陶瓷工藝原理

2003級(jí)陶瓷工藝原理課程試題（B卷）

參考答案一、 名詞解釋：（每題4分，共20分）觸變性答：粘土泥漿或可塑泥團(tuán)收到振動(dòng)或攪拌時(shí)，粘度會(huì)降低而流動(dòng)性增加，靜置后又能恢復(fù)原來狀態(tài)；或者，相同的泥料放置一段時(shí)間后，在維持原有水分的情況下，出現(xiàn)變稠和固化現(xiàn)象。以上性質(zhì)通稱為觸變性。晶界答：結(jié)晶方向不同的、直接接觸的同成分晶粒間的交界處稱為晶界。白度答：白度指陶瓷坯體表面對(duì)白光的漫反射能力，是陶瓷對(duì)白光的反射強(qiáng)度與理想的白色標(biāo)準(zhǔn)物體所反射白光強(qiáng)度之比的百分?jǐn)?shù)。等靜壓成型答：等靜壓成型是裝在封閉模具中的粉體在各個(gè)方向同時(shí)均勻受壓成型的方法。5.快速燒成答：燒成時(shí)間大幅縮短而產(chǎn)品性能與通常燒成的性能相近得燒成方法稱為快速燒成。二、 填空題：（每空1分，共20分）泥漿脫水的主要方法有機(jī)械脫水（壓濾法）和熱風(fēng)脫水（噴霧干燥）。基本注漿法可以分為單面注漿（空心注漿）和雙面注漿（實(shí)心注漿）兩種。干燥時(shí)坯體中的熱擴(kuò)散方向與濕擴(kuò)散方向 一致可以提高干燥效率，基于此原理的干燥方法有工頻電干燥、微波干燥和遠(yuǎn)紅外干燥等。陶瓷材料晶界上的雜質(zhì)往往以分散沉積物、擴(kuò)散沉積物 和粒狀沉積物三種形式存在。在釉料中提高堿金屬和堿土金屬氧化物的含量可以使釉的熔融溫度降低。為了保證順利施釉并使燒后陶瓷制品的釉面達(dá)到預(yù)期的性能，一般需要對(duì)釉漿的項(xiàng)度、比重、流動(dòng)性和懸浮性等性能進(jìn)行控制。陶瓷材料燒成制度中的溫度制度包括丑溫速度、燒成溫度、保溫時(shí)間及冷卻速度。三、 簡(jiǎn)答題：（每題5分，共40分）長(zhǎng)石在陶瓷工業(yè)生產(chǎn)中有何作用？鉀長(zhǎng)石和鈉長(zhǎng)石的熔融特性有何不同？答：長(zhǎng)石是一種熔劑性原料，高溫下熔融，提供K2O、Na2O,有利于成瓷和降低燒成溫度；熔融后的長(zhǎng)石熔體能夠熔解部分高嶺石分解產(chǎn)物和石英顆粒，促進(jìn)莫來石晶體形成和長(zhǎng)大，賦予坯體力學(xué)和化學(xué)穩(wěn)定性；有助于提高坯體的致密度和減少空隙；是瘠性原料，可縮短坯體干燥時(shí)間，減少干燥收縮和變形。鉀長(zhǎng)石和鈉長(zhǎng)石的熔融特性差別：鉀長(zhǎng)石：異成分熔融，熔融溫度較高，熔融溫度范圍寬，高溫下熔體粘度大。鈉長(zhǎng)石：同成分熔融，熔融溫度較低，熔融溫度范圍窄，高溫下熔體的粘度低。陶瓷原料預(yù)燒的目的是什么？答：使其發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，得到所需晶型；引起體積變化，產(chǎn)生應(yīng)力。除去原料中的雜質(zhì)，提高純度。改善物質(zhì)結(jié)構(gòu)，改變物性，降低原料的塑性，滿足生產(chǎn)工藝要求。為什么要對(duì)陶瓷原料進(jìn)行細(xì)粉碎？答：陶瓷原料只有達(dá)到一定的粒度及粒度組成，才有可能具備必要的成型性能（流動(dòng)性、懸浮性、可塑性等）；原料粒度細(xì)，便于各種成分不同的原料混合均勻。原料越細(xì)，表面能越高，化學(xué)反應(yīng)活性越大。簡(jiǎn)述陶瓷材料的透明度及其影響因素。答：陶瓷材料的透明度是指透過一定厚度坯體的光線強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度的百分比。影響透明度的因素包括：原料的純度、瓷坯的顯微結(jié)構(gòu)、瓷坯的厚度及生產(chǎn)工藝。配置熔塊釉時(shí)預(yù)先制備熔塊的目的是什么？答：避免因易溶于水的Na2CO3、K2CO3、硼酸、硼砂等原料在施釉過程中被坯體吸收而導(dǎo)致的坯體燒結(jié)溫度降低和釉成熟溫度提高。抑制一些有毒原料（鉛化合物、鋇鹽、銻鹽等）的揮發(fā)。簡(jiǎn)述低溫?zé)杉皩?shí)現(xiàn)低溫?zé)尚璨捎玫墓に嚧胧４穑簾蓽囟扔休^大幅度降低且產(chǎn)品性能與通常燒成的性能相近的燒成方法稱為低溫?zé)?。?shí)現(xiàn)低溫?zé)尚璨捎玫墓に嚧胧赫{(diào)整坯、釉料組成；提高坯料細(xì)度。常壓下二氧化硅的有那些結(jié)晶態(tài)？答：a石英，p石英，a鱗石英，p鱗石英，y鱗石英，a方石英，p方石英。答出1個(gè)得1分，答出5個(gè)以上可得5分，但石英、鱗石英和方石英三類少答出1個(gè)扣1分。改善晶界性能以提高陶瓷高溫強(qiáng)度可采取哪些措施？答：提高晶界玻璃相的高溫粘度、軟化溫度；選用能與主晶相形成固溶體的添加劑；促使晶界晶化以提高其軟化溫度；通過氧化擴(kuò)散，改變晶界組成。缺少一個(gè)扣1分；四個(gè)均未答出不得分。四、論述題：（每題分?jǐn)?shù)見題后，共20分）試述注塑成型、熱壓注成型及其異同點(diǎn)。答：熱壓注成型是將含有石蠟的漿料在一定的溫度和壓力下注入金屬模中，待坯體冷卻凝固后再進(jìn)行脫模的成型方法。塑成型是瘠性物料與有機(jī)添加劑混合加壓擠制的成型方法。二種工藝的相同之處為：都包含瘠性料與有機(jī)添加劑混合、成型、脫脂（排臘）三個(gè)主要工序。都是在一定溫度、壓力下成型。二種工藝的不同之處為：熱壓注在燒結(jié)前需制成可以流動(dòng)的臘漿。注射成型是制備出粉狀干粉料，注入模具后加熱至塑性狀態(tài)，填充模具。熱壓注成型時(shí)的壓力?。?.3?0.5Mpa），注射成型時(shí)的壓力大（130Mpa）。試述熱壓燒結(jié)的原理、致密化過程及其優(yōu)點(diǎn)。答：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。熱壓燒結(jié)的致密化過程包括三個(gè)階段：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。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。熱壓后期，外加壓力作用已很不明顯，主要傳質(zhì)推動(dòng)力與普通燒結(jié)相似。熱壓燒結(jié)具有如下優(yōu)點(diǎn)：可降低坯體的成型壓力；可以顯著提高坯體的致密度；可以顯著降低燒成溫度和縮短燒成時(shí)間；可以有效地控制坯體的顯微結(jié)構(gòu)；可以生產(chǎn)形狀比較復(fù)雜、尺寸比較精確的產(chǎn)品；由于熱壓無需添加燒結(jié)促進(jìn)劑與成型添加劑，所以熱壓燒結(jié)能得到高純度的陶瓷制品。一、 名詞解釋：（每題5分，共20分）陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)答：顯微結(jié)構(gòu)是指在光學(xué)或電子顯微鏡下分辨出的試樣中所含相的種類及各相的數(shù)量、顆粒大小、形狀、分布取向和它們相互之間的關(guān)系。如答出“顯微結(jié)構(gòu)是各種顯微鏡下觀察出的材料的微觀組織結(jié)構(gòu)，包括晶相、玻璃相、氣孔和晶界等”也可得分。微波干燥答：微波干燥是以微波輻射使生坯內(nèi)極性強(qiáng)的分子，主要是水分子的運(yùn)動(dòng)隨交變電場(chǎng)的變化而加劇，發(fā)生摩擦而轉(zhuǎn)化為熱能使生坯干燥的方法。燒成溫度答：燒成溫度是指陶瓷坯體燒成時(shí)獲得最優(yōu)性能時(shí)的相應(yīng)溫度（即燒成時(shí)的止火溫度）。快速燒成答：燒成時(shí)間大幅縮短而產(chǎn)品性能與通常燒成的性能相近得燒成方法稱為快速燒成。二、 填空題：（每空1分，共20分）陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)組成有晶相（莫來石、石英等）、玻璃相和氣孔相。答出晶界、相界等也可得分?；镜淖{成型法可以分為單面注漿（空心注漿）和雙面注漿（實(shí)心注漿）兩種。根據(jù)格里菲斯（Griffith）公式，控制陶瓷材料常溫強(qiáng)度的主要參數(shù)為彈性模量壓）、斷裂能（Ys）、裂紋半長(zhǎng)度（c）。泥漿脫水的主要方法有機(jī)械脫水（壓濾法）和熱風(fēng)脫水（噴霧干燥）。在釉料中增加SiO2和A12O3的含量可以使釉的熔融溫度提高。陶瓷材料晶界上的雜質(zhì)往往以分散沉積物、擴(kuò)散沉積物 和粒狀沉積物三種形式存在。陶瓷材料燒成制度中的溫度制度包括升溫速度、燒成溫度、保溫時(shí)間及冷卻速度。與普通燒結(jié)相比，熱壓燒結(jié)具有的兩個(gè)明顯的傳質(zhì)過程是晶界滑移傳質(zhì)和擠壓蠕變傳質(zhì)。三、 簡(jiǎn)答題：（每題5分，共30分）長(zhǎng)石在陶瓷工業(yè)生產(chǎn)中有何作用？答：長(zhǎng)石是一種熔劑性原料，高溫下熔融，提供K2O、Na2O,有利于成瓷和降低燒成溫度；熔融后的長(zhǎng)石熔體能夠熔解部分高嶺石分解產(chǎn)物和石英顆粒，促進(jìn)莫來石晶體形成和長(zhǎng)大，賦予坯體力學(xué)和化學(xué)穩(wěn)定性；有助于提高坯體的致密度和減少空隙；是瘠性原料，可縮短坯體干燥時(shí)間，減少干燥收縮和變形。評(píng)價(jià)粘土工藝性能的指標(biāo)有哪些？答：可塑性、離子交換性、觸變性、膨化性、收縮、燒結(jié)性能、耐火度，以及吸附性、結(jié)合性或燒后顏色等。影響泥團(tuán)可塑性的因素有哪些？答：礦物種類；固相顆粒的大小和形狀；吸附陽離子的種類；液相的數(shù)量和種類。簡(jiǎn)述ZrO2的應(yīng)力誘導(dǎo)相變?cè)鲰g。答：四方相ZrO2向單斜相ZrO2轉(zhuǎn)變時(shí)，伴隨著3?5%的體積膨脹和約8%的剪切應(yīng)變。但是，t-ZrO2受周圍陶瓷基體的約束會(huì)抑制其相變，使相變溫度向低溫方向移動(dòng)。如果室溫下有未相變的t-ZrO2，受張應(yīng)力后，基體對(duì)t-ZrO2的束縛減弱，使之轉(zhuǎn)變?yōu)閙-ZrO2。轉(zhuǎn)化時(shí)吸收了能量，伴隨的體積膨脹減少了裂紋尖端集中的應(yīng)力。因此，裂紋擴(kuò)展甚至斷裂所需要的應(yīng)力增大，從而提高陶瓷的斷裂韌性。這就是ZrO2的應(yīng)力誘導(dǎo)相變?cè)鲰g。為什么要對(duì)陶瓷原料進(jìn)行細(xì)粉碎？答：陶瓷原料只有達(dá)到一定的粒度及粒度組成，才有可能具備必要的成型性能（流動(dòng)性、懸浮性、可塑性等）；原料粒度細(xì)，便于各種成分不同的原料混合均勻。原料越細(xì)，表面能越高，化學(xué)反應(yīng)活性越大。常壓下二氧化硅的有那些結(jié)晶態(tài)？答：a石英，p石英，a鱗石英，p鱗石英，y鱗石英，a方石英，p方石英。四、 論述題：（每題分?jǐn)?shù)見題后，共30分）1.某陶瓷制品的配料組成為：高嶺土50wt%，石英25wt%，長(zhǎng)石25wt%，試述其成型后的生坯在燒成時(shí)發(fā)生的物理化學(xué)反應(yīng)。 答：將發(fā)生如下的物理化學(xué)反應(yīng)：（1） 水分的排除坯料中的殘余水分100?120oC排出，吸附水100?200oC排出，粘土礦物的結(jié)晶水在450?600oC間排出。（2） 有機(jī)物的分解和氧化粘土中的有機(jī)物和添加劑一般在500oC左右氧化。（3） 晶型的轉(zhuǎn)化主要是8-石英在573oC轉(zhuǎn)化為a-石英，石英顆粒邊緣轉(zhuǎn)化為方石英，另外無定形硅氧會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榉绞ⅰ＃?） 液相的出現(xiàn)長(zhǎng)石一石英、長(zhǎng)石一粘土礦物及長(zhǎng)石一石英一粘土礦物于950oC出現(xiàn)低共熔物質(zhì)，堿性氧化物和石英、鐵質(zhì)也會(huì)生成低共熔物；長(zhǎng)石顆粒在1100oC以上熔融。隨著溫度升高液相增多，組成發(fā)生變化。（5） 新晶體的產(chǎn)生粘土礦物受熱分解經(jīng)過尖晶石相（950oC）生成莫來石（1100oC）。（6） 溶解與析晶液相會(huì)熔解石英、粘土分解物和一次莫來石，再?gòu)闹形龀龇绞⒓岸文獊硎?。試述熱等靜壓燒結(jié)及其工藝過程。答：熱等靜壓燒結(jié)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。其工藝過程主要包括：備料；裝料（粉料或預(yù)壓過的坯體、封套材料）；除氣；熱等靜壓燒結(jié)（傳壓介質(zhì)）；后處理；等?？伤苄砸灰还腆w在外力作用下發(fā)生形變并保持形變的性質(zhì)。多指膠泥、塑料、大部分金屬等在常溫下或加熱后能改變形狀的特性。觸變性一一粘土泥漿或可塑泥團(tuán)受到振動(dòng)或攪拌時(shí)，粘度會(huì)降低而流動(dòng)性增加，靜置后又能恢復(fù)原來狀態(tài)；或者，相同的泥料放置一段時(shí)間后，在維持原有水分的情況下，出現(xiàn)變稠和固化現(xiàn)象。以上性質(zhì)通稱為觸變性。耐火度一一耐火度是耐火材料的重要技術(shù)指標(biāo)之一，它表征材料無荷重時(shí)抵抗高溫作用而不熔化的性能。簡(jiǎn)答簡(jiǎn)述粘土的化學(xué)組成和礦物組成。答：粘土的化學(xué)組成主要為SiO2、A12O3和結(jié)晶水（H*）。隨著生成的地質(zhì)條件不同，粘土還含有少量的堿金屬氧化物K2O、Na0，堿土金屬氧化物CaO、MgO，以及著色氧化物Fe2O3、TiO2等。 2 2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。粘土中有益的雜質(zhì)礦物為石英、長(zhǎng)石等，有害的雜質(zhì)礦物為碳酸鹽、硫酸鹽、金紅石和鐵質(zhì)礦物。乃粘土礦物常集中于3um以下的顆粒中。評(píng)價(jià)粘土工藝性能的指標(biāo)有哪些？答：可塑性、結(jié)合性、離子交換性、觸變性、膨脹性、收縮性、燒結(jié)性能、耐火度。常壓下二氧化硅有哪些結(jié)晶態(tài)？答：二氧化硅在常壓下有七種結(jié)晶態(tài)和一個(gè)玻璃態(tài)。它們是X-石英、0-石英；a-鱗石英、P-鱗石英、Y-鱗石英；a-方石英、0-方石英。石英在陶瓷生產(chǎn)中的作用是什么？答：瘠性原料，提供了生坯水分快速排出的通道，增加了生坯的滲水性，有利于施釉工藝，且能減少干燥時(shí)間和坯體的干燥收縮。燒成中石英的體積膨脹可補(bǔ)償坯體的收縮。冷卻過程中，如在熔體固化溫度以下降溫過快，坯體中未反應(yīng)石英(殘余石英)及方石英會(huì)因晶型轉(zhuǎn)化的體積效應(yīng)給坯體產(chǎn)生相當(dāng)大的內(nèi)應(yīng)力而產(chǎn)生微裂紋，甚至開裂，影響產(chǎn)品的抗熱震性和機(jī)械強(qiáng)度。高溫下石英會(huì)部分地溶解于液相中，提高液相粘度。未熔融的石英顆粒構(gòu)成了坯體骨架，起增強(qiáng)作用，減少坯體變形的可能性。長(zhǎng)石在陶瓷工業(yè)生產(chǎn)中有何作用？鉀長(zhǎng)石和鈉長(zhǎng)石的熔融特性有何不同？答：長(zhǎng)石是一種熔劑性原料，高溫下熔融，提供K2O、Na2O,有利于成瓷和降低燒成溫度；熔融后的長(zhǎng)石熔體能夠熔解部分高嶺石分解產(chǎn)物和石英顆粒，促進(jìn)莫來石晶體形成和長(zhǎng)大，賦予坯體力學(xué)和化學(xué)穩(wěn)定性；有助于提高坯體的致密度和減少空隙；是瘠性原料，可縮短坯體干燥時(shí)間，減少干燥收縮和變形。鉀長(zhǎng)石和鈉長(zhǎng)石的熔融特性差別：鉀長(zhǎng)石：異成分熔融，熔融溫度較高，熔融溫度范圍寬，高溫下熔體粘度大。鈉長(zhǎng)石：同成分熔融，熔融溫度較低，熔融溫度范圍窄，高溫下熔體的粘度低。氧化鋁有哪些結(jié)晶型態(tài)？簡(jiǎn)述氧化鋁原料的制備工藝。答:氧化鋁常見的晶型有三種:a-A^O，屬三方晶系，單位晶胞是一個(gè)尖的菱面體；0-AlO’，是一種站。3含量很高的多鋁酸鹽礦物的總稱；y-A^G，是氧化鋁的一種低溫型態(tài)，等軸晶系(a烏3791nm)，尖晶石型結(jié)構(gòu)，晶體結(jié)構(gòu)中氧原子呈立方密堆積，鋁原子填充在間隙中。工業(yè)上制取A^O的原料為鋁土礦，主要步驟為：燒結(jié)、溶出、脫硅、分解和煅燒。鋁土礦中的AlO成2分以一水硬鋁石(AlO-HO)、一水軟鋁石(AlO-HO)和三水鋁石(AlO-3HO)等氧化鋁水化物的形式存在，它們可以溶解于氫氧化^(NaOH)中。這時(shí)，鋁土礦中的雜質(zhì)、氧化鐵和氧化鈦等都不溶于NaOH。雖然SiO能溶解，但與氧化鈉(NaO)、氧化鋁結(jié)合生成納長(zhǎng)石(3NaO-3AlO-5SiO)，后者也不溶解于NaOH中。將2 2 23 2得到的偏鋁酸鈉(NaAlO)溶液冷卻至過飽和態(tài)加水分解，就會(huì)析出氫氧化鋁(A1(OH))的沉淀。再將它煅燒，即得到工業(yè)氧化鋁。工業(yè)氧化鋁以Y-A1O為主，其次是a-AlO和少量的P-A1O，所含雜質(zhì)主要是SiO、23