第2次課-特種陶瓷粉體制備方法

1、特種陶瓷材料及工藝特種陶瓷材料及工藝授課教師：任授課教師：任 帥帥 材料科學(xué)與工程學(xué)院 緒緒 論論一、材料學(xué)一、材料學(xué)二、什么是陶瓷、特種陶瓷？二、什么是陶瓷、特種陶瓷？三、特種陶瓷和粉末冶金三、特種陶瓷和粉末冶金四、特種陶瓷的特性和應(yīng)用領(lǐng)域四、特種陶瓷的特性和應(yīng)用領(lǐng)域五、特種陶瓷的發(fā)展前景五、特種陶瓷的發(fā)展前景六、特種陶瓷的研究任務(wù)六、特種陶瓷的研究任務(wù)二、什么是陶瓷、特種陶瓷？二、什么是陶瓷、特種陶瓷？二、什么是陶瓷、特種陶瓷？二、什么是陶瓷、特種陶瓷？“特種陶瓷特種陶瓷”：通常認(rèn)為是通常認(rèn)為是采用高度精選的原料采用高度精選的原料，具有，具有能精能精確控制的化學(xué)組成確控制的化學(xué)組成，按照，

2、按照便于控制的制造便于控制的制造技術(shù)加工的，便于技術(shù)加工的，便于進(jìn)行進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計，并具有，并具有優(yōu)異特性優(yōu)異特性的陶瓷。的陶瓷。特種陶瓷使用性能普通陶瓷合成/加工工藝普通陶瓷固有性能普通陶瓷普通陶瓷使用性能使用性能特種陶瓷的特性和應(yīng)用領(lǐng)域特種陶瓷的特性和應(yīng)用領(lǐng)域特種陶瓷的應(yīng)用特種陶瓷的應(yīng)用結(jié)構(gòu)陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷 力學(xué)性能力學(xué)性能功能陶瓷功能陶瓷 研磨和耐磨性研磨和耐磨性切削性切削性高強度高強度潤滑性潤滑性絕緣性絕緣性介電性介電性導(dǎo)電性導(dǎo)電性壓電性壓電性磁性磁性電磁功能電磁功能半導(dǎo)體功能半導(dǎo)體功能光學(xué)光學(xué)熱學(xué)熱學(xué)生物、化學(xué)生物、化學(xué)與原子有關(guān)的功能與原子有關(guān)的功能超導(dǎo)超導(dǎo)緒論緒論第一章第一章

3、特種陶瓷生產(chǎn)工藝原理特種陶瓷生產(chǎn)工藝原理第二章第二章 結(jié)構(gòu)陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷第三章第三章 功能陶瓷功能陶瓷第四章第四章 特種玻璃特種玻璃第五章第五章 人工晶體人工晶體第六章第六章 無機纖維無機纖維第七章第七章 薄膜材料薄膜材料第八章第八章 生物陶瓷生物陶瓷第九章第九章 新能源材料新能源材料第十章第十章 環(huán)境材料環(huán)境材料第一章第一章 特種陶瓷工藝原理特種陶瓷工藝原理1.1 1.1 特種陶瓷粉體的物理性能特種陶瓷粉體的物理性能1.2 1.2 特種陶瓷粉體的制備方法特種陶瓷粉體的制備方法1.3 1.3 特種陶瓷的成型方法特種陶瓷的成型方法1.4 1.4 特種陶瓷的燒結(jié)特種陶瓷的燒結(jié)1.1 1.1 特種陶瓷

4、粉體的物理性能特種陶瓷粉體的物理性能納米陶瓷粉體納米陶瓷粉體(a)(b)(c)(f)(e)(d)圖1 各種形狀的粉體顆粒1.11.1特種陶瓷粉體的物理性能特種陶瓷粉體的物理性能1.1.1 1.1.1 粉體的粒度與粒度分布粉體的粒度與粒度分布 粉體是具有粒度分布的大量固體顆粒的分散相粉體是具有粒度分布的大量固體顆粒的分散相 不可能用單一的大小來描述不可能用單一的大小來描述 顆粒的顆粒的平均大小被定義為粉體的粒度平均大小被定義為粉體的粒度。 粉體顆粒的粉體顆粒的粒度粒度(particle size)(particle size) 等體積等體積球相當(dāng)徑。（體積可求）球相當(dāng)徑。（體積可求） 等面積等面

5、積球相當(dāng)徑。球相當(dāng)徑。 ( (流體通過法或吸附法流體通過法或吸附法 ) ) 等沉降速度等沉降速度相當(dāng)徑。相當(dāng)徑。 顯微鏡下測得的顆粒粒徑顯微鏡下測得的顆粒粒徑: : 馬丁徑、弗萊特徑、投影面積徑馬丁徑、弗萊特徑、投影面積徑。 1.11.1特種陶瓷粉體的物理性能特種陶瓷粉體的物理性能1.1.1 1.1.1 粉體的粒度與粒度分布粉體的粒度與粒度分布3)3)粉體顆粒的粉體顆粒的粒度分布粒度分布 -是表征多分散體系中顆粒大小不均一程度的。是表征多分散體系中顆粒大小不均一程度的。 單分散（單分散（monodispersemonodisperse）體系）體系多分散（多分散（polydispersepoly

6、disperse）體系）體系 1.11.1特種陶瓷粉體的物理性能特種陶瓷粉體的物理性能1.1.1 1.1.1 粉體的粒度與粒度分布粉體的粒度與粒度分布3)3)粉體顆粒的粉體顆粒的粒度分布粒度分布 頻率分布曲線頻率分布曲線 累積分布曲線累積分布曲線 1.1 1.1 特種陶瓷粉體的物理性能特種陶瓷粉體的物理性能1.1.1 1.1.1 粉體的粒度與粒度分布粉體的粒度與粒度分布1.1.2 1.1.2 粉體顆粒的形態(tài)及其表征粉體顆粒的形態(tài)及其表征1.1.3 1.1.3 粉體的表面特性粉體的表面特性1.1.4 1.1.4 粉體的填充性粉體的填充性1.11.1特種陶瓷粉體的物理性能特種陶瓷粉體的物理性能1.

7、1.2 1.1.2 粉體顆粒的形態(tài)及其表征粉體顆粒的形態(tài)及其表征 顆粒形態(tài)對粉體系統(tǒng)的性質(zhì)比如顆粒形態(tài)對粉體系統(tǒng)的性質(zhì)比如流動性，自然堆積流動性，自然堆積密度、比表面以及成形體密度，燒結(jié)體性質(zhì)密度、比表面以及成形體密度，燒結(jié)體性質(zhì)等有直接等有直接的影響。的影響。SiC SiC 晶須晶須 金屬陶瓷用復(fù)合粉末金屬陶瓷用復(fù)合粉末 (a)(b)(c)(f)(e)(d)圖1 各種形狀的粉體顆粒1.11.1特種陶瓷粉體的物理性能特種陶瓷粉體的物理性能1.1.2 1.1.2 粉體顆粒的形態(tài)及其表征粉體顆粒的形態(tài)及其表征 形狀因子：形狀因子：在一定程度上可在一定程度上可表征顆粒形狀相對于標(biāo)準(zhǔn)形狀表征顆粒形狀相

8、對于標(biāo)準(zhǔn)形狀的偏離的偏離。常見的幾種形狀因子有：。常見的幾種形狀因子有： Wadell球形度球形度w w（球體）（球體） 與顆粒具有相同體積的球的表面積對于實際顆粒的表面積之比，與顆粒具有相同體積的球的表面積對于實際顆粒的表面積之比， 一般小于一般小于1 1，如等于，如等于1 1，則該顆粒為球形，則該顆粒為球形 長短度和扁平度（柱狀或片狀）長短度和扁平度（柱狀或片狀） 長短度長短度= =長徑長徑l/l/短徑短徑b b ， 扁平度扁平度= =短徑短徑b/b/厚度厚度t t 動力形狀因子動力形狀因子K K K=Dd/Dv Dd顆粒在介質(zhì)中的沉降阻力相當(dāng)徑顆粒在介質(zhì)中的沉降阻力相當(dāng)徑 Dv-等體積球

9、徑等體積球徑1.1 1.1 特種陶瓷粉體的物理性能特種陶瓷粉體的物理性能1.1.1 1.1.1 粉體的粒度與粒度分布粉體的粒度與粒度分布1.1.2 1.1.2 粉體顆粒的形態(tài)及其表征粉體顆粒的形態(tài)及其表征1.1.3 1.1.3 粉體的表面特性粉體的表面特性1.1.4 1.1.4 粉體的填充性粉體的填充性1.1 1.1 特種陶瓷粉體的物理性能特種陶瓷粉體的物理性能1.1.3 1.1.3 粉體的表面特性粉體的表面特性1 1）粉體顆粒的表面能和表面狀態(tài)）粉體顆粒的表面能和表面狀態(tài) 當(dāng)晶體破碎，當(dāng)晶體破碎，破斷面上的原子所處的狀態(tài)就與內(nèi)部破斷面上的原子所處的狀態(tài)就與內(nèi)部原子不一樣原子不一樣。 內(nèi)部原子

10、在周圍原子的均等作用下處于能量平衡的內(nèi)部原子在周圍原子的均等作用下處于能量平衡的狀態(tài)；而表面則只是一側(cè)受到內(nèi)部原子的引力，另一側(cè)狀態(tài)；而表面則只是一側(cè)受到內(nèi)部原子的引力，另一側(cè)則則處于一種具有處于一種具有“過剩能量過剩能量”的狀態(tài)，該的狀態(tài)，該“過剩能量過剩能量”就稱為表面能就稱為表面能。 同樣，粉體顆粒表面的同樣，粉體顆粒表面的“過剩能量過剩能量”就稱為就稱為顆粒的顆粒的表面能表面能。當(dāng)物質(zhì)被粉碎成細(xì)小顆粒時，就會出現(xiàn)大量的當(dāng)物質(zhì)被粉碎成細(xì)小顆粒時，就會出現(xiàn)大量的新表面，并且這種新表面能的量值隨粒度變小而迅速增新表面，并且這種新表面能的量值隨粒度變小而迅速增加。這時，加。這時，處于表面的原子

11、的數(shù)量發(fā)生顯著變化處于表面的原子的數(shù)量發(fā)生顯著變化。1.1 1.1 特種陶瓷粉體的物理性能特種陶瓷粉體的物理性能1.1.3 1.1.3 粉體的表面特性粉體的表面特性1 1）粉體顆粒的表面能和表面狀態(tài)）粉體顆粒的表面能和表面狀態(tài) 表1所示當(dāng)粒徑變化時，一般物質(zhì)顆粒細(xì)化后，其原子數(shù)與表面原子數(shù)的比例變化。粒徑（nm）顆粒原子數(shù)表面原子數(shù)/原子數(shù)（%）202.510510103104205410340225080130991.1 1.1 特種陶瓷粉體的物理性能特種陶瓷粉體的物理性能1.1.3 1.1.3 粉體的表面特性粉體的表面特性1 1）粉體顆粒的表面能和表面狀態(tài)）粉體顆粒的表面能和表面狀態(tài) 舉例

12、：舉例：NaCl晶體沿（晶體沿（100）面破碎時的狀態(tài)，）面破碎時的狀態(tài)，A為理為理想（想（100）面，）面，B為極化后的表面，為極化后的表面，C為極化后再重排為極化后再重排的表面。隨著的表面。隨著A至至C狀態(tài)的變化，表面能下降狀態(tài)的變化，表面能下降。1.1 1.1 特種陶瓷粉體的物理性能特種陶瓷粉體的物理性能1.1.3 1.1.3 粉體的表面特性粉體的表面特性2 2）粉體顆粒的吸附與凝聚）粉體顆粒的吸附與凝聚 粉體所以區(qū)別于一般固體而呈獨立物態(tài)，是因為它一方面是細(xì)化了的固體；另一方面，在接觸點上與其它粒子間有相互作用力存在。 對于液體，由于液滴粒子碰到之后就合而為之，界面立即消失； 固體粒子

13、則不然，這除了由物質(zhì)本身的狀態(tài)決定外，還與固體的表面性質(zhì)有關(guān)，我們把存在于異種固體表面的引力稱為附著力；把存在于同種固體表面間的引力稱為凝聚力。 廣義上，一個顆粒依附于其它顆粒表面上，也稱為附著。與之對應(yīng)的凝聚則是指顆粒間在各種引力作用下的團(tuán)聚。1.1 1.1 特種陶瓷粉體的物理性能特種陶瓷粉體的物理性能1.1.3 粉體的表面特性粉體的表面特性2 2）粉體顆粒的吸附與凝聚）粉體顆粒的吸附與凝聚 粉體顆粒的附著凝聚機制有多種原因，但從現(xiàn)象上看，它多半與單個顆粒的動能有關(guān)，即由顆粒大?。ㄙ|(zhì)量）和速度決定的動量呈反向的作用力。將作用于顆粒固體表面間的力分為：顆粒狀態(tài)機制顆粒狀態(tài)機制顆粒間無夾雜物范德

14、華力顆粒間有夾雜物液膜架橋靜電力粘結(jié)物質(zhì)磁力固結(jié) （固化劑、燒結(jié)、析晶）1.1 1.1 特種陶瓷粉體的物理性能特種陶瓷粉體的物理性能1.1.1 1.1.1 粉體的粒度與粒度分布粉體的粒度與粒度分布1.1.2 1.1.2 粉體顆粒的形態(tài)及其表征粉體顆粒的形態(tài)及其表征1.1.3 1.1.3 粉體的表面特性粉體的表面特性1.1.4 1.1.4 粉體的填充性粉體的填充性1.1 1.1 特種陶瓷粉體的物理性能特種陶瓷粉體的物理性能1.1.4 粉體的填充性粉體的填充性 粉體的填充特性及其填充體的集合組織是特種陶瓷粉末成型的基礎(chǔ)。 粉體的填充組織可通過粉體層中空隙部分的量表示。分為： 等大球的致密填充（立方

15、、六方密堆 74.05%, 簡單立方 63.1%) P.16 等大球的不規(guī)則填充(63.7%-Scott) 異直徑球的填充(大加小） 加壓壓密填充1.1 1.1 特種陶瓷粉體的物理性能特種陶瓷粉體的物理性能1.1.4 粉體的填充性粉體的填充性影響粉體密實性的因素有：影響粉體密實性的因素有： 顆粒大小的影響顆粒大小的影響 a. 當(dāng)顆粒的粒徑不大時，粒徑越小，填充越疏松； 如果粒徑變大至超過臨界粒徑時，隨著粒徑的增大，即粒子自重力增大，粒徑的變化對填充率的影響甚微。 顆粒形狀和凝聚的影響顆粒形狀和凝聚的影響 b. 球形顆粒容易填充，棒狀或針狀的顆粒難以填充。第一章第一章 特種陶瓷工藝原理特種陶瓷工

16、藝原理1.1 1.1 特種陶瓷粉體的物理性能特種陶瓷粉體的物理性能1.2 1.2 特種陶瓷粉體的制備方法特種陶瓷粉體的制備方法1.3 1.3 特種陶瓷的成型方法特種陶瓷的成型方法1.4 1.4 特種陶瓷的燒結(jié)特種陶瓷的燒結(jié)粘土礦物粘土礦物-高嶺土高嶺土鉀長石鉀長石石石 英英1.2 1.2 特種陶瓷粉體的制備方法特種陶瓷粉體的制備方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法 3.3.氣相法氣相法(gas phase method)(gas phase method)制備粉末制備粉末 從氣相析出的固相形態(tài)從氣相析出的固相形態(tài)有以下幾種：有以下幾種：a.在固體表面上生長在固體表面上生長薄膜、薄膜、晶須和

17、晶粒晶須和晶粒，b.在氣體中生長的在氣體中生長的微粒微粒。1.2 1.2 特種陶瓷粉體的制備方法特種陶瓷粉體的制備方法 粉體的制備方法一般分為有兩大類：粉體的制備方法一般分為有兩大類：機械法；合成法機械法；合成法機械法：機械法：是由粗顆粒來獲得細(xì)粉的方法，通常采用是由粗顆粒來獲得細(xì)粉的方法，通常采用機械粉機械粉 碎碎，現(xiàn)在發(fā)展到采用，現(xiàn)在發(fā)展到采用氣流粉碎氣流粉碎。 缺點缺點： 在粉碎過程中難免混入雜質(zhì)；在粉碎過程中難免混入雜質(zhì)； 都都不易不易制得粒徑在制得粒徑在1 1mm以下的微細(xì)顆粒（效率）以下的微細(xì)顆粒（效率）合成法：合成法：是是由離子、原子、分子通過反應(yīng)、成核和成長、由離子、原子、分子

18、通過反應(yīng)、成核和成長、 收集、后處理收集、后處理來獲得微細(xì)顆粒的方法。來獲得微細(xì)顆粒的方法。 特點特點： 純度、粒度可控，均勻性好，顆粒微細(xì)。且可以實純度、粒度可控，均勻性好，顆粒微細(xì)。且可以實 現(xiàn)顆粒在分子級水平上的復(fù)合、均化?，F(xiàn)顆粒在分子級水平上的復(fù)合、均化。 通常包括通常包括固相法、液相法固相法、液相法和和氣相法氣相法。 1.2 1.2 特種陶瓷粉體的制備方法特種陶瓷粉體的制備方法1.2.1 1.2.1 機械法機械法 一般機械制粉法包括一般機械制粉法包括搗磨法，切磨法，渦旋磨法，搗磨法，切磨法，渦旋磨法，球磨法，氣體噴射粉碎法，高能球磨法球磨法，氣體噴射粉碎法，高能球磨法等，可等，可根據(jù)

19、材根據(jù)材料的物理力學(xué)性能及所制粉末的粗細(xì)要求進(jìn)行選擇料的物理力學(xué)性能及所制粉末的粗細(xì)要求進(jìn)行選擇。 加工脆性大的材料加工脆性大的材料可選用可選用搗磨法，渦旋磨法，球搗磨法，渦旋磨法，球磨法，氣體噴射粉碎法，高能球磨法磨法，氣體噴射粉碎法，高能球磨法； 加工塑性較高的材料加工塑性較高的材料可選用可選用切磨法，渦旋磨法，切磨法，渦旋磨法，氣體噴射粉碎法氣體噴射粉碎法。 一般制備一般制備超細(xì)粉與納米粉超細(xì)粉與納米粉時，只能時，只能選用氣體噴射選用氣體噴射粉碎法或高能球磨法粉碎法或高能球磨法。1.2 1.2 特種陶瓷粉體的制備方法特種陶瓷粉體的制備方法1.2.1 1.2.1 機械法機械法1.1.材料粉

20、碎加工原理材料粉碎加工原理 彈性變形彈性變形塑性變形塑性變形材料硬化；材料硬化；內(nèi)應(yīng)力增大內(nèi)應(yīng)力增大材料斷裂材料斷裂重復(fù)發(fā)生重復(fù)發(fā)生破碎破碎1.2 1.2 特種陶瓷粉體的制備方法特種陶瓷粉體的制備方法1.2.1 1.2.1 機械法機械法1.1.材料粉碎加工原理材料粉碎加工原理 抗壓強度、抗彎強度、抗剪強度、抗拉強度抗壓強度、抗彎強度、抗剪強度、抗拉強度圖2-4破碎與磨碎方式1.2 1.2 特種陶瓷粉體的制備方法特種陶瓷粉體的制備方法1.2.1 1.2.1 機械法機械法2.2.材料粉碎加工模型材料粉碎加工模型 在粉體材料的粉碎過在粉體材料的粉碎過程中，其粉碎產(chǎn)物的集程中，其粉碎產(chǎn)物的集合體的顆粒

21、粒度實質(zhì)上合體的顆粒粒度實質(zhì)上具有具有多分散性多分散性。 而其分散程度隨而其分散程度隨粉碎粉碎方式方式不同而有較大差異。不同而有較大差異。 a a、體積粉碎模型體積粉碎模型 b b、表面粉碎模型、表面粉碎模型 c c、均一粉碎模型均一粉碎模型1.2 1.2 特種陶瓷粉體的制備方法特種陶瓷粉體的制備方法1.2.1 1.2.1 機械法機械法3.3.影響顆粒粉碎的因素影響顆粒粉碎的因素易碎性易碎性 易碎性表征著材料對粉碎的阻抗能力易碎性表征著材料對粉碎的阻抗能力，它可定量地表，它可定量地表示為將材料粉碎到某一粒度所需的示為將材料粉碎到某一粒度所需的比功比功。而且，易碎性也。而且，易碎性也是粉碎過程所

22、耗能量的判據(jù)。是粉碎過程所耗能量的判據(jù)。碰撞速度碰撞速度 材料的粉碎與系統(tǒng)提供它的能量有直接關(guān)系，而在機材料的粉碎與系統(tǒng)提供它的能量有直接關(guān)系，而在機械粉碎過程中能量的形成與轉(zhuǎn)換則與體系的運動速度密切械粉碎過程中能量的形成與轉(zhuǎn)換則與體系的運動速度密切相關(guān)，其又可分為相關(guān)，其又可分為破碎粒子碰撞速度破碎粒子碰撞速度和和粉碎介質(zhì)碰撞速度粉碎介質(zhì)碰撞速度。 1.2 1.2 特種陶瓷粉體的制備方法特種陶瓷粉體的制備方法1.2.1 1.2.1 機械法機械法4.4.具體粉碎方法具體粉碎方法 機械沖擊式粉碎機械沖擊式粉碎 （破碎破碎） 球磨粉碎球磨粉碎 行星球磨行星球磨 振動粉碎振動粉碎 氣流粉碎氣流粉碎圖

23、2-4破碎與磨碎方式1.2 1.2 特種陶瓷粉體的制備方法特種陶瓷粉體的制備方法1.2.1 1.2.1 機械法機械法4.4.具體粉碎方法具體粉碎方法 顎式破碎機顎式破碎機(a) 簡單擺動型 (b)復(fù)雜擺動型 (c)綜合擺動型1-定顎；2-動顎；3-推動板；4-連桿；5-偏心軸；6-懸掛軸1.2 1.2 特種陶瓷粉體的制備方法特種陶瓷粉體的制備方法1.2.1 1.2.1 機械法機械法4.4.具體粉碎方法具體粉碎方法 圓錐破碎機圓錐破碎機1.2 1.2 特種陶瓷粉體的制備方法特種陶瓷粉體的制備方法1.2.1 1.2.1 機械法機械法4.4.具體粉碎方法具體粉碎方法 球磨粉碎機球磨粉碎機1-電動機；

24、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-機座；14-襯板；15-研磨體1.2 1.2 特種陶瓷粉體的制備方法特種陶瓷粉體的制備方法1.2.1 1.2.1 機械法機械法4. 4. 具體粉碎方法具體粉碎方法氣流粉碎法氣流粉碎法管道式氣流粉碎機 1.2 1.2 特種陶瓷粉體的制備方法特種陶瓷粉體的制備方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法 合成法合成法-是由離子、原子、分子通過反應(yīng)、成核和是由離子、原子、分子通過反應(yīng)、成核和 成長，收集，后處理成長，收集，后處理來獲得微細(xì)顆粒的方法。來獲得

25、微細(xì)顆粒的方法。 特點：純度，粒度可控，均勻性好，顆粒微細(xì)。特點：純度，粒度可控，均勻性好，顆粒微細(xì)。并且可以實現(xiàn)顆粒在分子級水平上的復(fù)合，均化。并且可以實現(xiàn)顆粒在分子級水平上的復(fù)合，均化。 固相法固相法 液相法液相法 氣相法氣相法另一分類方法：物理方法、化學(xué)方法另一分類方法：物理方法、化學(xué)方法制制備備方方法法物物理理方方法法化化學(xué)學(xué)方方法法粉粉碎碎法法構(gòu)構(gòu)筑筑法法干式粉碎干式粉碎濕式粉碎濕式粉碎氣體蒸發(fā)法氣體蒸發(fā)法真 空 沉 積真 空 沉 積法法濺射法濺射法活化氫熔融金屬反應(yīng)法活化氫熔融金屬反應(yīng)法加熱蒸發(fā)法加熱蒸發(fā)法混合等離子體法混合等離子體法噴噴霧霧法法水解法水解法沉沉淀淀法法氧化還原法氧

26、化還原法噴霧水解法噴霧水解法噴霧焙燒法噴霧焙燒法噴霧干燥法噴霧干燥法共沉淀法共沉淀法化合物沉淀法化合物沉淀法凍結(jié)干燥法凍結(jié)干燥法激光合成法激光合成法火花放電法火花放電法1.2 1.2 特種陶瓷粉體的制備方法特種陶瓷粉體的制備方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法 1.1.固相法制備粉末固相法制備粉末 2.2.液相法制備粉末液相法制備粉末 3.3.氣相法制備粉末氣相法制備粉末 4.4.合成粉末的實例合成粉末的實例1.2 1.2 特種陶瓷粉體的制備方法特種陶瓷粉體的制備方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法1.1.固相法制備粉末固相法制備粉末 就是就是以固態(tài)物質(zhì)為原料來制備粉末的方法以固態(tài)物質(zhì)

27、為原料來制備粉末的方法。作為固。作為固相反應(yīng)，包括有很多內(nèi)容：相反應(yīng)，包括有很多內(nèi)容：化合反應(yīng)化合反應(yīng)分解反應(yīng)分解反應(yīng)氧化還原反應(yīng)氧化還原反應(yīng)固溶反應(yīng)固溶反應(yīng)出溶反應(yīng)出溶反應(yīng)相變相變1.2 1.2 特種陶瓷粉體的制備方法特種陶瓷粉體的制備方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法1. 固相法制備粉末固相法制備粉末化合反應(yīng)法化合反應(yīng)法 combination reaction 化合反應(yīng)一般具有以下反應(yīng)結(jié)構(gòu)式化合反應(yīng)一般具有以下反應(yīng)結(jié)構(gòu)式 A s + B s C s + D g 二種或者二種以上的固態(tài)粉末，經(jīng)二種或者二種以上的固態(tài)粉末，經(jīng)混合后在一定的混合后在一定的熱力學(xué)條件和氣氛下反應(yīng)熱力學(xué)條件和

28、氣氛下反應(yīng)而成為而成為復(fù)合物粉末復(fù)合物粉末，有時也伴，有時也伴隨一些氣體逸出。隨一些氣體逸出。 如鈦酸鋇粉末的合成就是典型的固相化合反應(yīng)：如下如鈦酸鋇粉末的合成就是典型的固相化合反應(yīng)：如下 BaCO3+TiO2BaTiO3+CO21.2 1.2 特種陶瓷粉體的制備方法特種陶瓷粉體的制備方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法1. 固相法制備粉末固相法制備粉末 熱分解反應(yīng)熱分解反應(yīng) 熱分解反應(yīng)基本形式熱分解反應(yīng)基本形式(S代表固相，代表固相，G代表氣相代表氣相)：SlS2+G1 金屬的硫酸鹽、硝酸鹽等金屬的硫酸鹽、硝酸鹽等 特種陶瓷用氧化物粉末特種陶瓷用氧化物粉末 如將硫酸鋁銨如將硫酸鋁銨Al2

29、(NH4)2(SO4)424H2O在空氣中進(jìn)行熱分解，在空氣中進(jìn)行熱分解，即可制備出即可制備出Al2O3粉末。粉末。 利用有機酸鹽制備粉體利用有機酸鹽制備粉體，優(yōu)點是：，優(yōu)點是： a.有機酸鹽易于金屬提純，有機酸鹽易于金屬提純， b.容易制成含兩種以上金屬的復(fù)合鹽，容易制成含兩種以上金屬的復(fù)合鹽， c.分解溫度比較低，產(chǎn)生的氣體組成為分解溫度比較低，產(chǎn)生的氣體組成為C、H、O。1.2 1.2 特種陶瓷粉體的制備方法特種陶瓷粉體的制備方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法1.1.固相法制備粉末固相法制備粉末 氧化物還原法氧化物還原法 reduction method （非氧化物陶瓷）（非氧化物

30、陶瓷） 以以SiC粉末的制備為例，是將粉末的制備為例，是將SiO2與碳粉混合，在與碳粉混合，在1460-1600的加熱條件下，逐步還原碳化。其大致歷的加熱條件下，逐步還原碳化。其大致歷程如下程如下 進(jìn)一步還原后，產(chǎn)生進(jìn)一步還原后，產(chǎn)生Si蒸氣，發(fā)生反應(yīng)蒸氣，發(fā)生反應(yīng)SiO2+C SiO+CO SiO+2CSiC+CO SiO+CSi+CO Si+C SiCSiO2顆粒表面蒸發(fā)、顆粒表面蒸發(fā)、分解、擴(kuò)散至分解、擴(kuò)散至C粒粒表面發(fā)生反應(yīng)表面發(fā)生反應(yīng) 這時得到的這時得到的SiC粉是無定形的，需要再經(jīng)過粉是無定形的，需要再經(jīng)過1900的高溫處理的高溫處理獲得晶態(tài)獲得晶態(tài)SiC。1.2 1.2 特種陶瓷

31、粉體的制備方法特種陶瓷粉體的制備方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法 1.1.固相法制備粉末固相法制備粉末 2.2.液相法制備粉末液相法制備粉末 3.3.氣相法制備粉末氣相法制備粉末 4.4.合成粉末的實例合成粉末的實例1.2 1.2 特種陶瓷粉體的制備方法特種陶瓷粉體的制備方法1.2.2 合成法合成法2.液相法液相法 liquid-phase method 制備粉末制備粉末 液相反應(yīng)法制備超細(xì)粉體的共同特點是：液相反應(yīng)法制備超細(xì)粉體的共同特點是： 均均以以均相的溶液為出發(fā)點均相的溶液為出發(fā)點，通過，通過各種途徑使溶質(zhì)和溶各種途徑使溶質(zhì)和溶劑分離劑分離，溶質(zhì)形成一定形狀和大小的顆粒，得到所

32、需粉末，溶質(zhì)形成一定形狀和大小的顆粒，得到所需粉末的前驅(qū)體，熱解后得到微粒。的前驅(qū)體，熱解后得到微粒。 與固相法相比，其主要的優(yōu)點：與固相法相比，其主要的優(yōu)點： （1）精確控制化學(xué)組成；）精確控制化學(xué)組成； （2）易于添加微量有效成分；）易于添加微量有效成分； （3）超細(xì)粒子形狀和尺寸也比較容易控制。）超細(xì)粒子形狀和尺寸也比較容易控制。特別適合制備組成均勻，且特別適合制備組成均勻，且純度純度高的高的復(fù)合氧化物復(fù)合氧化物超細(xì)粉。超細(xì)粉。?1.2 1.2 特種陶瓷粉體的制備方法特種陶瓷粉體的制備方法1.2.2 合成法合成法2.液相法液相法 liquid-phase method 制備粉末制備粉末

33、基本方法有基本方法有 1) 沉淀法沉淀法 直接沉淀法直接沉淀法；均勻沉淀法；均勻沉淀法；共沉淀法；共沉淀法； 醇鹽水解法醇鹽水解法； 特殊沉淀法特殊沉淀法：a.溶膠溶膠-凝膠凝膠(Sol-gel)法法；b.凝膠凝膠-沉淀法沉淀法2) 溶劑蒸發(fā)法溶劑蒸發(fā)法 冰凍干燥法冰凍干燥法(freeze-drying); 噴霧干燥法噴霧干燥法(Spray drying); 噴霧熱分解法噴霧熱分解法1.2 1.2 特種陶瓷粉體的制備方法特種陶瓷粉體的制備方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法2.2.液相法制備粉末液相法制備粉末 1）沉淀法：）沉淀法： 直接沉淀法，以制備直接沉淀法，以制備Al2O3為例為例

34、礦石高壓溶出：礦石高壓溶出： Al2O33H2O+2NaOH2NaAl(OH)4 分分 解：解： 2NaAl(OH)4 2Al(OH)3+2NaOH 煅煅 燒：燒： 2Al(OH)3Al2O3+3H2O 前驅(qū)物前驅(qū)物1.2 1.2 特種陶瓷粉體的制備方法特種陶瓷粉體的制備方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法2.2.液相法制備粉末液相法制備粉末 1 1）沉淀法）沉淀法 醇鹽水解法 金屬醇鹽是用金屬元素置換醇中羥基金屬醇鹽是用金屬元素置換醇中羥基的氫的化合物總稱，通式為的氫的化合物總稱，通式為M(OR)n，其中其中M代表金屬元素，代表金屬元素，R是烷基（羥是烷基（羥基）?；?。 金屬醇鹽由金屬

35、或者金屬鹵化物與醇金屬醇鹽由金屬或者金屬鹵化物與醇反應(yīng)合成，它很容易和水反應(yīng)生成氧化反應(yīng)合成，它很容易和水反應(yīng)生成氧化物、氫氧化物和水化物。氫氧化物和其物、氫氧化物和水化物。氫氧化物和其它水化物經(jīng)煅燒后可以轉(zhuǎn)化為氧化物粉它水化物經(jīng)煅燒后可以轉(zhuǎn)化為氧化物粉體。體。1.2 1.2 特種陶瓷粉體的制備方法特種陶瓷粉體的制備方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法2.2.液相法制備粉末液相法制備粉末 1 1）沉淀法沉淀法 醇鹽水解法n醇鹽水解法的特點：醇鹽水解法的特點：水解過程中不需要添加堿，因此水解過程中不需要添加堿，因此不存在有害負(fù)離子和堿金屬離子不存在有害負(fù)離子和堿金屬離子；反應(yīng)條件溫和、操作簡

36、單產(chǎn)品純度高反應(yīng)條件溫和、操作簡單產(chǎn)品純度高；制備的超微粉體制備的超微粉體具有較大的活性具有較大的活性；粉體粒子通常粉體粒子通常呈單分散狀態(tài)呈單分散狀態(tài)；具有良好的具有良好的低溫?zé)Y(jié)性能低溫?zé)Y(jié)性能。n醇鹽水解法的醇鹽水解法的缺點是成本昂貴缺點是成本昂貴。1.2.2 合成法合成法 2.液相法制備粉末液相法制備粉末 1）沉淀法）沉淀法 溶膠溶膠-凝膠法：凝膠法：1.2 1.2 特種陶瓷粉體的制備方法特種陶瓷粉體的制備方法納米氧化鋁溶膠納米氧化鋁溶膠1.2 1.2 特種陶瓷粉體的制備方法特種陶瓷粉體的制備方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法2.2.液相法液相法 liquid-phase met

37、hodliquid-phase method 制備粉末制備粉末 溶膠溶膠-凝膠法凝膠法制制取取ZrO2的流程的流程均勻性均勻性1.2 1.2 特種陶瓷粉體的制備方法特種陶瓷粉體的制備方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法2.2.液相法液相法 liquid-phase methodliquid-phase method 制備粉末制備粉末2 2）溶劑蒸發(fā)法：）溶劑蒸發(fā)法： 溶劑蒸發(fā)法以金屬鹽溶液制備超微粉體溶劑蒸發(fā)法以金屬鹽溶液制備超微粉體 溶劑蒸發(fā)法：溶劑蒸發(fā)法： a. 冷凍干燥法冷凍干燥法n 冷凍干燥法：冷凍干燥法：a.將配制好的將配制好的陽離子鹽溶液噴入到低溫有機液陽離子鹽溶液噴入到低溫有

38、機液體體中，使液體進(jìn)行中，使液體進(jìn)行瞬間冷凍和沉淀瞬間冷凍和沉淀在玻璃器皿的底部，在玻璃器皿的底部， b.將冷凍球狀液滴將冷凍球狀液滴和和有機液體有機液體篩選分離后篩選分離后放入冷凍干燥器放入冷凍干燥器，在在維持低溫降壓條件下，溶劑升華、脫水維持低溫降壓條件下，溶劑升華、脫水， c.再在煅燒爐內(nèi)將鹽分解，可制得超細(xì)粉體。再在煅燒爐內(nèi)將鹽分解，可制得超細(xì)粉體。冷凍干燥法原料及實驗裝置冷凍干燥法原料及實驗裝置（a）冷凍裝置；（）冷凍裝置；（b）真空干燥裝置）真空干燥裝置溶劑蒸發(fā)法：溶劑蒸發(fā)法： a. 冷凍干燥法冷凍干燥法冷凍冷凍干燥機干燥機冷凍干燥法的突出優(yōu)點：冷凍干燥法的突出優(yōu)點： a. 在溶液

39、狀態(tài)下均勻混合，適合于極微量組分的添加，在溶液狀態(tài)下均勻混合，適合于極微量組分的添加，有效有效地合成復(fù)雜的陶瓷功能粉體材料并地合成復(fù)雜的陶瓷功能粉體材料并精確控制其最終組成精確控制其最終組成； b. 制備的超微粉體粒度分布范圍窄制備的超微粉體粒度分布范圍窄，一般在，一般在10500nm范圍范圍內(nèi)，內(nèi)， c. 冷凍干燥物在煅燒時內(nèi)含氣體極易逸出，冷凍干燥物在煅燒時內(nèi)含氣體極易逸出，容易容易獲得易燒結(jié)獲得易燒結(jié)的陶瓷超微粉體的陶瓷超微粉體，由此制得的大規(guī)模集成電路基片平整度好，由此制得的大規(guī)模集成電路基片平整度好，用來制備催化劑，則其表面積和反應(yīng)活性均較一般過程高用來制備催化劑，則其表面積和反應(yīng)活

40、性均較一般過程高； d. 操作簡單操作簡單，特別適合于高純陶瓷材料用超微粉體的制備。，特別適合于高純陶瓷材料用超微粉體的制備。溶劑蒸發(fā)法：溶劑蒸發(fā)法： a. 冷凍干燥法冷凍干燥法噴霧干燥裝置的模型圖噴霧干燥裝置的模型圖溶劑蒸發(fā)法：溶劑蒸發(fā)法： b. 噴霧干燥法噴霧干燥法圖圖1-1-21 噴霧焙燒裝置的示意圖噴霧焙燒裝置的示意圖溶劑蒸發(fā)法：溶劑蒸發(fā)法： c.噴霧熱分解法噴霧熱分解法溶劑蒸發(fā)法：溶劑蒸發(fā)法： c.噴霧熱分解法噴霧熱分解法1.2 1.2 特種陶瓷粉體的制備方法特種陶瓷粉體的制備方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法 1.1.固相法制備粉末固相法制備粉末 2.2.液相法制備粉末液相法

41、制備粉末 3.3.氣相法制備粉末氣相法制備粉末 4.4.合成粉末的實例合成粉末的實例1.2 1.2 特種陶瓷粉體的制備方法特種陶瓷粉體的制備方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法3. 3. 氣相法氣相法(gas phase method)(gas phase method)制備粉末制備粉末 由氣相生成微粉的方法有如下兩種由氣相生成微粉的方法有如下兩種: : 系統(tǒng)中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的蒸發(fā)系統(tǒng)中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的蒸發(fā)- -凝聚法凝聚法(PVD)(PVD)， 另一種是氣相化學(xué)反應(yīng)法另一種是氣相化學(xué)反應(yīng)法(CVD)(CVD)。 1.2 1.2 特種陶瓷粉體的制備方法特種陶瓷粉體的制備方法1.2.2 1.

42、2.2 合成法合成法 3.3.氣相法氣相法(gas phase method)(gas phase method)制備粉末制備粉末 1)1)蒸發(fā)蒸發(fā)- -凝聚法凝聚法 蒸發(fā)蒸發(fā)-凝聚法是將原料加熱至凝聚法是將原料加熱至高溫高溫(用電弧或等離子流等加熱用電弧或等離子流等加熱)，使之使之氣化氣化，接著在具有很大溫度梯度的環(huán)境中急冷，凝聚成微粒狀，接著在具有很大溫度梯度的環(huán)境中急冷，凝聚成微粒狀物料的方法。這一過程物料的方法。這一過程不伴隨化學(xué)反應(yīng)不伴隨化學(xué)反應(yīng)。 采用這種方法能制得采用這種方法能制得顆粒直徑在顆粒直徑在5nm100nm范圍的微粉范圍的微粉， 適于適于制備單一氧化物、復(fù)合氧化物、碳化

43、物或金屬的微粉制備單一氧化物、復(fù)合氧化物、碳化物或金屬的微粉。 如果在惰性氣體中蒸發(fā)凝聚，如果在惰性氣體中蒸發(fā)凝聚，通過調(diào)節(jié)氣壓，就能控制生通過調(diào)節(jié)氣壓，就能控制生成的顆粒的大小成的顆粒的大小。 如果顆粒是按照如果顆粒是按照蒸發(fā)蒸發(fā)-液體液體-固體固體那樣經(jīng)過液相中間體后生成的，那樣經(jīng)過液相中間體后生成的，那么那么顆粒成為球形顆粒成為球形或接近球狀?；蚪咏驙睢?.2 1.2 特種陶瓷粉體的制備方法特種陶瓷粉體的制備方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法 3.3.氣相法氣相法(gas phase method)(gas phase method)制備粉末制備粉末 2)2)氣相化學(xué)反應(yīng)法氣相化

44、學(xué)反應(yīng)法 氣相化學(xué)反應(yīng)法是將氣相化學(xué)反應(yīng)法是將揮發(fā)性金屬化合物的蒸氣揮發(fā)性金屬化合物的蒸氣通過化學(xué)反通過化學(xué)反應(yīng)合成所需物質(zhì)的方法。氣相化學(xué)反應(yīng)可分為兩類：應(yīng)合成所需物質(zhì)的方法。氣相化學(xué)反應(yīng)可分為兩類：一類為單一類為單一化合物的熱分解一化合物的熱分解（A(G)B(s) +C(g)）;另另一類為兩種以上化一類為兩種以上化學(xué)物質(zhì)之間的反應(yīng)學(xué)物質(zhì)之間的反應(yīng) (A(g) + B(g) C(s)+ D(g)。 氣相反應(yīng)法除適用于制備氧化物外，氣相反應(yīng)法除適用于制備氧化物外，還適用于制備液相法還適用于制備液相法難于直接合成的金屬、氮化物、碳化物、硼化物等非氧化物難于直接合成的金屬、氮化物、碳化物、硼化物等

45、非氧化物。 制備容易、蒸氣壓高、反應(yīng)性較強的制備容易、蒸氣壓高、反應(yīng)性較強的金屬氯化物常用作氣金屬氯化物常用作氣相化學(xué)反應(yīng)的原料相化學(xué)反應(yīng)的原料。1.2 1.2 特種陶瓷粉體的制備方法特種陶瓷粉體的制備方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法 3.3.氣相法氣相法(gas phase method)(gas phase method)制備粉末制備粉末 氣相反應(yīng)法與鹽類熱分解及沉淀法相比氣相反應(yīng)法與鹽類熱分解及沉淀法相比，特點：，特點： 金屬化合物原料金屬化合物原料具有揮發(fā)性，容易提純，而且生具有揮發(fā)性，容易提純，而且生成粉料不需要進(jìn)行粉碎，純度高成粉料不需要進(jìn)行粉碎，純度高。 生成顆粒的生成顆

46、粒的分散性良好分散性良好。 只要控制反應(yīng)條件，就很容易得到只要控制反應(yīng)條件，就很容易得到顆粒直徑分布顆粒直徑分布范圍較窄的微細(xì)粉末范圍較窄的微細(xì)粉末。 容易控制氣氛。容易控制氣氛。 1.2 1.2 特種陶瓷粉體的制備方法特種陶瓷粉體的制備方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法 3.3.氣相法氣相法(gas phase method)(gas phase method)制備粉末制備粉末 從氣相析出的固相形態(tài)從氣相析出的固相形態(tài)有以下幾種：有以下幾種：a.在固體表面上生長在固體表面上生長薄膜、薄膜、晶須和晶粒晶須和晶粒，b.在氣體中生長的在氣體中生長的微粒微粒。1.2 1.2 特種陶瓷粉體的制備

47、方法特種陶瓷粉體的制備方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法 1.1.固相法制備粉末固相法制備粉末 2.2.液相法制備粉末液相法制備粉末 3.3.氣相法制備粉末氣相法制備粉末 4.4.合成粉末的實例合成粉末的實例1.2 1.2 特種陶瓷粉體的制備方法特種陶瓷粉體的制備方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法 4.4.合成粉末的實例合成粉末的實例 a.a.氧化物粉末氧化物粉末-揮發(fā)性金屬化合物（一般為氯化物）與揮發(fā)性金屬化合物（一般為氯化物）與氧氣或水蒸氣在幾百度至一千幾百度下由氧氣或水蒸氣在幾百度至一千幾百度下由氣相反應(yīng)氣相反應(yīng)，合成，合成氧化物粉末。氧化物粉末。 1.2 1.2 特種陶瓷粉

48、體的制備方法特種陶瓷粉體的制備方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法 4.4.合成粉末的實例合成粉末的實例 TiO2粉末制備粉末制備： TiCl4和氧氣的反應(yīng)從400左右開始，到800以上轉(zhuǎn)化率達(dá)100%。TiO2晶粒為0.1m以下到幾微米。TiCl4+O2 TiO2+2Cl2生成銳鈦礦型生成銳鈦礦型TiO2，各個顆粒都為單晶各個顆粒都為單晶1.2 1.2 特種陶瓷粉體的制備方法特種陶瓷粉體的制備方法1.2 1.2 特種陶瓷粉體的制備方法特種陶瓷粉體的制備方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法 4.4.合成粉末的實例合成粉末的實例 b.b.高熔點高熔點氮化物和碳化物氮化物和碳化物粉末制備：

49、粉末制備： 工業(yè)上，金屬和金屬氧化物通過固相反應(yīng)合成工業(yè)上，金屬和金屬氧化物通過固相反應(yīng)合成非非氧化物粉末氧化物粉末。采用固相法時通常要進(jìn)行粉碎，不易控。采用固相法時通常要進(jìn)行粉碎，不易控制粉料的特性。制粉料的特性。 相對而言，采用相對而言，采用氣相合成法氣相合成法生成的粉料分散低，生成的粉料分散低，比較容易控制顆粒直徑比較容易控制顆粒直徑。1.2 1.2 特種陶瓷粉體的制備方法特種陶瓷粉體的制備方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法 4.4.合成粉末的實例合成粉末的實例 1.2 1.2 特種陶瓷粉體的制備方法特種陶瓷粉體的制備方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法4.4.合成粉末的實例合成