第三篇陶瓷材料及其制備工藝

第三篇陶瓷材料及其制備工藝一、概述三、粉體的制備二、陶瓷原料五、燒結(jié)原理與工藝四、配料及成形的原理與工藝六、陶瓷燒結(jié)后處理與加工粉末制備坯料制備成形干燥燒結(jié)后處理成品熱壓或熱等靜壓燒結(jié)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”是用陶瓷生產(chǎn)方法制造的無機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(如粘土、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，但原料已不再使用或很少使用粘土等傳統(tǒng)陶瓷原料，而已擴大到化工原料和合成礦物，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，陶瓷又是一個原料來源豐富，傳統(tǒng)技藝悠久，具有堅硬、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，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）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。另一部分則以獨立狀態(tài)存在，成為單獨的礦物實體，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)Na[AlSi3O8]或Na2O·Al2O3·6SiO2

鉀長石(Or)K[AlSi3O8]或K2O·Al2O3·6SiO2

鈣長石(An)Ca[Al2Si2O8]或CaO·Al2O3·2SiO2

鋇長石(Cn)Ba[Al2Si2O8]或BaO·Al2O3·2SiO2三、粉體的制備粉體制備方法：粉碎法：機械粉碎，氣流粉碎；雜質(zhì)多，1μm以上；合成法：固相法、液相法和氣相法；純度、粒度可控，均勻性好，顆粒微細(xì)。粉碎法機械粉碎法：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-研磨氣流粉碎：扁平式氣流粉碎機管道式氣流粉碎機（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)：Sl→S2十G13.化合反應(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（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(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配料：方法兩種

(1)已知化學(xué)計量的配料計算

(2)根據(jù)化學(xué)成分的配料計算

混料：方法兩種干混和濕混注意加料程序和混料磨介的使用

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：一類是無機塑化劑、另一類是有機塑化劑。

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。

成型陶瓷粉體、坯料進一步加工成坯體的這一過程稱為成形。

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2.等靜壓成型等靜壓成型系統(tǒng)構(gòu)造圖3.熱壓鑄成型4. 塑性成形

棒(a)和管材(b)的擠制成形示意圖5.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、機械性能提高的致密化過程。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)概念陶瓷的燒結(jié)過程一般分為五個階段：(1)低溫階段（室溫至300℃左右）

(2)中溫階段（亦稱分解氧化階段，300至950C）

(3)高溫階段（950C至燒成溫度）

(4)保溫階段

(5)冷卻階段

陶瓷的燒結(jié)類型可以分固相燒結(jié)、液相燒結(jié)。T1T3T2TmBTmA燒結(jié)過程示意相圖(一)概念（二）幾種常用燒結(jié)方法１）熱壓燒結(jié)２）熱等靜壓３）放電等離子體燒結(jié)４）微波燒結(jié)５）反應(yīng)燒結(jié)６）爆炸燒結(jié)常壓燒結(jié)：常壓熱壓燒結(jié)：加壓熱等靜壓燒結(jié)：高溫恒壓氣氛燒結(jié)：防氧化、加氣反應(yīng)燒結(jié)：加入氣相或者液相以獲得一定強度和精度幫助理解熱壓燒結(jié)2.熱壓燒結(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（在１０～４０ＭＰａ），促使材料加速流動、重排與致密化。連續(xù)熱壓燒結(jié)生產(chǎn)效率高，但設(shè)備與模具費用較高，又不利于過高過厚制品的燒制。熱等靜壓燒結(jié)可克服上述弊缺，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。優(yōu)點：壓力有助于致密化，降低燒結(jié)溫度，縮短燒結(jié)時間；燒成的陶瓷晶粒度小，力學(xué)性質(zhì)好；氣孔率接近于零，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)后處理加工常見的后續(xù)加工處理方式主要有表面施釉、機械加工及表面表面金屬化。施釉(1)提高瓷件的機械強度與耐熱沖擊性能；(2)防止工件表面的低壓放電；