材料工程基礎(chǔ)第六章

第六章陶瓷主講教師:孫文周第一節(jié)陶瓷的概述陶瓷:指所有以粘土為主要原料與其它天然礦物原料經(jīng)過(guò)粉碎、混煉、成型、燒結(jié)等過(guò)程而制成的各種制品廣義的陶瓷概念：用陶瓷生產(chǎn)方法制造的無(wú)機(jī)非金屬固體材料和制品的通稱。

德國(guó)陶瓷協(xié)會(huì)：“陶瓷是化學(xué)工業(yè)或化學(xué)生產(chǎn)工藝的一個(gè)分支，包括陶瓷材料和器物的制造或進(jìn)一步加工成陶瓷制品(元件)。陶瓷材料屬于無(wú)機(jī)非金屬材料，最少含30％結(jié)晶體。一般是在室溫中將原料成型，通過(guò)800℃以上的高溫處理，以獲得這種材料的典型性質(zhì)。有時(shí)也在高溫下成型，甚至可經(jīng)過(guò)熔化及析晶等過(guò)程。”

美國(guó)和日本等國(guó)：Ceramics是包括各種硅酸鹽材料和制品在內(nèi)的無(wú)機(jī)非金屬材料的通稱，不僅指陶瓷，還包括水泥、玻璃、搪瓷等材料。狹義的陶瓷概念一、陶瓷的概念二、陶瓷的分類傳統(tǒng)陶瓷（普通陶瓷）

性能及特征陶器瓷器吸水性/％一般大于3一般不大于3透光性不透光有一定透光性胎體特征未?；虿；潭炔睢嗝娲植诓；潭雀摺⒔Y(jié)構(gòu)致密、細(xì)膩，斷面呈石狀或貝殼狀敲擊聲沉濁清脆日用陶瓷分類炻器（半瓷）陶器是一種坯體結(jié)構(gòu)較疏松、致密度較差的陶瓷制品，通常有一定吸水率，斷面粗糙無(wú)光，沒有半透明性，敲之聲音粗啞。名稱粗陶器普通陶器細(xì)陶器特征吸水率＞15%；不施釉，制作粗糙吸水率≤12％；斷面顆粒較粗，氣孔較大，表面施釉，制作不夠精細(xì)吸水率≤5％；斷面顆粒細(xì)，氣孔較小，結(jié)構(gòu)均勻，施釉或不施釉，制作精細(xì)

瓷器的坯體致密，基本上不吸水，有一定的半透明性，斷面成石狀或貝殼狀。名稱炻瓷類普通瓷器細(xì)瓷器特征吸水率≤3％；透光性差，通常胎體較厚，呈色，斷面呈石狀，制作較精細(xì)吸水率≤

1％；有一定透光性，斷面呈石狀或貝殼狀，制作較精細(xì)吸水率≤

0.5％；透光性好，斷面細(xì)膩，呈貝殼狀，制作精細(xì)具有各種特殊力學(xué)、物理或化學(xué)性能等優(yōu)異特性的陶瓷。人造牙齒壓電陶瓷點(diǎn)火器特種陶瓷（新型陶瓷、精細(xì)陶瓷、高技術(shù)陶瓷）結(jié)構(gòu)陶瓷功能陶瓷電子絕緣件第二節(jié)普通陶瓷的生產(chǎn)工藝普通陶瓷生產(chǎn)工藝流程P-F-H1、坯料制備（粉體制備）2、成型3、燒成（燒結(jié)）粘土類原料；SiO2、A12O3和結(jié)晶水（H2O）石英類原料；SiO2長(zhǎng)石類原料；坯料中堿金屬氧化物的主要來(lái)源鎂質(zhì)原料；菱鎂礦MgCO3；滑石3MgO·4SiO2·H2O；透輝石CaO·MgO·2SiO2鈣質(zhì)原料;方解石CaCO3；石灰石CaCO3；硅灰石CaO·SiO2；碳酸鹽、硫酸鹽和硼酸鹽原料氧化物原料（ZrO2、TiO2、PbO和ZnO）1、原料1、增加坯體的可塑性2、骨架作用，提高坯體強(qiáng)度、減少干燥和燒成收縮4、降低燒結(jié)溫度,

熔劑作用5、加速燒結(jié)進(jìn)程7、提高釉料質(zhì)量6、擴(kuò)大燒結(jié)范圍塑性原料：粘土類瘠性原料：石英類、長(zhǎng)石類、硅酸、碳酸鹽類摻入堿土、堿金屬離子：長(zhǎng)石、堿土硅鋁酸鹽、硼酸鹽、氧化物硅灰石、透輝石滑石石英、長(zhǎng)石類：硅酸、碳酸、硼酸鹽類；氧化物類3、提高燒結(jié)體強(qiáng)度促進(jìn)莫來(lái)石生長(zhǎng)：粘土、長(zhǎng)石、石英類、滑石2、坯料制備（1）注漿坯料，含水率28～35%；（2）可塑坯料，含水率18～25%；（3）壓制坯料，含水率3～7%（干壓坯料）；

含水率8～15%（半干壓坯料）；坯料：陶瓷原料經(jīng)配料和一定的工藝加工，得到的具有成型性能的多組分均勻的配合料。坯料制備的主要工序一、原料的處理（原料精選、原料預(yù)燒）二、原料粉碎（粗碎、中碎和細(xì)碎（磨））三、篩分、除鐵、攪拌四、泥漿脫水（漿料泥團(tuán)；漿料粉料）五、練泥（塑性泥料）六、造粒（壓制粉料）七、陳腐壓力脫水：20～25%噴霧干燥脫水:8%

常用成型方法：成型的目的：將坯料加工成具有一定形狀和尺寸、并具有一定的致密度和必要的強(qiáng)度的坯體?？伤艹尚退苄耘髁希嗔希┳{成型漿料壓制成型粉料2、成型壓制成型注漿成型空心注漿實(shí)心注漿可塑成型-----滾壓成型模型和滾壓頭分別繞自己的軸線以一定速度旋轉(zhuǎn)。滾壓頭—面轉(zhuǎn)動(dòng)—面對(duì)坯泥進(jìn)行“滾”和“壓”而成型。

陽(yáng)模滾壓－外滾壓：滾壓頭決定坯體外形的大小，適合扁平狀、寬口且坯體內(nèi)表面有花紋的產(chǎn)品。陰模滾壓－內(nèi)滾壓：滾壓頭形成坯體內(nèi)表面，適合內(nèi)徑小而寬口制品。四、普通陶瓷的燒成一次燒成成型、干燥或施釉后的生坯，在陶瓷窯內(nèi)一次燒成陶瓷產(chǎn)品的工藝路線。特點(diǎn)：工藝流程簡(jiǎn)化；勞動(dòng)生產(chǎn)率高；成本低，占地少；節(jié)約能源。二次燒成即先素?zé)笫┯浴Ｌ攸c(diǎn)：避免氣泡，增加釉面的白度和光澤度；因瓷坯有微孔，易上釉；素?zé)稍黾优黧w的強(qiáng)度，降低破損率；成品變形?。ㄒ蛩?zé)呀?jīng)收縮）；通過(guò)素檢可降低次品率?！案邷厮?zé)蜏兀ㄖ袦兀┯詿??！暗蜏厮責(zé)?，高溫釉燒”。普陶精?、強(qiáng)度增加——生成莫來(lái)石2、體積收縮3、氣孔率降低——致密化4、質(zhì)量減小陶瓷的燒成過(guò)程燒成溫度陶瓷的燒成過(guò)程氧化分解階段300—950低溫階段室溫—300

高溫階段950—燒成溫度保溫階段燒成溫度冷卻階段燒成溫度——室溫機(jī)械水、吸附水質(zhì)量減??；氣孔率增大氧化、分解反應(yīng)晶型轉(zhuǎn)變質(zhì)量減?。粴饪茁试龃?；強(qiáng)度增加形成液相、莫來(lái)石生成質(zhì)量減小；氣孔率降低；強(qiáng)度增加；體積收縮液相增多；晶體增多致密化液相結(jié)晶晶型轉(zhuǎn)變；強(qiáng)度增加陶瓷顯微結(jié)構(gòu)的組成陶瓷材料是多晶相的復(fù)合體1、間歇式窯：普通陶瓷的燒成設(shè)備2、連續(xù)式窯：隧道窯高溫推板窯輥道窯高溫倒焰窯梭式窯鐘罩窯電爐1）、高溫倒焰窯（reverseflamekiln）倒焰窯工作流程1-窯室；2-燃燒室；3-灰坑；4-窯底吸火孔；5-支煙道；6-主煙道；7-擋火墻；8-窯墻；9-窯頂；10-噴火口1、間歇式窯：2）、梭式窯（drawerkiln）梭式窯結(jié)構(gòu)示意圖1-窯室；2-窯墻；3-窯頂；4-燒嘴；5-升降窯門；6-支煙道；7-窯車；8-軌道

箱式電阻爐實(shí)物圖（a）和爐體結(jié)構(gòu)示意圖（b）

3）電爐（electricfurnace）是電熱窯爐的總稱。一般是通過(guò)電熱元件把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，可分為電阻爐、感應(yīng)爐、電弧爐等。1）、隧道窯（tunnelkiln）2、連續(xù)式窯：2）、輥道窯（rollerkiln）輥道窯是電熱式隧道窯的一種，只是傳遞燒結(jié)樣品的傳遞系統(tǒng)不是傳統(tǒng)的窯車、推板，而是同步轉(zhuǎn)動(dòng)的陶瓷或金屬輥棒。每條輥?zhàn)釉诟G外傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)。第三節(jié)特種陶瓷的生產(chǎn)工藝特陶生產(chǎn)工藝1、原料制備2、成型、干燥3、燒結(jié)普陶、特陶P-F-H1、原料粉體制備方法機(jī)械法：球磨法、切磨法、氣流噴射粉碎法、高能球磨法-----機(jī)械化學(xué)法物理化學(xué)法：還原法、溶劑蒸發(fā)化學(xué)合成法固相：高溫高壓、微波、等離子、激光、自蔓延。由大→小的過(guò)程由小→大的過(guò)程物理法:蒸發(fā)-冷凝、霧化、PVD液相：沉淀法、水熱法、溶膠-凝膠氣相：CVD1）干壓成型——模壓+等靜壓（冷、熱）2）塑性成型——擠出、注射、軋膜3）注漿成型——熱壓鑄、流延2、成型擠壓成型工藝：是將經(jīng)過(guò)真空練制的泥料，放入擠坯機(jī)內(nèi)，只要更換擠坯機(jī)的機(jī)器，就可擠壓出各種形狀坯體的方法。適用：此法適生產(chǎn)棒形制品、片狀坯膜（半干后再?zèng)_刷成型）。熱壓鑄成型工藝熱壓鑄成型適用于外形復(fù)雜、精密度高的中小型制品更為適宜。蜂窩狀或篩格狀陶瓷電阻基片，營(yíng)式電容，線圈滑架等電子陶瓷陶瓷熱蠟鑄工藝流程圖3、特種陶瓷的燒結(jié)

（1）特種燒結(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)（2）燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力

燒結(jié)的驅(qū)動(dòng)力就是總界面能的減少。燒結(jié)過(guò)程=致密化過(guò)程+晶粒長(zhǎng)大過(guò)程（3）燒結(jié)宏觀變化:1）體積收縮；2）氣孔率下降；3）致密度提高；4）強(qiáng)度增加；5）晶粒長(zhǎng)大；6）電阻率減小。性質(zhì)溫度氣孔率密度電阻晶粒尺寸強(qiáng)度燒結(jié)溫度對(duì)材料性質(zhì)的影響是一個(gè)物理過(guò)程，沒有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生?。?）燒結(jié)過(guò)程：

a:坯體中氣孔率達(dá)35-60%，顆粒間點(diǎn)接觸或沒有接觸；

b:隨著溫度升高，顆粒間接觸面積增大→顆粒聚集→顆粒中心靠近；

c:逐漸形成晶界→氣孔變形，晶粒變形→氣孔收縮，坯體收縮，氣體排除；

d:連通氣孔→孤立的封閉氣孔，直至絕大部分氣體被排除。無(wú)氣孔的多晶體bac燒結(jié)現(xiàn)象示意圖d（5）燒結(jié)機(jī)理

從燒結(jié)的物質(zhì)狀態(tài)分：1）液相燒結(jié)

2）固相燒結(jié)3）氣相燒結(jié)

從燒結(jié)的物質(zhì)傳遞機(jī)理：1）蒸發(fā)---凝聚傳質(zhì)2）擴(kuò)散傳質(zhì)3）溶解---沉淀傳質(zhì)4）粘性流動(dòng)傳質(zhì)5）塑性流變傳質(zhì)蒸發(fā)—凝聚傳質(zhì)（氣相傳質(zhì)）燒結(jié)的驅(qū)動(dòng)力主要來(lái)源于半徑為r的曲面上的蒸汽壓差。凸面：半徑R為正P﹥P0—物質(zhì)蒸發(fā)凹面：半徑R為負(fù)P﹤P0—物質(zhì)凝聚P=P0exp(2γM/ρkTR)1、粉體制備制備AlON相主要有以下幾種方法:AlON透明陶瓷研究2、成型工藝制備出性能優(yōu)異的粉末之后就需要進(jìn)一步的壓實(shí),AlON粉末可以通過(guò)干壓、注射成型等壓制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。最典型的常用壓制方法是等靜壓成型,利用這種方式選擇合適的模具可以把粉末壓制成各種形狀和尺寸。在此過(guò)程中主要是控制好壓制產(chǎn)品的致密程度,致密程度的好壞將直接影響到后面的生產(chǎn)工藝,適宜的致密度可以使成分在隨后的燒結(jié)程序中更容易反應(yīng),透明性更好。3、燒結(jié)1)常壓燒結(jié)：將試樣在化學(xué)氣相滲透爐中進(jìn)行燒結(jié)。先以6℃的升溫速率升溫到300℃后，將爐內(nèi)抽真空，然后通入N2，再以6℃的升溫速率在氣氛作為保護(hù)氣，常壓狀態(tài)下升至1850℃或1900℃保溫一小時(shí)后，獲得透明氮氧化鋁陶瓷。2)熱壓燒結(jié)在1950℃、25MPa、N2氣氛中熱壓燒結(jié)制備出透明氮氧化鋁陶瓷。普通陶瓷特種陶瓷原料天然礦物原料人工精制化工原料和合成原料成型干壓、石膏模注漿、可塑法成型為主模壓、熱壓鑄、軋膜、流延、等靜壓、注射成型為主燒成/燒結(jié)溫度一般在1350℃以下，燃料以煤、油、氣為主結(jié)構(gòu)陶瓷常需1600℃左右高溫?zé)Y(jié)，功能陶瓷需精確控制燒成溫度，燃料以電、氣、油為主加工一般不需加工常需切割、打孔、磨削、研磨和拋光性能以外觀效果為主，較低力學(xué)性能和熱性能以內(nèi)在質(zhì)量為主，常呈現(xiàn)耐溫、耐腐蝕、耐磨和各種電、光、熱、磁、敏感、生物性能用途炊、餐具、陳設(shè)品和墻地磚、衛(wèi)生潔具主要用于宇航、能源、冶金、機(jī)械、交通、家電等行業(yè)普通陶瓷與特種陶瓷的區(qū)別謝謝大家（1）氧化反應(yīng)碳素和有機(jī)物氧化黃鐵礦（FeS2）等有害物質(zhì)氧化。分解與氧化階段（2）分解反應(yīng)結(jié)構(gòu)水排除：粘土原料和其他含水礦物進(jìn)行結(jié)構(gòu)水的排除。碳酸鹽、硫酸鹽分解（3）石英晶型轉(zhuǎn)變和少量液相形成半安定方石英在900℃附近，長(zhǎng)石與石英，長(zhǎng)石與分解后的粘土顆粒，在接觸位置處有共熔體的液像生成。在1050℃以前，繼續(xù)上述的氧化分解反應(yīng)并排除結(jié)構(gòu)水硫酸鹽的分解和高價(jià)鐵的還原與分解形成大量液相和莫來(lái)石新相(3Al2O3.2SiO2)新相的重結(jié)晶和坯體的燒結(jié)高溫階段

真空練泥的作用經(jīng)真空練泥后，可排除空氣，使泥料水分、組成分布均勻，收縮減小，提高干燥強(qiáng)度,提高泥料的可塑性、致密度。

練泥分為粗練和精練（