鄭州大學(xué)陶瓷工藝原理第六章t3課件

6.7.1低溫?zé)膳c快速燒成6.7.1.1低溫?zé)膳c快速燒成的作用（一）低溫?zé)膳c快速燒成的含義一般來(lái)說(shuō)，凡燒成溫度有較大幅度降低（如降低幅度在80～100℃以上者）且產(chǎn)品性能與通常燒成的性能相近的燒成方法可稱為低溫?zé)??？焖贌芍傅氖钱a(chǎn)品性能無(wú)變化，而燒成時(shí)間大量縮短的燒成方法。6.7燒成新方法1/17/2023國(guó)家精品課程——陶瓷工藝原理（二）低溫與快燒的作用1.節(jié)約能源燒成溫度對(duì)燃料消耗的影響，可用下式表示： F=100-0.13（t2-t1）式中F為溫度t1時(shí)的單位燃耗與溫度t2時(shí)的單位燃耗之比，（%）。2.充分利用原料資源促進(jìn)新型陶瓷原料的開(kāi)發(fā)利用1/17/2023國(guó)家精品課程——陶瓷工藝原理3.提高窯爐與窯具的使用壽命4.縮短生產(chǎn)周期、提高生產(chǎn)效率5.低溫?zé)?，有利于提高色料的顯色效果，豐富釉下彩和色

釉的品種。6.快速燒成可使坯體中晶粒細(xì)小，從而提高瓷件的強(qiáng)度、改

善某些介電性能。并非任何品種都值得采用低溫?zé)苫蚩焖贌伞?/17/2023國(guó)家精品課程——陶瓷工藝原理6.7.1.3快速燒成的工藝措施1.坯、釉料能適應(yīng)快速燒成的要求坯料：（1）干燥收縮和燒成收縮均?。?）坯料的熱膨脹系數(shù)要小，最好它隨溫度的變化呈線性關(guān)系（3）希望坯料的導(dǎo)熱性能好（4）希望坯料中少含晶型轉(zhuǎn)變的成分2.減少坯體入窯水分、提高坯體入窯溫度3.控制坯體厚度、形狀和大小4.選用溫差小和保溫良好的窯具5.選用抗熱震性能良好的窯具釉料：化學(xué)活性強(qiáng)，始熔溫度高，高溫粘度低，膨脹系數(shù)較常規(guī)燒成時(shí)小。1/17/2023國(guó)家精品課程——陶瓷工藝原理6.7.1.4

快燒產(chǎn)品的質(zhì)量生產(chǎn)實(shí)踐和研究的結(jié)果表明，在縮短燒成周期的同時(shí)，適當(dāng)?shù)靥岣邿蓽囟龋?0～30℃）是能夠使陶瓷產(chǎn)品的顯微結(jié)構(gòu)和物相組成不受影響。1/17/2023國(guó)家精品課程——陶瓷工藝原理快速燒成對(duì)三種陶瓷電容器介質(zhì)介電性能的影響：Ⅰ類：(Ca,Sr,Nd,Mg)TiO3;Ⅱ類：BaTiO3、CeO2;

Ⅲ類：BaTiO3、Nd2O3·3TiO2;1/17/2023國(guó)家精品課程——陶瓷工藝原理熱壓燒結(jié)是在高溫下加壓促使坯體燒結(jié)的方法，也是一種使坯體的成型和燒結(jié)同時(shí)完成的新工藝。6.7.2.1熱壓燒結(jié)的理論基礎(chǔ)1熱壓燒結(jié)的傳質(zhì)過(guò)程除了擴(kuò)散傳質(zhì)外，又出現(xiàn)了兩個(gè)明顯的傳質(zhì)過(guò)程：晶界滑移傳質(zhì)、擠壓蠕變傳質(zhì)1/17/2023國(guó)家精品課程——陶瓷工藝原理（1）晶界滑移傳質(zhì)a.高溫低壓時(shí)以塑性滑移為主。b.低溫高壓時(shí)以碎裂型滑移為主。晶界滑移傳質(zhì)是一種高效率的傳質(zhì)過(guò)程。1/17/2023國(guó)家精品課程——陶瓷工藝原理（2）擠壓蠕變傳質(zhì)主要是相對(duì)靜止的晶界在正壓力作用下的緩變過(guò)程。是一種相對(duì)慢速的傳質(zhì)過(guò)程。1/17/2023國(guó)家精品課程——陶瓷工藝原理2.熱壓燒結(jié)的致密化過(guò)程（1）熱壓初期密度迅速增大，大部分氣孔都在此階段消失。坯體內(nèi)出現(xiàn)壓力作用下的顆粒重排、晶界滑移引起的局部碎裂或塑性流動(dòng)傳質(zhì)，將大型堆積間隙填充。（2）熱壓中期密度的增加速度顯著變慢。擠壓晶界出現(xiàn)，主要為擠壓蠕變傳質(zhì)，是在壓力作用下的空格點(diǎn)擴(kuò)散以及與此相伴隨的晶界中氣孔的消失。（3）熱壓后期外加壓力作用已經(jīng)很不明顯，主要傳質(zhì)推動(dòng)力與普通燒結(jié)相似。1/17/2023國(guó)家精品課程——陶瓷工藝原理6.7.2.2熱壓設(shè)備（熱壓機(jī)）1加熱爐2加壓裝置3模具4測(cè)溫測(cè)壓設(shè)備熱源：電加熱元件：SiC、MoSi2、鎳鉻絲、白金絲、鉬絲、導(dǎo)電的模具石墨等杠桿式壓機(jī)、液壓機(jī)要求：機(jī)械強(qiáng)度高；高溫下能抗氧化；熱膨脹性接近于所熱壓的材料，且二者之間不反應(yīng)或粘結(jié)。5熱壓氣氛空氣、真空、或保護(hù)氣氛（還原性氣氛或惰性）1/17/2023國(guó)家精品課程——陶瓷工藝原理6.7.2.3熱壓燒結(jié)制度1.熱壓制度的類型1/17/2023國(guó)家精品課程——陶瓷工藝原理2.不同熱壓制度的效果1/17/2023國(guó)家精品課程——陶瓷工藝原理3.熱壓參數(shù)的確定（1）熱壓時(shí)的燒結(jié)溫度主要是根據(jù)熱壓材料的性質(zhì)、材料與

模具的作用情況及材料的顆粒細(xì)度等來(lái)確定。（2）對(duì)于單相材料（難熔化合物和純氧化物等）來(lái)說(shuō)，熱壓

溫度為其熔點(diǎn)（絕對(duì)溫度）的0.75~0.9。（3）熱壓燒結(jié)的溫度應(yīng)選擇在材料具有較大塑性時(shí)的溫度。（4）熱壓時(shí)的壓力由試驗(yàn)確定。（5）大型產(chǎn)品的熱壓燒結(jié)溫度要高些，保溫時(shí)間要長(zhǎng)些。（6）冷卻速度和材料的抗熱震性及制品的大小、形狀有關(guān)。1/17/2023國(guó)家精品課程——陶瓷工藝原理1/17/2023國(guó)家精品課程——陶瓷工藝原理6.7.2.5熱壓燒結(jié)技術(shù)的發(fā)展1.半連續(xù)熱壓1/17/2023國(guó)家精品課程——陶瓷工藝原理2.超高熱壓3.反應(yīng)熱壓是一種壓強(qiáng)超過(guò)7Mpa的熱壓燒結(jié)。超高溫、超高壓合成熱壓：壓強(qiáng)超過(guò)7Mpa、溫度超高1400℃的熱壓燒結(jié)將高溫下坯料可能發(fā)生的某種化學(xué)反應(yīng)過(guò)程加以利用的一種熱壓燒結(jié)工藝。綜合利用熱能、機(jī)械能、化學(xué)能促使燒結(jié)完成。1/17/2023國(guó)家精品課程——陶瓷工藝原理6.7.3熱等靜壓燒結(jié)(HotIsostaticPressing)6.7.3.1熱等靜壓工藝過(guò)程與參數(shù)

是使坯料在各個(gè)方向上承受均勻壓力而成型的同時(shí)，進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)的工藝，也是一種成型和燒成同時(shí)進(jìn)行的方法。1.備料粉料或預(yù)壓坯體。2.裝料封套材料：金屬箔、玻璃、陶瓷纖維或高熔點(diǎn)金屬（Mo、W、Ta）等。高溫下具有良好的塑性又能很好地傳遞壓力的材料。3.除氣1/17/2023國(guó)家精品課程——陶瓷工藝原理5.后處理即進(jìn)行第二次熱等靜壓燒結(jié)，以促使缺陷愈合、消除殘余氣孔。1/17/2023國(guó)家精品課程——陶瓷工藝原理等靜壓前后TiC/TiNi的顯微結(jié)構(gòu)1/17/2023國(guó)家精品課程——陶瓷工藝原理6.7.3.2熱等靜壓設(shè)備1/17/2023國(guó)家精品課程——陶瓷工藝原理6.7.4真空燒結(jié)法在真空中進(jìn)行燒結(jié)的方法。在真空中施加機(jī)械壓力進(jìn)行燒結(jié)的方法稱為真空熱壓燒結(jié)。優(yōu)點(diǎn)：1.可避免O2、N2及填料成分對(duì)材料的污染，提高材料的性能。2.真空燒結(jié)有利于坯體的排氣，可獲得高度致密的制品。3.能更好地排除Si、Al、Mg、Ca等微量氧化物雜質(zhì)。4.經(jīng)真空燒結(jié)的陶瓷切削刀具易于焊接。主要用于燒結(jié)高溫陶瓷以及含TiC的硬質(zhì)合金、含鈷的金屬陶瓷等。1/17/2023國(guó)家精品課程——陶瓷工藝原理1/17/2023國(guó)家精品課程——陶瓷工藝原理6.7.5微波燒結(jié)（MicrowaveSintering）微波燒結(jié)是利用微波具有的特殊波段與材料的基本細(xì)微結(jié)構(gòu)耦合而產(chǎn)生熱量，材料在電磁場(chǎng)中的介質(zhì)損耗使材料整體加熱至燒結(jié)溫度而實(shí)現(xiàn)致密化的方法。在微波燒結(jié)技術(shù)中使用的頻率主要為915MHz和2.45GHz兩種波段。1/17/2023國(guó)家精品課程——陶瓷工藝原理6.7.5.1微波燒結(jié)的優(yōu)點(diǎn)（1）微波與材料直接耦合導(dǎo)致整體加熱。（2）微波燒結(jié)升溫速度快，燒結(jié)時(shí)間短。（3）安全無(wú)污染。（4）能實(shí)現(xiàn)空間選擇性燒結(jié)。1/17/2023國(guó)家精品課程——陶瓷工藝原理6.7.5.2微波燒結(jié)機(jī)理在絕熱環(huán)境下，當(dāng)忽略材料在加熱過(guò)程中的潛能（如反應(yīng)熱、相變熱等）變化時(shí)，單位體積材料在微波場(chǎng)作用下的升溫速率為：式中f為微波工作頻率；ε’為材料介電損耗；ε0為空間介電常數(shù)；E為微波電場(chǎng)強(qiáng)度；Cp為材料熱容；ρ為材料密度。1/17/2023國(guó)家精品課程——陶瓷工藝原理6.7.5.3材料與微波場(chǎng)的作用類型材料與微波的作用方式示意圖Al2O3，MgO，SiO2以及大多數(shù)玻璃制品等金屬材料Co2O3，MnO2，NiO，CuO，SiC，ZrO2，BaTiO3，Si3N4等1/17/2023國(guó)家精品課程——陶瓷工藝原理6.7.5.4微波燒結(jié)系統(tǒng)微波燒結(jié)系統(tǒng)主要包括三部分：微波發(fā)生器（微波源，microwavegenerator）；微波傳輸系統(tǒng)（波導(dǎo)，waveguide）；微波諧振腔（燒結(jié)腔體，Resonancechamber）。1/17/2023國(guó)家精品課程——陶瓷工藝原理5KW,2.45GHz微波發(fā)生器紅外測(cè)溫裝置&控制冷卻水系統(tǒng)微波燒結(jié)陶瓷裝置示意圖保溫結(jié)構(gòu)多模諧振腔其它重要部分：測(cè)溫與控制系統(tǒng)；保溫結(jié)構(gòu)；輔助加熱體。1/17/2023國(guó)家精品課程——陶瓷工藝原理6.7.6反應(yīng)燒結(jié)（reaction-bondedsintering）反應(yīng)燒結(jié)是讓原料混合物發(fā)生固相反應(yīng)或原料混合物與外加氣（液）體發(fā)生固—?dú)猓ㄒ海┓磻?yīng)，以合成材料，或者對(duì)反應(yīng)后的反應(yīng)體施加其它處理工藝以加工成所需材料的一種技術(shù)。反應(yīng)燒結(jié)氮化硅（Reaction-BondedSiliconNitride，RBSN）反應(yīng)燒結(jié)碳化硅（Reaction-BondedSiliconCarbide，RBSC）1/17/2023國(guó)家精品課程——陶瓷工藝原理6.7.7

放電等離子體燒結(jié)(SparkPlasmaSintering，SPS)又稱脈沖電流燒結(jié)。該技術(shù)的主要特點(diǎn)是利用體加熱和表面活化，實(shí)現(xiàn)材料的超快速致密化燒結(jié)?？蓮V泛用于磁性材料、梯度功能材料、納米陶瓷、纖維增強(qiáng)陶瓷和金屬間化合物等系列新型材料的燒結(jié)。SPS主要是利用外加脈沖強(qiáng)電流形成的電場(chǎng)清潔粉末顆粒表面氧化物和吸附的氣體，凈化材料，活化粉末表面，提高粉末表面的擴(kuò)散能力，再在較低機(jī)械壓力下利用強(qiáng)電流短時(shí)加熱粉體進(jìn)行燒結(jié)致密。1/17/2023國(guó)家精品課程——陶瓷工藝原理6.7.8爆炸燒結(jié)（ExplosionSintering）爆炸粉末燒結(jié)是利用炸藥爆轟產(chǎn)生的能量，以沖擊波的形式作用于金屬或非金屬粉末，在瞬態(tài)、高溫、高壓下發(fā)生燒結(jié)的一種材料加工或合成的新技術(shù)。1/17/2023國(guó)家精品課程——陶瓷工藝原理6.8.1間歇式窯爐電爐、高溫倒焰窯、梭式窯和鐘罩窯。6.8.1.1電爐電阻爐、感應(yīng)爐、電弧爐等。6.8燒結(jié)設(shè)備1/17/2023國(guó)家精品課程——陶瓷工藝原理1、電阻加熱爐箱式電阻爐實(shí)物圖（a）和爐體結(jié)構(gòu)示意圖（b）

1/17/2023國(guó)家精品課程——陶瓷工藝原理管式電阻爐實(shí)物圖（a）和爐體結(jié)構(gòu)示意圖（b）1/17/2023國(guó)家精品課程——陶瓷工藝原理2、電磁感應(yīng)加熱爐（magneticinductionheating）由于電磁感應(yīng)作用在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，而這種感應(yīng)電流因?yàn)閷?dǎo)體的電阻而產(chǎn)生熱能的一種電爐。它又可分為感應(yīng)熔煉爐和感應(yīng)加熱爐，常利用感應(yīng)爐研制氮化硅等。3、電弧爐（arcinductionheating）熱量主要由電弧產(chǎn)生的電加熱爐，用于人工合成云母、生產(chǎn)氧化鋁空心球及硅酸鋁耐火纖維優(yōu)質(zhì)保溫材料等。1/17/2023國(guó)家精品課程——陶瓷工藝原理6.8.1.2高溫倒焰窯（reverseflamekiln）倒焰窯示意圖1-窯室；2-燃燒室；3-灰坑；4-窯底吸火孔；5-支煙道；6-主煙道；7-擋火墻；8-窯墻；9-窯頂；10-噴火口1/17/2023國(guó)家精品課程——陶瓷工藝原理6.8.1.3梭式窯（drawerkiln）梭式窯結(jié)構(gòu)示意圖1-窯室；2-窯墻；3-窯頂；4-燒嘴；5-升降窯門；6-支煙道；7-窯車；8-軌道1/17/2023國(guó)家精品課程——陶瓷工藝原理6.8.1.4鐘罩窯（bellkiln）1/17/2023國(guó)家精品課程——陶瓷工藝原理6.8.2連續(xù)式窯隧道窯、高溫推板窯和輥道窯。6.8.2.1、隧道窯（tunnelkiln）1/17/2023國(guó)家精品課程——陶瓷工藝原理6.8.2.2