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1、,第三篇,陶瓷材料及其制备工艺,陶瓷的制备工艺过程：,一、概述,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、成形、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筑陶瓷、电瓷等。广义上，“陶瓷”是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。,日用陶瓷餐具,建筑陶瓷地砖,电瓷,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,A超声波雾化器用压电陶瓷晶片,氧化锆陶
2、瓷,金属陶瓷阀门,这些氧化物陶瓷、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。,2.陶瓷的分类,(1)按陶瓷概念和用途来分类：,结构陶瓷主要是用于耐磨损、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；,不同形状的特种结构陶瓷件,功能陶瓷中包括电磁功能、光学功能和生物-化学功能等陶瓷制品和材料，此外还有核能陶瓷和其它功能材料等。,电子绝缘件,氧化锆陶瓷光学导管,4.
3、陶瓷在现代化建设中的作用,首先，陶瓷是人民日常生活中听不可缺少的日用品，几千年来一直是人类用以生活的主要餐具、茶具和容器。其次，陶瓷又是制造美术陈设器皿的最耐久最富于装饰性的材料，在我国外贸中占有一定的地位。再次，陶瓷又是一个原料来源丰富，传统技艺悠久，具有坚硬、耐用及一系列优良性质的材料，在建筑、电力、电子、化学、冶金工业等，甚至农业和农产品加工中都大量应用。最后，随着现代科学技术的飞速发展，使得具有优良性能的特种陶瓷得到了广泛应用。,二、陶瓷原料,粘土类原料石英类原料长石类原料其他矿物原料（瓷石，叶腊石，高铝质矿物原料，碱土硅酸盐类原料，碳酸盐类）新型陶瓷原料（氧化物原料，碳化物类原料，氮
4、化物原料）,1.粘土类原料,粘土很少由单一矿物组成，而是多种微细矿物的混合体。,粘土矿物主要为高岭石类（包括高岭石、多水高岭石等）、蒙脱石类（包括蒙脱石、叶蜡石等）和伊利石类（也称水云母）等等。,高岭石,叶腊石,伊利石,二氧化硅（SiO2）在地壳中的丰度约为60。含SiO2的矿物种类很多，部分以硅酸盐化合物的状态存在，构成各种矿物、岩石。另一部分则以独立状态存在，成为单独的矿物实体，其中结晶态二氧化硅统称为石英。a.水晶 b.脉石英 c.砂岩 d.石英岩 e.石英砂,2.石英类原料,石英,水晶,长石是陶瓷生产中的主要熔剂性原料，一般用作坯料、釉料、色料熔剂等的基本成分，用量较大，是日用陶瓷的三
5、大原料之一。自然界中长石的种类很多，归纳起来都是由以下四种长石组合而成：,3.长石类原料,钠长石(Ab)NaAlSi3O8或Na2OAl2O36SiO2 钾长石(Or)KAlSi3O8或K2OAl2O36SiO2 钙长石(An)CaAl2Si2O8或Ca OAl2O32SiO2 钡长石(Cn)BaAl2Si2O8或BaOAl2O32SiO2,三、粉体的制备,粉体制备方法：粉碎法：机械粉碎，气流粉碎；杂质多，1m以上；合成法：固相法、液相法和气相法；纯度、粒度可控，均匀性好，颗粒微细。,粉碎法,机械粉碎法：冲击式粉碎、球磨粉碎 行星式研磨、振动粉碎等,1-动锥2-定锥3-破碎后的物料4-破碎腔,
6、1-电动机2-离合器操纵杆3-减速器4-摩擦离合器5-大齿圈6-筒身7-加料口8-端盖9-旋塞阀10-卸料管11-主轴头12-轴承座13-机座14-衬板；15-研磨,气流粉碎：,扁平式气流粉碎机,管道式气流粉碎机,（1）固相法 1.烧结法：A(S)+B(S)C(S)十D(G)2.热分解反应基本形式(S代表固相，G代表气相)：SlS2十G1 3.化合反应法：A(s)+B(s)C(s)+D(g)4.氧化还原法或还原碳化、还原氮化 如：3SiO2+6C+2N2 Si3N4+6CO（2）液相法 盐溶液盐晶体或氢氧化物粉末 A.化学共沉淀法 B.溶胶凝胶法 C.喷雾热分解法,合成法,(3)气相法,CVD
7、方法原理及气象沉淀产物示意图,四、配料及成型的原理与工艺,配料：方法两种(1)已知化学计量的配料计算(2)根据化学成分的配料计算 混料：方法两种 干混和湿混 注意加料程序和混料磨介的使用,塑化 就是指利用塑化剂，使原料坯料具有可塑性，而可塑性是指坯料在外力的作用下发生无裂纹的变形。塑化剂一般有两类：一类是无机塑化剂、另一类是有机塑化剂。造粒 就是在较细的原料中加入塑化剂，制成粒度较粗、具有一定假颗粒度级配、流动性较好的粒子。造粒方法可以分为一般造粒法、加压造粒法、喷雾造粒法、冷冻干燥法等。,成型,陶瓷粉体、坯料进一步加工成坯体的这一过程称为成形。1.干压成形,干净压成型示意图1.粉体造粒；2.
8、模具充填；3.单轴向加压；4.脱模,2.等静压成型,等静压成型系统构造图,3.热压铸成型4.塑性成形,棒(a)和管材(b)的挤制成形示意图,5.流延法成型,(a)刮刀工艺,(b)带式浅注工艺 流延法成型示意图,五、烧结原理与工艺,烧结是指多孔状陶瓷坯体在高温条件下，表面积减小、孔隙率降低、机械性能提高的致密化过程。,陶瓷烧结示意图(a)颗粒间的松散接触；(b)颗粒间形成颈部；(c)晶界向小晶粒方向移动并逐渐消失，晶粒逐渐长大；(d)颗粒互相堆积形成多晶聚合体,(一)概念,陶瓷的烧结过程一般分为五个阶段：(1)低温阶段（室温至300左右）(2)中温阶段（亦称分解氧化阶段，300 至950C）(3
9、)高温阶段（950C至烧成温度）(4)保温阶段(5)冷却阶段,陶瓷的烧结类型可以分固相烧结、液相烧结。,烧结过程示意相图,(一)概念,（二）几种常用烧结方法,）热压烧结）热等静压）放电等离子体烧结）微波烧结）反应烧结）爆炸烧结,常压烧结：常压热压烧结：加压热等静压烧结：高温恒压气氛烧结：防氧化、加气反应烧结：加入气相或者液相以获得一 定强度和精度,帮助理解,热压烧结,2.热压烧结：包括一般热压烧结和等静压烧结。热压烧结指在烧成过程中施加一定的压力（在），促使材料加速流动、重排与致密化。连续热压烧结生产效率高，但设备与模具费用较高，又不利于过高过厚制品的烧制。热等静压烧结可克服上述弊缺，适合形状
10、复杂制品生产。目前一些高科技制品，如陶瓷轴承、反射镜及军工需用的核燃料、枪管等、亦可采用此种烧结工艺。,优点：压力有助于致密化，降低烧结温度，缩短烧结时间；烧成的陶瓷晶粒度 小，力学性质好；气孔率接近于零，密度接近于理论密度。,热等静压烧结,高温等静压工艺设备系统简图,烧结系统大致由四个部分组成：真空烧结腔（图中6），加压系统（图中3），测温系统（图中7）和控制反馈系统。图中1示意石墨模具，2代表用于电流传导的石墨板，4是石墨模具中的压头，5是烧结样品。,放电等离子体烧结,微波烧结,微波烧结陶瓷装置示意图,微波烧结系统,高温倒焰窑结构示意图,梭式窑结构示意图,1.间歇式窑炉,按其功能新颖性可分
11、为电炉、高温倒焰窑、梭式窑和钟罩窑。,（三）烧结设备,2.连续式窑,连续式窑炉按制品的输送方式可分为隧道窑、高温推板窑和辊道窑。,高温隧道窑,六、陶瓷烧结后处理加工,常见的后续加工处理方式主要有表面施釉、机械加工及表面表面金属化。施釉(1)提高瓷件的机械强度与耐热冲击性能；(2)防止工件表面的低压放电；(3)使瓷件的防潮功能提高。机械加工 可以使陶瓷制品适应尺寸公差的要求，也可以改善陶瓷制品表面的光洁度或去除表面的缺陷。方法有磨削、激光和超声波加工等。,金属化 为了满足电性能的需要或实现陶瓷与金属的封接，需要在陶瓷表面牢固地镀上一层金属薄膜，常見的陶瓷金属化方法有被银法、电镀法等。陶瓷与金属的封接形式包括玻璃釉封接、金属焊接封接、活化金层封接、激光焊接、固相封接等。,
