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1、陶 瓷 工 艺 学,主讲：李志坚 教授,本课程的教学目的要求：通过陶瓷的概念、性质、陶瓷生产主要过程及其原理的系统阐述，初步掌握原料的组成、性质和生产工艺与制品组成及结构的关系，以及制品的组成、结构对制品性能的影响。从而为今后从事与陶瓷材料生产、科研打下基础。主要教学参考书及资料：无机非金属材料工学、无机非金属材料概论、陶瓷工艺学、特种陶瓷工艺学成绩考核方式：笔试考核对学生学习本课程的要求：1.课堂认真听课，记好笔记；2.课后复习；3.按时完成作业。,绪 论,1.陶瓷的概念和种类1.1陶瓷的概念1.2陶瓷的分类2.陶瓷技术的发展及其对世界的贡献2.1中国陶瓷技术的发展2.2中国陶瓷对世界的影响
2、3.陶瓷研究的发展历程及在现代化建设中的作用3.1陶瓷研究的发展历程3.2陶瓷在现代化建设中的作用,1.陶瓷（ceramics）的概念和种类,1.1陶瓷的概念 陶瓷是用粉状的天然原料或人工合成化合物，经过成形和高温烧结制成，以无机非金属化合物为主体构成的多晶固体材料。传统陶瓷：所有以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经过粉碎混炼-成形-煅烧等过程而制成的各种制品。包括陶器、炻器和瓷器。又称硅酸盐陶瓷。特种陶瓷：采用高度精选的原料，具有能精确控制的化学组成，按照便于进行结构设计及控制制造的方法进行制造、加工的，具有优异特性的陶瓷。又称现代陶瓷、高级陶瓷、精细陶瓷等。,1.2陶瓷的分类,1.2陶瓷的
3、分类,2.陶瓷技术的发展及其对世界的贡献,陶瓷是人类综合利用岩石，粘土矿物及各种天然资源和火创造性的合成人工材料所取得的最古老的技术成果。它的发展与人类历史有极为密切的关系。特别是瓷器的发明及其技术进步对人类生活和文明都产生了巨大的影响，几乎成为社会发展中文化艺术和技术进步的主要时代标志。,2.1中国陶瓷技术的发展,8000年前，陶器出现，标志人类文化跨入新石器时代；55003500年前，新石器时代晚期，出现彩陶、黑陶及白陶等；第一次飞跃：3000年前，商代出现了釉，为从陶过渡到瓷创造了必要条件，是陶器到瓷器的过渡阶段；第二次飞跃：2000年前，出现了比较美观的釉面，陶瓷制造进入发达时代。第三
4、次飞跃：1000年前，宋代出现半透明胎。第四次飞跃：特种陶瓷,2.2中国陶瓷对世界的影响,唐代：远销日本、印度、波斯、埃及。宋代：远销50余国，远至欧洲。明代：郑和七次下西洋，将中国瓷器输送至世界各国，与世界各国在文化、经济、贸易、政治上建立了联系。中国瓷器在国外有：“白如玉，明如镜，薄如纸，声如磬”的美誉，被外国人视为奇珍异宝。七世纪以后，各国竞相仿造，并逐渐创立自己的风格。中国瓷器为人类文化的进步所做出的重大贡献，是值得我们引以自豪的。,3.陶瓷研究的发展历程及在现代化建设中的作用,3.1陶瓷研究的发展历程,3.2陶瓷在现代化建设中的作用,除用于日常生活中外，陶瓷作为结构和功能材料广泛用于
5、科学技术和工农生产领域的重要性，对此人们仍没有充分的认识。近年来由于陶瓷科学技术的发展，具有优良性能的陶瓷陆续出现，对陶瓷的评价也就发生了变化。陶瓷已从以往处于辅助材料的位置，开始发展为主要材料的位置，出现很多具有更多实用价值功能的陶瓷材料。例如：1.比金属优越的力学性能2.比玻璃高明的光学性质3.卓越的热学性能4.奇妙的声学性质5.惊人的化学稳定性,陶瓷生产一般工艺过程,原料,配料,坯料制备,坯体成型,施釉,干燥,烧成,整形,检测,包装,出厂,第一章 原 料,最基本原料：石英、长石、粘土及化工原料。1.1 石英类原料1.2 长石类原料1.3 粘土类原料1.4 其它原料,陶瓷工业中使用的原料品
6、种繁多，按其来源可分为天然矿物原料和化工原料两类。原料在一定程度上决定着工艺流程和工艺条件的选择以及产品的性能和质量。日用陶瓷工业生产中用的最基本原料是属于天然矿物原料的石英、长石和粘土三大类。1.1 石英类原料主要矿石来源：硅石和石英岩常用的石英类原料有石英砂、脉石英、砂岩、石英岩。石英是由SiO4 4-互相以顶点连接而成的三维空间架状结构的硅酸盐。对石英原料的技术要求：SiO297，Fe2O3+TiO20.5,1.1.1石英晶型转变温度和体积变化,537,1.1.2 石英在陶瓷生产中的应用,1.是瘠性料，可降低可塑性，减少收缩变形，加快干燥；2.在高温时可部分熔于长石玻璃中，增加液相粘度，
7、减小 高温时的坯体变形；3.未熔石英与莫来石一起，可构成坯体骨架，增加强度。4.釉料中增加石英含量可提高釉的熔融温度和粘度提高釉 的耐磨性和抗化学腐蚀性。,1.2长石类原料,长石是不含水的碱金属和碱土金属铝硅酸盐。1.2.1 矿石种类长石种类很多，归纳起来都是下述四种长石组合而成。长石之间因结构关系彼此可以混合成固溶体。,1.2.2 长石的熔融特性,长石属架状结构硅酸盐，其中存在碱金属和碱土金属氧化物，可使硅酸盐多相混溶系统出现液相的温度大大降低。,1.2.3 长石类原料在陶瓷生产中的作用,1）长石是溶剂型原料，可降低烧成温度，减少燃料消耗。高温下熔化后能填充坯体的孔隙，融解粘土及石英类原料，
8、有利于促进莫来石晶体的形成和长大，促进成瓷反应，增大密度，提高产品的机械强度；冷却后的长石熔体以透明玻璃态存在于瓷体中，提高光泽与透明度。2）长石原料在烧制前是瘠性原料，使坯体的干燥收缩变 小，有利于提高干燥速度。,1.3 粘土类原料,粘土是自然界中硅酸盐岩石（如长石、云母）经过长期风化作用而形成的一种土状矿物混合体，为细颗粒的含水铝硅酸盐，具有层状结构。粘土的分类：1.按成因分类：原生粘土、次生粘土2.按可塑性分类：软质粘土、硬质粘土3.按耐火度分类：耐火粘土、难熔粘土、易熔粘土,1.3.1 粘土的组成,1.3.2 粘土的工艺性质,粘土的工艺性质主要取决于其矿物组成，化学成分和粒度尺寸。1.
9、可塑性：粘土与适量的水混和以后形成的泥团，可在外力的作用下产生变形但不开裂，并在外力除去后，仍能保持原有形状的性质，通常用塑性指数或塑性指标来表示。2.离子交换性：粘土粒子因表面层断键和晶格内部离子的不等价置换而带电，它能吸附溶液中的异性离子，这种被吸附的离子又可被其它离子所置换。这种性质被称为离子交换性，用离子交换容量来表示。如高岭土阳离子交换容量为0.30.9mmol/g。,3.触变性：粘土泥浆或可塑泥团在静置后变稠和凝固，当受到搅拌和震动时，粘度降低而流动性增加，再放置一段时间后又能恢复原来的状态，这种性质称为触变性，用泥浆的厚化度和泥团的厚化度表示。泥浆的厚化度是泥浆放置30min和3
10、0s后其相对粘度之比。4.结合性：指粘土结合瘠性原料形成可塑泥料并具有一定干坯强度的能力。以能形成可塑泥团时所加入的标准石英砂（颗粒组成为0.250.15mm 占70,0.150.09mm占30）的数量来表示。加砂量在50时为结合力强的粘土，加砂量达2550时为结合力中等的粘土，加砂量在20以下时为结合力弱的粘土。,1.3.2 粘土的工艺性质,1.3.2 粘土的工艺性质,5.膨化性：粘土加水后体积膨胀的性质称为膨化性。用膨胀容来表示。6.收缩性：粘土经110干燥后，由于自由水及吸附水排出所引起的颗粒间距离减小而产生的体积收缩，称为干燥收缩。干燥后的粘土经高温煅烧，由于脱水、分解、熔化等一系列的
11、物理化学变化而导致的体积进一步收缩，称之为烧成收缩。两种收缩之和即为粘土泥料的总收缩。7.烧结特性：开始烧结温度T1 烧结温度T2 软化温度T3 烧结范围T2T3,1.3.3 粘土原料在陶瓷生产中的作用,1.粘土的可塑性是陶瓷坯泥赖以成形的基础。2.粘土使注浆泥料与釉料具有悬浮性与稳定性。3.粘土一般呈细分散颗粒，同时具有结合性。4.粘土是陶瓷坯体烧结时的主体。5.粘土是形成陶器主体结构和瓷器中莫来石晶体的主要来源。,1.4其它原料 瓷石、滑石(3MgO4SiO2H2O)、硅灰石(CaOSiO2)、石灰（CaCO3）、叶蜡石（Al2O3 4SiO2H2O）等。,第二章 陶瓷的显微结构及性能,2
12、.1 显微结构概念2.2 瓷胎的显微结构2.3 瓷器的性质,2.1 显微结构概念,显微结构是指在不同类型显微镜下观察到的材料组织结构。是构成材料的组成和制备工艺过程诸因素的综合反应。显微结构分析的任务：1.根据材料研究和生产过程中原料、半制品、成品的显微结构，对它们的品质进行评价。2.通过对材料或制品中缺陷的检测，从显微结构上找出缺陷产生的原因，提出改善和防止的措施，对生产进行控制。3.从显微结构和物理化学的基本观点出发，研究设计新材料或中间产品，以求获得较为理想的显微结构并具有预期优良性能的材料和制品。4.研究工艺条件对显微结构形成的影响规律，促使工艺条件更加合理化，改善材料的使用性能。,2
13、.2 瓷胎的显微结构,晶相：晶相构成陶瓷体的骨架，使制品具有一定强度和防止制品在高温 下塌陷变形，其中主晶相的性质和晶界的性质与材料的性质关系极大。玻璃相：玻璃相的作用是填充晶粒间隙，粘结晶粒，使陶瓷材料致密化，赋予制品透光性，降低烧成温度，促进烧结。气相：气相的存在对于陶瓷体通常是有害的因素，使坯体的强度降低，使 瓷胎透光度降低。长石瓷瓷胎的显微结构：莫来石、残余石英晶体、玻璃相、气孔。,瓷胎：陶瓷坯体经过高温烧成瓷化后，称为瓷胎。,长石瓷显微结构形成过程,1000,高岭石 偏高岭石,偏高岭石（一次）莫来石 无定形石英,V+0.82,10001200 1200 1400,长石开始熔融，坯体内
14、液相增多，粘度降低。,形成二次莫来石，部分石英颗粒被长石溶解，增加了玻璃相粘度，无定形石英转变为方石英。,影响显微结构的因素,原料及其配比、粒度大小及形状和烧成温度、气氛、压力等。,决定瓷器性质的基本因素：1.瓷胎的化学组成以及瓷胎组成中各个岩相的特点 及其分布情况；2.制瓷原料的加工，如选料、陈腐、研磨细度等；3.坯料的制备和成形方法；4.烧成制度。,2.3 瓷器的性质,2.3 瓷器的性质,衡量日用细瓷的质量分为外观质量和内在质量,2.3.1 瓷器的白度,照射在瓷器表面光线的反射光强度决定其白度。1.测定方法：用光电白度计 利用照射在瓷器表面光线的反射光，使硒光电池产生电流，来测定反射光强度
15、并同规定化学纯硫酸钡样片白度（100）比较，得到的读数称为该瓷器的白度。2.影响瓷器白度的主要因素 原料纯度：原料杂质中着色氧化物，如氧化铁（Fe2O3）、氧化钛（TiO2）和氧化锰（MnO）等。工艺因素：烧成气氛和釉层封闭前烧尽碳素。3.提高白度的措施 1）含氧化钛坯料中加0.020.04%CoO以其青蓝色与钛铁尖晶石的棕色互为补色；2）引入一定量滑石，Fe2+和Mg2+半径相近，形成固熔体，使铁以亚铁盐形式存在；3）加入Ca3(PO4)2，因为在硅酸盐玻璃中少量Fe2+呈浅绿色，Fe3+以FeO4存在强烈着色，在磷酸盐玻璃中Fe2+高达2-3也无色，Fe3+以FeO6存在几乎未着色。,6,
16、2.3.2 瓷器的透光度,照射在瓷器表面光线的镜面投射光强度决定其透明的特性1.测定方法：光电透明度计 用国际标准光源以平行光束垂直投射于被测瓷片的平面上，其透过光线使接收器硒光电池产生光电效应，得到的读数称为该瓷片的透光度。细瓷透光度Ir（1mm厚坯透光百分数）220。2.影响瓷器透光度的主要因素 减弱透射光线的主要原因是瓷胎内部的散射损失和光的吸收。1）原料成分及制品组成：化学成分中着色成分越多透光度越小；制品的相组成中折射率的差别越小，散射损失越小，透光度越高；晶相粒子和气孔大小越接近可见光波长（0.30.7m），散射损失越大，透光度越低。2）制品厚度 3）工艺因素:例如配料中的长石的数
17、量、烧成的温度等。3.提高透光度的措施 1）增加玻璃相 2）减少气孔 3）加入MgO,2.3.3瓷器的光泽度,光泽度是瓷器釉层表面的一种特征照射在瓷器表面光线的镜面反射光强度决定光泽度1.测定方法：光电光泽计 用照射在釉表面子镜面反射方向的反光量，并规定折射率为1.567的黑色玻璃的反光量为100，将被测瓷片的反光能力与此黑色玻璃反光能力相比较得到的数据，作为瓷器的光泽度。2.影响因素：釉的组成（釉表面平滑程度、折射率）和工艺因素均影响光度。镜面反射率 R=3.提高光泽度措施 釉应具有：1）较高折射率，加入高折射率的氧化物；2）较高始熔点，可减少釉向坯体渗透、减少釉面针孔；3）较低高温粘度，粘
18、度降低流动性提高，可避免釉的波纹和桔釉，有利于气体排出，减少釉层内微小气孔量；4）适当高的表面张力，把釉层拉平，保持较好的平整度。,(n-1)2,n:釉层折射率，n越高，R越大,2.3.4 铅溶出量,1、概念 含铅的釉料、彩料在酸液作用下可溶性铅会溶出来。由于铅元素及其氧化物对人体健康有害，中国高级日用瓷产品质量标准中规定“与食物接触的表面，画面铅溶出量不得超过百万分之七”。2.测定方法（1）样品的浸泡：按要求取样和处理后，在4的醋酸溶液中，在222温度浸泡24小时10分钟；（2）测定浸泡液体积，准确至2；（3）测定浸泡液中铅的溶出量。3.降低铅溶出量的措施 关键在于提高釉料、彩料的化学稳定性
19、（1）合理的釉料、彩料配比。无论釉中铅含量多少，当釉中按每摩尔SiO2所含网络外体氧化物总量0.75摩尔时，各种铅硅酸盐与铅碱硅酸盐的铅溶出量均较低；（2）工艺控制。彩烤时加强通风，单层装窑，适当提高彩烤温度，均为降低铅溶出量的有效措施；（3）无铅釉虽能消除铅溶出，但使釉彩光泽性差，用铋代替铅，但铋太贵，来源困难，也难实施。,第三章 坯料及其计算,3.1长石质瓷的物理化学基础3.2长石质瓷的化学组成及作用3.3长石质瓷的示性矿物组成与实际配方3.4配料计算3.4.1确定坯料配方的原则3.4.2坯料组成的表示方法3.4.3配料计算举例,3.1长石质瓷的物理化学基础,硅酸盐工艺岩石制品的制造是在实
20、验的基础上，以相应相图为基本依据来寻找其合理组成、烧成温度范围、调整工艺性能和使用性能、改进配方和分析指导生产工艺过程。长石瓷的坯料组成区域物相为玻璃态物质、莫来石晶体、残余二氧化硅，是多相混溶物，冷凝后成为洁白产物即为瓷。,3.2长石瓷的化学组成及作用,SiO2 6575%影响强度和基本性能，不能大于80否则热震性变坏、炸裂；Al2O3 1925 提高化学稳定性与热稳定性，提高力学性能、白度。但过多烧成温度会提高，过少易熔变形；R2O+RO 46（K2O2.5）助熔剂，提高瓷的透明度，过多会 低温变形，热震性变差；CaO、MgO 微量 引入可相对提高瓷的热稳定性和力学 强度，提高白度和透明度
21、，改进瓷的色调，减弱铁钛的不良色着影响；Fe2O3、TiO2（Fe2O31%，TiO20.2）:影响外观品质。,3.3长石瓷的示性矿物组成与实际配方,示性矿物组成：在能够成瓷的前提下，理论上的长石、石英、高岭土三种矿物的配合比例。硬质瓷：高岭土含量较多，长石及其它熔剂含量较少，其成瓷温度较高（13501450）莫来石含量高，瓷的硬度大。实际配方：在示性矿物组成的基础上，考虑具体原料与生产工艺条件等因素而制定的生产配方。,3.4配料计算3.4.1 确定坯料配方的原则,1.充分考虑产品的物理化学性能和使用性能要求2.参考前人的经验和数据3.了解各原料对产品性能的影响4.应满足生产工艺要求5.了解原
22、料的品位、来源和到厂价格,3.4.2 坯体组成的表示方法,3.4.2.1 配料量表示法（也称配料比表示法）配方中所用各原料的质量百分比表示的方法 如：某釉面砖配方,3.4.2.2 化学组成表示法,配方中各化学组分及灼烧减量的质量百分数表示的方法 例如：某釉面砖坯料的化学组成，,3.4.2.3 矿物组成表示法,配方中粘土、石英及熔剂类矿物的质量百分数表示的方法例如：某釉面砖配方,3.4.2.4 实验式表示法 陶瓷配料一般为混合物，可以用化学实验式来表示，即以各种氧化物的摩尔比来表示。这种方法叫做化学实验式表示法，简称实验式。利用坯（釉）式表示陶瓷坯料的化学组成，可以明确的看出各组分之间的关系，判
23、断组成特性，进而对比分析其高温性能，以利坯料的配制与调整，可用来指导生产。,氧化物分类,釉式式中x、y、z、u、v为各氧化物摩尔数，表示各氧化物之间的相互比例。,坯式,在实验式中排列顺序为碱性氧化物在前，其次为中性氧化物，最后是酸性氧化物。坯式通常以中性氧化物R2O3为基准（国外也有以碱性氧化物为基准），令其摩尔数为1；而釉式以起溶剂作用的碱金属和碱土金属氧化物为基准，令其摩尔数为1。,例如：清代康熙瓷及其青花釉的坯、釉式为,1.000,3.4.3 配料计算,由于坯料组成有四种表示方法，故必须了解这四种不同表示方法之间的关系。以下介绍两种主要计算方法：3.4.3.1由坯（釉）料的化学组成计算坯
24、（釉）式计算步骤：1.若原始组成中含有灼减，则应先将原组成换算成不含灼减的化学组成；2.以各氧化物的摩尔质量，分别除相应氧化物的质量百分数，得到各氧化物的摩尔数；3.计算坯式时，以中性氧化物R2O3的摩尔数之和分别除各氧化物的摩尔数；计算釉式时以碱性氧化物（R2ORO）的摩尔数之和去除各氧化物的摩尔数。得到的数字就是坯式或釉式中各氧化物前面的系数（相对摩尔数）；4.按照碱性、中性、酸性氧化物的顺序列出各氧化物的相对摩尔数，即为坯式或釉式。,计算步骤：例1：某瓷坯的化学组成如下表所示，试求该瓷坯的实验式,1.将化学组成换算成不含灼减的百分数 其它氧化物同理换算列入下表 说明：总计为100时，分母
25、可用100减去灼减或各氧化物含量相加；总计不为100时，分母可直接将各氧化物含量相加。,2.将各氧化物的质量百分数被各氧化物的摩尔质量去除,3.算出中性氧化物摩尔总数0.25830.00540.26374.用0.2637分别除各氧化物的摩尔数,5.将所得氧化物相对摩尔数按规定排列得到坯式。,例2 某瓷厂日用瓷釉料的化学组成如下表，计算釉式,碱性氧化物摩尔总数R2O+RO=0.134+0.094+0.047+0.044+0.047=0.366釉式中摩尔数比例,计算步骤(1)将原料干燥基化学组成换算成灼减基（不含灼减量）的化学组成。如所给定的坯料组成中有灼减量，也须同样换算成不含灼减量的各氧化物的
26、百分组成。(2)列表。用化学成分满足法进行配料计算。,原料灼烧基化学成分（%）,3.4.3.2由化学组成计算配料量,例1,配料量计算过程,计算原料干燥基的百分含量,计算长石、粘土、石英用量时相应带入的MgO、K2O、Na2O、Al2O3含量很少，不必考虑。,作业题,1、陶瓷的概念2、传统陶瓷包括哪几种，如何区分？3、日用瓷三大主要原料是什么？起何作用？4、什么是粘土的可塑性、粘土的结合性？对陶 瓷生产有何意义？5、显微结构分析的任务？6、长石瓷瓷胎有哪几相组成？相组成范围如 何？7、简述长石瓷的成瓷过程8、相图在陶瓷配方设计中的作用9、长石瓷化学组成对陶瓷性能如何影响？10、确定坯料配方的原则
27、？,11、某厂日用瓷的坯料及釉料的化学组成如下：请计算出该日用瓷的坯式和釉式。,12、坯料及原料的化学组成（）如下表，请计算配方组成。,第四章 坯料的种类及制备工艺,将陶瓷原料经过配料和加工后，得到的具有成形性能的多组分混合物称为坯料。4.1 种类和质量要求4.2 坯料制备的一般工艺流程4.3 原料的预烧与精选4.4 坯料制备过程,4.1 种类和质量要求,根据成形方法不同，坯料分为三类：1.注浆坯料，其含水率为2835；2.可塑坯料，其含水率为1825；3.压制坯料，其中干压坯料含水率为37，半干压坯料含水率为815。对坯料的要求分述如下：4.1.1 注浆坯料1.流动性好:保证泥浆浇注成形时要
28、能充满模型的各个部位；2.悬浮性好：浆料中各种固体颗粒能在较长一段时间悬浮而不沉淀的性质称为泥浆悬浮性；,3.触变性适当：受到振动和搅拌时，泥浆粘度会降低而流动性增加，静置后又恢复原状，此外，泥浆放置一段时间后，在维持原有水分的情况下也会变稠。这种性质称为触变性；,4.滤过性好：滤过性也称渗模性，是指泥浆能够在石膏模中滤水成坯的性能。,4.1.2可塑坯料,1.良好的可塑性:坯料的可塑性一般取决于强可塑原料(粘土)或塑化剂的用量;2.一定的形状稳定性:指可塑坯料在成型后不会因自身重力而塌陷变形,尤其是对大型制品更是如此.可以通过调节强可塑原料的用量和含水量来控制;3.含水量适当:可塑坯料的含水量
29、与成型方式有一定对应关系;强可塑性原料用量较多时,含水量较高;大件制品的可塑坯料含水量比小件制品低些;4.坯体的干燥强度和收缩率:生产上常用干坯的抗折强度来衡量它的干燥强度.大的干燥强度有利于成形后脱模、修坯、施釉、送坯等工序。坯体收缩大影响其造型和尺寸的精确度，坯体也容易变形和开裂。影响坯体干燥强度和收缩率的主要因素是坯体中强可塑原料的用量和水分含量。,4.1.3压制坯料1.流动性好：要求粉料能在短时间内填满钢模的各个角落，以保证坯体的致密度和压坯速度；2.堆积密度大：粉料的堆积密度常用单位容积的粉料质量来表示。堆积密度大，气孔率就小，压制后的坯体就越致密。3.含水率和水份均匀性：水是粉料成
30、型时的润滑剂和结合剂。当成型压力较大时粉料含水可以少些，反之粉料含水可以多些。当粉料含水不均匀，即局部过干和过湿时便会出现压制困难，且砖坯在以后的干燥和烧成中易出现开裂和变形。,4.1.4坯料的品质要求,1.配方准确：两方面控制，首先准确称料（应除去原料中水分，按绝干料计），其次是加工过程中避免杂质混入；2.组分均匀：坯料中各组分，包括主要原料、水分、添加剂等应均匀分布，否则会使坯体或制品出现缺陷，降低产品性能；3.细度合理：组分颗粒应达到一定细度，并具有合理粒度分布；4.气孔少：坯料中或多或少的含有一些空气，空气的存在对产品品质和成形都有不利影响，应尽量减少其含量。,为了保证产品品质和满足成
31、形的工艺要求，坯料应具备下述基本条件：,4.2坯料制备的一般工艺流程（见教材P326图）,4.3 原料的预烧与精选,4.3.1 原料的预烧 原料预烧的作用1.帮助碎化原料：例如大块石英岩质地坚硬，粉碎困难，利用石英多晶转变伴随的体积效应，将石英在粉碎前预烧并急冷，使其结构疏松，利于粉碎，一般预烧到9001000；2.减少坯料收缩：例如粘土，可部分预烧成熟料，一般700900，又如工业氧化铝（Al2O3）；3.改变结构形态：例如滑石具有片状结构，成形时容易造成泥料分层和颗粒定向排列，引起产品变形和开裂，通过预烧破坏片状结构；4.稳定晶型：例如 Al2O3、TiO2、ZrO2等，在氧化气氛下预烧1
32、2501300，金红石型,其中以金红石的物理电气性能最好，同时生产含钛电容器陶瓷时，将TiO2原料预烧成金红石相，配釉用TiO2可不预烧。,4.3.2 原料的精选 原料的精选是指对于原料进行分离，提纯和除去各种有害杂质的过程。包括物理方法、化学方法和物理化学方法。物理方法：淘洗槽，水力旋流器，振动筛和磁选机等,化学方法：溶解法和升华法,淘洗法与水力旋流法比较,因此在国内外陶瓷工业中正被广泛用来精选高岭土,物理化学方法：浮选法和电解法,4.4 坯料制备过程,4.4.1 原料的破粉碎 目的：1.使原料中的杂质易于分离；2.使各种原料能够均匀混合，使成形后的坯体致密；3.增大各种原料的表面积，使其易
33、于进行固相反应或熔融，提高反应速度并降低烧成温度。粗碎设备：颚式破碎机中碎设备：轮碾机，反击式破碎机等细磨设备：球磨机，振动磨机，气流粉碎机，环辊磨机（雷蒙磨）球磨机（重点介绍）是陶瓷行业普遍使用的细磨设备，起研磨和混合作用。,球磨机,陶瓷行业用球磨机的特点：,1.间歇式作业2.内衬：为防止铁质混入采用硬质岩石或瓷砖作内衬及磨球，或用橡胶内衬；3.湿法球磨：比干磨效率高，制备的可塑泥料与泥浆质量比干磨好，颗粒细，灰尘少，出料时采用泵和管道输送，有利于提高除铁效率。,影响球磨效率的因素：,1.球磨转速：一般1吨左右球磨机转速为2628转/分；2.研磨介质的数量，大小，外形，比重；3.料球水的比例
34、 普通陶瓷坯料为：1：（1.52.0）：（0.81.2）；普通陶瓷釉料为：1：（2.32.7）：（0.40.6）；4.加料粒度及加料方式：加料粒度2mm左右，先加硬质料长石、石英等和少量粘土，球磨一段时间后再加粘土。5.球磨机的装载量：总装载量（以容积计算）约占球磨机空间的4/5。,4.4.2 筛分、除铁与搅拌,1.筛分 目的：1）使原料颗粒适合于下一道工序的需要；2）在粉碎过程中及时除去已符合细度的颗粒，可提高设备的粉碎效率；3）确定颗粒的大小及比例，提高工艺性能及产品质量。,2.除铁,泥料中含铁 杂质为,金属铁氧化铁含铁矿物：如黑云母、磁铁矿、褐铁矿、赤铁矿与菱铁矿等。,由于磁场对不同含铁
35、矿物有不同效应，含铁矿物磁化率愈大，则磁场对它的作用愈大，含铁矿物按磁化率大小可分为如下四类：,磁选机只能除去强磁性矿物，特别是金属铁，磁铁矿等，有些含铁矿物，如菱铁矿、黄铁矿、黑云母等不能除去。,3.搅拌,4.4.3 泥浆脱水,1.压滤脱水,搅拌池：一般为六角或八角形，圆形料浆会随浆叶一起旋转,影响压滤效率的因素：,1）压力大小：一般压滤速率与进浆压力成正比，但超过一定数值时，由于 毛细管道曲折，孔道变小而使阻力增加，压力增高，压滤速率降低，一般为0.81.2MPa；2）加压方式：为避免最初一层滤饼过于致密、毛细管减少、滤布孔阻塞，采取加压初期压力较低，形成一层泥饼后再提高到最终压力；3）泥
36、浆温度：温度升高，粘度降低，压滤速率升高，一般适宜温度为4060；4）泥浆比重、密度：比重低、压滤时间长。一般泥浆比重为1.451.55，含水率在60左右；5）泥料性质：细度大，粘性大，压滤困难。所以新泥易榨泥，旧泥较慢，应将新、旧泥按一定比例混后进行压滤。压滤时可除去混入的有害可溶性盐类（Ca2+、Mg2+、SO42-），但是劳动效率较低，劳动强度大的工序，一般将压滤机安装在高于地面1.52.0米的平台上，以减轻劳动强度。,2.喷雾干燥脱水,喷雾干燥过程主要由以下工序组成：1）泥浆制备与输送2）热源与热气流供给3）雾化与干燥4）干粉收集与废气分离,影响喷雾干燥工艺因素：1）泥浆的浓度和进浆量
37、：其它条件不变时，泥浆浓度提高，干粉粒度增大，细粉较少，含水增加，每吨干粉油耗下降，产量增加；进浆量加大，使雾滴变粗，影响同上；2）干燥介质温度和排除废气温度：干燥介质温度首先取决于泥浆的组成和性质，使其不致干燥而发生化学变化，在其它条件不变时，干燥介质温度升高，粉料水分降低，若保证粉料出塔水分不变，则可加大进浆量，提高产量，但干燥介质温度过高使粉料体积密度较低，同为表面迅速形成一层硬壳阻碍雾滴收缩。进口温度一般不高于400500，排气温度直接关系到粉料的水分，其它条件不变，排气温度升高，粉料水分减少。,喷雾干燥法优缺点：优点：工艺过程简单，可连续生产，自动控制，容易保证干粉质量，设备产量大，
38、劳动条件好，生产率高，成本低。缺点：一次投资费用高，加入稀释剂等可溶性盐类留存粉料中引起粘膜，妨碍成型操作，干粉体积密度低，成型压缩比大，比其它干燥方法单位产品热耗大。,4.4.4 陈腐与练泥,1.陈腐 俗称困料。指将泥坯放在阴暗而湿度大的室内（2030）贮存一段时间，改善其性能的措施。陈腐的作用：水分因扩散而分布的更加均匀；在水和电解质的作用下，粘土颗粒充分水化和离子交换，非可塑性矿物发生水解，变为粘土物质，可塑性提高；在细菌作用下，粘土中有机物发酵或腐烂，变成腐植酸类物质可塑性提高；一些氧化还原反应产生的气体扩散，促使泥料松散均匀。陈腐虽然改善了泥料性能，但也存在如下缺点：1）时间较长；2
39、）占地面积大；3）中断生产过程连续性；4）不能排除泥料中空气。,2.练泥 真空练泥的作用:1）排除泥饼中的残留空气，提高泥料的致密度和可塑性；2）使泥料组织均匀，改善成形性能，提高干燥强度和成瓷后的力学强度。,第五章 成形与模具,5.1 成形5.2 成形模具,5.1 成形,将制备好的坯料制成具有一定大小形状的坯体的过程称之为成形。成形目的：1.使坯体致密且均匀，干燥后有一定的机械强度；2.坯体的形状尺寸应与产品协调（即生坯经烧成收缩后与预先设计的产品相符合）。实现成形过程的三个基本要素：1.动力（毛细孔力、机械剪切力和压力等）2.模型（钢模、石膏模等）3.性能适宜的坯料,三要素的不同组合分为注
40、浆成形、可塑成形、压制成形三种；成形方法的选择要考虑 产品的形状、大小、厚薄等，坯料的性质，产品产量和质量要求。,1）可塑成形：坯料是可塑性泥团，其含水量约为1825，是较古老又是最广泛使用的一种成形方法。适用于产品形状为简单回转体形状、产量大的器皿，所用坯料可塑性好；2）注浆成形：注浆坯料是含水量高达2835的流动性泥浆，适用于形状较复杂或较大，壁较薄的制品，产量小，坯料可塑性差；3）干压成形：粉料含有少量水分，含水量815为半干压坯料，含水量37为干压料，有的甚至3，适用于成形尺寸要求准确，小型制品，坯料可塑性差。,各种塑性成形方法比较,5.1.1 可塑成形,可塑成形是指对具有一定可塑能力
41、的泥料，如可塑坯料，进行加工成形的工艺过程。5.1.1.1 可塑泥团的成形性能1.可塑泥团的流变性可塑泥团是由固相、液相和气相组成的弹塑性系统，与它受到应力作用而发生变形时，既有弹性性质，又出现塑性变形阶段。当应力很小时，含水泥团受到应力与产生形变，二者呈线性关系，而且是可逆的。这种弹性变形主要是由于泥团中含有少量空气，有机增塑剂等，它们具有弹性，泥团粒子表面的水化膜也有微量的弹性。若应力增大超过极限值y，将出现不可逆的假塑性变形。,流动极限（流限，屈服值）由弹性变形过渡到假塑性变形的极限应力y，称为流动极限。假塑性变形：去除泥团受到的应力，泥团会部分恢复到原来状态（用y表示），剩余不可逆变形
42、部分n叫假塑性变形。最大变形量：出现裂纹前的最大变形量p。,2.可塑性：在可塑坯料的流变学性质中，有两个参数对成形过程有实际意义。一是屈服值y，二是最大变形量p。表示泥团坯料可塑性的可塑性指数为y p。其值愈高可塑性愈好。,当y p相同时可有两种情况，即y大 p 小，或y小 p大，依不同成型方法而有不同选择：挤压或拉坯成型要求y大，有利于坯体形状稳定；旋压或滚压成型要求y小，在石膏模中时间长，多次受力；手工成型p可小，工人可根据泥料特性适应；机械成型p大，可减少废品。,3.影响可塑性的因素,1）液相的含量与性质：液相（如水）是泥团出现可塑性的必要条件，如图所示，泥团的屈服值和最大变形量随含水量
43、的变化是完全不同的。因此可塑性指数表示与含水量呈抛物线关系，其最大值在两线的交点处，相对应的含水量是可塑性最大的成分点，称可塑水量。液相介质的粘度、表面张力等也显著影响可塑性；因泥团的屈服值受控于颗粒与液相间的表面张力，张力大，可塑性亦大。液体粘度增大（如桐油等）可在颗粒表面形成粘性薄膜增大颗粒间的作用力，可塑性亦增大。,3）矿物种类：不同矿物其结构形状、性能等差异影响可塑性。一般颗粒较细，矿物明显解理或完全解理，尤其是呈片状结构矿物，颗粒表面有较厚水膜。蒙脱石兼有上述条件，故可塑性高，粘土矿物的可塑性顺序为：地开石伊利石锂蒙脱石高岭石蒙脱石。4）吸附阳离子：粘土胶团间的吸引力的大小受控于吸附
44、阳离子的交换能力及交换阳离子的大小与电荷，坯料粉碎过程中的断键，从而带有电荷，具有一定的吸附能力，也是细粒原料可塑性强的原因之一。可塑性变化顺序和阳离子交换的顺序相同。即 H+-粘土Al3+Ba2+Mg2+-Ca2+-NH4+-K+-Na+Li+-粘土,可塑性增大,2）颗粒尺寸和形状：颗粒越细，比表面积越大，颗粒表面形成膜所需液体越多，最大变形量也将随之增加，但是屈服值不减小。由于颗粒间毛细管半径减小，毛细管作用力增大，有利于屈服强度增加，故最大可塑性指数增加。不同形状颗粒比表面不同，毛细管力不同，对可塑性有影响，板状、柱状颗粒比球状和等轴状的可塑性好。,5.1.1.2 成形工艺,1.旋压成形
45、：是指利用旋转的石膏模与样板刀成型。将经真空练泥的泥团放在石膏模中，将石膏模放在辘轳机上，使其转动然后慢慢放下样板刀。由于样板刀的压力，泥料均匀的分布在模子的内表面，多余的泥料则粘在样板刀上被清除。这样，模壁和样板刀转动所构成的空隙被泥料填满而旋制成坯件。,2.滚压成形：是在旋压成型基础上发展起来的，它与旋压成型的不同之处是将扁平的样板刀改为回转型的滚压头。滚压成型对泥料的要求，与成型方式有关。有阳模滚压成形和阴模滚压成形之分。,3.挤压与车坯成型：挤压成型是由真空挤泥机等将可塑泥团挤压向前，经过机嘴定形，达到制品所要求的形状。适于各种管状、棒状、及断面和中孔一致的产品生产，具有产量大，操作简
46、单，可连续化生产的特点。车坯成型是在车床上将挤压成型的泥段再加工成外形复杂的柱状制品。,4.其它成形方法,1）雕塑、印坯与拉坯成形：雕塑：先将练好的塑性泥料用印坯和拍打相结合的方法制成适当厚度的泥尺，然后切成所需形状大小，再用刀尺等工具进行修、削以制成符合要求的式样和厚度，最后用泥浆粘镶成坯体。印坯：有单面印坯和双面印坯两种。其优点是不需要机械设备，手工操作，印坯成型，但生产效率低。拉坯：又称做坯，是一种万能成形法，是在陶轮或辘轳上进行的。,2）塑压成形：就是采用压制的方法，迫使可塑泥料在模具中发生形变，得到所需坯体。,c)压缩空气从底模通入，使成形好的坯体脱离底模；液压装置返回至开启的工位，
47、坯体被上模吸住；d)压缩空气通过上模，坯体脱离上模落入操作人员手中的托板上；e)压缩空气同时通入上模和底模，使模内水分排除；关闭压缩空气，吸干模型表面水分，即可以进行下一个成形周期。,a)将泥段切成所需厚度的泥饼，置于底模上；,b)上下抽真空，施压成形；,5.1.2 注浆成形,注浆成形是指泥浆注入具有吸水性的模具中而得到坯体的一种成形方法。适于形状复杂、薄的、体积较大且尺寸要求不严的制品5.1.2.1 泥浆的成形性能1.流动性流动性好，料浆才能在管道中流动并能充满模具的各个部位。影响流动性的因素：固相含量，颗粒尺寸和形状；温度；干燥温度；PH值；电解质。,1）固相含量，颗粒尺寸和形状,泥浆流动
48、时的阻力来自三个方面：,水分子本身的相互吸引力；固相颗粒与水分子之间的吸引力；固相颗粒相互移动时的碰撞阻力。,含量：固相颗粒增多，降低泥浆流动性；水分增多，流动性提高，但是会造成加大收缩、降低强度、减缓吸浆速度的缺点，所以不能用增多水分改善泥浆的流动性。,大小：在一定浓度的泥浆中，颗粒愈细，颗粒间平均距离越小，吸引力增大，位移时所需克服的阻力增大，流动性减小。由于颗粒周围都有水化膜，固相颗粒呈现的体积比真实体积大的多，而阻碍泥浆流动，流动性减小。,形状：泥浆流动时有平移又有旋转运动，因而颗粒形状不同时对流动产生的阻力不同，体积相同时等轴颗粒阻力最小，颗粒形状愈不规则，形状系数愈大，阻力愈大，降
49、低其流动性。,2）泥浆温度的影响,泥浆温度升高，粘度降低，流动性提高。,温度升高除增大流动性外，还可加速泥浆脱水，增加坯体强度，因此生产中有用热模、热浆进行浇注的方法。如泥浆温度为3540，模型温度为35，则吸浆时间可缩短一半，脱模时间也相对缩短。,3）干燥温度,粘土原料经过干燥后，配制成的泥浆其流动性有所改变（见图）。其原因在于粘土脱水后，表面吸附离子的吸附性质发生变化,脱水前原来状态Na+水化膜较厚；干燥后水化膜消失，Na+几乎紧贴在粘土颗粒表面上，依二者静电吸力牢固结合在一起。,当加水调泥浆时，由于Na+与粘土结合紧密，再水化困难，新生成的水化膜较薄。在相同含水量条件下，胶团中吸附水减少
50、，导致自由水增多，颗粒易于位移，流动性增大。当粘土烘干温度超过一定数值，粘土颗粒表面结构破坏，吸附离子与粘土颗粒结合变松，再水化时，粘土对水耦合力增大，形成水化膜增厚，吸附水增大，自由水减少，流动性降低。,现以Na粘土为例说明吸附离子和粘土颗粒子附着现象：,4）泥浆PH值的系统 泥浆的PH值改变时，将改变胶粒表面作用力，影响电位，使泥浆在一定范围内粘度显著降低，流动性增加。,5）电解质电解质能改变泥浆中胶团的双电层的厚度和电位，产生稀释作用，加入电解质是改善其流动性的主要方法，常见的稀释剂分为三类：无机电解质：常用有水玻璃、碳酸钠、磷酸钠、六偏磷酸钠等，电解质用量为干坯质量的0.30.5。能生
