陶瓷材料及其制備及加工工藝12

陶瓷材料及其制備和加工工藝第一章陶瓷材料基礎(chǔ)第二章陶瓷原料的制備第三章陶瓷的成型原理及工藝第四章陶瓷的燒結(jié)原理及工藝第五章典型陶瓷材料第一章陶瓷材料基礎(chǔ)第一節(jié)陶瓷材料的概念

第二節(jié)陶瓷材料的結(jié)構(gòu)

第三節(jié)陶瓷材料的性能陶瓷材料基礎(chǔ)玻璃、水泥、陶瓷石英鐘表

手表上的“19鉆”(人造紅寶石軸承的數(shù)目)

金剛石鉆頭、刀片

隱形飛機(jī)（特殊光學(xué)材料）彩電（熒光材料）煤氣爐中的電子打火(壓電陶瓷)

海底電纜;信息高速公路（光導(dǎo)纖維）電腦的CPU（單晶硅）生活中的無機(jī)非金屬材料陶瓷材料基礎(chǔ)一、概念傳統(tǒng)陶瓷：是指以粘土、長(zhǎng)石、石灰石、石英等天然礦物為原料，經(jīng)過原料配制、坯料成型后經(jīng)高溫?zé)傻囊活愔破罚M成上以硅酸鹽為主。

隨著與陶瓷工藝相近的無機(jī)材料的不斷出現(xiàn)，陶瓷概念的外延也不斷擴(kuò)大。近代陶瓷：以高純度化工原料和合成礦物為原料制造而成，組成上以非硅酸鹽為特征。廣義陶瓷：是以離子鍵及共價(jià)鍵為主要結(jié)合的含有金屬和非金屬元素的復(fù)雜化合物和固溶體，泛指所有的無機(jī)非金屬材料制品。它不僅包括傳統(tǒng)的陶瓷材料（如：陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料、搪瓷、磨料等），還包括新型陶瓷材料（非金屬磁性材料、鐵電體、人造單晶、玻璃－陶瓷、氧化物及非氧化物陶瓷等）。陶瓷材料基礎(chǔ)陶瓷材料的概念第一節(jié)陶瓷材料的概念與分類二、分類1、按原料和組成不同分：

按化學(xué)成分不同，新型陶瓷分為：氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷和硼化物陶瓷等。按性能和用途不同，新型陶瓷分為：傳統(tǒng)陶瓷（錄像）：以粘土等天然的硅酸鹽礦物為原料制造而成，主要應(yīng)用于日常生活和工業(yè)生產(chǎn)。（如：陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料、搪瓷、磨料等）新型陶瓷（工程陶瓷、精細(xì)陶瓷、特種陶瓷錄像）：以高純度化工原料和合成礦物為原料制造而成，組成上以非硅酸鹽為特征。1）結(jié)構(gòu)陶瓷：強(qiáng)調(diào)材料的高溫力學(xué)性能或機(jī)械性能。如：高溫結(jié)構(gòu)陶瓷（刀具、軸承、發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的元件等）2）功能陶瓷：具有電、磁、聲、光、熱、化學(xué)及生物特性，且具有相互轉(zhuǎn)化功能。如：（壓電陶瓷、鐵氧體、光導(dǎo)纖維、氣敏陶瓷、生物陶瓷等）陶瓷材料基礎(chǔ)陶瓷材料的分類2、按使用性能陶瓷可分為：建筑陶瓷、衛(wèi)生陶瓷、日用陶瓷、藝術(shù)陶瓷、實(shí)驗(yàn)室用陶瓷和工業(yè)陶瓷。3、按陶瓷坯體之密度不同，可把陶瓷分為(書161)粗陶器特種陶瓷陶器瓷器精陶器細(xì)瓷陶瓷材料基礎(chǔ)陶瓷材料的分類

材料

品種示例傳

統(tǒng)

無

機(jī)

非

金

屬

材

料

水泥和其他膠凝材料

硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、石灰、石膏等

陶

瓷

黏土質(zhì)、長(zhǎng)石質(zhì)、滑石質(zhì)和骨灰質(zhì)陶瓷等

耐火材料

硅質(zhì)、硅酸鋁質(zhì)、高鋁質(zhì)、鎂質(zhì)、鉻鎂質(zhì)等

玻

璃

硅酸鹽、硼酸鹽、氧化物、硫化物和鹵素化合物玻璃等

搪

瓷

鋼片、鑄鐵、鋁和銅胎等

鑄

石

輝綠巖、玄武巖、鑄石等

研磨材料

氧化硅、氧化鋁、碳化硅等

多孔材料

硅藻土、蛭石、沸石、多孔硅酸鹽和硅酸鋁等

碳素材料

石墨、焦炭和各種碳素制品等

非金屬礦

黏土、石棉、石膏、云母、大理石、水晶和金剛石等陶瓷材料基礎(chǔ)陶瓷材料的分類新

型

無

機(jī)

非

金

屬

材

料

高頻絕緣材料

氧化鋁、氧化鈹、滑石、鎂橄欖石質(zhì)陶瓷、石英玻璃和微晶玻璃等

鐵電和壓電材料

鈦酸鋇系、鋯鈦酸鉛系材料等

磁性材料

錳-鋅、鎳-鋅、錳-鎂、鋰-錳等鐵氧體、磁記錄和磁泡材料等

導(dǎo)體陶瓷

鈉、鋰、氧離子的快離子導(dǎo)體和碳化硅等

半導(dǎo)體陶瓷

鈦酸鋇、氧化鋅、氧化錫、氧化釩、氧化鋯等過渡金屬元素氧化物系材料等

光學(xué)材料

釔鋁石榴石激光材料，氧化鋁、氧化釔透明材料和石英系或多組分玻璃的光導(dǎo)纖維等

高溫結(jié)構(gòu)陶瓷

高溫氧化物、碳化物、氮化物及硼化物

超硬材料

碳化鈦、人造金剛石和立方氮化硼等

人工晶體

鈮酸鋰、鉭酸鋰、砷化鎵、氟金云母等

生物陶瓷

長(zhǎng)石質(zhì)齒材、氧化鋁、磷酸鹽骨材等陶瓷材料基礎(chǔ)陶瓷材料的分類第二節(jié)陶瓷材料的結(jié)構(gòu)一、陶瓷材料的結(jié)合鍵

陶瓷材料的結(jié)合鍵主要為共價(jià)鍵和離子鍵。陶瓷材料中剛玉型結(jié)構(gòu)便是典型的離子化合物。典型的共價(jià)化合物是金剛石。實(shí)際陶瓷材料中常存在一種或幾種鍵。二、陶瓷材料的物相從陶瓷材料顯微結(jié)構(gòu)分析，陶瓷的顯微組織是由晶相、玻璃相和氣相組成。陶瓷材料基礎(chǔ)陶瓷材料的結(jié)構(gòu)晶相低熔物：玻璃相陶瓷顯微組織氣相返回陶瓷材料基礎(chǔ)陶瓷材料的結(jié)構(gòu)

1）晶相

是陶瓷材料的主要組成相，晶相相互交織形成陶瓷結(jié)構(gòu)的骨架。

陶瓷中的晶相主要有硅酸鹽、氧化物、非氧化物三種。①硅酸鹽

硅酸鹽是傳統(tǒng)陶瓷的主要晶相。②氧化物氧化物是大多數(shù)典型陶瓷，特別是特種陶瓷的主要組成和晶體相。最重要的氧化物晶體相有AO、AO2、A2O3、ABO3和AB2O4等（A、B表示陽(yáng)離子）。③非氧化物是指不含氧的金屬碳化物、氮化物、硅化物及硼化物等，它們是新型陶瓷,特別是金屬陶瓷的主要晶相和晶體相。主要由高鍵能的共價(jià)鍵結(jié)合，但也有離子鍵和金屬鍵。陶瓷材料基礎(chǔ)陶瓷材料的結(jié)構(gòu)組成硅酸鹽的基本結(jié)構(gòu)是[SiO4]四面體。在化合物中，SiO4以不同方式共角連接。[SiO4]四面體粘土礦物的成分:高嶺石結(jié)構(gòu)陶瓷主要原料:粘土返回陶瓷材料基礎(chǔ)陶瓷材料的結(jié)構(gòu)AO類型的氧化物：如MgO、CaO、BaO、MnO等。氧離子排列成面心立方堆積，陽(yáng)離子則填充在所有的八面體間隙位置上，形成完整的立方晶格。MgO結(jié)構(gòu)AO2類型的幾種氧化物：如TiO2、UO2、等。陽(yáng)離子位于立方面心的結(jié)點(diǎn)位置上，氧離子位于立方體內(nèi)8個(gè)小立方體的中心。UO2結(jié)構(gòu)返回陶瓷材料基礎(chǔ)陶瓷材料的結(jié)構(gòu)ABO3類型氧化物。如鈣鈦礦CaTiO3。AB2O4類型氧化物為典型的尖晶石結(jié)構(gòu)，如MgAl2O4。A2O3類型的氧化物是典型的剛玉結(jié)構(gòu)(如Al2O3、Fe2O3)。氧離子作近似立方密堆，鋁離子則充填三分之二的八面體位置

返回陶瓷材料基礎(chǔ)陶瓷材料的結(jié)構(gòu)2）玻璃相

玻璃是由熔體固化而成，是過冷狀態(tài)的一種粘度極高的液體，結(jié)構(gòu)不規(guī)則（原子排列近程有序，遠(yuǎn)程無序）。

玻璃態(tài)是物質(zhì)無定形態(tài)的一種。物質(zhì)的玻璃結(jié)構(gòu)與晶體結(jié)構(gòu)相似，是由離子多面體構(gòu)成的空間網(wǎng)絡(luò)，只是其排列缺少對(duì)稱性及重復(fù)性，是無規(guī)則排列而已。晶體結(jié)構(gòu)

玻璃結(jié)構(gòu)

物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)與玻璃結(jié)構(gòu)陶瓷材料基礎(chǔ)陶瓷材料的結(jié)構(gòu)陶瓷中的玻璃相的主要作用是：1)填充晶體相之間的空隙，并將分散的晶相粘結(jié)起來，提高材料的致密度；

2)降低燒結(jié)溫度，促進(jìn)燒結(jié)；

3)玻璃相粘度高，阻止晶體轉(zhuǎn)變，抑制晶體長(zhǎng)大；

4)獲得一定程度的玻璃特性，如透光性等。（釉）

但玻璃相的熔點(diǎn)低,對(duì)陶瓷的機(jī)械強(qiáng)度，介電性能（電容器），耐熱性能等是不利的（高溫結(jié)構(gòu)陶瓷、耐火材料），不能成為陶瓷的主導(dǎo)組成相，陶瓷中玻璃相的體積分?jǐn)?shù)一般為20%～40%。

陶瓷材料基礎(chǔ)陶瓷材料的結(jié)構(gòu)3）氣相

氣相是殘存在陶瓷組織內(nèi)部的孔隙。根據(jù)氣孔的多少，陶瓷分為致密陶瓷、無開孔陶瓷和多孔陶瓷。除多孔陶瓷外，氣孔的存在對(duì)陶瓷的性能不利，它常常是裂紋產(chǎn)生的根源，降低陶瓷的強(qiáng)度，使介電損耗增大等。普通陶瓷的氣孔率為5%～10%，特種陶瓷的小于5%。金屬陶瓷則要求低于0.5%。氣孔對(duì)陶瓷相對(duì)強(qiáng)度的影響陶瓷材料基礎(chǔ)陶瓷材料的結(jié)構(gòu)介電損耗:絕緣材料在電壓作用下所引起的能量損耗。介電損耗愈小，絕緣材料的質(zhì)量愈好，絕緣性能也愈好。第三節(jié)陶瓷材料的性能

陶瓷材料突出的性能特點(diǎn)是：熔點(diǎn)高、耐熱性好（陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)）；硬度高，具有良好耐磨性和抗壓能力（刀具、磨料）；化學(xué)穩(wěn)定性好，不老化，具有良好的耐蝕性（耐火材料、坩堝材料）；陶瓷既是良好的絕緣體，又是半導(dǎo)體、導(dǎo)體和超導(dǎo)體。但陶瓷的脆性大，受力時(shí)很難產(chǎn)生塑性變形，裂紋敏感性強(qiáng)，抗溫度急變能力低等，這也是影響其廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。陶瓷材料基礎(chǔ)陶瓷材料的性能陶瓷，尤其是氮化硅和碳化硅陶瓷具有高溫強(qiáng)度、耐蝕性和耐磨性，用它們來制造發(fā)動(dòng)機(jī)已成為當(dāng)前世界各國(guó)奮力追求的目標(biāo)。陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)越性為：①可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度，從而大大提高效率。例如，對(duì)內(nèi)燃機(jī)而言，目前作為其制造材料的鎳基耐熱合金，工作溫度在1000℃左右。而采用陶瓷材料，則可以將工作溫度提高到1300℃，使發(fā)動(dòng)機(jī)效率提高30%左右。②工作溫度高，可使燃料燃燒充分，所排廢氣中的有害成分大為降低，這不僅降低了能源消耗，而且減少了環(huán)境污染。③陶瓷的熱傳導(dǎo)性比金屬低，這使發(fā)動(dòng)機(jī)的熱量不易散發(fā)，節(jié)省能源。④陶瓷具有較高的高溫強(qiáng)度和熱傳導(dǎo)性，可延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。

陶瓷首先在高溫燃?xì)廨啓C(jī)中，可用于制造葉片、燃燒筒、套管、主軸軸承等，用陶瓷代替鎳基、鈷基耐熱合金，成本可降低到原來的1／30。同時(shí)，陶瓷也可用于制造內(nèi)燃機(jī)，可用于制造活塞內(nèi)襯、氣缸、預(yù)燃燒室、挺桿、閥門、噴嘴、渦輪增壓器轉(zhuǎn)子及軸承等零部件。據(jù)測(cè)算，若汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的所有零部件都采用陶瓷制造，其重量可比合金發(fā)動(dòng)機(jī)輕2／3，燃料費(fèi)下降20%。

阻礙陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)用化的主要障礙是陶瓷的脆性和由此導(dǎo)致的低可靠性。若能解決這個(gè)問題，將會(huì)給人類社會(huì)的發(fā)展提供強(qiáng)大的推動(dòng)力。習(xí)題與思考：一．填空1.按原料和組成不同陶瓷材料分為傳統(tǒng)陶瓷和新型陶瓷。傳統(tǒng)陶瓷以————為原料，經(jīng)————

、

————后經(jīng)————的一類制品。2.結(jié)構(gòu)陶瓷作為結(jié)構(gòu)材料用來制造結(jié)構(gòu)零部件，主要利用其————和————等性能。3.組成硅酸鹽的基本結(jié)構(gòu)是以————為中心，周圍排布————，構(gòu)成[SiO4]四面體。二、選擇題1.陶瓷的顯微組織中包括————、玻璃相和氣相組成。硅酸鹽氧化物非氧化物晶相2.陶瓷材料的熱性能包括熔點(diǎn)、熱容、導(dǎo)熱性、——及熱穩(wěn)定性等。熱膨脹性能硬度塑性彈性模量

三、簡(jiǎn)答題1陶瓷材料的種類。2陶瓷材料的特點(diǎn)有哪些？3試述陶瓷材料的主要物相及作用。第二章陶瓷原料的制備

（錄像）第一節(jié)粉體工程基礎(chǔ)第二節(jié)陶瓷粉體的制備第三節(jié)陶瓷粉體的處理陶瓷原料的制備

一般而言，陶瓷原料大都是粉體狀態(tài)。粉體是指大量固體顆粒的集合體。它由微粒固相和氣相組成，表示物質(zhì)的一種存在狀態(tài)。依據(jù)粒徑尺寸大小可劃分為：〉100μm1—100μm〈1μm〈0.1μm0.05—40μm顆粒粉體超細(xì)粉體納米粉體陶瓷粉體2.1粉體工程基礎(chǔ)陶瓷原料的制備粉體工程基礎(chǔ)2.1.1粉體的表征和測(cè)量一、顆粒形狀

顆粒形狀與物質(zhì)的性能之間存在著密切的關(guān)系，它對(duì)顆粒群（粉體)的性質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生影響，由于顆粒形狀千差萬(wàn)別，通常準(zhǔn)確描述粉體顆粒的形狀是困難的。為此，粗略地劃分為規(guī)則形狀和不規(guī)則形狀兩類，并以幾何形狀的名稱近似地加以描述。

目前，測(cè)定顆粒形狀的唯一方法是圖像分析儀。

粉體顆粒的形狀因粉體的制備方法不同而各異。工程上根據(jù)不同的目的，對(duì)顆粒形狀有著不同的要求。

粉末顆粒形狀a.球形b.近球形c.多角形d.片狀e.樹枝狀f.不規(guī)則形g多空海綿狀h.碟狀顆粒的大小和形狀是粉體材料最重要的物性表征量。陶瓷原料的制備粉體工程基礎(chǔ)按ISO3252定義，晶粒（A）、顆粒（B）、聚合體（C）的區(qū)別如右圖所示。二、粒度與粒徑

由于細(xì)顆粒的團(tuán)聚作用，粉體一般是大量顆粒的聚合體。

單顆粒粒徑，是針對(duì)一個(gè)顆粒按照某一規(guī)定而獲取的一個(gè)恒定數(shù)值；粉末粒徑（particlesize），則是指對(duì)許多粉末顆粒采用一定的測(cè)量方法而得出的、具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的一組值，包括統(tǒng)計(jì)平均值和統(tǒng)計(jì)分布。陶瓷原料的制備粉體工程基礎(chǔ)

1、投影徑：采用顯微鏡測(cè)試

2、三軸徑：球形顆粒的直徑就是粒徑（particlediameter）。非球形顆粒的粒徑則用球體、立方體或長(zhǎng)方體的尺寸表示。粒徑名稱公式定義三軸平均徑三軸算術(shù)平均徑三軸幾何平均徑與顆粒外接長(zhǎng)方體體積相等的立方體的棱長(zhǎng)三軸調(diào)和平均徑與顆粒外接長(zhǎng)方體比表面及相等的球的直徑陶瓷原料的制備粉體工程基礎(chǔ)4、等沉降速度相當(dāng)徑（斯托克斯徑）

斯托克斯假設(shè)：當(dāng)速度達(dá)到極限值時(shí)．在無限大范圍的粘性流體中沉降的球體顆粒的阻力，完全由流體的粘滯力所致。只要測(cè)得粉體在介質(zhì)中的沉降速度，就可以求得該種粉體的斯托克斯徑。3、球當(dāng)量徑:把顆?？醋飨喈?dāng)?shù)那?并以球的直徑代表顆粒的有效直徑(1)與顆粒同體積V的球直徑稱為等體積當(dāng)量徑以Dv表示，即

(2)與顆粒等表面積S的球的直徑稱為等表面積當(dāng)量徑以Ds表示，即

(3)與顆粒具有相同的表面積對(duì)體積之比即具有相同的體積比表面積Sv的球的直徑稱為比表面積球當(dāng)量徑，以De表示，陶瓷原料的制備粉體工程基礎(chǔ)

對(duì)于某一粉體系統(tǒng)來說，若顆粒粒度都相同或近似相同，稱為單分散體系。而實(shí)際粉體所含顆粒的粒度大都有一個(gè)分布范圍，常稱為多分散的體系。

由于實(shí)際粉體大都由粒度不等的顆粒組成，所以它就存在一個(gè)粒度分布范圍，簡(jiǎn)稱粒度分布。粒度分布通常用簡(jiǎn)單的圖表或函數(shù)形式來表示。

三、粉體的粒度分布（particlediameterdistribution）

1）頻度分布（微分型）：用橫坐標(biāo)表示粒徑，縱坐標(biāo)表示各粒徑對(duì)應(yīng)的顆粒百分含量。

2）累積分布（積分型）：用橫坐標(biāo)表示粒徑，縱坐標(biāo)表示小于(或大于)某粒徑的顆粒占全部顆粒的百分含量。陶瓷原料的制備粉體工程基礎(chǔ)Dm：出現(xiàn)幾率最大的粉體尺寸。D50：該粒徑尺寸兩側(cè)的粉體的質(zhì)量（個(gè)數(shù)）相等。D平均：所有顆粒尺寸的平均值。陶瓷原料的制備粉體工程基礎(chǔ)直徑（μm)<50<75<100<125<150<175360克的積累質(zhì)量(g)0601502703303601、顆粒分布粒度分布圖

對(duì)同一粉體，由于采用不同的表征方法，其粒徑值也不同。因此，粉末粒徑不是一個(gè)固定值，在表示粉末粒徑時(shí)，必須同時(shí)說明三點(diǎn)內(nèi)容，即：粒徑值、表征方法及測(cè)量方法。

陶瓷原料的制備粉體工程基礎(chǔ)陶瓷原料的制備粉體工程基礎(chǔ)四、粒度與粒徑的測(cè)試1、篩分法：篩分法有標(biāo)準(zhǔn)篩制和非標(biāo)準(zhǔn)篩制，我國(guó)實(shí)行的是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)篩制，其單位是“目”。

①目：篩網(wǎng)口1英寸（25.4mm）長(zhǎng)度內(nèi)的網(wǎng)孔數(shù)。

②Tyler篩：0.075×的篩孔尺寸d目數(shù)(mesh)微米(μm)目數(shù)(mesh)微米(μm)目數(shù)(mesh)微米(μm)目數(shù)(mesh)微米(μm)2.5792512139760246325473588014116565220400384459916991801985002553962208331001656252063327247011101508001572794275891708812501082362324952007525005919813541725061625021016514035027053125001我國(guó)通常使用的篩網(wǎng)目數(shù)與粒徑（μm）對(duì)照表。3、激光衍射法：（如圖）

原理：

①光照到顆粒時(shí)產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。

②小顆粒衍射角大，大顆粒衍射角小。

③某衍射角光強(qiáng)度與相應(yīng)粒度的顆粒數(shù)量有關(guān)。

測(cè)量裝置：（如圖）2、顯微鏡法：陶瓷原料的制備粉體工程基礎(chǔ)4、沉降法：

①原理：

a）沉降規(guī)律：在具有一定粘度的粉末懸濁液內(nèi)，大小不等的顆粒自由沉降時(shí)，其速度是不同的，顆粒越大沉降速度越快。如果大小不同的顆粒從同一起點(diǎn)高度同時(shí)沉降，經(jīng)過一定距離（時(shí)間）后，就能將粉末按粒度差別分開。（沉降天平）

b）光吸收率

I=f1（t）=f2（d）（光透過法）

②測(cè)量原理：依據(jù)上述沉降規(guī)律，人們?cè)O(shè)計(jì)制作了粉末粒度的沉降分析儀，測(cè)量原理如圖所示。一束光照射到樣品池后，內(nèi)部的粉末懸浮液對(duì)光產(chǎn)生吸收，透射過的光束被另一端的光探測(cè)器接受。陶瓷粉體是由顆粒群構(gòu)成的，其顆粒平均大小被定義為該粉體的粒度。描述粒度的方法等體積球相當(dāng)徑等比表面積球相當(dāng)徑等沉降速度相當(dāng)徑物理意義用與顆粒等體積球的直徑來描述。用與顆粒等比表面積球的直徑來描述。斯托克斯假設(shè)Vstk=測(cè)量參數(shù)體積比表面積斯托克斯相當(dāng)球徑測(cè)試方法和儀器激光法激光粒度儀透過法、吸附法（BET法）比表面儀沉降法、光透法；沉降天平、光透儀、X射線沉降儀優(yōu)缺點(diǎn)測(cè)試范圍寬0.04~500微米，操作簡(jiǎn)便，重復(fù)性和真實(shí)性好；不宜測(cè)粒度分布很窄的樣品，分辨率相對(duì)較低

測(cè)量大于1微米的顆粒誤差大；重復(fù)性好結(jié)果取決于分散相的密度，狀態(tài)、表面積，分散介質(zhì)的密度﹑粘度的影響；測(cè)量范圍寬，有一定的精度和重復(fù)性

陶瓷原料的制備粉體工程基礎(chǔ)陶瓷原料的制備粉體基本性質(zhì)2.1.2粉體基本性質(zhì)一、粉體的能量

①比表面積、表面能增大，表面與界面效應(yīng)增強(qiáng)。（表1）

②表層原子數(shù)比例增大，表面結(jié)構(gòu)成為影響材料性能的主要因素。（表2）

（3）粉末材料細(xì)化后的性能（表3）表1立方體細(xì)化的數(shù)據(jù)

項(xiàng)目

破碎前

破碎后

倍數(shù)

個(gè)數(shù)

1

80億

80億總體積

1000mm3

1000mm3

1總面積

600mm2

1200000mm2

2000

棱邊數(shù)

12

960億個(gè)

80億

頂角數(shù)

8

640億個(gè)

80億

表3銅顆粒粒徑與計(jì)算的比表面積、表面能粒徑/mm比表面積/m2*g-1

表面能/J*mol-1

表面能/結(jié)合能104

103

102

10

1

6.7×10-2

5.9

7.1×10-5

6.7×10-1

5.9×10

7.1×10-4

6.7

5.9×102

7.1×10-3

6.7×10

5.9×103

7.1×10-2

6.7×102

5.9×104

7.1×10-1表2表面原子隨顆粒粒徑的變化規(guī)律粒徑/（nm）1251020100總原子數(shù)表面原子數(shù)/總原子數(shù)309025080400403×1042025×104103×1072引起團(tuán)聚的主要原因有:(1)分子間的范德華引力；(2)顆粒間的靜電引力；(3)吸附水分產(chǎn)生的毛細(xì)管力（水的表面張力的收縮作用，引起顆粒間的牽引力）；(4)顆粒間的磁引力（單疇顆粒之間）；(5)顆粒表面不平滑引起的機(jī)械糾纏力。二、粉體顆粒的團(tuán)聚

粉體顆粒是指在物質(zhì)的結(jié)構(gòu)不發(fā)生改變的情況下，分散或細(xì)化而得到的固體基本顆粒。這種基本顆粒，一般是指沒有堆積、絮聯(lián)等結(jié)構(gòu)的最小單元，即一次顆粒。在實(shí)際應(yīng)用的粉體原料中，往往都有一定程度的團(tuán)聚顆粒，即所謂二次顆粒，尤其是特種陶瓷粉體原料，一般都比較細(xì)小，表面活性也比較大，更容易發(fā)生一次粒子間的團(tuán)聚。

陶瓷原料的制備粉體工程基礎(chǔ)為什么不同的方法表征同一種粉體，有時(shí)得到的結(jié)果會(huì)差別很大？1、基于的數(shù)學(xué)模型不同。一個(gè)非圓球形的顆粒，能表示顆粒大小的數(shù)值有一系列。而每一種測(cè)試方法的都是針對(duì)顆粒的某一個(gè)特定方面進(jìn)行的，是一系列數(shù)值中的一個(gè)。所以相同樣品用不同的粒度測(cè)試方法得到的結(jié)果有所不同是客觀原因造成的。顆粒的形狀越復(fù)雜，不同測(cè)試方法的結(jié)果相差越大。2、儀器原理不同。由于大多數(shù)的顆粒的形狀復(fù)雜，不同原理的儀器所測(cè)出的等效粒徑不同，所以測(cè)試結(jié)果不同。3、樣品制備方法造成粉體的團(tuán)聚狀態(tài)不同。比如取樣方法、分散劑的種類和數(shù)量、超聲波分散時(shí)間、合適的介質(zhì)以及電壓、溫度等環(huán)境因素影響。綜上所述，測(cè)試結(jié)果的不一致性有樣品本身的原因，有儀器的原因，有使用及樣品制備方面的原因。陶瓷原料的制備粉體工程基礎(chǔ)

陶瓷材料制品所用原料大部分是天然的礦物原料或巖石原料，其中多為硅酸鹽和鋁硅酸鹽礦物，先進(jìn)工程陶瓷材料用于具有特殊性能要求的場(chǎng)合，則需要采用均一而又高純的人工合成原料。2.2.1陶瓷原料的種類

2.2陶瓷粉體的制備根據(jù)在陶瓷中的作用不同，分為主要原料和輔助原料。主要原料有粘土、膨潤(rùn)土、長(zhǎng)石（堿金屬和堿土金屬的長(zhǎng)石）、滑石、菱鎂礦、方解石、石英、二氧化鈦、工業(yè)氧化鋁、二氧化鋯、堿土金屬碳酸鹽、稀有及稀土金屬氧化物(如Nb2O3、CeO2、La2O3、Y2O3等)及復(fù)合氧化物等，它們決定著陶瓷的性能。

輔助原料是用來改善坯料的性能，滿足陶瓷的成形等生產(chǎn)工藝要求。常用的輔助原料：粘結(jié)劑原料有甲基纖維素、聚乙醇、聚苯乙烯等；塑化劑原料有石蠟、甘油、酞酸二丁酯等；懸浮劑原料有水玻璃、碳酸鈉等。

陶瓷原料的制備陶瓷原料的制備粘土類原料是日用陶瓷的主要原料之一。粘土礦物主要是一些含水鋁硅酸鹽礦物，其化學(xué)成分主要是SiO2：、A12O3、和H2O，也含有少量的Fe2O3、FeO、TiO2、MnO、CaO、MgO、K2O、和Na2O等。粘土除可塑性外，通常還具有較高的耐火度、良好的吸水性、膨脹性和吸附性。

紅色粘土返回鋇冰長(zhǎng)石

長(zhǎng)石是陶瓷原料中最常用的熔劑性原料，能降低陶瓷坯體組分的熔化溫度，有利于成瓷和降低燒成溫度。長(zhǎng)石主要有四種基本類型：鈉長(zhǎng)石：Na2O．Al2O3，6SiO2

鉀長(zhǎng)石：K2O．Al2O3，6SiO2鈣長(zhǎng)石：CaO．Al2O3，2SiO2鋇長(zhǎng)石：BaO．Al2O3，2SiO2陶瓷原料的制備陶瓷原料的種類

滑石和蛇紋石均屬鎂的含水硅酸鹽礦物。是制造鎂質(zhì)瓷的主要原料。

滑石的結(jié)晶構(gòu)造式為Mg3[Si4O10](OH)2，化學(xué)通式為3MgO·4Sl02·H20。成分中常含有鐵、鋁、錳、鈣等雜質(zhì)。蛇紋石結(jié)晶構(gòu)造式為Mg3[Si2O5](OH)4，化學(xué)通式3MgO·2SiO2·2H20。

蛇紋石返回陶瓷原料的制備陶瓷原料的種類方解石的主要成分為碳酸鈣CaCO3。方解石能和坯料中的粘土及石英在較低溫度下起反應(yīng)，縮短燒成時(shí)間。方解石在是釉料的重要原料。菱鎂礦是一種天然礦石，化學(xué)通式為MgCO3。菱鎂礦不僅是制造耐火材料的重要原料，也是新型陶瓷工業(yè)中用于合成尖晶石(MgO．AL2O3)鈦酸鎂(MgO·TiO2)和鎂橄欖石瓷(2MgO．SiO2)等的主要原料。返回陶瓷原料的制備陶瓷原料的種類二氧化硅自然界中的二氧化硅結(jié)晶礦物可以統(tǒng)稱為石英，其中最純的石英晶體統(tǒng)為水晶。石英是陶瓷坯體中主耍組分之一，它在陶瓷生產(chǎn)中，不僅在坯體成形時(shí)可對(duì)泥料的可塑性起調(diào)節(jié)作用，縮短坯體的干燥時(shí)間；在燒成時(shí)石英的體積膨脹可部分地抵消坯體收縮的影響；石英顆粒構(gòu)成坯體的骨架，可防止坯體發(fā)生軟化變形等缺陷。返回陶瓷原料的制備陶瓷原料的種類

含二氧化鈦的天然礦物有金紅石、板鈦礦和銳鈦礦三種。

TiO2是陶瓷工業(yè)中常用原料之一。主要用作顏料工業(yè)、光學(xué)材料、寶石原料，以及制作介電陶瓷等。目前，絕大多數(shù)電容器陶瓷是含鈦陶瓷；建筑、衛(wèi)生陶瓷中，可用作坯料的著色劑，使坯體呈象牙黃色調(diào)。

金紅石結(jié)構(gòu)金紅石返回氧化鈦陶瓷原料的制備陶瓷原料的種類

陶瓷制品所用原材料的制備方法一般有兩種：—種是物理制備法．另一種是化學(xué)合成法。一、物理制備法1．機(jī)械法（1）機(jī)械研磨法

1）定義：利用動(dòng)能來破壞材料的內(nèi)結(jié)合力，使材料分裂產(chǎn)生新的界面而達(dá)到制粉的目的。

2）球磨制粉的基本要素：球磨筒、研磨物料、研磨介質(zhì)磨球3）提高球磨效率的基本原則

2.2.2陶瓷原料（粉體）的制備方法陶瓷原料的制備陶瓷粉體的制備動(dòng)能準(zhǔn)則：提高球磨的動(dòng)能。碰撞幾率準(zhǔn)則：提高球磨的有效碰撞幾率。

4）球磨方式分類：

滾筒式球磨、

振動(dòng)球磨、攪拌球磨

返回滾筒式球磨研磨介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)形式(a)低轉(zhuǎn)速(h)適宜轉(zhuǎn)速（c)臨界轉(zhuǎn)速陶瓷原料的制備陶瓷粉體的制備①工作原理：磨機(jī)內(nèi)的研磨介質(zhì)憑借磨機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)所獲得的能量對(duì)物料進(jìn)行沖擊粉碎和研磨粉碎.②特點(diǎn)

a、為獲得最佳研磨效果，滾筒球磨的轉(zhuǎn)速應(yīng)有一個(gè)限定條件：

V臨1〈V實(shí)際〈V臨2，故影響球磨效率。

b、傳動(dòng)方式：電機(jī)---＞減速器---＞球磨筒。滾筒式球磨振動(dòng)球磨示意圖返回陶瓷原料的制備陶瓷粉體的制備①工作原理：偏心振動(dòng)。通過機(jī)械振動(dòng)使磨球間及磨球與磨筒間產(chǎn)生激烈的沖擊和摩擦等作用，達(dá)到細(xì)化顆粒的目的。

②振動(dòng)球磨特點(diǎn)：通過振動(dòng)方式輸入能量，不存在滾筒球磨的上下臨界轉(zhuǎn)速的限制，因而可在很高的振動(dòng)速度（振幅+振動(dòng)頻率）下進(jìn)行研磨，磨粉粒度小，生產(chǎn)效率高。振動(dòng)球磨

返回陶瓷原料的制備陶瓷粉體的制備工作原理：研磨介質(zhì)及物料間的作用是由高速旋轉(zhuǎn)的葉片產(chǎn)生的。研磨介質(zhì)間劇烈的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生剪切、擠壓和摩擦力，使物料粒子產(chǎn)生破碎。

未被粉碎的顆粒受離心力作用被甩向砂磨機(jī)筒壁，此區(qū)研磨介質(zhì)密度最大，從而強(qiáng)化了粉碎作用。粉碎后的微小顆粒經(jīng)分離器與研磨介質(zhì)分離后流出砂磨機(jī)。

攪拌球磨陶瓷原料的制備陶瓷粉體的制備（2）氣流研磨法

1）定義：不需磨球及其它研磨介質(zhì)，而通過氣體傳輸粉料的研磨方法。

2）基本要素：粉磨設(shè)備、氣體、研磨物料。

3）提高氣流研磨效率的基本原則：

①動(dòng)能原則：提高粉末顆粒的動(dòng)能；

②碰撞幾率準(zhǔn)則：提高粉末顆粒的碰撞幾率。

4）氣流研磨類型：旋渦研磨、冷流沖擊、流態(tài)化床氣流磨返回壓力氣體通過加料噴射器所形成的高速射流，使粉碎原料被噴射入粉碎室。粉碎室外圍的粉碎噴嘴，有方向性地向粉碎室噴射高速氣流。使粉料間產(chǎn)生激烈的碰撞、摩擦、剪切、從而被粉碎。

高速射流在粉碎室內(nèi)形成強(qiáng)烈的旋流，所產(chǎn)生的離心力使粉體粒子在粉碎室外圍高速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)粒徑被粉碎到分級(jí)粒徑以下時(shí)，因離心力減小而受向心氣流作用脫離分級(jí)旋流，由中心出口進(jìn)入捕集系統(tǒng)。陶瓷原料的制備陶瓷粉體的制備機(jī)械粉碎法的特點(diǎn)：

機(jī)械粉碎方法具有生產(chǎn)量大，成本低的優(yōu)點(diǎn)，但通常不易制得平均粒徑在１μｍ以下的粉料，而且有粒徑分布范圍較寬，容易帶入雜質(zhì)的缺點(diǎn)。

采用同磨襯和磨介避免雜質(zhì)。采用助磨劑提高粉碎效率。從機(jī)械方式粉碎過程和微粒運(yùn)動(dòng)的力學(xué)的角度看，可認(rèn)為粉碎微粒以及微粒團(tuán)聚的過程類似一種可逆反應(yīng)過程，即：原料─→粗顆粒─→粉碎─→細(xì)微化─→細(xì)顆粒─→產(chǎn)品└←─粗大化←──團(tuán)聚←──┘當(dāng)粉碎和團(tuán)聚的反應(yīng)速度接近相等時(shí)，兩個(gè)方向的反應(yīng)流程趨向平衡，粉碎加工能力達(dá)到極限，幾乎不會(huì)再有更多新的微粒產(chǎn)生。此后，即使是繼續(xù)延長(zhǎng)加工時(shí)間，也不可能提高超細(xì)粉的出產(chǎn)率。

陶瓷原料的制備陶瓷粉體的制備思考:為什么機(jī)械粉碎法很難得到粒徑小于１μｍ的粉體？

1、陶瓷是脆性材料，當(dāng)變成微粉時(shí)，表面能增加，粒子間的凝集就會(huì)增加。2、粉碎中粒子間相互滑動(dòng)或顆粒產(chǎn)生彈性變形、點(diǎn)陣畸變、位錯(cuò)等缺陷，將外加能量消耗掉，造成粉碎效率降低，從而達(dá)到具有某種范圍粒徑的粉碎平衡。3、若繼續(xù)粉碎，外力將對(duì)粒子起機(jī)械化學(xué)作用（能量轉(zhuǎn)化為熱能或其他能量），使這些粒子的溶解性、燒結(jié)性、腐蝕性都有所增加。助磨劑的作用機(jī)理1、助磨劑作用于固體顆粒表面，減小顆粒表面的晶格畸變，從而降低顆粒的強(qiáng)度或硬度。2、吸附在顆粒表面，減小了顆粒的表面能。3、助磨劑吸附在顆粒表面，平衡因粉碎產(chǎn)生的不飽和價(jià)鍵，防止顆粒再度聚集。陶瓷原料的制備陶瓷粉體的制備陶瓷原料的制備陶瓷粉體的制備2、霧化法霧化法是一種典型的物理制粉方法，通過高壓霧化介質(zhì)強(qiáng)烈沖擊液流，或通過離心力使之破碎、冷卻來實(shí)現(xiàn)。

1）

霧化制粉原理：

大聚集體分裂成小液體顆粒，然后凝固成小固體顆粒。

2）霧化制粉過程

3）提高霧化制粉效率的基本準(zhǔn)則：

①能量交換準(zhǔn)則：提高單位時(shí)間內(nèi)單位質(zhì)量液體從系統(tǒng)中吸收能量的效率，以克服表面自由能的增加；

②快速凝固準(zhǔn)則：提高霧化液滴的冷卻速度，防止液體微粒的再次聚集。霧化制粉過程陶瓷原料的制備陶瓷粉體的制備4）霧化類型：雙流霧化：被霧化的液體流和噴射的介質(zhì)流；

利用壓縮空氣(或水蒸氣)以高速?gòu)膰娮靽姵?，借助于空?或蒸汽)和料液兩相間相對(duì)速度的不同而產(chǎn)生的摩擦力，把料液分散成霧滴。

雙流霧化法類型：氣霧化、水霧化離心霧化法：（屬于單流霧化）

離心霧化制粉是借助離心力的作用，將液態(tài)金屬破碎為小液滴，然后凝固為固態(tài)粉末顆粒的方法。5）霧化制粉的應(yīng)用:粉末冶金工業(yè)中金屬或合金粉末的制備陶瓷原料的制備陶瓷粉體的制備

蒸發(fā)—凝聚法是將原料加熱至高溫，使之蒸發(fā)、汽化成為原子或分子，再使原子或分子在較大溫度梯度條件下急冷，凝聚成超微顆粒。采用PVD方法所制得的陶瓷粉料直徑在5~100nm。適用于制備單相氧化物、復(fù)合氧化物、碳化物和金屬微粉。PVD法合成微顆粒過程示意圖

3．蒸發(fā)—凝聚法（PVD法）（一）固相法

利用固態(tài)物質(zhì)間所發(fā)生的各種固態(tài)反應(yīng)來制取粉末。原料：固態(tài)物質(zhì)。在制備陶瓷粉體原料中常用的固態(tài)反應(yīng)包括化合反應(yīng)、熱分解反應(yīng)和氧化物還原反應(yīng)。二、化學(xué)合成法陶瓷原料的制備陶瓷粉體的制備1、熱分解反應(yīng)法

許多高純氧化物粉末可以采用加熱相應(yīng)金屬的硫酸鹽、碳酸鹽、硝酸鹽的方法，通過熱分解制得性能優(yōu)異的粉未。例1：

CaCO3→CaO+CO2BaCO3→BaO+CO2例2：

鋁的硫酸銨鹽在空氣中加熱，可以得到性能優(yōu)異的氧化鋁粉末。陶瓷原料的制備陶瓷粉體的制備

2、化合反應(yīng):一般是兩種或兩種以上的固態(tài)物質(zhì)、經(jīng)混合后在一定的溫度與氣氛條件下生成另外一種或多種復(fù)合固態(tài)物質(zhì)的粉末．有時(shí)也可能伴隨某些氣體的逸出.例：鈦酸鋇陶瓷粉末的合成

BaCO3十TiO2→BaTiO3十CO2Al2O3+MgO→MgAl2O4Si十C→SiC3、氧化物還原法

碳化硅和氮化硅是十分重要的先進(jìn)工程陶瓷材料。在工業(yè)上經(jīng)常采用氧化物還原法制備陶瓷材料原料粉末。

例：SiO2+C→SiO+CO→SiC3SiO2+6C+2N2→Si3N4+6CO（二)液相法

已在先進(jìn)陶瓷材料的制造中得到了廣泛的應(yīng)用。液相法制備陶瓷粉末的主要優(yōu)點(diǎn)在于能更好地控制粉末化學(xué)成分，獲得混合均勻的多成分復(fù)合粉末，并有利于微量成份的添加。1、沉淀法

在金屬鹽溶液中添加或生成沉淀劑，并使溶液揮發(fā)，對(duì)所得到的鹽和氫氧化物通過加熱分解得到所需的陶瓷粉末。沉淀法分為直接沉淀法、均勻沉淀法和共沉淀法。直接沉淀法：直接加入沉淀劑，易產(chǎn)生不均勻沉淀

AlCl3+3NH4OH→Al(OH)3+4NH4Cl

Al(OH)3→Al2O3+3H2O

使用該方法時(shí)，一定要控制沉淀反應(yīng)的速度，因?yàn)榧词钩恋韯┑暮枯^低，不斷攪拌的情況下，沉淀劑的濃度在局部也會(huì)變得很高，產(chǎn)生不均勻沉淀。陶瓷原料的制備陶瓷粉體的制備

均勻沉淀法：無需外加沉淀劑，而是在溶液中緩慢均勻形成沉淀劑進(jìn)行反應(yīng)。該方法消除了外加沉淀劑產(chǎn)生的反應(yīng)不均勻的現(xiàn)象，易于得到均勻性及重復(fù)性較好的粉體。

如工業(yè)上經(jīng)常使用尿素溶液在加熱時(shí)生成氨水的方法產(chǎn)生沉淀物，從而制備出超細(xì)粉體。尿素水溶液加熱到70℃時(shí)產(chǎn)生沉淀劑的水解反應(yīng)如下：（NH2)2CO+3H2O→2NH4OH+CO2

尿素水解產(chǎn)生的沉淀劑能與Fe、Al、Sn、Ga、Th、Zr等鹽溶液反應(yīng)，生成氫氧化物或堿式鹽沉淀物。陶瓷原料的制備陶瓷粉體的制備Y2O3+ZrOCl2·8H2OY(OH)3↓Zr(OH)3↓滴加氨水加熱ZrO2(Y2O3)YCl3ZrOCl2·8H2OAlCl3滴加氨水Zr(OH)3↓Y(OH)3↓Al(OH)3加熱ZrO2(Y2O3)/Al2O3共沉淀法：同時(shí)沉淀兩種及兩種以上金屬離子，加熱后得到均勻性好的復(fù)合氧化物。在電子陶瓷中對(duì)復(fù)合粉體的粒度、純度和均勻性要求較高，常規(guī)的機(jī)械粉碎及混合法難以滿足要求。

例如：將氧氯化鋯、氧化釔制成水溶液并均勻混合后再與氨水反應(yīng)，控制反應(yīng)的pH=9，就可使兩個(gè)沉淀反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，反應(yīng)產(chǎn)物在亞微米甚至納米尺度上均勻混合。經(jīng)過清洗去除其它離子雜質(zhì)后，再經(jīng)過800℃煅燒得到超細(xì)、高純和均勻性好的復(fù)合粉體。陶瓷原料的制備陶瓷粉體的制備陶瓷原料的制備陶瓷粉體的制備2、溶劑蒸發(fā)法（1）冷凍干燥法將金屬鹽水溶液噴到低溫有機(jī)液體中(用干冰或丙酮冷卻的乙烷浴內(nèi))，使液滴進(jìn)行瞬時(shí)冷凍和沉淀，然后在低溫降壓條件下升華、脫水，再在燃燒爐內(nèi)通過分解制得粉體。（2）噴霧干燥法

噴霧干燥法是將溶液噴霧至熱風(fēng)中，使之急劇干燥的方法。（3）噴霧熱解法

將金屬鹽溶液噴入高溫氣氛中，立即引起溶劑的蒸發(fā)和金屬鹽的熱分解，從而直接合成氧化物粉體的方法。例如，將Mg(NO3)2+Mn(NO3)2+4Fe(NO3)3的乙醇溶液進(jìn)行噴霧熱解，就得到(Mg0.5Mn0.5)Fe2O4的微粉。

（2）醇鹽水解法

金屬醇鹽（M-O-R）易水解生成金屬氧化物、氫氧化物或水合物沉淀。將溶膠在90—100℃加熱形成凝膠物質(zhì)，經(jīng)過濾、脫水、干燥，在適當(dāng)?shù)臏囟热紵?，就可制得高純度超?xì)氧化物粉末。金屬醇鹽一般具有揮發(fā)性，水解時(shí)只加水，不需要其它的物質(zhì)，因而生成物的純度高。

BaTiO3鈉米粉體制備流程（1）無機(jī)鹽水解法金屬鹽溶液在高溫下可水解生成氫氧化物或水合氧化物沉淀，經(jīng)過熱分解后可得到氧化物粉末。如：NaAlO2水解可得Al(OH)3沉淀，熱分解后得到Al2O3超細(xì)粉體。此法也可制備復(fù)合氧化物粉體，如用ZrOCl2和Y2O3混合液水解，熱分解后可得到Y(jié)2O3和ZrO2的復(fù)合粉體。

3、水解法陶瓷原料的制備陶瓷粉體的制備化學(xué)氣相反應(yīng)法是采用揮發(fā)性金屬化合物蒸氣通過化學(xué)反應(yīng)合成所需物質(zhì)的方法?？煞譃閮深悾?jiǎn)我换衔锏臒岱纸猓篊H3SiCl3(g)→SiC+3HCl兩種以上化學(xué)物質(zhì)之間的反應(yīng)：TiCl4(g)+O2→TiO2(g)+Cl21）特點(diǎn)：粉料純度高；粒徑分布窄；顆粒分散好。粉體大多為無定形態(tài)。2）可制備氧化物、氮化物、碳化物、硼化物和金屬粉體。3）氣相的過飽和度及形核率的控制是CVD法制粉的關(guān)鍵。固體表面氣體中條件較低的過飽和度高過飽和度析出物形態(tài)薄膜、晶須、晶粒顆粒應(yīng)用半導(dǎo)體、光學(xué)、表面保護(hù)；金屬及陶瓷的復(fù)合增韌材料；塊狀高純物質(zhì)的合成制備粉體（加入成核劑、避免與容器接觸）氣相沉積產(chǎn)物示意圖陶瓷原料的制備陶瓷粉體的制備（三）化學(xué)氣相沉積法(CVD)陶瓷原料的制備陶瓷粉體的處理2.2.3陶瓷粉體的處理一、粉體的分級(jí)把粉體材料按某種粒度大小或不同種類顆粒進(jìn)行分選的操作過程稱為分級(jí)。分級(jí)的方式有兩種：即用篩子篩分和在流體中進(jìn)行分離。2、流體分級(jí)法

用于超微細(xì)粉體的分級(jí)

基本原理：利用不同粒徑顆粒在流體中的沉降速度差進(jìn)行分離。分為干式分級(jí)和濕式分級(jí)。1、篩分法：篩分——稱重——求得質(zhì)量百分比干式分級(jí)類型及機(jī)理

陶瓷原料的制備陶瓷粉體的制備二、熱處理無機(jī)粉體熱處理的主要目的是促進(jìn)脫水及晶體轉(zhuǎn)變，穩(wěn)定晶體結(jié)構(gòu)。減少在燒結(jié)時(shí)的體積變化。如對(duì)Al2O3、TiO2進(jìn)行煅燒使之分別轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Al2O3、金紅石結(jié)構(gòu)，ZrO2粉體固溶使之轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定或部分穩(wěn)定ZrO2。有時(shí)熱處理是為了破壞粉體顆粒的層狀結(jié)構(gòu)，避免成型時(shí)的定向排列，如云母、滑石等的熱處理。三、表面改性在粉體的制備和應(yīng)用過程中，為提高粉體的分散性、活性、相容性及使用功能，常常要對(duì)粉體進(jìn)行表面改性。表面改性是指采用物理或化學(xué)方法對(duì)粉體顆粒進(jìn)行表面處理，有目的地改變其表面物理化學(xué)性質(zhì)的工藝。1．包覆改性2．沉淀(沉積)改性3．表面化學(xué)改性4．機(jī)械化學(xué)改性第三章陶瓷成型原理及工藝

陶瓷成型原理及工藝配料及混合一、配料：根據(jù)成分要求進(jìn)行計(jì)算；然后稱料；三、造粒

粉粒小，流動(dòng)性差。在原料細(xì)粉中加入一定量的塑化劑，制成粒度較粗、具有一定假顆粒級(jí)配、流動(dòng)性好的團(tuán)粒（約20～80目），有利于陶瓷坯料的壓制成形。

造粒的方法有：手工造粒法、加壓造粒法、噴霧干燥造粒法、凍結(jié)干燥造粒法等。噴霧干燥造粒的質(zhì)量最好。二、混合：使坯料成分均勻。方法：機(jī)械混合法、化學(xué)混合法注意：加料順序、混料磨介的使用3.1配料及混和四、塑化新型陶瓷的原料很多是瘠性料，沒有可塑性，因此必須對(duì)成形坯料進(jìn)行塑化處理。塑化是利用塑化劑使原來無塑性的坯料具有可塑性的過程。常用的塑化劑有無機(jī)塑化劑（如粘土、水玻璃等）和有機(jī)塑化劑。有機(jī)塑化劑的組成：

粘結(jié)劑：常溫下能將粉料顆粒粘合在一起，使坯料具有成型性能并具有一定強(qiáng)度，在高溫?zé)蓵r(shí)它們會(huì)氧化、分解和揮發(fā)。如聚乙烯醇、聚醋酸乙烯酯等；

增塑劑：溶于有機(jī)粘合劑中，在粉料之間形成液態(tài)間層．提高坯料的可塑性。如甘油、酞酸二丁酯、乙基草酸；

溶劑：能溶解粘合劑、粘結(jié)劑和增塑劑。如無水乙醇、丙酮、甲苯醋酸乙脂）陶瓷成型原理及工藝配料及混合五、懸浮

注漿成形的陶瓷坯料，為避免漿料沉淀分層，必須采取一定措施，增加料漿的懸浮性。懸浮是將粉體分散于液體介質(zhì)中形成穩(wěn)定、均勻、流動(dòng)性好的漿料。配制好的料漿要求具有：1）流動(dòng)性好，以保證料漿充滿模具型腔；2）穩(wěn)定性好，料漿不易沉淀與分層；3）觸變性好，保證料漿粘度不隨時(shí)間而變化，同時(shí)脫模后坯體不會(huì)在外力作用下變軟；4）含水（或含鹽）量低，避免成型和干燥后收縮、變形、開裂；5）滲透性好，料漿中的水分容易通過已形成的坯體被模壁吸收；6）氣體含量低等性質(zhì)。常用的方法有兩種：1）提高泥漿流動(dòng)性：加熱泥漿、加入電解質(zhì)、控制料漿的pH值（即料漿的酸堿度）；2）良好的穩(wěn)定性：良好的穩(wěn)定性使泥漿易于輸送，注漿成形時(shí)不易產(chǎn)生分層或開裂，成形的坯體不易產(chǎn)生變形。通過有機(jī)膠體和表面活性物質(zhì)的吸附，可提高泥漿穩(wěn)定性。

陶瓷成型原理及工藝配料及混合3.2陶瓷的成形

成形即形成一定形狀和尺寸的陶瓷坯體的過程。根據(jù)研究和生產(chǎn)需要不同，常用的成形方法有：1、粉料成型:陶瓷粉料中加入少許或甚至不加塑化劑，坯料具有一定流動(dòng)形態(tài)的干粉態(tài)。模壓成形、等靜壓成形2、塑法成型：坯料需加入適量的塑化劑，混合均勻后利用其可塑性成形。擠壓成形、軋膜成形。3、膠態(tài)法成型：坯料形成流動(dòng)態(tài)的漿料，利用其流動(dòng)性成形。注漿成形、熱壓鑄成形、流延成形等方法。陶瓷成型原理及工藝陶瓷的成形（1）定義：是將粉料加入少量粘合劑，造粒，裝模，然后加壓形成一定形狀的坯體。

（2）類型及原理：?jiǎn)蜗驂褐?、雙向壓制、浮動(dòng)凹模壓制

（3）特點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：粘結(jié)劑少，可直接焙燒，體積收縮小；操作簡(jiǎn)便，生產(chǎn)效率高，易于自動(dòng)化。

缺點(diǎn)：粉料易團(tuán)聚，坯厚密度易不均勻，形狀復(fù)雜模具難設(shè)計(jì)。壓力分布不均，不易成形大的坯體。

（4）模壓成形步驟：原料制備-混和-篩分-造粒-添加成形劑-裝模-加壓-保壓-脫模陶瓷成型原理及工藝陶瓷的成形鋼模壓制方式

(a)單向壓制(b)雙向壓制(c)浮動(dòng)凹模壓制

加壓方式和壓力分布關(guān)系圖（橫條線為等密度線）(a)單向加壓(b)雙面同時(shí)加壓(c)雙面先后加壓

一、模壓成形：1、干壓成型陶瓷成型原理及工藝陶瓷的成形粉料的各個(gè)方向同時(shí)均勻受壓。利用液體介質(zhì)的不可壓縮性和均勻傳遞壓力特性的成型方法。2、等靜壓成型濕等靜壓：整個(gè)工件連同膠套浸泡于傳壓液之中，每次操作放進(jìn)取出都是在液體中進(jìn)行。用于生產(chǎn)形狀復(fù)雜，大型及產(chǎn)量小的制品；（1）冷等靜壓1鋼模2傳壓液體3待壓坯體4模心5彈性膠套陶瓷成型原理及工藝陶瓷的成形干式等靜壓：待壓粉料的加添和壓好工件的取出都是在干燥狀態(tài)下進(jìn)行。用于生產(chǎn)形狀簡(jiǎn)單的長(zhǎng)形、壁薄、管狀制品。干式等靜壓過程示意圖陶瓷成型原理及工藝陶瓷的成形熱等靜壓成型原理示意圖

（2）熱等靜壓成型(HIP)將粉末裝入包套內(nèi)，放入帶有加熱爐的密閉高壓容器中，抽出空氣，然后壓入30—60MPa的惰性氣體(如氨氣)，通過加熱使粉末坯料達(dá)到燒結(jié)溫度，此時(shí)由于氣體的熱膨脹，可使高壓容器內(nèi)的壓力達(dá)到100MPa左右，借助于高溫和各向均等的高壓，使粉末坯料固結(jié)成全致密的材料。陶瓷成型原理及工藝陶瓷的成形二．可塑成型的方法1．?dāng)D壓成型利用壓力把具有塑性的粉料通過模具擠出來成形的，模具的形狀就是成形坯體的形狀。特點(diǎn)：生產(chǎn)效率高，產(chǎn)量大，操作簡(jiǎn)便，宜于自動(dòng)化操作。應(yīng)用：適宜成型各種管狀產(chǎn)品，(如高溫爐管、熱電偶套管、電容器瓷管等)；柱狀產(chǎn)品（電阻元器件）；和斷面規(guī)則的產(chǎn)品(如圓形、橢圓形、方形

、六角型等)。工藝要求：

a.增塑劑或粘結(jié)劑要與粉末充分混合，使增塑劑均勻分布在混合料中。

b.增塑劑的加入量、預(yù)壓壓力、擠壓溫度以及擠壓速度都會(huì)影響擠壓過程的進(jìn)行。

將加入粘結(jié)劑的粉料放入反向滾動(dòng)的軋輥之間，使物料不斷受到擠壓，從而得到薄膜狀坯體的一種成形方法。

應(yīng)用：一些薄片狀的陶瓷產(chǎn)品，如集成電路基板、電容器等，厚度一般在1mm~0.05mm。特點(diǎn)：

1）煉泥與成形同時(shí)進(jìn)行；

2）坯體的機(jī)械強(qiáng)度和致密度具有各向異性。因此在軋輥過程中必須不斷將坯片作90度倒向。2．軋制成形陶瓷成型原理及工藝陶瓷的成形軋制成型裝置示意圖

把粉料與熱塑性樹脂等有機(jī)物混練后得到的混合料，在注射機(jī)上于一定溫度和壓力下高速注入模具，迅速冷凝后脫模取出坯體的方法。應(yīng)用：注射成型可制備形狀復(fù)雜、尺寸精密的制品。

特點(diǎn)：能自動(dòng)化、大規(guī)模生產(chǎn)，成本低，效率高。不適用于大截面的制品。在排塑時(shí)易存在殘余應(yīng)力和開裂。3．注射成形陶瓷成型原理及工藝陶瓷的成形下面是兩種新型陶瓷制品注射成型的實(shí)例。（1）碳化硅制品：

坯料：碳化硅100%，可塑性聚苯乙烯16.5%，硬脂酸蠟3.5%，40#油8.3%，鈦酸鹽0.6%。在150℃情況下混合1h；射出溫度150~325℃，射出壓力7~70Mpa，脫脂條件從50℃至800℃，每小時(shí)1~10℃的升溫速率，非氧化氣氛。（2）氮化硅制品

坯料：氮化硅100%，聚苯乙烯13.8%，聚丙烯7.6%，硅烷3.6%，鈦酸二乙酯1.9%，硬脂酸1.9，在180℃情況下加壓混練，壓力0.25Mpa，射出溫度240℃，射出壓力：100Mpa；脫脂條件：用N2作保護(hù)，常溫至200℃，每小時(shí)30℃升溫速率，200~350℃，每小時(shí)35℃升溫速率，在350℃時(shí)保持10h。

1）原理：把一定濃度的漿料注入石膏模中，與石膏相接觸的外圍首先脫水（或脫其它有機(jī)溶液）、硬化，粉料沿石膏模內(nèi)壁成形出所需形狀，經(jīng)脫模、干燥后得到具有一定形狀和強(qiáng)度的坯體，待水分被石膏模具充分吸收后，坯體向內(nèi)略有收縮，故脫模不會(huì)很困難。2）分類：空心注漿、實(shí)心注漿、壓力注漿、離心注漿陶瓷成型原理及工藝陶瓷的成形1、注漿成形三、膠態(tài)成形法空心注漿用于小型簿壁產(chǎn)品實(shí)心注漿用于內(nèi)外形狀不同和大型、厚壁的產(chǎn)品；不用傾倒出漿料，且應(yīng)不斷加漿填平2、熱壓注成形陶瓷成型原理及工藝陶瓷的成形先將粉料與蠟或有機(jī)高分子粘結(jié)劑混合、加熱，使混合料具有一定流動(dòng)性，然后將混合料加壓注入模具，冷卻后即可得到致密的、較硬實(shí)的坯體。應(yīng)用：能夠生產(chǎn)形狀復(fù)雜的中小形坯件。是各種復(fù)雜電子瓷件的主要成形方法。特點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，勞動(dòng)強(qiáng)度不大，生產(chǎn)效率較高，模具磨損小、壽命長(zhǎng)，可對(duì)蠟坯進(jìn)行少量的加工。燒結(jié)前埋堆加熱進(jìn)行排蠟處理。熱壓注成型示意圖

陶瓷成型原理及工藝陶瓷的成形3、流延法成形流延成形又稱帶式澆注法、刮刀法。將超細(xì)粉中混入適當(dāng)?shù)恼辰Y(jié)劑制成流延漿料，然后通過固定的流延嘴及依靠漿料本身的自重，將漿料刮成薄片狀，經(jīng)過烘干后得到所需的薄膜坯體。應(yīng)用：流延法可制得厚度在0.05mm以下的陶瓷薄膜，經(jīng)常用于規(guī)模生產(chǎn)電子器件、超薄型陶瓷獨(dú)石電容器，氧化鋁陶瓷基片、集成電路等新型陶瓷。流延法成形

一.坯體的干燥

1、干燥原理及過程

1）干燥實(shí)質(zhì)：坯體水分存在的狀態(tài)：一是化學(xué)結(jié)合水，二是吸附水，三是游離水。干燥實(shí)質(zhì)是利用熱能使坯體中的水分汽化，排除部分吸附水與游離水（即物理排水過程）。

2）干燥原理

干燥過程是坯體與干燥介質(zhì)之間的傳熱過程和傳質(zhì)過程。干燥過程中排除水分，同時(shí)引起坯體的體積發(fā)生收縮，形成一定的氣孔。傳熱過程是熱氣體從介質(zhì)中將熱傳遞給濕坯表面，再由表面?zhèn)鬟f到濕坯內(nèi)部。坯體表面的水分獲得熱量而汽化。傳質(zhì)過程即水分的擴(kuò)散過程。包括外擴(kuò)散和內(nèi)擴(kuò)散過程。外擴(kuò)散是濕坯表層的水蒸汽向周圍介質(zhì)中擴(kuò)散。內(nèi)擴(kuò)散是水分由濕坯內(nèi)部向表面擴(kuò)散。

陶瓷成型原理及工藝壓坯的干燥與脫脂2.3壓坯的干燥與脫脂干燥與脫脂的必要性：

1）含水的坯體具有可塑性，強(qiáng)度低且易變形，燒成易開裂且延長(zhǎng)燒成時(shí)間。

2）含有較多有機(jī)物的坯體燒成前必須單獨(dú)氧化和分解掉，否則易形成燒成缺陷。

陶瓷成型原理及工藝陶瓷的成形2、干燥制度

1）主要指坯體干燥各階段的干燥速度，一般希望速度盡量快，以節(jié)省時(shí)間和能源。

2）影響干燥速度的因素：坯體本身特性、干燥介質(zhì)溫度與濕度、干燥介質(zhì)流速與流量、干燥方法等，此外，干燥設(shè)備結(jié)構(gòu)，坯體初始溫度等因素也影響干燥速度。3、干燥方法：熱氣干燥、電熱干燥、高頻干燥、微波干燥、近紅外與遠(yuǎn)紅外高燥、噴霧干燥遠(yuǎn)紅外干燥：大部分物體吸收紅外線的波長(zhǎng)范圍都在遠(yuǎn)紅外區(qū)，水和陶瓷坯體在遠(yuǎn)紅外區(qū)也有強(qiáng)的吸收峰，能夠強(qiáng)烈地吸收遠(yuǎn)紅外線，產(chǎn)主激烈的共振現(xiàn)象，使坯體迅速變熱而使之干燥。

微波是指介于高頻與遠(yuǎn)紅外線之間的電磁波，波長(zhǎng)為O.001—1m，頻率為300-300000MHz。微波干燥是用微波照射濕坯體，電磁場(chǎng)方向和大小隨時(shí)間作周期性變化使坯體內(nèi)極性水分子隨著交變的高頻電場(chǎng)變化，使分子產(chǎn)生劇烈的轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)生摩擦轉(zhuǎn)化為熱能，達(dá)到坯體整體均勻升溫、干燥的目的二、排膠

新型陶瓷成形時(shí)加入較多的有機(jī)粘合劑和塑化劑等，如熱壓注成形的石蠟及軋膜、流延成形中的聚乙烯醇等，燒成時(shí)，坯體中大量的有機(jī)物熔融、分解、揮發(fā)，會(huì)導(dǎo)致坯體變形、開裂，同時(shí)有機(jī)物含碳多，當(dāng)氧氣不足形成還原氣氛時(shí)，會(huì)影響燒結(jié)質(zhì)量。因此，需要在坯體燒成前將其中的有機(jī)物排除干凈，以保證產(chǎn)品的形狀、尺寸和質(zhì)量的要求，這個(gè)過程即為排膠。其作用為：①排除坯體中的有機(jī)物，為燒成創(chuàng)造條件；②使坯體獲得一定的機(jī)械強(qiáng)度；③避免坯體中的有機(jī)物在燒成時(shí)產(chǎn)生還原作用。排膠階段控制不當(dāng)會(huì)引起變形、裂紋等廢品現(xiàn)象。陶瓷成型原理及工藝陶瓷的成形思考與習(xí)題：選擇：1、————成型是利用離心力加快漿料中水分的排除，加速坯體形成。澆注成型壓力注漿空心注漿離心注漿2、下列陶瓷制品中，正確的成形方法的是（）A.用空心注漿法制造瓷盤B.用軋模法制造0.02mm厚的集成電路基板C.用模壓法制造電容器瓷管D.用熱壓鑄法制造電子瓷件判斷：1、造粒是為了有利于陶瓷坯料的壓制成形，將原料細(xì)粉壓制成粒度較粗、具有流動(dòng)性好的團(tuán)粒的過程。2、熱壓鑄成形是在常溫下將石蠟與坯料混合成蠟漿，在一定壓力下，將蠟漿注入金屬模，冷凝后即成為有一定形狀的坯體。3、陶瓷坯體進(jìn)行排膠的原因是由于陶瓷原料中含有大量膠體物質(zhì)。4、陶瓷材料混合的方法有機(jī)械混合法，球磨或攪拌混合法。5、陶瓷成形常用的方法有干法成形、流法成形和模壓成型。

陶瓷成型原理及工藝陶瓷的成形2、熱壓鑄成形的制件，為何要進(jìn)行埋燒脫蠟，而不將脫蠟和燒成一次完成？直接將蠟坯燒結(jié)，隨著溫度的升高，蠟漿會(huì)流失、揮發(fā)、燃燒，瓷料將失去支持粘結(jié)而解體，不能保持原有的形狀。將蠟坯埋入疏松、惰性、顆粒較粗的保護(hù)粉中（吸附劑），在升溫過程中，石蠟向吸附劑中流滲、擴(kuò)散，但吸附劑卻始終支持著坯體。繼續(xù)升溫，石蠟全部揮發(fā)、燃燒，直至坯體中的瓷料之間有一定程度的燒結(jié)，具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，而坯體與吸附劑之間又不發(fā)生粘結(jié)為止。如果繼續(xù)升溫，直至坯件完全燒結(jié)成瓷，這可能使瓷件表面與吸附劑之間出現(xiàn)嚴(yán)重粘結(jié)。所以，必須及時(shí)降溫，清除埋粉，然后再一次裝窯燒結(jié)成瓷。陶瓷成型原理及工藝陶瓷的成形簡(jiǎn)答：1、比較陶瓷材料各種成形方法的特點(diǎn)及應(yīng)用。2、熱壓注成形的制件，為何要進(jìn)行埋燒脫蠟，而不將脫蠟和燒成一次完成？化學(xué)組成、礦物組成燒結(jié)材料性質(zhì)結(jié)構(gòu)顯微結(jié)構(gòu)晶粒尺寸分布?xì)饪壮叽绶植季Ы珞w積分?jǐn)?shù)改變（如何改變材料的性質(zhì)）目的：粉狀物料變成致密體。陶瓷、耐火材料、粉沫冶金、超高溫材料……現(xiàn)代無機(jī)材料如：功能瓷：熱、聲、光、電、磁、生物特性。結(jié)構(gòu)瓷：耐磨、彎曲、濕度、韌性……應(yīng)用第四章陶瓷的燒結(jié)原理及工藝（錄像）陶瓷的燒結(jié)原理及工藝燒結(jié)理論如何改變材料性質(zhì)斷裂強(qiáng)度晶粒尺寸G強(qiáng)度2、氣孔

強(qiáng)度(應(yīng)力集中點(diǎn))；透明度(散射)；鐵電性和磁性(氣孔對(duì)疇壁運(yùn)動(dòng)起阻礙作用）。3、材料的電導(dǎo)性和電磁性受晶粒尺寸的影響。（大而均勻的晶粒和薄的晶界有利于介電性能的提高）1、說明：a:顆粒聚焦b:開口堆積體中顆粒中心逼近c(diǎn):封閉堆積體中顆粒中心逼近粉料成型后顆粒之間只有點(diǎn)接觸，坯體內(nèi)氣體（約35％～60％）在高溫下顆粒間接觸面積擴(kuò)大→顆粒聚集→顆粒中心距逼近→形成晶界→氣孔形狀變化，體積縮小→最后氣孔從晶體中排除。燒結(jié)現(xiàn)象示意圖收縮a收縮收縮b無氣孔的多晶體c§4.1概述

一、燒結(jié)的定義及分類

1.定義宏觀定義：粉體原料經(jīng)過成型、加熱到低于熔點(diǎn)的溫度，發(fā)生固結(jié)、氣孔率下降、體積收縮、致密度提高、晶粒增大，變成堅(jiān)硬的燒結(jié)體，這個(gè)現(xiàn)象稱為燒結(jié)。物理性質(zhì)變化：V、氣孔率、強(qiáng)度、致密度缺點(diǎn)：只描述宏觀變化，未揭示本質(zhì)。微觀定義：固態(tài)中分子（或原子）的相互吸引，通過加熱，質(zhì)點(diǎn)獲得足夠的能量，進(jìn)行遷移使粉末體產(chǎn)生顆粒粘結(jié)，產(chǎn)生強(qiáng)度并導(dǎo)致致密化和再結(jié)晶的過程稱為燒結(jié)。衡量燒結(jié)的指標(biāo)：收縮率、氣孔率、吸水率、實(shí)際密度/理論密度常規(guī)燒結(jié)（是否出現(xiàn)液相）

2.分類固相燒結(jié)：在燒結(jié)溫度下基本上無液相出現(xiàn)的燒結(jié)，如高純氧化物之間的燒結(jié)過程液相燒結(jié)：有液相參與下的燒結(jié)，如多組分物系在燒結(jié)溫度下常有液相出現(xiàn)，<45%。反應(yīng)燒結(jié)熱壓燒結(jié)電火花燒結(jié)等靜壓燒結(jié)活化燒結(jié)微波燒結(jié)非常規(guī)燒結(jié)（特種燒結(jié)）3、與燒結(jié)有關(guān)的一些概念

1）燒結(jié)與燒成燒成：在多相系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生一系列物理和化學(xué)變化。例如脫水、坯體內(nèi)氣體分解、多相反應(yīng)和熔融、溶解、燒結(jié)等。在一定的溫度范圍內(nèi)燒制成致密體的過程。燒結(jié)：指粉料經(jīng)加熱而致密化的簡(jiǎn)單物理過程，不包括化學(xué)變化。燒結(jié)僅僅是燒成過程的一個(gè)重要部分。燒結(jié)是在低于固態(tài)物質(zhì)的熔融溫度下進(jìn)行的。

2）燒結(jié)與熔融

熔融：固體融化成熔體過程。熔融時(shí)全部組元都轉(zhuǎn)變?yōu)橐合?，而燒結(jié)時(shí)至少有一組元是處于固態(tài)。燒結(jié)溫度（TS）和熔點(diǎn)（TM）關(guān)系：金屬粉末：TS≈0.3～0.4TM鹽類：TS≈0.57TM硅酸鹽：TS≈0.8～0.9TM

陶瓷的燒結(jié)原理及工藝燒結(jié)理論3)燒成過程一般來說，燒成過程大致分為三個(gè)階段：①升溫階段殘余的吸附水和有機(jī)膠粘劑的揮發(fā)、結(jié)晶水或結(jié)構(gòu)水的排除、鹽類的分解與合成、晶相轉(zhuǎn)變等物理和化學(xué)反應(yīng)的過程。由于這個(gè)過程中伴有大量的氣體排出，因此升溫速度不能太快，否則會(huì)造成坯體結(jié)構(gòu)疏松、變形和開裂。通常吸附水在200℃以前逐步揮發(fā)掉，有機(jī)膠粘劑在200—550℃揮發(fā)完。②保溫階段配料中的各組分進(jìn)一步進(jìn)行物理變化和化學(xué)反應(yīng)，是獲得要求的致密、結(jié)構(gòu)和性能的陶瓷件的重要階段。因此，嚴(yán)格控制燒成制度，尤其是燒成溫度及相應(yīng)的保溫時(shí)間是燒成工藝的關(guān)鍵。③冷卻階段冷卻階段是從燒成溫度冷卻至常溫的過程。在冷卻過程中，瓷料伴隨著玻璃相凝固、析晶、晶體生長(zhǎng)、相變等物理和化學(xué)變化發(fā)生。冷卻方式、冷卻速度快慢對(duì)陶瓷材料的相織成、結(jié)構(gòu)和性能均有很大的影響。陶瓷的燒結(jié)原理及工藝燒結(jié)理論二、燒結(jié)過程及推動(dòng)力（一）燒結(jié)過程1.燒結(jié)溫度對(duì)燒結(jié)體性質(zhì)的影響當(dāng)密度達(dá)到理論密度的90～95％后，其增加速度顯著減小，且常規(guī)條件下很難達(dá)到完全致密。說明坯體中的空隙(氣孔)完全排除是很難的。1）隨T↑，電阻↓（電導(dǎo)率↑）、強(qiáng)度↑，表明：在顆?？障侗惶畛渲?即氣孔率顯著下降以前)，顆粒接觸處就已產(chǎn)生某種鍵合，使得電子可以沿著鍵合的地方傳遞，故電導(dǎo)率和強(qiáng)度增大2）隨T繼續(xù)↑，物質(zhì)開始向空隙傳遞，密度↑燒結(jié)初期：坯體中顆粒重排，接觸處產(chǎn)生鍵合，空隙變形、縮?。创髿饪紫В?氣總表面積沒有變化。燒結(jié)中期：傳質(zhì)開始，粒界增大，空隙進(jìn)一步變形、縮小，但仍然連通，形如隧道。燒結(jié)后期：傳質(zhì)繼續(xù)進(jìn)行，粒子長(zhǎng)大，氣孔變成孤立閉氣孔，密度達(dá)到95%以上，制品強(qiáng)度提高。燒結(jié)過程可以分為三個(gè)階段：燒結(jié)初期、中期和后期。2.燒結(jié)過程的模型示意圖（二）燒結(jié)推動(dòng)力近代燒結(jié)理論認(rèn)為：粉狀物料的表面能大于多晶燒結(jié)體的晶界能，這就是燒結(jié)的推動(dòng)力，即燒結(jié)的熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力是粉體表面能的降低和系統(tǒng)自由能的降低的過程。燒結(jié)的推動(dòng)力與相變、固相反應(yīng)相比，還是極小的如：粒度為1μm的材料燒結(jié)后，△G↓8.3J/g；α-石英與β-石英之間的多晶轉(zhuǎn)變時(shí)，△G1.7KJ/mol；一般化學(xué)反應(yīng)前后能量變化超過200KJ/mol.∴燒結(jié)不能自發(fā)進(jìn)行，必須對(duì)粉體加以高溫，才能促使粉末體轉(zhuǎn)變?yōu)闊Y(jié)體燒結(jié)的難易以γGB晶界能/γSV表面能的比值來衡量：γGB/γSV↑，燒結(jié)越困難例：Al2O3:兩者差別較大，易燒結(jié)；共價(jià)化合物如Si3N4、SiC、AlN難燒結(jié)。§9.2燒結(jié)過程中的物質(zhì)傳遞對(duì)象：

單一粉體的燒結(jié)。固體顆粒之間的高溫固結(jié)過程，沒有液相參與。主要傳質(zhì)方式：蒸發(fā)－凝聚擴(kuò)散塑性流變和粘滯性流動(dòng)固相燒結(jié)氣相燒結(jié)：物質(zhì)的蒸汽壓較高，氣相傳質(zhì)為主。固相燒結(jié)：物質(zhì)的蒸汽壓較低，固相擴(kuò)散為主。液相燒結(jié)：燒結(jié)過程中有液相存在。固相燒結(jié)（無液相）陶瓷的燒結(jié)原理及工藝物質(zhì)傳遞：固相燒結(jié)燒結(jié)機(jī)制就是研究燒結(jié)過程中各種可能的物質(zhì)遷移形式及其速率。根據(jù)物相的傳質(zhì)角度，燒結(jié)可分為：一、物質(zhì)的傳遞——傳質(zhì)過程氣相傳質(zhì)——蒸發(fā)-凝聚傳質(zhì)擴(kuò)散傳質(zhì)流動(dòng)傳質(zhì)塑性流動(dòng)粘性流動(dòng)溶解-沉淀傳質(zhì)

固相燒結(jié)相結(jié)液燒（A）模型是球型顆粒的點(diǎn)接觸，燒結(jié)過程中心距離不變。（B）模型是球型顆粒的點(diǎn)接觸，但是燒結(jié)過程中心距離變小。（C）模型是球型顆粒與平面的點(diǎn)接觸，燒結(jié)過程中心距離也變小。以上三個(gè)模型對(duì)燒結(jié)初期一般是適用的，但隨燒結(jié)的進(jìn)行，球形顆粒逐漸變形，因此在燒結(jié)中、后期應(yīng)采用其它模型。

陶瓷的燒結(jié)原理及工藝燒結(jié)理論燒結(jié)模型（燒結(jié)初期適用）（一）蒸發(fā)-凝聚傳質(zhì)1.概念固體顆粒表面的曲率不同，高溫時(shí)在系統(tǒng)的不同部位有不同的蒸氣壓，質(zhì)點(diǎn)通過蒸發(fā)，再凝聚實(shí)現(xiàn)質(zhì)點(diǎn)的遷移，促進(jìn)燒結(jié)。2、蒸發(fā)－凝聚傳質(zhì)（氣相傳質(zhì)）存在范圍：在高溫下蒸汽壓較大的系統(tǒng)。如氧化鉛、氧化鈹和氧化鐵的燒結(jié)。硅酸鹽材料不多見。rx根據(jù)開爾文公式：傳質(zhì)原因：曲率差別產(chǎn)生P物質(zhì)將從蒸氣壓高的凸形顆粒表面蒸發(fā)，通過氣相傳遞而凝聚到蒸氣壓低的凹形頸部，從而使頸部逐漸被填充。陶瓷的燒結(jié)原理及工藝固相燒結(jié)條件：顆粒足夠小，r<10m根據(jù)燒結(jié)的模型(雙球模型中心距不變)

蒸發(fā)－凝聚機(jī)理(凝聚速率＝頸部體積增加)球形顆粒接觸面積頸部生長(zhǎng)速率關(guān)系式討論：1、x/r～t1/3，證明初期x/r增大很快，但時(shí)間延長(zhǎng)，很快停止。

說明：此類傳質(zhì)不能靠延長(zhǎng)時(shí)間達(dá)到燒結(jié)。t2、顆粒粒度

，愈小燒結(jié)速率愈大。3、特點(diǎn)：燒結(jié)時(shí)頸部擴(kuò)大，氣孔形狀改變，但雙球之間中心距不變，因此坯體不發(fā)生收縮，密度不變。陶瓷的燒結(jié)原理及工藝固相燒結(jié)（二）擴(kuò)散傳質(zhì)1、頸部應(yīng)力分析庫(kù)津斯基，1949年，頸部應(yīng)力模型彎曲的曲頸基元ABCD對(duì)象：多數(shù)固體材料，由于其蒸汽壓低。在擴(kuò)散傳質(zhì)中要達(dá)到顆粒中心距離縮短必須有物質(zhì)向氣孔遷移，氣孔作為空位源，空位進(jìn)行反向遷移。應(yīng)力分布：無應(yīng)力區(qū)：球體內(nèi)部壓應(yīng)力區(qū)：兩球接觸的中心部位的σ2張應(yīng)力區(qū)：頸部的σρ燒結(jié)開始階段，在局部剪應(yīng)力和流體靜壓力影響下，顆粒間出現(xiàn)重新排列，從而使坯體堆積密度提高，氣孔率下降，坯體收縮，但是晶粒形狀沒有變化，顆粒重排不可能導(dǎo)致氣孔完全消除。在擴(kuò)散傳質(zhì)中要達(dá)到顆粒中心距離縮短必須有物質(zhì)向氣孔遷移，氣孔作為空位源，空位進(jìn)行反向遷移。顆粒點(diǎn)接觸處的應(yīng)力促使擴(kuò)散傳質(zhì)中物質(zhì)的定向遷移。2、頸部空位濃度分析1）無應(yīng)力區(qū)（晶體內(nèi)部）的空位濃度c0b）ct>c0>cn，表明：頸表面張應(yīng)力區(qū)空位濃度大于晶體內(nèi)部；受壓應(yīng)力的顆粒接觸中心空位濃度最低c）△1c>△2c，表明：由晶界（接觸點(diǎn)）向頸部擴(kuò)散比晶體內(nèi)部向頸部擴(kuò)散能力強(qiáng)。a）只有存在濃度差，才能使質(zhì)點(diǎn)遷移2）應(yīng)力區(qū)的空位濃度：張應(yīng)力區(qū)空位濃度為ct壓應(yīng)力區(qū)空位濃度為cn陶瓷的燒結(jié)原理及工藝固相燒結(jié)擴(kuò)散首先從空位濃度最大部位（頸表面）向空位濃度最低的部位（顆粒接觸點(diǎn)）進(jìn)行。其次是頸部向顆粒內(nèi)部擴(kuò)散?？瘴粩U(kuò)散即原子或離子的反向擴(kuò)散。因此，擴(kuò)散傳質(zhì)時(shí)，原子或離子由顆粒接觸點(diǎn)向頸部遷移，達(dá)到氣孔充填的結(jié)果。

頸部生長(zhǎng)速率

假設(shè)頸部為空位源、按體積擴(kuò)散機(jī)制進(jìn)行燒結(jié)速度公式為：陶瓷的燒結(jié)原理及工藝固相燒結(jié)擴(kuò)散傳質(zhì)途徑表面擴(kuò)散：擴(kuò)散沿顆粒表面進(jìn)行。晶界擴(kuò)散：沿著兩顆粒之間的界面或晶粒內(nèi)的晶界進(jìn)行。晶格擴(kuò)散：在晶粒內(nèi)部進(jìn)行，原子從一正常的晶格位置到鄰近空的晶格位置或與空位的交換。不論擴(kuò)散途徑如何，擴(kuò)散的終點(diǎn)是頸部。隨著頸部填充和顆粒接觸點(diǎn)處結(jié)構(gòu)基元的遷移出現(xiàn)了氣孔的縮小和顆粒中心距逼近、表現(xiàn)在宏觀上則氣孔率下降和坯體的收縮。機(jī)理編號(hào)傳質(zhì)路徑物質(zhì)來源物質(zhì)壑1表面擴(kuò)散表面頸部2晶格擴(kuò)散3氣相擴(kuò)散4晶界擴(kuò)散晶界頸部5晶格擴(kuò)散6晶格擴(kuò)散位錯(cuò)陶瓷的燒結(jié)原理及工藝固相燒結(jié)1、液態(tài)燒結(jié)特點(diǎn)

液態(tài)燒結(jié)概念：凡有液相參加的燒結(jié)過程稱為液態(tài)燒結(jié)。大多數(shù)材料在燒結(jié)中都會(huì)或多或少地出現(xiàn)液相。即使在沒有雜質(zhì)的純固相系統(tǒng)中，高溫下還會(huì)出現(xiàn)“接觸”熔融現(xiàn)象。因而純粹的固態(tài)燒結(jié)