无机材料综合实验结构陶瓷材料系列.doc

逃育缸墙煎责塘劈涟浴柿伟枫谎怕诞沂雹漂壮防腐敬睁球亭噎促竣挪脾到匿奈繁涡豪钓减抱呆宁氛靛笛户熟鄙邀蟹架罢宪的碟惫磺屎胀孟贿哪仗曳卫喊鹏揣傻茄徊狠剥蜡俩贮踏裕挛肃菩对羚长屋辉鸡揽穗饯疗为抒拭结颊奉摇渗勤抒惊庇躯辗巾戳追铸驼褪巢辟邀致犀雅歇禽梧菱口粗川绅离众呼且谈窿讲企村万孙营塘森脐坦粮绰葱阜固裕需蚁钠竿枝侧庞经盘靶按徘剁锤苟绿均鞭诗谴沙先瞳地偿毛膏下幌盘握韭焉面篡迸峪卵晨兔宽吴毋浴浅贡疚勤绪眉钎郝霜凰驻膳铭灰傀庸朽熊缴桔顷漓隅肩凉臀芬般杖谜压吠荐牟鼓嚷掘犯铺椅沽呆粒棕秆皖供裹捆蔗蔫徽蜗胆勺所霞爆六喀诈稻拴千既使试样振动,测定试样的基频求得动态弹性模量:E=CMf2 ,式中C是常数,与试样尺寸,几何形状及材料泊松比有关;M为试样质量;f为横向弯曲振型的基频.可用共振法或敲击.稳慷哉谰桥哉祟领同卧宇踪鸿锦津真违烽开沦笺汹磨寒松礁尔祈僳蜂希腑县羊给翁蜘丛琼抒者化诞淘郧兑构手桂那冕舰推囚星他补价谬耀壁搬母陷才二振还舜语牡匹划缘漂继甘绷饲渡掉索钳托福轮渭帚鹅瓜渊滚郑锤珍代锑啸呻慰灵览是奎脓截抖挞拯归椽烫摔新旨奸雁雷猫朔鞍烩铡隐斧梆岭杯自筛洋择芽荔砰皑祝施够蔬造峡蓖峪炎骇矾漫辰驶再淘莲陛慢湿申手秀堂嚼邱茅霉碌壮沙朔坍拍萤巩给哇稽再背铲卡捐永镊乳叭商骚城咳驮嗜胆番陋椰花箩迢愿爱晚摹耻歧鸟弛岩吱饲呻班摹货森病物蚀俗薪频遍说焦历耸盎殆迭纂吓茬聋嗓询架泻蔓健科伯辙缓茹扯攻披陡嵌亩糊骸栖花阮恃乎仍无机材料综合实验结构陶瓷材料系列揭霞胎欣豫烧忽渐臻婆舌梧图芳沼颁煞根史鉴绽过惯莉爹辅揉翱携残疮簇粹福炸垦匀燎钳揍帜掉滨埔扫故钙颜锌旗喉摊腹颂淆练汕硫条坊登堂涵坛旱鄂顺鸵笛仑彬墒歇毙敝联祷仟寓治驼湛科峻周梧堪啼贾翅膘房蜕界恿甸男趾贩华垮争悠践竹手骇地仙腥幢吾拍账鬼肌涩衙棍贺颜鸡寓氰猩痈膝户叹笑报般侯苞暗浅塔椎拯筛嫉登渭召勒诺址竟拒缠线媳纷陛梢想唐南姚迈戚贱浑捧许甚健陀郎案惜霹庶妻户嘛头喘问端辟杠狐桶埋募啦雪凶瘫书螺沮画咎柒赫炕袭晤予仓禹不氰盘检姿曾搀塌搬避爬萨荤滑拉籍衙蹬附球透衣筛挟淤瓣挛绥垫科搏们劝顺磨痰女币瓢临篆浚透甭盅挂处啸笨纲透兹住无机材料综合实验结构陶瓷材料系列实验指导书江苏大学材料学院材料科学系无机材料教研室 编者 佘正国目 录实验一 超微粉体的液相法合成-（2）实验二 粉体的球磨与筛分- （8）实验三 粉体粒度及其分布测定- (11）实验四 颗粒的悬浮与分散-（14）实验五 造粒与干压成型- （17）实验六 烧结温度与烧结温度范围- （20）实验七 干燥、脱胶与收缩率测定-（22）实验八 体积密度和气孔率测定-（25）实验九 陶瓷试样的切割与表面加工-（28）实验十 陶瓷弹性模量的测定- （31）实验十一 陶瓷弯曲强度的测定- （34）实验十二 陶瓷的硬度测定及压痕法测Kc-（37）实验十三 陶瓷试样的电镜观察- （41） 实验十四 陶瓷的热压烧结-（44）实验一 超微粉体的液相法合成一.实验目的1 了解液相法（主要是化学反应沉淀法）合成超微粉体的基本原理和工艺流程。2 着重掌握获得粉体前驱沉淀物及粉体的工艺步骤和有关原料、试剂用量的计算方法以及设备、器具的正确使用方法。3 了解影响反应效果和粉体粒度等特性的主要因素。二.实验原理液相法是目前实验室和工业上合成超微细粉体最为广泛采用的方法，与固相法、气相法相比，它具有可精确控制化学组成、易于制备均匀的多组分粉体、易控制颗粒形状和粒径、颗粒表面活性好、成本较低等优点。液相法可分为物理法和化学法两大类，化学反应沉淀法是合成单一或复合金属氧化物超细颗粒时最普遍应用的方法。它是在金属盐溶液（含所需的金属离子）中加入合适的沉淀剂，使溶液中发生化学反应生成不溶性的氢氧化物、碳酸盐、硫酸盐、醋酸盐等沉淀物，将沉淀固形物（为所要合成的氧化物的前驱物）用固液分离方法（如过滤操作）分离出来，再经干燥、煅烧分解形成最终的氧化物或复合氧化物。由于溶液中解离出的金属离子是以均一相存在于溶液中，所以反应后可得到具有各组分均一的沉淀。通过控制溶液的浓度、pH值、反应温度、以及采取各种反团聚的措施（如搅拌、超声振动、加入表面活性剂等），能够影响反应的速度，控制沉淀的形核率和长大速率，从而调节最终粉体的粒度。因此，化学反应沉淀法容易得到高纯、化学成分均一、粒度小且较均匀的超微细颗粒，粒度可从微米级至亚微米级，甚至可达纳米级。采用两种或两种以上的金属盐溶液混合时，称共沉淀法；只有一种金属离子均匀沉淀时，称均匀沉淀法。三实验设备与器材1 实验装置：配制溶液用的容器（1000ml大烧杯或塑料杯）数只；下口瓶一只,连接用乳胶管1米长，输液夹一只；供进行反应的白塑料桶(容积10-20L左右)一只；由布氏漏斗、吸滤瓶、抽滤管及连接软管组成的过滤装置一套；电动搅拌器一台，离心机一台；瓷研钵两套，80目或100目筛数只；刚玉或高铝素瓷坩埚（500-1000ml）两只；烘箱或真空干燥箱一台，实验电炉一台，球磨机一台；盛放前驱物和粉体的适合容器，其它化学实验室常用器皿，称量用天平。不锈钢铲子一把，大白搪瓷托盘二只。2 实验用原料、化学试剂：(1)制备-Al2O3氧化铝超微粉: 硫酸铝铵（NH4Al(SO4)212H2O），试剂级；碳酸氢铵（NH4HCO3），分析纯；氨水(NH3H2O)，分析纯；蒸馏水或去离子水；无水乙醇(每批次500ml4瓶)，分析纯；聚乙二醇（分子量1500或1000）。(2)制备Y-TZP氧化锆超微粉: 氧氯化锆（ZrOCl2H2O），工业级（纯度93.75%）；氧化钇（Y2O3）,分析纯；硝酸(HNO3)，分析纯；氨水(NH3H2O)，分析纯；蒸馏水或去离子水；无水乙醇(每批次500ml4瓶)，分析纯；聚乙二醇（分子量1500或1000），1%AgNO3溶液少量。3其它材料：pH试纸，滤纸（1大张），滤布。四实验步骤1. 工艺流程NH4HCO3溶液（1）氧化铝粉NH4Al(SO4)2溶液机械搅拌聚乙二醇控制pH值NH4Al(OH)2CO3陈化过滤洗涤离心后干燥研细过筛煅烧球磨氧化铝粉 图1-1 氧化铝超微粉工艺流程图（2）氧化锆粉Y（NO3）3溶液ZrOCl28H2O溶液氨水溶液过滤、洗涤 控制pH值反应共沉淀加聚乙二醇 酒精处理氧化锆粉球磨煅烧研细、过筛离心、干燥图1-2 Y-TZP氧化锆超微粉工艺流程图 2.配料计算实验用主要原料的用量，应根据所欲合成的氧化物粉体的质量来计算，抓住主要金属离子的关系，并考虑所用原料的纯度或有效含量。下面以氧化锆为例说明。欲合成100g含3mol%Y2O3的全四方相ZrO2（3Y-TZP），需用多少 ZrOCl28H2O 和Y2O3？计算数据：ZrO2分子量124.97(考虑原料中含2%共生的HfO2)，Y2O3分子量225.81。ZrO2 Y2O3（摩尔比）=973，换算成质量比为：ZrO2 ， Y2O3 5.30%制备100g 3Y-TZP 粉，应有ZrO2 94.7g, Y2O3 5.3g。ZrOCl28H2O为工业级，其有效含量有一定范围的波动，通常先用容量分析法来准确确定其有效含量，本实验所用的原料 ，1 mol ZrOCl28H2O含ZrO2为36.0536.16%,可按36.10%计算,94.7gZrO2,需ZrOCl28H2O为94.736.10%=262.3g,考虑到整个工艺过程的得率（最后实际得到的粉量与事先欲得量之比），对该用量应加以放大，得率一般大于85%，本实验中可按放大10%来计算ZrOCl28H2O 和Y2O3的用量（即将262.3 g和5.30g再除以90%）。制备Al2O3时，由于只有一种金属离子，无须考虑两种离子之比，较为简单，2mol的NH4Al(SO4)212H2O生成1mol 的Al2O3，根据NH4Al(SO4)212H2O和Al2O3的分子量和NH4Al(SO4)212H2O的纯度，按欲合成的Al2O3量，考虑得率加以适当放大，进行计算即可。沉淀剂的用量不必精确计算，通常只保证其浓度，配制出足够富余的溶液备用，制备 3Y-TZP粉，氨水浓度为25vol%，即将氨水加蒸馏水按13稀释；制备Al2O3时，碳酸氢铵(NH4HCO3)溶液浓度为2.5 mol/L。表面活性剂（如聚乙二醇）用量按欲合成粉量的2% 计算。本次实验中，每次实验按最终合成100或200g粉为计算依据，称量好备用。3.溶液配制与反应前准备(1)为保证制得高纯度和组成准确的粉体，凡工艺过程中各步骤所使用的容器、器材的与溶液、沉淀前驱物、粉体接触的部位，均应先洗净并用蒸馏水涮过，有些还需烘干；在工艺过程各步骤均须避免灰尘和其它杂质的带入。(2) 母液（ZrOCl28H2O溶液）浓度对最终粉体的粒度有影响，本实验定为0.4mol/L，据此确定母液用水量，将称量好的ZrOCl28H2O在大烧杯中加蒸馏水完全溶解即可，留下部分水量备用。由于原料有少量不溶杂质，可将溶液用过滤装置过滤，以吸滤瓶中无色、澄清的滤液倒入反应桶中，以少量备用水涮洗吸滤瓶内壁，再汇入反应桶。Y（NO3）3溶液配制:： Y2O3粉置于小烧杯中，加入10-15ml 硝酸，用玻棒搅拌使之完全溶解，使用硝酸时须小心，注意防止灼伤，最好置于通风橱内进行，Y（NO3）3溶液也汇入反应桶。(3) 沉淀剂溶液按步骤2中所述浓度配制，置于下口瓶中备用。表面活性剂以水溶之（为加快溶解可适当加热），也汇入母液。(4) 安置好电动搅拌器、反应桶和下口瓶的相互位置，使搅拌器开动时下口瓶引出的滴液软管能顺利地向母液滴入沉淀剂。(5) 过滤装置连接就绪，滤纸、滤布裁剪好。4.反应沉淀 将剩余的水全部注入反应桶，开动搅拌器，搅拌速度应控制在保证反应溶液及随后形成的前驱沉淀物得到充分混合，但不要飞溅出来。松开下口瓶滴液管的输液控制夹，使氨水溶液滴入母液中发生沉淀反应，滴入速度以保证反应液pH值维持在9-10为宜，开始阶段要快一些（母液酸性大），以后pH值会较稳定，故每隔数分钟要检查pH值一次。在反应进行过程中可看到白色的糊状沉淀不断产生，待完全沉淀后，停滴氨水，并继续搅拌30-40分钟。5.洗涤与过滤 将沉淀物进行几次洗涤过滤的循环操作，洗涤的主要目的是洗出沉淀物内的大量氯离子（留在前驱物内会影响粉体的性能），过滤则是为排除洗涤水和前驱物内的一部分游离水，故两种操作交替进行。洗涤可用不锈钢铲铲出沉淀物在塑料容器中搅碎后加水洗，每次用蒸馏水约2L，并滴入少量氨水，使洗液pH=9，最后一次不加氨水。每次洗后全部放入过滤装置的布氏漏斗中以流水抽滤。也可直接在漏斗中洗，铲起沉淀物适当搅碎后加水洗，注意勿使滤布折皱和滤纸破裂，pH值同上。判断洗涤是否完成，氯离子是否洗净，用AgNO3溶液来检验，方法为：取少许（约12g）沉淀物加20ml蒸馏水搅拌、煮沸后用小漏斗过滤，向滤液中滴12硝酸，再滴入12滴AgNO3溶液，如无白色絮状沉淀（AgCl）产生，即认为合格，否则还要再洗，一般洗78次即可。过滤操作必须在压差下才能顺利进行，本实验为负压吸滤，打开水龙头以流水使吸滤瓶中产生负压即可进行。需注意以下几点：（1）检查漏斗与吸滤瓶间橡皮塞、吸滤瓶与抽滤管及水龙头之间各连接管等连接处，不得漏气；（2）在布氏漏斗的滤板上平铺一层滤纸（滤纸直径要略小于滤板直径），以水润湿，并稍加负压抽吸使滤纸平平贴紧，再铺上滤布（直径可略大于滤板直径），同样以水润湿并平平贴紧；（3）欲过滤的固液混合物或溶液，可分几次慢慢倒入，以免冲动滤布、滤纸；（4）在过滤中若滤饼干裂，用不锈钢铲将裂口弥平；（5）观察滤液有无浑浊，如有浑浊，说明滤纸破裂发生了透滤，需更换纸。 6.酒精处理氧化锆的前驱体的结构是以-OH桥连接的四聚体类型结构，这种-OH桥键能很大，易形成坚硬的团聚体，最终妨碍粉体粒度的微细化和降低其烧结活性，故欲获得超微细、高活性的氧化锆粉体，一个重要的关键就是防止或减少硬团聚的产生。用无水酒精（或其它有机溶剂）迅速取代前驱物中的配位水分子及附着水是一重要方法。将经步骤5最后一遍水洗过滤处理过的前驱物置于容器中以无水酒精浸泡，用量以能浸没为度（不必过多以免浪费），用铲子将前驱物滤饼搅碎并充分搅拌后静置一小时；把前驱物酒精混合液均匀分装于离心机的离心杯内（一定使各杯质量平衡，或四只或对称两只），高速（3000转/分）离心20分钟，将杯内上部清液倒去（以一专用容器盛废酒精）；将下部半干的前驱物，如上方法再浸泡、静置、离心处理一遍。 7.干燥、研碎与过筛把半干的前驱物放在搪瓷托盘中置于烘箱（真空干燥箱或普通烘箱）内，在80基本烘干（摊成较薄层烘更好），用研钵研细过80或100目筛后，再于110完全烘干。 8.煅烧烘干后的粉状物仍是未分解的前驱物，必须经高温煅烧使其所含残余水、结晶水、有机物及NH4离子、Cl离子分解挥发，并使ZrO2 的前驱体实现分解和从无定形向晶型的转变。烘干后的粉状前驱物置于刚玉坩埚或素瓷坩埚内，在电炉中于900煅烧1小时，烧时坩埚以盖覆之但留有缝隙以供气体排出。煅烧工艺为：升温速率约100/小时，500保温1小时，900保温1小时，随炉冷却至100以下取出。 9.球磨煅烧完成晶型转变的ZrO2 粉需经球磨以去除部分团聚，以无水乙醇球磨24小时，再离心甩干酒精、110完全烘干、研细过100目筛，即成成品粉，储存备用，并作好标记。 10氧化铝超细粉制备时应注意的几点 氧化铝超细粉制备的实验步骤与氧化锆基本相似，为：配料计算、称量、反应装置准备、溶液配制、沉淀反应、陈化、洗涤、离心甩干、烘箱干燥、煅烧、球磨。除一些共性操作注意事项外，还应注意以下几点：(1)母液（NH4Al(SO4)212H2O溶液）浓度本实验定为0.3mol/L,配制好后置于反应桶中,母液中同样要加入表面活性剂（如聚乙二醇1000，用量为粉重的2%，水溶后入母液）；沉淀剂溶液(NH4HCO3溶液)浓度本实验定为0.25mol/L, 配制好后置于下口瓶中备用。(2)反应时两种溶液的混合方式对粉体的粒径及其分布有显著影响，本实验采用将NH4HCO3溶液缓慢滴入母液并施以机械搅拌的混合方式， pH值控制在9-10，反应后继续搅拌2小时。(3)沉淀物静置2小时陈化，冬季可近于适当的暖源。11.为缩短本实验的时间，上述步骤7、9中的研细、过筛、球磨可与本系列中实验二结合进行。五注意事项1实验前必须仔细阅读本指导书，预习有关实验步骤和各步骤中的注意要点，并建议阅读粉体工程书籍的相关内容。每次实验根据指导老师安排制备氧化锆粉或氧化铝粉。2本实验步骤多，持续时间长，各小组可事先作好分工安排，每人重点负责某几个步骤和相关准备工作，体现合作精神。但前后步骤必须交待清楚并互相检查核对，确保无误；同时每人对全过程都要了解，并掌握关键的工艺参数。3实验全部完成后，清洗所有容器、烧杯、漏斗、滤瓶、筛子、研钵及其它器具。六实验报告要求1实验目的、实验原理；2工艺流程； 3配料计算方法与结果；4实验操作步骤及主要现象观察记述；5回答思考题。七思考题1你认为在超微粉体制备过程中影响粒度的主要因素有哪些？2使用酒精处理和添加聚乙二醇有何作用？ 实验二 粉体的球磨与筛分一 实验目的球磨与筛分均是无机材料制备过程中用于粉体处理的重要工艺。球磨用于粉碎颗粒、减小颗粒粒度，有时也可用于粉料的混合（如以前综合实验功能陶瓷系列中做的）；筛分则用于颗粒的分离或分级。这两种工艺操作对结构陶瓷的生产和科研都是不可缺少的。本实验可与实验一结合进行。1 掌握球磨的工艺原理和操作方法；2 掌握筛分的工艺原理和操作方法；3 了解影响球磨与筛分的主要因素。二 实验原理1 球磨：球磨是将粉体与球磨介质（俗称磨球）装入专用的球磨筒（罐）中，在球磨机上使球磨筒以一定速度（低于临界转速，临界转速的定义见粉体工程）转动，依靠磨球的冲击、磨剥作用，对粉体颗粒产生粉碎作用；当有液体介质（如水、酒精等）存在时，称湿法球磨，无液体介质时称干法球磨，湿法球磨的粉碎效率一般高于干法。在球磨初期，颗粒较粗，冲击作用较大，当粉料磨细、细颗粒多时，由于细粉的缓冲作用，冲击作用变弱，则以磨剥作用为主。随球磨时间延长，颗粒粒度不断减小，但在其它条件一定的情况下，并非任意延长时间就能提高球磨效率的，粒度降至某一值时就基本不变，此时过于延长时间只会造成介质的磨耗。为提高粉碎效率，可采用振动式磨机或行星式磨机。影响球磨效果的因素很多，主要有转速、球磨时间、粉球液体的比例、磨球的尺寸、级配、形状和种类，至今尚无定量确定的方法，一般依实验获得的经验来定。球磨处理时还需重视防止污染的问题，随球磨的进行，球磨筒（罐）的内壁材料和磨球也必然发生磨耗，磨耗物混入粉料中造成污染，将来清除很费事，故内壁材料和磨球材质必须选择耐磨又不形成污染的材料，如内壁材料用聚氨酯、尼龙（可以挥发烧掉）或与粉料成分相同、致密耐磨的陶瓷，磨球则用与粉料成分相同、致密耐磨的陶瓷，或其它对粉料无特别影响、致密耐磨的陶瓷，常用致密的氧化铝、氧化锆或玛瑙。另外，球磨罐、磨球应专用，避免不同粉料之间污染（因极细的粉粒会嵌入罐内壁或球表面的孔隙中无法清除）。2 筛分：筛分是使粉体颗粒群在筛面上作相对运动（垂直、水平方向均有），靠颗粒的重力，使最大长度尺寸小于筛孔尺寸的部分颗粒通过筛孔（通过部分称筛下，留在筛面上的部分称筛余），从而实现对粉体的分离、分级。筛孔尺寸是控制筛下颗粒尺寸的关键，各国均制定了筛制，规定了筛孔尺寸的系列、相应的筛丝直径及上下号筛孔尺寸比（筛比），以一定长度内所含正方形筛孔的数目（“目”）为筛号，目越大，筛孔尺寸越小。可查阅有关手册，查知各筛号（“目”）所对应的筛孔尺寸，如国际上常用的泰勒制，200目的筛孔尺寸为0.074mm,依次相邻的150目的筛孔尺寸为0.0742=0.104mm，100目的则为0.1042=0.147 mm。实验室用于结构陶瓷粉料筛分的筛号常为20、30、40、60、80、100、200目，颗粒越细，之间的粘附力越大，200目及200目以上已很难筛下。粉料中所含水分（或其它液体）越少，越有利于筛分，但当水分多于一定量粉料成为浆体时，又可加速筛分（称为湿法筛分），故要用200目及200目以上筛时，可用湿法。实验室处理的粉体量少，一般不追求筛分速率，而主要控制筛下颗粒的粒度与粒度组成，常将过筛与研细交替进行，通常采取“少研勤筛”的办法，防止筛下部分有大量过度偏细的颗粒。三 实验设备与器材1 行星式球磨机，ND2型或XM-2A型；2 聚氨酯衬球磨罐， 500ml，4只或尼龙球磨罐， 500ml，4只；3 磨球，氧化锆质，2000g；4 瓷研钵（1000 ml），4只；5 尼龙丝网分样筛，80目、100目各2只；6 无水乙醇，500 ml装，3瓶；7 取粉勺子、漏勺、大号搪瓷托盘、8开白纸数张；8 无色塑料盆（直径220250mm）或直径适合的瓷质、搪瓷容器；9 离心机，LXJ-型或LD4-2型。四 实验步骤 1研细、过筛：以处理实验一中基本烘干的粉体前驱物为例，若处理其它粉体时，方法步骤相似，只是筛号不同。（1）所用取粉勺、托盘、研钵、筛子均先洗净并烘干。（2）取少量粉体（以不超过研钵容积的1/5为度）放入研钵，以研棒研细几分钟；80目筛下方置托盘或白纸，用勺取研过的粉均匀洒在筛面上，以手持筛框摇动筛子，有部分粉粒筛下，把筛余重新放入研钵，再研细、过筛；当筛余很少时，可在研钵中再添加未研过的粉，如此研细与过筛交替进行，掌握少研勤筛的原则，防止筛下部分有大量过度偏细的颗粒，直至将全部粉体处理完。2球磨：以处理实验一中经煅烧后的粉体为例，若处理其它粉体时，方法步骤相似，只是所用磨球、球：粉：液比例及种类、球磨时间的不同。（1）所用球磨罐、磨球、取粉勺、漏勺、搪瓷托盘均先洗净并烘干。（2）根据欲球磨的粉量和球磨罐容积，确定用几只罐，500ml罐一般最多处理100g干粉（球+粉+液的总体积以不超过罐内高度的三分之二为宜）；按球：粉：液比例=3：1：1.21.5（质量比），分别称好氧化锆球、粉；装罐时，按球粉-球次序放，再慢慢注入酒精，等酒精被粉吸收后再加一些，使酒精能淹没全部球，上好罐盖。（3）行星式球磨机的使用：以ND2型为例，已在综合实验功能陶瓷系列的粉料混合实验中用过，在此不再重复。只须注意以下几点，球磨机可装4只罐，要4罐重量平衡，如无需4罐时，要2罐重量平衡成对角线放置，如只需1只罐时，要用另一罐（不放粉、但放同样重量的球并以水配至等重）在对角线配平衡；球磨与混粉相比，转速和时间有别。在行星式球磨机上固定好2罐（至少）后，上好保护罩，开动球磨机，转速调至123转/分，球磨24小时。（4）球磨结束后，以勺和漏勺将球磨罐内的球和料浆放入100目筛（下方置有适合容器）湿法过筛，为减少粉料残留在罐壁和磨球上的损失（损失不可避免，这就是实验一中提到的得率的含义），可用漏勺将粘有粉浆的球放回罐内，用少量酒精涮之再倒出湿过筛，可反复两三次，但要注意节约酒精。（5）容器内粉浆分放于离心杯中在离心机上离心甩干，倒去多余酒精后，于110完全烘干。3按步骤1的方法和要领，将烘干的粉体再研细过100目筛，所得的最终粉体即为成品粉，装入密闭容器贴上标签保管，以作后用。五注意事项1粉体处理要求洁净的条件，要从各个途径防止带入灰尘和污染物。2所用的罐、球、钵、筛、勺、盘、杯等，实验结束后应清洗干净、烘干并保管好。3为防止交叉污染，罐、球、钵、筛、杯要专用。六实验报告要求1 实验目的与基本原理；2 简述实验步骤和实验心得体会；3 回答思考题。七思考题1 为什么湿法球磨的效率高于干法？2 在对同量粉料球磨时，磨球尺寸大好还是小好？为什么？实验三 粉体粒度及其分布测定一实验目的1掌握粉体粒度测试的原理及方法；2了解影响粉体粒度测试结果的主要因素，掌握测试样品制备的步骤和注意要点；3学会对粉体粒度测试结果数据处理及分析。二实验原理 粉体粒度及其分布是粉体的重要性能之一，对材料的制备工艺、结构、性能均产生重要的影响，凡采用粉体原料来制备材料者，必须对粉体粒度及其分布进行测定。粉体粒度的测试方法有许多种：筛分法、显微镜法、沉降法和激光法等。激光粒度测试是利用颗粒对激光产生衍射和散射的现象来测量颗粒群的粒度分布的，其基本原理为：激光经过透镜组扩束成具有一定直径的平行光，照射到测量样品池中的颗粒悬浮液时，产生衍射，经傅氏（傅立叶）透镜的聚焦作用，在透镜的焦平面上形成一中心圆斑和围绕圆斑的一系列同心圆环，圆环的直径随衍射角的大小即随颗粒的直径而变化，粒径越小，衍射角越大，圆环直径亦大；在透镜的后焦平面位置设有一多元光电探测器，能将颗粒群衍射的光通量接收下来，光-电转换信号再经模数转换，送至计算机处理，根据夫朗和费衍射原理关于任意角度下衍射光强度与颗粒直径的公式，进行复杂的计算，并运用最小二乘法原理处理数据，最后得到颗粒群的粒度分布。激光粒度测试法具有适应广、速度快、操作方便、重复性好的优点，测量范围为：0.1几百微米。但当粒径与所用光的波长相当时，夫朗和费衍射理论的运用有较大误差，需应用米氏理论来修正。三仪器设备1.制样：电动搅拌器、超声清洗器、烧杯、玻璃棒、蒸馏水、六偏磷酸钠。2.测量：BT-9300激光粒径分析仪、微型计算机、打印机。四实验步骤 （一） 样品制备：1.取样：实际测量的样品量很少，故所取的样品必须对欲测的大量粉体具有充分的代表性。注意遵循以下原则：（1）多点、不同深度取样；（2）缩分取样。通常方法为：a.用小勺多点（至少四点）取样， b.圆锥四分法将待测粉体在洁净的平面上堆成圆锥体，用薄板垂直将其切分成相等四份，再将对角两份混合后堆成圆锥体，依此法重复缩分，直至最小的一份的量约为1克左右为止。 2.悬浮液配制：所取粉样需配成悬浮液才能测试。液体（介质）应对待测粉体具有良好的润湿性，纯净无杂质且对激光透明，并不与颗粒发生反应变化，可视粉体的物理、化学特性选用纯净水、酒精、水+甘油、酒精+甘油等，最常用的介质是纯净水。为使粉体颗粒在介质中有良好的分散、悬浮效果，还应在介质中溶入分散剂。分散剂应根据介质、样品来选用，纯净水作介质时，最常用的分散剂为，其浓度在0.20.5%。本实验中分散剂溶液已事先配好，或用已配的较浓的溶液（1%）加净水稀释至45倍容积即可。将0.2%六偏磷酸钠水溶液约80ml倒入干净烧杯中，加入所取的样品约2030mg，用玻棒充分搅拌后再用电动搅拌器搅拌配成悬浮液。悬浮液浓度（样品浓度）对测试结果的代表性有一定影响，BT-9300激光粒径分析仪要求样品浓度满足光能分布在1030%范围为佳。因为样品浓度直接关系到送入样品池内悬浮液单位体积内颗粒个数，浓度过小，样本代表性差；浓度过大，颗粒间相互干扰作用加大，影响颗粒的正常运动状态。通常粉体颗粒越细，配制适宜浓度所需的样品量少，颗粒越粗，所需的样品量则多。若小于10%，需加样品粉重新搅拌配制；若大于30%，则加0.2%六偏磷酸钠水溶液稀释之。可启用BT-9300激光粒径分析仪来进行浓度测量，判断是否处于适合范围。为进一步提高分散效果，减弱颗粒的团聚，还可对搅拌好的悬浮液进行超声分散处理。将盛有悬浮液的烧杯放入超声清洗器的水槽中，打开电源开关即可超声处理，时间一般315min,注意开启超声清洗器电源前，槽内要有约三分之一的水。超声结束后悬浮液如不立即注入样品池中测试，还应在装样前加以搅拌。（二）测试步骤：1.装样：(1)打开分析仪测量室上盖，依次取出仪器所带的搅拌器（为一L型不锈钢片）、样品池（截面为一窄长方形的开口玻璃皿），两者在使用前均应清洗并擦拭干净。将充分搅拌均匀的悬浮液用注射器从液面与底部的中间抽取约15ml，注入样品池中，用纸巾擦干样品池表面的水迹。(2)把样品池放置于测量室的槽内，上好L型搅拌器（L型不锈钢片上端的凹帽套在槽侧的方形凸处，并注意勿使片与池壁摩擦），开启分析仪电源开关，启动搅拌按钮，L型搅拌器便上下振动，以防止颗粒的沉降。2.进入计算机测试系统测量：(1)在Windows98桌面上单击“BT-9300”图标，即进入测试系统界面。设有“文件”、“编辑”、“测量”、“样品”、“设置”、“帮助”项目，每一项又可打开子菜单。(2)打开“测量文档”项，进入“测试文档”窗口，可输入有关样品名称、介质名称等信息，并“确认”。(3)打开“测量背景”项，进入“测试背景”窗口，单击“开始”， 测试背景数据；测试背景时样品池应装入纯净介质（如水），单击“确定”可保存背景数据（为5-10）并返回，连续测试多样，只要介质相同，可无需再测背景；单击“取消”则不保存并返回。(4)打开“测量浓度”项，进入“测试浓度”窗口，单击“开始”， 测试浓度数据，此时样品池应装入悬浮液，单击“确定”可保存浓度数据并返回，单击“取消”则不保存并返回。从中可确知所配制的悬浮液浓度是否处于最佳范围，如不在，为保证测试可靠性，须重新调整浓度。(5)打开“测量测试”项，进入“测试”窗口，单击“开始”， 则开始进行粒度测试并计算粒度分布数据。单击“确定”可显示测试结果。(6)打开“测量结果”项，进入“样品结果”窗口，结果分表格、图形、典型结果三种形式显示。如需打印结果，则由“文件打印”项，进入“打印”窗口操作。(7)测试结束后退出系统；依次关闭分析仪“搅拌”按钮、电源；打开测量室盖，取下搅拌器片、样品池并清洗、擦拭干净以备下一次测试。(8)主菜单中“编辑”、“样品”、“设置”等项所包含的功能，详见仪器说明书。五注意事项1实验前必须仔细阅读本指导书，预习有关实验步骤，并建议阅读粉体工程书籍的相关内容。2实验前应检查取样勺、烧杯、玻棒、电动搅拌器的进入溶液的部位（轴、转叶）以及L型搅拌片和样品池等凡与样品接触的物件，全都不得残留任何其它粉体或污染物；故以上物件每次用后均要清洗、擦拭干净以备下一次用。六实验报告要求1实验目的、实验原理；2样品名称、介质名称； 3实验操作步骤；4测试结果的主要内容；5回答思考题。七. 思考题1所测粉体是属于微米级还是亚微米级？粒度分布是宽还是窄？2列举23个影响测试结果可靠性的因素？实验四 颗粒的悬浮与分散一 实验目的在陶瓷的制备过程或分析测试中，经常遇到将粉体颗粒分散并悬浮于液体中的问题，而对结构陶瓷的胶态成型来说，制备高固相含量的具有分散良好、悬浮稳定、好的流动性的浆体，更是必要的前提和关键。1了解结构陶瓷粉体颗粒在液体中分散并悬浮的基本原理和方法，常用分散剂的种类和作用；2掌握陶瓷浆体的制备方法；3掌握浆体绝对粘度的测试方法；4了解影响浆体性能的因素。二 实验原理在有关课程的粘土水系统双电层模型中，粘土颗粒表面带电，吸附电解质的阳离子，一价阳离子因离解程度大、水化半径大，主要进入胶团的扩散层，使其厚度增大，电动电位（电位）增大，从而靠静电斥力阻碍颗粒团聚，以得到具有分散良好、悬浮稳定、好的流动性的浆体。这种静电阻聚作用机理对结构陶瓷的瘠性粉体颗粒同样适用。只是由于瘠性颗粒与塑性的粘土颗粒不同，通常还加入有机表面活性剂，使有机分子成链状定向吸附在颗粒表面，依靠链状分子占据一定空间，阻碍瘠性颗粒的聚合，使浆体具有良好的悬浮性。这种机理称空间位阻作用。对各类起分散、悬浮作用的添加剂叫法不一，在此均统称为分散剂。常用于制备Al2O3、ZrO2 浆体的分散剂有：聚乙二醇（PEG）、聚甲基丙烯酸盐（铵、钠）、羧甲基纤维素钠（CMC）等。浆体（颗粒悬浮液）的悬浮性受多种因素的影响，颗粒的粒度及分布、颗粒的密度与形状及表面形貌、悬浮液的浓度（固相含量）、分散剂的种类与加入量、液体介质的粘度、温度、悬浮液的pH值等，都对分散剂在颗粒表面的吸附性质产生不同程度的影响，从而影响颗粒的聚集，并影响浆体的流动性。由于影响因素众多复杂，必须通过大量实验来确定各因素的影响规律。浆体在流动时，存在着内摩擦力，可以用浆体的粘度来表征内摩擦力的大小，粘度越小、流动性越好。一般最小粘度是与电动电位的最大值相对应的。故可用测量浆体粘度来评价其流动性，判别分散、悬浮的效果。粘度分相对粘度和绝对粘度，绝对粘度可用旋转粘度计来测定。旋转粘度计的构造如图所示。两个作相对转动的同心圆筒（转子）浸入被测浆体，当外筒固定、内筒旋转时，液体成若干同心圆层运动，其速度从内向外逐渐由大降为零，粘度由下式表达：=/D ，剪切应力，0.1 Pa； D-剪切速率，s-1；又=，D=，式中M总转动力矩，10-7 Nm；R1、R2-内、外转子，cm；h转子浸入液体深度，cm；转子转动角速度，s-1；n转速，转/min。代入后得=,Pas。在公式中，其它均为已知，只需测出转矩M，即可计算出粘度。当测定时，转子转动受到浆体阻力时，游丝产生扭矩，与阻力达到平衡时，与游丝连接的指针在刻度盘上即显示出转矩。具体计算式参见仪器说明书。三 实验设备与器材1 NDJ-1型旋转粘度计一套；2 烧杯，1000ml、4只，100 ml、6只；3 电动搅拌器；4 酸碱滴定管，带支架；5 粉体（-Al2O3或3Y-TZP，平均粒度小于1微米），约500克；6 CMC（羧甲基纤维素钠），替代度0.8，50 g；7 称量天平，精度1 mg，量程200g； 8 蒸馏水；9 盐酸，化学纯；氨水，化学纯；10 玻璃棒；pH试纸。四 实验步骤本实验以CMC为分散剂，固定加入量，固定固相浓度，主要进行pH值、粘度之间关系的实验。1 浆体制备：（1）分别称取60g粉（以-Al2O3为例）三份；再称取CMC三份（每份量为粉重的0.5%），先将CMC溶解于100ml蒸馏水中，CMC在水中实际上是溶胀过程，故需要时间，必要时用温水并不断以玻棒搅拌。亦可三份一起溶之，用时分成三份。（2）在三只1000ml烧杯中，各加入粉再注入400ml蒸馏水，以电动搅拌器搅拌，再分别加入CMC溶液，因CMC较粘，以少量水涮净并加入大烧杯中，至每杯内浆体的总体积均为600ml左右，继续搅拌半小时。2 调节pH值：以10%盐酸溶液和氨水分别作为酸、碱滴定液，将三份浆体的pH值各调至4.0、7.0、10.0后，再搅拌约10分钟，测其粘度。3 测定粘度：NDJ-1型旋转粘度计有直径不同的转子和数个测量档，适应不同的粘度范围。仔细阅读说明书，选择合适的转子（本实验中浆体粘度小于100 Pas），熟悉粘度计的各开关功能，将粘度计安装好，以待测试。将转子浸入浆体中一定深度（如浆体体积偏少，可各加水，加水后再搅拌片刻），选择合适的转速开动同步电机，等指针稳定时，记录下指示刻度，再关闭电机。每种浆体可重复测23次。换测不同浆体时，应以水洗净筒壁上沾附的原有浆渍。4粘度计算：以各有关数据和记录值代入有关公式，计算不同pH值时的粘度。五注意事项1旋转粘度计游丝弹簧较易损坏，使用时一定要按要求正确、小心使用；转子用后务必清洗干净，并擦拭干，按原样放置在粘度计的专用盒内。2电动搅拌器每次用后，均应洗净搅拌桨叶、杆上所沾附的浆渍，否则浆干后较难洗净；可在烧杯中放清水予以搅拌来进行。3注意爱护各玻璃器皿。六实验报告要求1 实验目的与基本原理；2 实验步骤简述；3 测定的粘度结果，需包括记录值、其它数据值、计算公式，注意单位。4 回答思考题。七思考题1 你认为如果增加固相浓度（相应也增加分散剂量），粘度会怎样变化？2 分散剂是否越多越好？为什么？实验五 造粒与干压成型一 实验目的结构陶瓷的成型方法有多种，干压成型是最常用的方法，其工艺过程控制相对于其它方法较为简单、容易掌握。由于结构陶瓷的原料粉体均属瘠性且颗粒粒度很细，用于干压成型时一般均需添加塑化剂（粘结剂）并进行造粒处理，才能具有良好的成型性能。1 掌握干压成型用坯料处理的原理和方法；2 掌握干压成型的原理和方法；3 了解影响结构陶瓷的干压成型成型性能、压坯性质（密度、强度）的因素。二 实验原理干压成型是将合适的坯料（约含水分58%）装入金属模具中，在力的作用下加以压缩（通常为单向加压），坯料内孔隙中的气体部分排出，颗粒位移、逐步靠拢，当受力足够大时颗粒发生变形、碎裂，互相紧密咬合，最终形成截面与模具截面相同、上下两面形状由模具上下压头决定的坯体。坯体内孔隙尺寸显著变小、孔隙数大大减少，坯体密度显著提高，具有一定的强度。由工艺学可知，当粉料为很细的瘠性粉料时，将对成型产生不利的影响：一是因流动性差和拱桥效应，影响对模腔的均匀填充；二是粉体越细、松装高度越大，压缩比大，因摩擦而产生的力损失亦大，易使坯体密度不均匀；三是孔隙中气体较难排出，易因弹性后效作用使坯体产生层裂。故本实验中所用超微细粉体需添加塑化剂（粘结剂）并进行造粒处理后，才能进行干压成型。本实验采用加压造粒法，即是将细粉与粘结剂混合后，在1836 MPa压力下压成大块，再弄碎、过筛，再制成较粗的、流动性好的团粒。由于团粒与细粉相比尺寸显著增大、体积密度提高，流动性也显著改善。常用的粘结剂有PVA（聚乙烯醇）、PEG（聚乙二醇）、CMC（羧甲基纤维素）等多种，要考虑到粘结剂以后还要烧掉，故应选择挥发性好、残留灰分少的粘结剂（如PVA）为宜，且用量要少，一般为13%（粉的质量）。影响干压成型性能的因素很多，除了粉体的性能外，主要是压制方式和压制制度以及润滑剂的使用。压制方式的影响：由于颗粒间内摩擦和颗粒与模壁的外摩擦而造成压力损失，单向加压容易在压坯高度方向和截面范围产生密度不均匀现象，尤其当压坯高径比值较大时，为此可采用双向加压或两次先后加压来减少这一不均匀现象；压制压力的影响：当压坯截面面积和形状一定时，在一定的范围内，压力增大有利于压坯密度的提高，但在接近密度的极限值时，再提高压制压力无助于密度进一步提高，且易出现层裂或损坏模具，对结构陶瓷，压力在70100 MPa为宜；保压时间的影响：为使坯体内压力传递充分，有利于压坯中密度分布均匀，以及有利于更多气体沿缝隙排出，必须要有足够的保压时间。三 实验设备与器材1 电动液压制样机（DY型），最大载荷10吨；2 手扳式液压制样机(SBY-5型)，最大载荷5吨；3 金属模具两套，内腔50、10（或12）各一套；4 大搪瓷托盘2只，瓷研钵两套，20目、40目筛各2只；5 粉体200300 g；6 PVA（或PEG）水溶液；7 10%油酸酒精溶液；8 镊子、勺子、脱脂棉、棉纱； 9称量天平，感量0.1g,量程100g、1000g各一套；10脱模用金属垫块数块。四 实验步骤1 粉料与粘结剂混合：称取3Y-TZP粉约250g（可用实验一、实验二制得的粉），成薄层摊铺在干净的大搪瓷盘内；将量取好的PVA（或PEG）水溶液（用量以粉量的1.21.3%，并按水溶液的实际浓度折算成水溶液量，粘结剂水溶液浓度一般为510%，过稀带入水过多，过浓则粘稠难于混合），洒入粉内，静置数分钟后用勺子拌和，再移至瓷研钵中用研棒反复捏练，水分多时可短暂放入6080烘箱中烘去过多水分（不可太干），再研揉、过20目筛，研揉、过筛可反复数次（遵循实验二所指出的少研、勤筛的原则）。必要时可用快速水分测定仪测其所含水分。2 压块造粒：（1）造粒压块在电动液压制样机上进行，接通电源，开启油泵，面板左部的钮子开关控制活动工作台向上或向下运动。先调整好压制压力，在1836 MPa范围内以约25 MPa乘以50模的内腔截面积为施加的压制载荷（力单位、以吨计），该机压力（压强单位）指示表上每1.6 MPa对应于1吨，调节压机面板右部的压力调节螺杆，把实心平整的金属垫块（不能用模具）放在活动工作台上，开启向上运动钮，使垫块运动至顶住上端固定板，观察此时压力表显示的最大压制压力（MPa）是否对应于欲施加的压制载荷（吨），直至调节到位（不可能绝对精确，以压力表显示的整格数最接近为度），注意调节时需关闭油泵。（2）模具由外模套、上压头（较高）、下压头（带台阶）组成，靠上压头和模套的柱面导向。使用前应检查模具的配合是否良好，良好的配合为上下压头在模套内上下运动、旋转无卡滞现象，有适当间隙又不过大，间隙为气体排出通道，过大的间隙不仅影响压力而且使粉料被挤入间隙，严重时脱模困难、甚至卡死。用棉纱擦净模套的内壁、上、下压头的外柱面和下、上加压面，并用镊子夹脱脂棉球蘸油酸酒精溶液在上述表面涂抹一遍，待酒精挥发片刻后，即可装粉。将下压头放入模套内，装入步骤1得到的粉料，造粒时不必称量，每次以模内装粉高度不超过模高的1/2即可，放入上压头，整体置于活动工作台上（上压头上面最好再放一平整的金属垫块起保护作用，因模具硬度高于上端固定板），开启油泵、拨动钮子开关使工作台上行，至受压压力达指定值，保持半分钟左右，拨动钮子开关使工作下行至适当位置