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1、2023/8/2,1,6 陶瓷成型,Anhui University of Technology,2023/8/2,2,一、陶瓷材料的基础知识,陶瓷成型,1、粉末的物理性能2、陶瓷粉体的制备方法,二 陶瓷原料的制备,三、陶瓷材料成型,1、陶瓷的概念2、陶瓷的分类3、我国陶瓷技术发展4、陶瓷材料的力学性能5、典型的陶瓷材料特性,1、成型方法分类 2、注浆成型3、干压成型 4、流延成型5、轧模成型 6、注射成型7、其它,2023/8/2,3,1.陶瓷的概念,传统上，“陶瓷”是指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、成型、烧结等过程而制成的各种制品。传统陶瓷包括常见的日用陶瓷制品和建
2、筑陶瓷、电瓷等。,日用陶瓷餐具,建筑陶瓷地砖,电瓷,一、陶瓷材料的基础知识,2023/8/2,4,广义的陶瓷概念：用陶瓷生产方法制造的无机非金属固体材料和制品的通称。德国陶瓷协会：“陶瓷是化学工业或化学生产工艺的一个分支，包括陶瓷材料和器物的制造或进一步加工成陶瓷制品(元件)。陶瓷材料属于无机非金属材料，最少含30结晶体。一般是在室温中将原料成型，通过800以上的高温处理，以获得这种材料的典型性质。有时也在高温下成型，甚至可经过熔化及析晶等过程。”美国和日本等国：Ceramics是包括各种硅酸盐材料和制品在内的无机非金属材料的通称，不仅指陶瓷，还包括水泥、玻璃、搪瓷等材料。,2023/8/2,
3、5,传统陶瓷的主要原料：取之于自然界的硅酸盐矿物(如粘土、长石、石英等)，所以传统陶瓷可归属于硅酸盐类材料和制品。因此，陶瓷工业可与玻璃、水泥、搪瓷、耐火材料等工业同属“硅酸盐工业”的范畴。,粘土矿物高岭石,钾长石,石英,2023/8/2,6,A超声波雾化器用压电陶瓷晶片,氧化锆陶瓷,金属陶瓷阀门,氧化物陶瓷、压电陶瓷、金属陶瓷等的生产过程基本上还是原料处理、成形、烧结这种传统的陶瓷生产方法，但原料已不再使用或很少使用粘土等传统陶瓷原料，而已扩大到化工原料和合成矿物，甚至是非硅酸盐、非氧化物原料，组成范围也延伸到无机非金属材料的范围中，并且出现了许多新的工艺。,2023/8/2,7,2.陶瓷的
4、分类,按陶瓷概念和用途来分类,2023/8/2,8,不同形状的特种结构陶瓷件,结构陶瓷是作为结构部件的特种陶瓷。由单一或复合的氧化物或非氧化物组成，主要是指发挥其机械、热、化学等性能的一大类新型陶瓷材料。用于耐磨损、高强度、耐热、耐热冲击、硬质、高刚性、低热膨胀性和隔热等结构陶瓷材料。,2023/8/2,9,电子绝缘件,氧化锆陶瓷光学导管,功能陶瓷是指在电、磁、声、光、热、生物-化学等方面具备的许多优异性能的陶瓷。在自动控制、仪器仪表、电子、通讯、能源、交通、冶金、化工、精密机械、航空航天、国防等部门均发挥着重要作用。,2023/8/2,10,陶瓷、金属、高分子材料并列为当代三大固体材料。之间
5、的主要区别在于化学键不同。金属：金属键 高分子：共价键（主价键）+范德瓦尔键（次价键）陶瓷：离子键和共价键。普通陶瓷，天然粘土为原料，混料成形，烧结而成。工程陶瓷：高纯、超细的人工合成材料，精确控制化学组成。如氮化硅、碳化硅、氧化铝、氧化锆、氮化硼、氧化锆增韧陶瓷（ZTC）等。工程陶瓷的性能：耐高温、耐磨、耐腐蚀、绝缘、抗蠕变性能好；硬度高，弹性模量高，塑性韧性比金属差得多；对缺陷很敏感；强度可靠性差。,小结：,2023/8/2,11,3 我国陶瓷技术发展,“China”意为“中国”；“china”意为“瓷器”,2023/8/2,12,陶器出现,裴李岗文化时期的陶器（距今约8000年）。出土于
6、河南省郑州市新郑市裴李岗村。出土的陶器主要以泥质红陶和夹砂红陶为主，红陶在中国出现最早，烧成温度900左右。,2023/8/2,13,仰韶文化时期陶器 1972年河南省郑州市大河村出土,彩陶双连壶,2023/8/2,14,山东历城县龙山镇出现了“黑陶”。所以这个时期称为“龙山文化”时期，又称“黑陶文化”。,龙山文化时期出土的黑陶（距今约46004000年）,龙山黑陶在烧制技术上有了显著进步，它广泛采用了轮制技术，因此，器形浑圆端正，器壁薄而均匀，将黑陶制品表面打磨光滑，乌黑发亮，薄如蛋壳，厚度仅1mm，人称“蛋壳陶”。,2023/8/2,15,殷商时代的陶器从无釉到有釉，是制陶技术上的重大成就
7、。为从陶过渡到瓷创造了必要的条件，这一时期釉陶的出现是我国陶瓷发展过程中的“第一次飞跃”。,商代早期陶器（河南荥阳出土）,商代几何纹白陶瓿 陶器向瓷器过渡,陶瓷发展经历了三个阶段,2023/8/2,16,西汉（公元前206公元24年）1975年河南省三门峡市出土,北齐武平六年（公元575年）1971年河南省安阳县范粹墓出土,彩绘陶甗,黄釉舞乐扁壶,汉代以后：釉陶逐渐发展成瓷器，无论从釉面和胎质来看，瓷器的出现无疑是釉陶的“第二次飞跃”。,在浙江出土的东汉越窑青瓷是迄今为止我国发掘的最早瓷器，距今已有1700年。当时的釉具有半透明性，而胎还是欠致密的。这种“重釉轻胎倾向”一直贯穿到宋代的五大名窑
8、(汝、定、官、越、钧)。,2023/8/2,17,唐代越窑的青瓷、邢窑的白瓷、宋代景德镇湖田、湘湖窑的影青瓷都享有盛名。到元、明、清朝代，彩瓷发展很快，釉色从三彩发展到五彩、斗彩，一直发展到粉彩、珐琅彩和低温、高温颜色釉。,唐三彩,钧瓷,景德镇陶瓷,唐代：“第三次飞跃”是瓷器由半透明釉发展到半透明胎。,2023/8/2,18,我国的陶瓷发展经历了三个阶段，取得三个重大突破：三个阶段：a.陶器 b.原始瓷器(过渡阶段)c.瓷器三个重大突破：a.原料的选择和精制 b.窑炉的改进和烧成温度的提高 c.釉的发现和使用。近30年来，特种陶瓷飞速发展。,2023/8/2,19,4 陶瓷材料的力学性能,4.
9、1 弹性变形（1）弹性模量大 E值大，是金属材料的2倍以上。共价键结构有较高的抗晶格畸变、阻碍位错运动的阻力。晶体结构复杂，滑移系很少，位错运动困难。（2）弹性模量呈方向性；压缩模量高于拉伸弹性模量。结构不均匀性；缺陷。（3）气孔率，弹性模量,陶瓷材料的弹性变形、塑性变形与断裂,2023/8/2,20,4.2 塑性变形（1）室温下，绝大多数陶瓷材料塑性变形极小。（2）1000以上，大多数陶瓷材料可发生塑性变形（主滑移系运动）。（3）陶瓷的超塑性 是微晶超塑性。晶界滑动，晶界液相流动。存在条件：超细等轴晶，第二相弥散分布，晶粒间存在液相或无定形相。如含化学共沉淀法制备的含Y2O3的ZrO2粉体，
10、在1250烧结后，应变速率=400%。利用陶瓷的超塑性，可以对陶瓷进行超塑加工。超塑加工扩散焊接：新的复合加工方法。,2023/8/2,21,以各种缺陷（表面或内部）为裂纹源，从最薄弱处裂纹扩展，瞬时脆断。陶瓷的主要断裂机制：解理。且容易从穿晶变为沿晶断裂。,4.3 断裂,2023/8/2,22,5.1 结构陶瓷,5 典型的陶瓷材料特性,2023/8/2,23,晶体结构,氧化铝有十多种同素异构体，但常见的主要有三种：-Al2O3、-Al2O3、-Al2O3。-Al2O3属于尖晶石型（立方）结构，高温时不稳定，在1600转变为-Al2O3。-Al2O3 属于六方系，稳定性好，在熔点2050 之前
11、不发生晶型转变。,氧化铝陶瓷,Al2O3少量SiO2。根据Al2O3含量可分为刚玉-莫来瓷（75瓷，wAl2O3=75%）和刚玉瓷（95瓷，99瓷）。,2023/8/2,24,制备方法：,2023/8/2,25,3）低的介电损耗、高电阻率、高绝缘性：火花塞，电路基板，管座；4）熔点高、抗腐蚀：耐火材料，坩埚，炉管，热电偶保护套等；5）离子导电性：太阳能电池材料和蓄电池材料等。6）生物相容性：还可用于制作人工骨骼和人造关节等。,2023/8/2,26,晶体结构,氧化锆陶瓷,备注：氧化锆熔点为2715。,2023/8/2,27,性能与应用,1）热导率小，化学稳定性好、耐腐蚀性高：可用于高温绝缘材料
12、、耐火材料，如熔炼铂和铑等金属的坩埚、喷嘴、阀心、密封器件等：2）硬度高，耐磨性好：可用于制造切削刀具、模具、剪刀、高尔夫球棍头等。3）具有敏感特性：可做气敏元件，还可作为高温燃料电池固体电解隔膜、钢液测氧探头等。,2023/8/2,28,碳化硅陶瓷,以SiC为主要成分的陶瓷。具有很高的高温强度，在1400时抗弯强度仍保持在500600MPa，工作温度可达1700；有很好的热稳定性、抗蠕变性、耐磨性、耐蚀性，良好的导热性、耐辐射性。制作火箭尾喷管喷嘴、浇注金属的浇道口、轴承、轴套、密封阀片、轧钢用导轮、内燃机器件、热电偶保护套管、炉管、核燃料包封材料等。,2023/8/2,29,氮化硅陶瓷,以
13、Si3N4为主要成分的陶瓷。氮化硅陶瓷具有很高的硬度，摩擦系数小，耐磨性好，抗热振性大大高于其它陶瓷。它具有优良的化学稳定性，能耐除氢氟酸、氢氧化钠外的其他酸和碱性溶液的腐蚀，以及抗熔融金属的侵蚀。它还具有优良的绝缘性能。用于制造切削刀具、高温轴承、泵密封环、热电偶保护套、缸套、活塞顶、电磁泵管道和阀门等。,2023/8/2,30,5.2 功能陶瓷,铁电陶瓷,有些陶瓷的晶粒排列是不规则的，但在外电场作用下，不同取向的电畴开始转向电场方向，材料出现自发极化，在电场方向呈显一定电场强度，这类陶瓷称为铁电陶瓷，广泛应用的铁电材料有钛酸钡、钛酸铅、锆酸铝等。铁电陶瓷应用最多的是铁电陶瓷电容器，还可用于
14、制造压电元件、热释电元件、电光元件、电热器件等。,2023/8/2,31,压电陶瓷,铁电陶瓷在外加电场作用下出现宏观的压电效应，称为压电陶瓷。目前所用的压电陶瓷主要有钛酸钡、钛酸铅、锆酸铝、锆钛酸铅等。压电陶瓷在工业、国防及日常生活中应用十分广泛。如压电换能器、压电马达、压电变压器、电声转换器件等。利用压电效应将机械能转换为电能或把电能转换为机械能的元件称为换能器。,2023/8/2,32,氧化锆固体电解质陶瓷,ZrO2中加入CaO、Y2O3等后，提供了氧离子扩散的通道，所以为氧离子导体。氧化锆固体电解质陶瓷主要用于氧敏传感器和高温燃料电池的固体电解质。,2023/8/2,33,导电性介于导电
15、和绝缘介质之间的陶瓷材料。主要有钛酸钡陶瓷，具有正电阻温度系数，应用非常广泛。如用于电动机、收录机、计算机、复印机、变压器、烘干机、暖风机、电烙铁、彩电消磁、燃料的发热体、阻风门、化油器、功率计、线路温度补偿等。,半导体陶瓷,2023/8/2,34,5.3 陶瓷耐火材料,陶瓷耐火材料的重要性能指标是：低温强度、高温强度、体密度、孔隙率等。,陶瓷耐火材料一般是指耐火度在1580以上的陶瓷。它包括天然矿石及按照一定的目的要求经过一定的工艺制成的各种产品。具有一定的高温力学性能、良好的体积稳定性，是各种高温设备必需的材料。,2023/8/2,35,5.4 玻 璃,玻璃是介于结晶态和无定型态之间的一种
16、物质状态，称为玻璃态物质。,2023/8/2,36,几种玻璃的特性和用途,2023/8/2,37,石英玻璃,2023/8/2,38,钢化玻璃,普通玻璃,2023/8/2,39,玻璃纤维,2023/8/2,40,1 粉末的物理性能2 陶瓷粉体的制备方法,二 陶瓷原料的制备,2023/8/2,41,1 粉末的物理性能,粉末的分类,2023/8/2,42,粉体的物理性能,粉体形状：,2023/8/2,43,粉体的粒度（particle size）,由于细颗粒的团聚作用，粉体一般是大量颗粒的聚合体。习惯上也把聚合体称为颗粒。,按ISO3252定义，晶粒（A）、颗粒（B）、聚合体（C）的区别如右图所示。
17、,2023/8/2,44,粉体的粒子学特性：,粉体的粒子学特性包括粉体粒径、粒径分布、粒子形状、密度、流动性、堆积密度等，其中粉体的粒径对陶瓷的性能影响最为关键。,粉体的粒径减小，其单位质量的粉体数目增加，表面积增大，存储于颗粒表面的表面能也随之增加；相应地，会引起粉体的一些重要性能发生变化，尤其是对超细粉。,2023/8/2,45,1 材料的熔点降低 熔点降低这意味着陶瓷可以在更低的烧结温度下致密化，能有效控制晶粒长大的倾向。例如，5m的氧化锆粉体的烧结温度为1800，而粒径降到0.05m时，其烧结温度仅为1200。,2 蒸汽压上升 有利于控制烧结过程中的组分含量。,2023/8/2,46,
18、3 颗粒表面反射率下降 当金属颗粒减小到纳米级后，粉体颜色变黑，吸光性能极佳。,4 电阻率上升 纳米Ag粉末的绝缘性极好。,2023/8/2,47,2 陶瓷粉体的制备方法,粉体的物理制备方法,2023/8/2,48,粉体的化学制备方法,沉淀法：,主要原理是：在液相中采用各种水溶性化合物经混合、发应生成不溶于水的沉淀，将沉淀洗涤并热分解可形成超细粉。,沉淀法可以分为直接沉淀法、均匀沉淀法和共沉淀法等。,2023/8/2,49,1 直接沉淀法 向盐溶液中直接加入沉淀剂进行反应得到细小沉淀物的方法。该法容易因为溶液中局部沉淀剂浓度过高，发生不均匀沉淀。,2 均匀沉淀法 依靠溶液内部缓慢均匀地生成沉淀
19、剂而进行沉淀反应地方法。该方法消除了直接沉淀法发生不均匀沉淀的现象。（例如：尿素水解制备盐类）,2023/8/2,50,3 共沉淀法 在溶液中同时沉淀两种或两种以上金属离子得到均匀性好的复合氧化物的方法。该法所制备的复合粉末在粒度、纯度和均匀性上都远远超过机械粉碎混合法。例如：在氨水溶液中制备氧化锆合氧化钇复合粉体的制备。,2023/8/2,51,醇盐水解法：,主要原理是：利用金属醇盐M(OR)n（R为烷基）遇水后容易分解的特点，将分解得到的胶体在低温下干燥，可得到化学组分及形貌均匀的氧化物粉体。,醇盐遇水分解的通式：M(OR)n+n(H2O)M(OH)n+nROH 该方法成本高，团聚不易控制
20、。,2023/8/2,52,CVD法：,主要原理是：利用挥发性金属化合物的蒸汽通过分解或相互反应合成所需粉体的方法。,1）分解沉积：CH3SiCl3()SiC()+3HCl(),2）反应沉积：TiCl4()+CH4()TiC()+4HCl(),2023/8/2,53,2023/8/2,54,1 概述 陶瓷的成型技术对于制品的性能具有重要影响。新型陶瓷成型方法的选择，应当根据制品的性能要求、形状、尺寸、产量和经济效益等综合确定。,三、陶瓷材料成型,2023/8/2,55,1.1成型方法分类,冷法,坯料含水量3040%,石膏模,常压冷法注浆加压冷法注浆抽真空冷法注浆,有模,无模,等静压成型法：使用
21、橡皮膜，坯料含水量1.53%,干压成型法：使用钢模，坯料含水量68%,可塑成型法,成型方法,坯料含水量1826%,注浆成型法,热法（热压注法）：钢模,2023/8/2,56,1.2 成型方法的选择,以图纸或样品为依据，确定工艺路线，选择合适的成型方法。选择成型方法时，要从下列几方面来考虑：,（1）产品的形状、大小、厚薄等。,（2）坯料的工艺性能。,（3）产品的产量和质量要求。,（4）成型设备要简单，劳动强度要小，劳动条件要好。,（5）技术指标要高，经济效益要好。,2023/8/2,57,2 注浆成型,注浆成型工艺简单，适于生产一些形状复杂且不规则、外观尺寸要求不严格、壁薄及大型厚胎的制品。,2
22、.1影响泥浆流动性的因素,1、固相的含量、颗粒大小和形状的影响,2、泥浆温度的影响,3、粘土及泥浆处理方法的影响,4、泥浆的pH值的影响,2023/8/2,58,2.2注浆过程的物理化学变化,1.注浆时的物理脱水过程,2.注浆时的化学凝聚过程:,Na-粘土CaSO4Na2SiO3Ca-粘土CaSiO3+Na2SO4,2023/8/2,59,2.3陶瓷坯体的注浆成型,1、基本注浆方法：空心注浆(单面注浆)实心注浆(双面注浆),空心注浆(单面注浆),2023/8/2,60,实心注浆(双面注浆),2023/8/2,61,2、注浆用石膏模的主要缺陷,（1）开裂,（2）气孔与针眼,（3）变形,（4）塌落
23、,（5）粘膜,2023/8/2,62,3 干压成型,3.1 干法压制的基本原理 1、粉料的基本性质(1)粒度和粒度的分布 V=abc=r3即该颗粒等效半径为：,2023/8/2,63,（2）粉料的堆积性质,等径球体堆积形式及孔隙率,2023/8/2,64,4 流延成型,4.1 工艺流程,溶剂,混磨,烧结促进剂,细磨熟料,抗聚凝剂,除泡剂,烘干,再混磨,流延,真空除气,增塑、润滑剂,粘合剂,卷轴待用,2023/8/2,65,2、流延成型浆料的制备,流延成型用浆料的制备方法是，先将通过细磨、煅烧的熟瓷粉加入溶剂，必要时添加抗聚凝剂、除泡剂、烧结促进剂等进行湿式混磨；再加入粘结剂、增塑剂、润滑剂等进
24、行混磨以形成稳定的、流动性良好的浆料。,3、流延成型的特点,流延成型设备不太复杂，且工艺稳定，可连续操作，生产效率高，自动化水平高，坯膜性能均匀一致且易于控制。但流延成型的坯料因溶剂和粘结剂等含量高，因此坯体密度小，烧成收缩率有时高达2021%。流延成型法主要用以制取超薄型陶瓷独石电容器、氧化铝陶瓷基片等新型陶瓷制品。为电子元件的微型化，超大规模集成电路的应用，提供了广阔的前景。,2023/8/2,66,5 轧膜成型,轧膜成型是将准备好的陶瓷粉料，拌以一定量的有机粘结剂(如聚乙烯醇等)和溶剂，通过粗轧和精轧成膜片后再进行冲片成型。,1、工艺流程,2023/8/2,67,2、轧膜成型用塑化剂,各
25、种轧膜瓷料用塑化剂的不同配比,2023/8/2,68,3、轧膜成型的特点,轧膜成型具有工艺简单、生产效率高、膜片厚度均匀、生产设备简单、粉尘污染小、能成型厚度很薄的膜片等优点。但用该法成型的产品干燥收缩和烧成收缩较干压制品的大。该法适于生产批量较大的1mm下的薄片状产品，在新型陶瓷生产中应用较为普遍。,2023/8/2,69,6 注射成型,1、工艺流程,瓷粉,粘结剂,柱塞式,预塑式,螺旋直列式,加热混练,用辊机质粒压纹,加热挤压制粒机,混练机低温粉碎,用辊机低温挤压成薄片,粒状粉料,注射成形,一次成型坯,脱 脂 脂,烧 结,成 品,2023/8/2,70,7 其他成型方法,纸带成型 它与流延成
26、型法有些类似，以一卷具有韧性的、低灰份的纸（如电容纸）带作为载体。让这种纸带以一定的速度通过泥浆槽，粘附上合适厚度的浆料。通过烘干区并形成一层薄瓷坯，卷轴待用。在烧结过程中，这层低灰份衬纸几乎被彻底燃尽而不留痕迹。如泥浆中采用热塑性高分子物质作为粘结剂，则在加热软化的情况下，可将坯带加压定型。,2023/8/2,71,滚压成型,它与轧膜成型有些相似，是以热塑性有机高分子物质作为粘合载体，将载体与陶瓷粉料放在一起，加入封闭式混练器进行混练，练好后再进入热轧辊箱，轧制成一定厚度引出，用冷空气进行冷却，然后卷轴待用。如欲制作其它定型坯带，则对从轧辊箱出来的坯片，可趁热进行压花。此法与前述纸带成型法均
27、可用以制作垂直多孔筒状热交换器，两者各有优点。用滚压法所制的坯体孔型较好，空气易于流通，但工艺较难控制。,2023/8/2,72,印刷成型,将超细粉料、粘合剂、润滑剂、溶剂等充分混合，调制成流动性很好的稀浆料，然后采用丝网漏印法，即可印出一层极薄的坯料。,喷涂成型,此法所用的浆料与流延法、印刷法相似，但必须调得更稀一些，以便利用压缩空气通过喷嘴，能使之形成雾粒，此法主要用以制造独石电容器，喷涂时以事先刻制好的掩膜，挡住不应喷涂的部分，到一定程度可让其干燥，干后再作第二次、第三次喷涂，到达预定厚度时，再更换掩膜，喷上所需的另一浆料。按这种金属浆料和陶瓷浆料，反复更换掩膜，交替喷上，以获得独石电容
28、器的结构。,2023/8/2,73,爆炸成型,50年代初，爆炸成型最初用于TiC、TaC和Ni粉叶片的成型。炸药爆炸后，在几微秒内产生的冲击压力可达1106MPa。巨大的压力，以极快的速度作用在粉末体上，使压坯获得接近理论密度和很高的强度。爆炸成型法可以成型形状复杂的制品，制品的轮廓清晰，尺寸公差稳定，成本较低。目前，爆炸成型法已应用于铁氧体、金属陶瓷等的生产。,2023/8/2,74,思考作业,1、陶瓷定义，陶瓷的分类及其用途。2、陶瓷成型的工艺有哪几种，各自的工艺流程及特点是什么？,2023/8/2,75,Thank You!,Anhui University of Technology,
