6.9很低塑料138017镁合金4130030-40铝合金72300170钢207000300-800氧化铝4000001500碳化钛3900003000金刚石11710006000-10000表1几种常用材料的硬度和弹性模量陶瓷的硬度为1000-5000HVC、强度:陶瓷的强度不高，因为其晶界上存在有晶粒间的局部分离或空隙，如空位、气孔、析出物，晶界上原子间键被拉长，键强度被削弱，同时相同的电荷离子的靠近产生斥力，可能造成裂纹，所以，消除晶界上不良作用，是提高陶瓷强度的基本途径。陶瓷的抗拉强度很低，抗弯强度较高，抗压强度非常高D、塑性:陶瓷在室温下几乎没有塑性。在高温低速加载的条件下，可表现出一定的塑性。E、脆性或韧性:陶瓷脆性极高。是其最大的缺点。原因是陶瓷在受载时其内部的裂纹扩展得快，导致断裂的根本。2、热性能：陶瓷的熔点很高；绝大多数陶瓷低温下热容小，高温下热容大(随温度的变化而变，原因是气相对热容有较大影响）；热膨胀系数和导热系数较小（靠原子的热振动，没有自由电子传热）；热稳定性好，便抗热振性较差，（用急冷到水中破裂所能承受的最高温度表示）。3、电性能：一般是优良绝缘体，个别特殊陶瓷具有导电性与导磁性。4、化学性能：非常稳定，耐酸、碱、盐等的腐蚀，不老化，不氧化。思考题：为什么陶瓷材料能够耐高温呢？不论何种材料，其性质主要取决于材料的微观结构，有机材料大多是分子结合，质点间是靠比较弱的分子力（范德华力）联系起来，因此熔点低，硬度小，往往几百度就熔化了，金属材料的结合主要靠金属键，即由自由电子和构成晶格的正离子之间的静电引力结合起来，这种键的结合力比分子键强，但比共价健弱，除少数金属外，大多金属的熔点和硬度并不算高，作为无机非金属材料的陶瓷主要是离子结合和共价结合，结合力最强，所以它具有高的熔点与硬度，由于正负离子的外层电子处于稳定结构，电子被牢固地束缚在离子外围不能自由运动，所以有很好的电绝缘性，化学稳定性和抗氧化性，这就是陶瓷材料能够耐高温的根本原因。第三讲陶瓷的生产工艺原理一、原料（粉末）配制在原料配制上，普通陶瓷的主要以粘土、长石、石英三种天然矿物为主要原料，改变组成的配比，细度和致密度，可以获得不同特性的陶瓷。特殊陶瓷则是以人工合成的无机化合物为原料，如氧化物、碳化物、硼化物等，要求高纯度和超细微粒度。因此在原料（粉末）的制备方法是有区别的。一般来说就是拣选、破碎、配料、混合、磨细等。由于特殊陶瓷的对原料的粒度要求很细，在制备粉末的方法有固相法、气相法、液相法、机械法、溶剂蒸发法等。总的来说生产工艺流程：原料配制坯料成型制品烧结二、坯料的成型按照不同的制备过程，坯料可以是可塑泥料、粉料或浆料，以适应不同的成型方法。成型的目的是将坯料加工成一定形状和尺寸的半成品，使坯料具有必要的机械强度和一定的致密度。成型的方法主要有三种，即：可塑成型法、注浆成型法、压制（模压）成型法。另外还有带式成型法。在这里主要介绍前三种方法：注浆成型适用于制造大型的、形状复杂的、薄壁的产品。有两种形式：一种是石膏模注浆成型，另一种是热压铸成型。1、注浆成型法A、石膏模注浆成型：石膏模中进行注浆的成型方法（分实心与空心）对浆料性能的要求：流动性要好，以便充满模型；稳定性要好，长期稳定不易沉淀与分层；触变性要小，脱模后坯料不会受外力变软；含水量尽可能小，减少成型时间与干燥收缩；渗透性要好，料浆中的水分容易通过形成坯层，被模壁吸收，使泥层不断加厚；脱模性要好，坯体容易从模型上脱离，且不与模型发生反应；浆料应尽可能不含气泡。浆料的性能要求：稳定性要好，在长时间加热而不搅拌的条件下不分层与沉淀；可铸性要好，浆料铸满模腔并保持要求形状的能力；收缩率要小，蜡浆由熔化的液体状态冷却凝固成固态时，会有体积收缩。高温排蜡：坯体在烧成之前，先要经排蜡处理，否则由于石蜡在高温熔化、流失、挥发、燃烧，坯体将失去粘结而解体。特点：制品质量差，产量低，生产周期长，不利于机械化。B、热压铸成型：利用压缩空气使加热熔化的含蜡配料（铸浆）充满模具，冷却后凝固成所要形状坯件的成型方法。热压铸的工作原理：将配制成的料浆蜡板放置在热压铸机筒内，加热至一定的温度熔化，在压缩空气的驱动下（或手动），将筒内的料浆通过吸铸口压入模腔，根据产品的形状和大小保持一定的时间后，去掉压力，料浆在模腔中冷却成型，然后脱模，取出坯体，有的还可进行加工处理，或车削，或打孔等。排蜡过程：将坯体埋入疏松、惰性的保护粉料（吸附剂，在高温下稳定，又不易于坯体粘结，工业Al2O3粉料）之中，在升温过程中，石蜡虽然会会熔化、扩散，但有吸附剂支持着坯体，当温度继续升高，石蜡挥发，燃烧完全，坯体中粉料之间会有一定的烧结出现，此时，坯体与吸附剂之间既不发生反应，又不和生粘结，而且坯体具有一定的强度，排蜡温度为900-1100℃左右，视坯体性质而定，排蜡后的坯体要清理表面的吸附剂，然后再进行烧结。热压铸成型的特点：适合形状复杂，精度要求高的中小型产品，但工期长，对于壁薄的大而长的制品，不易充满模腔。可塑成型法是利用泥料具有可塑性的特点，经一定工艺处理浆料制成一定形状的制品。适合生产管、棒和薄片状的制品，所有的结合剂要比注浆成型的少。有挤压成型与轧模成型。A、挤压成型：是将经真空练制的泥料，放入挤制机内，一头可以对泥料施加压力，另一头装有机嘴即成型模具，通过更换机嘴，能挤出各种形状的坯体。可以挤制Φ1-30mm管、棒等细管，壁厚可小至0.2mm。挤压法成型对泥料的要求较高，主要是粉料的细度较细，对溶剂、增塑剂、粘结剂等用量适当而均匀。2、可塑成型法B、轧模成型：是将准备好的坯料，拌以一定量的有机粘结剂（一般聚乙烯醇），置于两辊轴之间进行辊轧，通过调节轧辊间距，经过多次轧辊，最后达到所要求的厚度，轧好的坯片，需经冲切加工制成所需的坯件。轧辊成型时，坯料只在厚度和前进方向受到碾压，在宽度方向受力较小，因此，坯料和粘结剂不可避免地会出现定向排列，干燥与烧结时，横向收缩大，易出现变形与开裂，坯体性以上也会出现各向异性。这是此成型法无法消除的问题，制品厚度为0.08mm。模压成型法，也叫干压成型法。是将经造粒的配料，通过成型机和模具，把配料压制成具有一定几何尺寸坯件的方法。其特点是粘结剂含量较低，只有百分之几（7%），不经干燥直接烧结，坯体的收缩小。有干压成型与等静压成型两种。A、干压成型：是将粉料加少量结合剂制成颗粒，在外力作用下，颗粒在模具内相互靠近，并借内摩擦牢固地把各颗粒联系起来，保持一定的形状。这种内摩擦力作用在相互靠近的颗粒外围结合剂薄层上。适合压制高度为0.3-60mm，直径Φ5-500mm形状简单的制品。加压方式:单面加压，双面加压，3、压制（模压）成型法保压时间，加压速度，应注意：B、等静压成型：是应用巴斯克原理，即在密闭容器内充满液体，由于液体不可压缩性和均匀传递压力的特点，当液体介质一处受压时，此力将传递到液体各点，且各点压强相等。利用液体介质不可压缩性和均匀传递压力性的一种成型方法。特点：可以成型一般方法不能生产的形状复杂、大件及细而长的制品，且成型质量高；可以不增加操作难度方便地提高成型压力，压力效果比干压法要好；由于坯体各向受压力均匀，其密度高且均匀，烧成收缩小，不易变形；模具制作方便，寿命长，成本较低；可以少用或不用结接剂。特点：坯体密度大，尺寸精确，收缩小，机械强度高，电性能好对大型坯体生产有难度，需模具，压力分布不均会产生开裂，分层的情况。液体介质可以是水，油或甘油；弹性模具材料应选用弹性好，抗油性好的橡胶或类似的塑料。从上所述来看：先要根据所需制品的特征，来选择合适的成型方法，然后确定坯料采用何种形式配制。带式成型法可分流延法（刮片法）和薄片挤压法两种，在此不作详述。4、带式成型法5、小结：三、制品烧结陶瓷的烧结就是陶瓷生坯在高温下的致密化过程和现象的总称。随着温度的上升和时间的延长，固体颗粒相互键联，晶粒长大，空隙（气孔）和晶界渐趋减少，通过物质的传递，其总体收缩，密度增加，最后成为坚硬的具有某种显微结构的多晶烧结体，这种过程现象叫烧结。烧结是使材料获得材料预期的显微结构，赋予材料各