第三篇陶瓷材料及其制備工藝

1、 第三篇陶瓷材料及其制備工藝 一、概述一、概述 三、粉體的制備三、粉體的制備 二、陶瓷原料二、陶瓷原料 五、燒結(jié)原理與工藝五、燒結(jié)原理與工藝 四、四、配料及成形的原理配料及成形的原理與工藝與工藝 六、陶瓷燒結(jié)后處理與加工六、陶瓷燒結(jié)后處理與加工粉末制備粉末制備坯料制備坯料制備成形成形干燥干燥燒結(jié)燒結(jié)后處理后處理成品成品熱壓或熱等靜壓燒結(jié)熱壓或熱等靜壓燒結(jié)陶瓷的制備工藝過程：陶瓷的制備工藝過程：一、概述1. 陶瓷的概念 傳統(tǒng)上，“陶瓷”是指所有以粘土為主要原料與其它天然礦物原料經(jīng)過粉碎、混煉、成形、燒結(jié)等過程而制成的各種制品。 傳統(tǒng)陶瓷包括常見的日用陶瓷制品和建筑陶瓷、電瓷等。 廣義上， “陶瓷

2、”是用陶瓷生產(chǎn)方法制造的無機(jī)非金屬固體材料和制品的通稱。日用陶瓷餐具建筑陶瓷地磚電瓷 傳統(tǒng)陶瓷的主要原料：取之于自然界的硅酸鹽礦物硅酸鹽礦物( (如粘土、如粘土、長石、石英等長石、石英等) )，所以傳統(tǒng)陶瓷可歸屬于硅酸鹽類材料和制品。 因此，陶瓷工業(yè)可與玻璃、水泥、搪瓷、耐火材料等工業(yè)同屬“硅酸鹽工業(yè)”的范疇。粘土礦物高嶺石鉀長石石英A超聲波霧化器用壓電陶瓷晶片 氧化鋯陶瓷金屬陶瓷閥門 這些氧化物陶瓷、壓電陶瓷、金屬陶瓷等的生產(chǎn)過程基本上還是原料處理、成形、燒結(jié)這種傳統(tǒng)的陶瓷生產(chǎn)方法原料處理、成形、燒結(jié)這種傳統(tǒng)的陶瓷生產(chǎn)方法，但原料已不再使用或很少使用粘土等傳統(tǒng)陶瓷原料，而已擴(kuò)大到化工原化工原

3、料和合成礦物，甚至是非硅酸鹽、非氧化物原料，組成范圍也料和合成礦物，甚至是非硅酸鹽、非氧化物原料，組成范圍也延伸到無機(jī)非金屬材料的范圍中，并且出現(xiàn)了許多新的工藝延伸到無機(jī)非金屬材料的范圍中，并且出現(xiàn)了許多新的工藝。2. 陶瓷的分類(1) 按陶瓷概念和用途來分類： 陶瓷普通陶瓷特種陶瓷日用陶瓷(包括藝術(shù)陳列陶瓷) 建筑衛(wèi)生陶瓷 化工陶瓷 化學(xué)瓷 電瓷及其它工業(yè)用陶瓷 結(jié)構(gòu)陶瓷 功能陶瓷 結(jié)構(gòu)陶瓷主要是用于耐磨損、高強(qiáng)度、耐熱、耐熱沖擊、硬質(zhì)、高剛性、低熱膨脹性和隔熱等結(jié)構(gòu)陶瓷材料；不同形狀的特種結(jié)構(gòu)陶瓷件 功能陶瓷中包括電磁功能、光學(xué)功能和生物-化學(xué)功能等陶瓷制品和材料，此外還有核能陶瓷和其它功

4、能材料等。電子絕緣件氧化鋯陶瓷光學(xué)導(dǎo)管4. 陶瓷在現(xiàn)代化建設(shè)中的作用 首先，陶瓷是人民日常生活中聽不可缺少的日用品，幾千年來一直是人類用以生活的主要餐具、茶具和容器。 其次，陶瓷又是制造美術(shù)陳設(shè)器皿的最耐久最富于裝飾性的材料，在我國外貿(mào)中占有一定的地位。 再次，陶瓷又是一個(gè)原料來源豐富，傳統(tǒng)技藝悠久，具有堅(jiān)硬、耐用及一系列優(yōu)良性質(zhì)的材料，在建筑、電力、電子、化學(xué)、冶金工業(yè)等，甚至農(nóng)業(yè)和農(nóng)產(chǎn)品加工中都大量應(yīng)用。 最后，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，使得具有優(yōu)良性能的特種陶瓷得到了廣泛應(yīng)用。二、陶瓷原料粘土類原料石英類原料長石類原料其他礦物原料 （瓷石，葉臘石，高鋁質(zhì)礦物原料，（瓷石，葉臘石，高鋁質(zhì)

5、礦物原料， 堿土硅酸鹽類原料，碳酸鹽類）堿土硅酸鹽類原料，碳酸鹽類）新型陶瓷原料（氧化物原料，碳化物類原料，氮化物原料）（氧化物原料，碳化物類原料，氮化物原料）1.粘土類原料 粘土很少由單一礦物組成，而是多種微細(xì)礦物的混合體。 粘土礦物主要為高嶺石類（包括高嶺石、多水高嶺石等）、蒙脫石類（包括蒙脫石、葉蠟石等）和伊利石類（也稱水云母）等等。 高嶺石葉臘石伊利石 二氧化硅（SiO2）在地殼中的豐度約為60。含SiO2的礦物種類很多，部分以硅酸鹽化合物的狀態(tài)存在，構(gòu)成各種礦物、巖石。另一部分則以獨(dú)立狀態(tài)存在，成為單獨(dú)的礦物實(shí)體，其中結(jié)晶態(tài)二氧化硅統(tǒng)稱為石英。 a.水晶 b.脈石英 c.砂巖 d.石

6、英巖 e.石英砂 2.石英類原料石英水晶 長石是陶瓷生產(chǎn)中的主要熔劑性原料，一般用作坯料、釉料、色料熔劑等的基本成分，用量較大，是日用陶瓷的三大原料之一。自然界中長石的種類很多，歸納起來都是由以下四種長石組合而成： 3.長石類原料 鈉長石(Ab) NaAlSi3O8或Na2OAl2O36SiO2 鉀長石(Or) KAlSi3O8或K2OAl2O36SiO2 鈣長石(An) CaAl2Si2O8或Ca OAl2O32SiO2 鋇長石(Cn) BaAl2Si2O8或BaOAl2O32SiO2三、粉體的制備n粉體制備方法：粉體制備方法： 粉碎法粉碎法：機(jī)械粉碎，氣流粉碎；雜質(zhì)多，雜質(zhì)多，1 1m m

7、以以上；上； 合成法合成法：固相法、液相法和氣相法；純度、粒度純度、粒度可控，均勻性好，顆粒微細(xì)可控，均勻性好，顆粒微細(xì)。粉碎法n機(jī)械粉碎法：機(jī)械粉碎法： 沖擊式粉碎、球磨粉碎 行星式研磨、振動粉碎等1-動錐2-定錐3-破碎后的物料4-破碎腔1-電動機(jī)2-離合器操縱桿3-減速器4-摩擦離合器5-大齒圈6-筒身7-加料口8-端蓋9-旋塞閥10-卸料管11-主軸頭12-軸承座13-機(jī)座14-襯板；15-研磨氣流粉碎：氣流粉碎：扁平式氣流粉碎機(jī)管道式氣流粉碎機(jī) n（1）固相法 1.燒結(jié)法： A(S)+B(S)C(S)十D(G) 2.熱分解反應(yīng)基本形式(S代表固相，G代表氣相)：SlS2十G1 3.化

8、合反應(yīng)法：A(s)+B(s)C(s)+D(g) 4.氧化還原法或還原碳化、還原氮化 如：3SiO2+6C+2N2 Si3N4+6CO n（2）液相法 鹽溶液鹽晶體或氫氧化物粉末 A.化學(xué)共沉淀法 B.溶膠凝膠法 C.噴霧熱分解法 合成法n(3)氣相法 CVD方法原理及氣象沉淀產(chǎn)物示意圖四、配料及成型的原理與工藝n配料：方法兩種 (1)已知化學(xué)計(jì)量的配料計(jì)算 (2)根據(jù)化學(xué)成分的配料計(jì)算 n混料：方法兩種 干混和濕混 注意加料程序和和混料磨介的使用 n塑化 就是指利用塑化劑，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發(fā)生無裂紋的變形。塑化劑一般有兩類：一類是無機(jī)塑化劑、另一類是有機(jī)塑化

9、劑。 n造粒 就是在較細(xì)的原料中加入塑化劑，制成粒度較粗、具有一定假顆粒度級配、流動性較好的粒子。造粒方法可以分為一般造粒法、加壓造粒法、噴霧造粒法、冷凍干燥法等。 成型n陶瓷粉體、坯料進(jìn)一步加工成坯體的這一過程稱為成形。 1.1.干壓成形 干凈壓成型示意圖1.粉體造粒；2.模具充填；3.單軸向加壓；4.脫模n2.2.等靜壓成型 等靜壓成型系統(tǒng)構(gòu)造圖n3.熱壓鑄成型n4. 塑性成形 棒(a)和管材(b)的擠制成形示意圖5.5.流延法成型流延法成型(a)刮刀工藝(b)帶式淺注工藝 流延法成型示意圖五、燒結(jié)原理與工藝n燒結(jié)燒結(jié)是指多孔狀陶瓷坯體在高溫條件下，表面積減小、孔隙率降低、機(jī)械性能提高的致

10、密化過程。陶瓷燒結(jié)示意圖(a)顆粒間的松散接觸；(b)顆粒間形成頸部；(c)晶界向小晶粒方向移動并逐漸消失，晶粒逐漸長大；(d)顆粒互相堆積形成多晶聚合體(一) 概念n陶瓷的燒結(jié)過程一般分為五個(gè)階段：n(1)低溫階段（室溫至300左右） n(2)中溫階段（亦稱分解氧化階段，300 至950C） n(3)高溫階段（950C至燒成溫度） n(4)保溫階段 n(5)冷卻階段 n陶瓷的燒結(jié)類型可以分固相燒結(jié)、液相燒結(jié)。 T1T3T2Tm BTm A燒結(jié)過程示意相圖(一) 概念（二）幾種常用燒結(jié)方法）熱壓燒結(jié)）熱等靜壓）放電等離子體燒結(jié)）微波燒結(jié)）反應(yīng)燒結(jié)）爆炸燒結(jié)常壓燒結(jié)：常壓燒結(jié)：常壓熱壓燒結(jié)：熱壓

11、燒結(jié)：加壓熱等靜壓燒結(jié)：熱等靜壓燒結(jié)：高溫恒壓氣氛燒結(jié)：氣氛燒結(jié)：防氧化、加氣反應(yīng)燒結(jié)：反應(yīng)燒結(jié)：加入氣相或者液相以獲得一 定強(qiáng)度和精度幫助理解熱壓燒結(jié)2.熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)： 包括一般熱壓燒結(jié)和等靜壓燒結(jié)。包括一般熱壓燒結(jié)和等靜壓燒結(jié)。 熱壓燒結(jié)指在燒成過程中施加一定的壓力熱壓燒結(jié)指在燒成過程中施加一定的壓力 （在），促使材料加速流動、（在），促使材料加速流動、重排與重排與致密化致密化。連續(xù)熱壓燒結(jié)生產(chǎn)效率高，但。連續(xù)熱壓燒結(jié)生產(chǎn)效率高，但設(shè)備與模具費(fèi)用較高，又不利于過高過厚制品設(shè)備與模具費(fèi)用較高，又不利于過高過厚制品的燒制。的燒制。 熱等靜壓燒結(jié)可克服上述弊缺，適合形狀熱等靜壓燒結(jié)可克服上述

12、弊缺，適合形狀復(fù)雜制品生產(chǎn)。目前一些高科技制品，如陶瓷復(fù)雜制品生產(chǎn)。目前一些高科技制品，如陶瓷軸承、反射鏡及軍工需用的核燃料、槍管等、軸承、反射鏡及軍工需用的核燃料、槍管等、亦可采用此種燒結(jié)工藝。亦可采用此種燒結(jié)工藝。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：壓力有助于致密化，降低燒結(jié)溫度，：壓力有助于致密化，降低燒結(jié)溫度， 縮短燒結(jié)時(shí)間；燒成的陶瓷晶粒度縮短燒結(jié)時(shí)間；燒成的陶瓷晶粒度 小，力學(xué)性質(zhì)好；氣孔率接近于零，小，力學(xué)性質(zhì)好；氣孔率接近于零， 密度接近于理論密度。密度接近于理論密度。熱等靜壓燒結(jié)高溫等靜壓工藝設(shè)備系統(tǒng)簡圖 燒結(jié)系統(tǒng)大致由四個(gè)部分組成：真空燒結(jié)腔（圖中6），加壓系統(tǒng)（圖中3），測溫系統(tǒng)（圖中7）和控制反饋系統(tǒng)。圖中1示意石墨模具，2代表用于電流傳導(dǎo)的石墨板，4是石墨模具中的壓頭，5是燒結(jié)樣品。放電等離子體燒結(jié)微波燒結(jié)微波燒結(jié)陶瓷裝置示意圖微波燒結(jié)系統(tǒng)高溫倒焰窯結(jié)構(gòu)示意圖 梭式窯結(jié)構(gòu)示意圖1.間歇式窯爐 按其功能新穎性可分為電爐、高溫倒焰窯、梭式窯和鐘罩窯。（三）燒結(jié)設(shè)備2.連續(xù)式窯 連續(xù)式窯爐按制品的輸送方式可分為隧道窯、高溫推板窯和輥道窯。 高溫隧道窯六、陶瓷燒結(jié)后處理加工n常見的后續(xù)加工處理方式主要有表面施釉、機(jī)械加工及表面表面金屬化。n施釉(1)提高瓷件的機(jī)械強(qiáng)度與耐熱沖擊性能