陶瓷材料設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課件

陶瓷（ceramics）是我們?nèi)粘Ｉ罱佑|較多，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中有許多重要應(yīng)用的無(wú)機(jī)非金屬材料之一。傳統(tǒng)概念的陶瓷是指所有一粘土為主要原料，并與其他礦物原料經(jīng)過(guò)破碎混和成型燒成等過(guò)程而制得的制品,就是常見(jiàn)的日用陶瓷建筑衛(wèi)生陶瓷等普通陶瓷(ordinaryceramics)隨著社會(huì)的發(fā)展，出現(xiàn)了有一類性能特殊，在電子、航空、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有廣泛用途的陶瓷材料，稱之為特種陶瓷(speciealceramics)。

陶瓷陶瓷（材料及其制品）都有特定的性能要求。日用餐具要有一定的強(qiáng)度（strength）、白度（whiteness）、抗熱沖擊性（熱穩(wěn)定性）；電瓷有強(qiáng)度和介電性能要求；特種陶瓷對(duì)性能及其熱穩(wěn)定性要求更高。研究表明，陶瓷的性能一方面受到其本征物理量（如熱穩(wěn)定系數(shù)、電阻率、彈性模量等）的影響，同時(shí)又與其顯微結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。而決定顯微結(jié)構(gòu)和本征物理量的是陶瓷的組成及其加工工藝過(guò)程。其中陶瓷組成對(duì)顯微結(jié)構(gòu)、性能起決定作用。陶瓷的組成、結(jié)構(gòu)與性能

一、陶瓷設(shè)計(jì)階段

（Developmentphaseinceramicsdesign）1.天然陶瓷階段(Naturalceramicsphase)2.經(jīng)驗(yàn)性設(shè)計(jì)階段(Empiricaldesignphase)3.實(shí)驗(yàn)性設(shè)計(jì)階段（Experimentalphase)4.理論設(shè)計(jì)階段(Theoreticdesignphase)A數(shù)據(jù)積累不足(Shortageofdataaccumulation)當(dāng)前陶瓷學(xué)的發(fā)展，已經(jīng)有可能使陶瓷材料的研究擺脫經(jīng)驗(yàn)式的研究方式，而有指導(dǎo)地進(jìn)行。根據(jù)陶瓷材料的使用要求來(lái)設(shè)計(jì)和確定材料的組成、顯微結(jié)構(gòu)和工藝。但以現(xiàn)在的數(shù)據(jù)積累還不足以作定量的陶瓷設(shè)計(jì)，而作定性的預(yù)測(cè)和改進(jìn)是可能的。B陶瓷材料組分和性能之間關(guān)系復(fù)雜(complexitybetweencompositionandperformance)玻璃是均勻的非晶材料，沒(méi)有晶界，其組分和性能之間可望具有近似線性關(guān)系，而陶瓷則是多晶材料，晶界的存在影響著某些重要的性能，因而要采用與玻璃不同的更為復(fù)雜的材料設(shè)計(jì)方法。二、陶瓷設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀三、陶瓷設(shè)計(jì)的范圍材料設(shè)計(jì)按研究對(duì)象的空間尺度不同劃分為三個(gè)層次：★微觀層次(Microscopic):空間尺度在1nm量級(jí)，是原子、電子層次的設(shè)計(jì).★連續(xù)模型層次(Continuum):

在約1um量級(jí)，材料被看成連續(xù)介質(zhì)，不考慮其中單個(gè)原子、分子的行為.★工程設(shè)計(jì)層次(Macroscopic):

尺度對(duì)應(yīng)于宏觀材料，涉及大塊材料的加工和使用性能的設(shè)計(jì)研究.陶瓷材料是多組分、多相材料，原子、電子層次的設(shè)計(jì)很少。它的主要設(shè)計(jì)層次是連續(xù)介質(zhì)層次的（我們習(xí)慣稱顯微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)）和工程設(shè)計(jì)層次。目前由于納米材料的興起，陶瓷學(xué)家也越來(lái)越注重微觀層次的設(shè)計(jì)。

陶瓷材料顯微結(jié)構(gòu)：

主要包括晶相的種類、數(shù)量和分布、晶粒大小和形態(tài)等、玻璃相的存在和分布、氣孔的尺寸、數(shù)量和分布以及它們相互之間的關(guān)系等。陶瓷材料顯微結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：即使是同一化學(xué)成份，不同的顯微結(jié)構(gòu)，材料的性能和使用性能不同，因此研究陶瓷材料的顯微結(jié)構(gòu)不僅能判斷陶瓷材料性能的好壞，而且分析工藝過(guò)程是否合理，提出改進(jìn)工藝的措施，以達(dá)到指導(dǎo)生產(chǎn)的目的。陶瓷材料顯微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)：顯微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要依賴于我們對(duì)顯微結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系的了解程度，陶瓷材料是多組分、多晶材料，晶界的大量存在影響著材料的某些重要性能，組分和性能之間的關(guān)系不象單晶、玻璃等材料那樣簡(jiǎn)單,因而顯微結(jié)構(gòu)與性能也十分復(fù)雜?！?、微觀層次(Microscopic)陶瓷材料使用壽命不僅與其組分和顯微結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且與陶瓷材料的宏觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，即外觀形狀有關(guān)。陶瓷材料損壞的機(jī)理包括兩個(gè)主要部分：化學(xué)侵蝕是指熔體、氣體、灰塵對(duì)陶瓷材料的化學(xué)侵蝕及沖刷等。熱機(jī)械應(yīng)力是指由于溫度及某些內(nèi)在的化學(xué)反應(yīng)引起的膨脹及機(jī)械負(fù)荷在陶瓷材料內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力，超過(guò)其強(qiáng)度限而導(dǎo)致?lián)p壞?！?、工程設(shè)計(jì)層次相同的組分和相同顯微結(jié)構(gòu)的陶瓷材料，如果外觀形狀不同，在同一使用條件下，所受的應(yīng)力也許不同，因而其使用壽命也不盡相同。有限元法（FiniteelementMethod)(FEM)可以計(jì)算陶瓷材料的應(yīng)力分布，改進(jìn)陶瓷材料的外觀形狀，改善材料的應(yīng)力分布，從而提高陶瓷材料的使用壽命，目前也是一種行之有效的方法?！窠Y(jié)構(gòu)與組分設(shè)計(jì)是陶瓷材料設(shè)計(jì)的核心，因?yàn)槌煞萦绊懱沾刹牧辖M織，組織、成份決定陶瓷材料的性質(zhì)?！裉沾刹牧显O(shè)計(jì)的目的就是通過(guò)控制其成份、結(jié)構(gòu)來(lái)制造出一種滿足使用性能的材料。

2.結(jié)構(gòu)與組分（Structure/Composition）

形狀組成晶向粒徑大小及分布晶格結(jié)構(gòu)對(duì)稱性點(diǎn)缺陷化學(xué)鍵晶粒晶界高絕緣性×▲×○▲×▲▲▲介電,壓電性能○▲▲▲▲▲○○○磁性○▲▲▲▲▲○▲▲半導(dǎo)體性能×▲×○××▲▲▲離子傳輸性能×▲▲▲▲×▲○▲高溫強(qiáng)度×▲▲▲×××▲▲硬度及耐削性×▲▲▲×××▲▲透明性×▲▲▲×○▲▲▲注：×代表不重要；○代表重要；▲代表很重要陶瓷材料結(jié)構(gòu)對(duì)物性重要性一覽表

陶瓷材料的合成與制備則是保證陶瓷材料成份與組織的主要手段，是陶瓷材料設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它決定陶瓷材料的產(chǎn)品質(zhì)量、成品率等，但是制備條件工藝與產(chǎn)品質(zhì)量等并不是簡(jiǎn)單的關(guān)系，而是多因子的、非線性關(guān)系。Syntheisis/processingRelationship(multi-factor,Nonlinear)ProductsqualityFinalproductsReliabilitycost……3.合成與加工（Synthesis/processing）陶瓷材料是多組分、多相材料，它的設(shè)計(jì)有它自身的特點(diǎn)和原則，需要考慮材料的顯微結(jié)構(gòu)、不同相之間的化學(xué)共存、不同相之間的物理匹配等因素，組分、結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系復(fù)雜，不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系：Relationshipbetweenstructure/compositeandperformanceinCeramicsStructure/compositeRelationship(multi-factor,Nonlinear)Strength,hardnessHightemp.performanceCorrosionresistanceChemicalstabilityThermalshockresistance……4.使用性能（Performance）★陶瓷化學(xué)組成設(shè)計(jì)

陶瓷坯料（bodymaterial）一般是由幾種不同的原料配只制而成的。性能不同的陶瓷產(chǎn)品，其所用原料的種類和配比不同，也即所謂坯料組成或配方不同。（一）.成分設(shè)計(jì)

1．

根據(jù)科研需要或用戶的要求確定產(chǎn)品（充分考慮產(chǎn)品的物理化學(xué)性能和實(shí)用性能要求）；

2．參考前人的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)；

3．了解各種原料對(duì)產(chǎn)品性質(zhì)的影響；

4．應(yīng)滿足生產(chǎn)工藝的要求；

5．了解原料的品位、來(lái)源和到廠價(jià)格

傳統(tǒng)概念的陶瓷是指所有以粘土為主要原料，并與其他礦物原料經(jīng)過(guò)破碎、混合、成形、燒成等過(guò)程而制得的制品。

（二）.工藝設(shè)計(jì)2.燒成制度的制定

燒成制度包括溫度制度、氣氛制度和壓力制度。對(duì)一個(gè)特定的產(chǎn)品而言，制定好溫度制度（建立溫度與時(shí)間的關(guān)系）和控制好燒成氣氛是關(guān)鍵。壓力制度起保證前兩個(gè)制度順利實(shí)施的作用。三者之間互相協(xié)調(diào)構(gòu)成一個(gè)合理的燒成制度。

燒成溫度曲線的性質(zhì)決定于下列因素：（1）燒成時(shí)坯體中的反應(yīng)速度。坯體的組成、原料性質(zhì)以及高溫中發(fā)生的化學(xué)變化均影響反應(yīng)的速度。（2）坯體的厚度、大小及坯體的熱傳導(dǎo)能力。（3）窯爐的結(jié)構(gòu)、型式和熱容，以及窯具的性質(zhì)和裝窯密度。1.

根據(jù)坯料性質(zhì)設(shè)計(jì)成型工藝燒成曲線的制定：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出最高燒結(jié)溫度后，制定燒成曲線。參考數(shù)據(jù)如下：地磚和仿花崗巖?；u

T燒

=1200～1280℃；釉面磚

T燒

=1200～1280℃；低溫快燒的釉面磚

T燒

=1000～1080℃；耐熱瓷

T燒

=1280～1320℃；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)確定升溫速率與保溫時(shí)間⑴升溫速率：小于1000℃時(shí)，8～10℃/分鐘；大于1000℃時(shí)，5～8℃/分鐘；

⑵保溫與取樣：當(dāng)溫度為100、200、300、400、500、600、700℃各保溫30min，取出樣品；當(dāng)溫度為800、900、1000……℃時(shí)，各保溫60min，取出樣品；當(dāng)溫度為“最高燒成溫度”時(shí)，保溫60min，取出樣品。(三).陶瓷試樣性能測(cè)定1.試樣干燥強(qiáng)度的測(cè)定2.試樣干燥線收縮3.試樣燒結(jié)強(qiáng)度測(cè)定4．試樣燒成收縮率的測(cè)定5．試樣氣孔率的測(cè)定6．試樣吸水率的測(cè)定7.體積密度測(cè)定

…

…試樣干燥強(qiáng)度的測(cè)定試樣吸水率與