陶瓷材料及制備工藝

陶瓷材料及制備工藝第一頁，共四十三頁，2022年，8月28日2-1概述陶瓷材料是由離子鍵或共價鍵結(jié)合的含有金屬和非金屬元素的複雜化合物和固溶體。

陶瓷材料是硬而脆的高熔點材料，具有低的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，以及較高的壓縮強度。

第二頁，共四十三頁，2022年，8月28日圖2.1陶瓷的分類

第三頁，共四十三頁，2022年，8月28日表2.1特種陶瓷與傳統(tǒng)陶瓷的主要區(qū)別

區(qū)別點傳統(tǒng)陶瓷特種陶瓷原料天然礦物原料人工精製合成原料（包括氧化物和非氧化物）成型注漿、可塑成型為主壓製、熱壓鑄、注射、軋膜、流延、等靜壓成型等為主燒成溫度一般在1350C以下，燃料以煤、油、氣為主結(jié)構(gòu)陶瓷常需1600C左右高溫?zé)晒δ芴沾尚钃?jù)要求精確控制燒成溫度燃料以電、氣、油為主性能以外觀效果和強度為主以材料性能和使用效能為主，如耐磨、耐腐蝕、耐高溫、以及各種敏感特性加工一般不需加工常需切割、打孔、研磨和拋光用途炊具、餐具、建築、陳設(shè)品主要用於航太、能源、冶金、交通、電子、信息家用電器業(yè)第四頁，共四十三頁，2022年，8月28日表2.2陶瓷按化學(xué)成分的分類及有代表性陶瓷材料

陶瓷類別有代表性的主要陶瓷材料氧化物Al2O3、SiO2、MgO、BeO、ZrO2、TiO2、V2O5、MgAl2O4、3Al2O3·2SiO2、BaTiO3、CaTiO3、PZT、PbTiO3碳化物SiC、TiC、WC、B4C氮化物Si3N4、TiN、BN、AlN、C3N4硼化物TiB2、ZrB2第五頁，共四十三頁，2022年，8月28日陶瓷材料的特性與化學(xué)鍵陶瓷，其化學(xué)鍵是離子鍵和共價鍵。這種化學(xué)鍵有很強的方向性和很高的結(jié)合能。陶瓷材料很難產(chǎn)生塑性變形，脆性大，裂紋敏感性強，這對陶瓷（特別是結(jié)構(gòu)陶瓷）的應(yīng)用產(chǎn)生嚴重的影響。第六頁，共四十三頁，2022年，8月28日陶瓷材料製備工藝特點陶瓷材料製備是採用粉末冶金工藝，材料的製備與製品工藝一體化。第七頁，共四十三頁，2022年，8月28日2-2粉體的製備與表徵粉體品質(zhì)對陶瓷性能的影響粉體是指大量固體顆粒的集合體。粉體的特性對陶瓷材料的性能有很大的影響。如粉體的粒徑、形狀、團聚狀態(tài)、化學(xué)組成、結(jié)晶學(xué)性質(zhì)、表面狀態(tài)等對製品的性能是至關(guān)重要的。粉末顆粒形狀、尺寸分佈及相結(jié)構(gòu)對陶瓷的性能也有著顯著的影響。

第八頁，共四十三頁，2022年，8月28日粉體的製備方法

1. 粉體的物理製備方法

傳統(tǒng)陶瓷原料多採用機械粉碎方法製備。粉碎設(shè)備有球磨、振動磨、攪拌磨、行星磨、氣流磨等機械。物理氣相沉積(PVD)法也屬於製粉的物理方法。

2.

粉體的化學(xué)製備方法(1)液相法第九頁，共四十三頁，2022年，8月28日A.化學(xué)共沉澱法B.溶膠－凝膠法C.噴霧熱分解法第十頁，共四十三頁，2022年，8月28日(2)氣相法圖2.2

CVD方法原理及氣相沉積產(chǎn)物示意圖第十一頁，共四十三頁，2022年，8月28日粉體的粒子學(xué)特性

粉體的粒子學(xué)特性包括粉體粒徑、粒徑分佈、粒子形狀、密度、微孔分佈、流動性、堆積密度等。1.粒徑減小使材料的熔點降低T為塊狀物質(zhì)的熔點(T∞)與超細粒子的熔點之差；γ為固液界面的表面張力；ρ為密度；L∞為塊狀物質(zhì)的熔化潛熱；D為粒子直徑。

第十二頁，共四十三頁，2022年，8月28日2.粒徑減小使材料的蒸汽壓上升ln(P/P∞)=2Mγ/(RTCD)

P和P∞分別表示超細粒子和塊狀物質(zhì)的蒸氣壓；M為摩爾質(zhì)量；R為摩爾氣體常量；Tc為熱力學(xué)溫度。第十三頁，共四十三頁，2022年，8月28日表2.3氧化錫粉體的表面能、比表面積、

表面原子百分數(shù)與粒徑的關(guān)係粒徑nm原子總數(shù)個表面原子%表面能Es(J/mol)q比表面積(M2/g)22.5×102802.04×10535.345254×103408.16×10414.1181103×104204.08×1047.690.31003×10724.08×1030.89.0310003×10100.24.08×1020.10.903Q為表面能Es與總能量之比值第十四頁，共四十三頁，2022年，8月28日粉體性能表徵

1.

粉體的粒度2.

比表面積和等比表面積當(dāng)量粒徑DBET

a為形狀係數(shù)，當(dāng)粉體為等軸狀時，a=6；ρ為粉體密度。比表面積S第十五頁，共四十三頁，2022年，8月28日表2.4陶瓷粉料的表徵內(nèi)容及所用儀器

第十六頁，共四十三頁，2022年，8月28日3.

粉體的粒度分佈圖2.3粉體粒度頻率分佈曲線圖

第十七頁，共四十三頁，2022年，8月28日式中，n為粒度間隔的數(shù)目；fdi

為顆粒在該粒度間隔的個數(shù)；Di為這一間隔內(nèi)的平均粒徑。第十八頁，共四十三頁，2022年，8月28日2-3配料及成形的原理與工藝配方的計算方法主要有兩種

(1)已知化學(xué)計量的配料計算(2)根據(jù)化學(xué)成分的配料計算第十九頁，共四十三頁，2022年，8月28日例1已知某壓電陶瓷的化學(xué)計量式為

Pb0.95Sr0.05(Zr0.50Ti0.50)O3+0.5wt%Cr2O3+0.3wt%Fe2O3

其中wt%表示添加雜質(zhì)量占主配方的重量百分比。由於在含鉛壓電陶瓷的製備過程中，鉛有揮發(fā)，根據(jù)經(jīng)驗，需多加鉛1.5wt%。當(dāng)採用的原料和純度為表2.5所列時，計算該壓電陶瓷坯體的配料比。第二十頁，共四十三頁，2022年，8月28日表2.5製備某壓電陶瓷採用的原料及純度

名稱鉛丹碳酸鍶二氧化鋯二氧化鈦三氧化二鐵三氧化二鉻分子式Pb3O4SrCO3ZrO2TiO2Fe2O3Cr2O3純度%989799.59998.999第二十一頁，共四十三頁，2022年，8月28日表2.6由給定的化學(xué)計量式算出的每摩爾坯

料中各氧化物的重量及總量PbOSrOZrO2TiO2摩爾數(shù)0.950.050.50.5摩爾質(zhì)量223.20103.62123.2279.88重量（g）212.045.1861.6139.951mol坯料重（g）318.78第二十二頁，共四十三頁，2022年，8月28日表2.7由給定的化學(xué)計量式和實際原料的

純度計算出各原料稱量百分比原料Pb3O4SrCO3ZrO2TiO2Fe2O3Cr2O3合計稱量百分比66.822.2418.2911.910.280.47100.01第二十三頁，共四十三頁，2022年，8月28日混料混料中一般應(yīng)注意以下兩個問題：

1.加料程序2.混料磨介的使用第二十四頁，共四十三頁，2022年，8月28日塑化與造粒塑化（plastification）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。造粒就是在較細的原料中加入塑化劑，製成粒度較粗、具有一定假顆粒度級配、流動性較好的粒子，因而造粒有時又叫糰粒。造粒方法可以分為一般造粒法、加壓造粒法、噴霧造粒法、冷凍乾燥法等。

第二十五頁，共四十三頁，2022年，8月28日成形陶瓷粉體、坯料（泥料）進一步加工成坯體的這一過程稱為成形。1.乾壓成形

圖2.4乾壓成形過程示意圖

1.粉體造粒；2.模具充填；3.單軸向加壓；4.脫模第二十六頁，共四十三頁，2022年，8月28日2.

等靜壓成形

圖2.5等靜壓成形系統(tǒng)構(gòu)造圖第二十七頁，共四十三頁，2022年，8月28日3.

熱壓鑄成形4.

塑性成形

圖2.6棒(a)和管材(b)的擠製成形示意圖第二十八頁，共四十三頁，2022年，8月28日圖2.7軋膜成形示意圖第二十九頁，共四十三頁，2022年，8月28日5.

流延法（帶式）成形(a)刮刀工藝(b)帶式淺注工藝圖2.8流延法成形示意圖

(a)刮刀工藝；(b)帶式澆注工藝第三十頁，共四十三頁，2022年，8月28日2-4燒結(jié)原理及工藝燒結(jié)是陶瓷坯體在高溫下的緻密化過程和現(xiàn)象的總稱。第三十一頁，共四十三頁，2022年，8月28日燒結(jié)過程分析圖2.9陶瓷燒結(jié)示意圖

(a)顆粒間的鬆散接觸；(b)顆粒之間形成頸部；

(c)晶界向小晶粒方向移動並逐漸消失，晶粒逐漸長大；

(d)顆粒互相堆積形成多晶聚合體第三十二頁，共四十三頁，2022年，8月28日陶瓷的燒結(jié)類型可以分為氣相燒結(jié)、固相燒結(jié)、液相燒結(jié)三類。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)冷卻階段第三十三頁，共四十三頁，2022年，8月28日影響燒結(jié)的幾個因素?zé)Y(jié)速度和燒結(jié)的充分程度與燒結(jié)時間、粉體顆粒半徑等氣泡和晶界、雜質(zhì)及添加劑、燒結(jié)氣氛等，也會對燒結(jié)產(chǎn)生影響。添加劑可以分為燒結(jié)促進劑、燒結(jié)阻滯劑、反應(yīng)接觸劑或礦化劑等幾類。燒結(jié)氣氛可分為氧化性氣氛、中性氣氛、還原性氣氛。第三十四頁，共四十三頁，2022年，8月28日常壓燒結(jié)常壓燒結(jié)是指在大氣中燒結(jié)，即不抽真空、不加壓力、也不加任何保護氣氛在電阻爐中進行燒結(jié)，因而常壓燒結(jié)又稱為無壓燒結(jié)。第三十五頁，共四十三頁，2022年，8月28日熱壓燒結(jié)熱壓(HP)燒結(jié)是指在給素坯加熱的同時進行加壓，以增大粉體顆粒間的接觸應(yīng)力，加大緻密化的動力，使顆粒通過塑性流動進行重新排列，改善堆積狀況。第三十六頁，共四十三頁，2022年，8月28日熱等靜壓燒結(jié)熱等靜壓(HIP)燒結(jié)工藝是將粉體素坯或?qū)⒀b入包套的粉料放入高壓容器中，在高溫和勻衡壓力的作用下，將其燒結(jié)為緻密的陶瓷體。第三十七頁，共四十三頁，2022年，8月28日氣氛燒結(jié)防止製品在燒結(jié)過程中氧化，保證製品的成分、結(jié)構(gòu)和性能，需在爐膛內(nèi)通入一定量的某種氣體。這種在特定氣氛下進行的燒結(jié)稱為“氣氛燒結(jié)”。第三十八頁，共四十三頁，2022年，8月28日反應(yīng)燒結(jié)反應(yīng)燒結(jié)是通過多孔坯體同氣相或液相發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使坯體質(zhì)量增加，孔隙減少，並燒結(jié)成具有一定強度和尺寸精度的成品的一種燒結(jié)工藝。第三十九頁，共四十三頁，2022年，8月28日2-5陶瓷燒結(jié)後處理與加工常見的後續(xù)加工處理方式主要有表面施釉、機械加工及表面金屬化。第四十頁，共四十三頁，2022年，8月28日陶瓷表面的施釉按照功能的差別，可以將釉分為裝飾釉、粘合釉、光潔釉等。釉的功能比較多，除了一些直觀效果外，還有：(1)提高瓷件的機械強度與耐熱衝擊性能；(2)防止工件表面的低壓放電；(3)使瓷件的防潮功能提高。

施釉工藝包括釉漿製備、塗釉、燒釉三個過程。

第四十一頁，共四十三頁，2022年，8月28日陶瓷燒結(jié)後的機械加工對陶瓷進行機械加工的目的，可以使陶瓷製件適應(yīng)尺寸公差的要求，也可以改善陶瓷製件表面的光潔度或去除表面的缺陷。常用的加工手段有磨削加工、