陶瓷材料学论文.doc

陶瓷材料学论文题目：陶瓷材料的制备工艺学 院:材料与冶金学院专 业:无机非金属材料工程学 号:200402128048学生姓名:陈晓娟指导教师:罗志安日 期:2007.10.15摘 要本论文概述了陶瓷材料的发展历程，陶瓷材料的分类陶瓷成型以及其结构、组成与性能之间的关系，较为详细的介绍了陶瓷材料的制备工艺。模压成型，冷等静压成型，注浆成型，原位凝固成型，快速原型成型，注射成型等成型方法是陶瓷材料的成型工艺中重要的也是广泛采用的技术。了解这些技术的原理以及优缺点，对于陶瓷的制备来说具有非常重大的意义。陶瓷在近年发展非常迅速，这就需要我们时刻关注陶瓷材料方面的最新动态，了解最新的制备工艺和成型技术。关键词 ：陶瓷材料的制备工艺 成型技术目 录1 陶瓷发展简史4 2 陶瓷的定义43 陶瓷学及其研究内涵44 陶瓷材料的分类55 陶瓷的组成56 陶瓷材料的结构67 陶瓷的性能68 陶瓷制备工艺68.1 陶瓷制作流程78.2 陶瓷成型技术88.2.1 模压成型88.2.2 冷等静压成型8 8.2.3 注浆成型88.2.4 原位凝固成型技术 88.2.5 快速原型成型技术98.2.6 陶瓷注射成型技术98.2.7 陶瓷流延成型法99 陶瓷发展前景10参考文献101陶瓷发展简史整个陶瓷发展史，可以大致分三个阶段：一、陶器阶段（起源至秦朝）二、原始瓷器阶段（过渡阶段-汉朝、晋朝）三、瓷器阶段（晋以后逐渐完善）伴随这陶瓷的发展，在陶瓷的制造工艺和原料选择方面也经历了三个突破：一、原料选择、精制与配方；二、窑炉改进与烧成温度的提高；三、釉料的发现与使用在相当长的历史时期，陶瓷只是作为一种技艺，主要靠工匠的私下传授，没有能够上升为一门科学。清朝末年，中国陶瓷业发展缓慢，西方陶瓷业也逐渐发展。随着现代化学和物理学渐趋完善，同时空间技术和原子能工业的兴起，电子和信息工业的发展，迫切需要性能优良的新型陶瓷材料。采用天然材料制成的硅酸盐陶瓷由于原料成分不稳定，杂质多，不能控制产品组成，结构和性能，因而难以满足各种新要求。采用化学和物理方法制备可控制纯度或高纯材料得以实现，在原有硅酸盐陶瓷基础上，各种新型陶瓷应运而生。2陶瓷的定义：狭义定义：用粘土类及其他天然矿物原料经过粉碎加工、成型、煅烧等过程而得到的制品。即传统陶瓷或者硅酸盐陶瓷。广义定义：是用天然的或人工合成粉体通过成型、高温烧结而制成的无机非金属固体材料。其他有关陶瓷的定义：1新型陶瓷：性能特殊，在电子、航空、航天、环境 、生物医学等领域有广泛用途的陶瓷材料。为了区别于传统硅酸盐陶瓷，新型陶瓷NC也称为现代陶瓷MC 、精细陶瓷FC、高性能陶瓷HPC、先进陶瓷AC或者特种陶瓷SC。2现代陶瓷：采用高度精选的原料，具有能精确控制的化学组成，按照便于控制的制造技术加工，便于进行结构设计，并具有优异特性的陶瓷。3结构陶瓷：是指能够作为工程结构材料使用的陶瓷。它具有高强度、高硬度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀、抗氧化、抗热震等特性。4功能陶瓷：指在应用中侧重其非力学性能（如电磁、光、热、化学和生物等方面的性能以及核性能，对气体的敏感性能等）的陶瓷材料。4陶瓷材料的分类：传统硅酸盐陶瓷分类：1，陶器：结构不致密，断面粗糙，敲击声沉浊2，瓷器：结构致密、细腻，断面呈石状或贝壳状，敲击声清脆。陶与瓷的区别在于坯体的孔隙度，也即吸水率，取决于原料和烧结温度现代特种陶瓷分类：1，功能陶瓷：电、磁、声、化学、生物等性能2，结构陶瓷 ：耐磨、耐蚀、抗高温，耐热、高强度等力学性能使陶瓷在结构材料领域应用广泛。高熔点氧化物陶瓷（Al2O3, ZrO2, VO2等），碳化物陶瓷（SiC, WC, TiC, BC,等），硼化物陶瓷（如ZrB2），氮化物陶瓷（Si3N4, BN，ZrN等），硅化物陶瓷（MoSi2,ZrSi）我国硅酸盐陶瓷分类标准 性能及特征类 别吸水率（）特 征陶器粗陶器15不施釉，制作粗糙普通陶器12断面颗粒较粗，气孔较大，表面施釉，制造不够精细细陶器15断面颗粒较细，气孔较小结构均匀，施釉或不施釉，制作精细瓷器炻瓷器3透光性差，通常胎体较厚，呈色，断面呈石状，制作较细普通瓷器1有一定透光性，断面呈石状或贝壳状，制作较精细细瓷器0.5透光性好，断面细腻，呈贝壳状，制作精细q6陶瓷材料的结构一）不同层次上的陶瓷结构含义1）微观结构固体材料是原子（离子、分子）排列、聚合而成，不但取决于原子本性（物质组成），还和排列、聚集方式有关（晶体结构）2）显微结构烧结体的晶粒大小、分布，粒界，气孔、裂纹 .二) 陶瓷的晶体结构1） 键(1)离子键 f=f(r) 结构严紧(2)共价键 f=f(r) 结构疏松,电子轨道种类决 定堆积形状, SP2 (三角形),SP3 (四面体)(3)金属键 (电子键)(4)氢键 (小的氢核被相邻分子的并不共有的电子吸引)(5)范德华力 (物理键)7陶瓷的性能力学性能：弹性模量E高，高脆性，破坏方式为脆断。 （宁折不弯）低的塑性、韧性，难以进行加工（没有金刚钻）硬度极高 ，耐磨性好化学性能：抗高温氧化，耐腐蚀。（HF，强碱）陶瓷的性能特点：陶瓷强度的控制和脆性的改善陶瓷材料的强度特征：实际强度为理论强度的1/101/100，具有脆性。 提高陶瓷强度的关键是控制其气孔率和缺陷（裂纹和位错）。热学性能：高熔点 （ Tm 1500 C）低的热膨胀系数、热导率电、磁、声、光、生物学等特性：介电、压电、导电、绝缘、热电、半导体、反光、荧光、催化、吸附、磁性、气敏、超导等性能8陶瓷工艺 由粉体制造的陶瓷产品必须考虑的性能要求:1材料特征性能；2产品形状和尺寸,以及所要求的尺寸公差；3产品的成本。其中第1项取决于材料的化学成分以及获得的显微结构;而第2项则与生产设备和成型方法的选择及其可靠性相关。 8.1 陶瓷材料制作过程示意图： 原料采集 坯料 釉料 粉碎 粗碎 水簸 研磨 陈腐 练泥去铁 过筛 成型 搅拌 装饰 干燥 配料 素烧 釉下彩绘 施釉 烧成出窑 釉下彩绘 完成 烤花8.2 陶瓷成型技术陶瓷成型工艺过程工艺阶段特征控制参数粉体化学化学计量 杂质形态颗粒尺寸分布 团聚 形状和比表面体堆性堆积性 流动性成型体均匀性密度 颗粒和有机物的分布缺陷孔隙的尺寸和分布 裂纹烧结体晶粒晶粒生长 尺寸和分布 致密化速度气孔气孔尺寸和分布相态相态分布 相尺寸 晶界化学特性偏析 炉内污染 烧结气氛影响烧结尺寸形状收缩率 烧结密度 尺寸精度8.2.1 模压成型模压成型：通过模冲对装在钢模内的粉体施加一定压力，压制成一定形状和尺寸的压坯，卸压后，坯块从阴模中脱出。一般会形成密度梯度分布（单向和双向压制）为了减少压制时的摩擦，改善压坯的密度和均匀性，减少模具的磨损和脱模，粉料中一般加入1%以下的具有极性官能团的有机物做润滑剂（油酸，石蜡或者硬脂酸盐）。8.2.2 冷等静压成型冷等静压成型：利用高压泵把液体介质压入钢制的高压密封容器内，在弹性模套内的粉料在各个方向上同时受到液体传递的均衡压力，从而获得密度分布均匀和强度较好的压坯。 分为干袋式和湿袋式8.2.3 注浆成型注浆成型:选择适当的反絮凝剂和悬浮液，将粉状原料制成泥浆,浇注到多孔吸水性的模具(一般常用石膏模)中，通过毛细管力或者外加压力使溶剂排出，浆料即干涸成一定形状的陶瓷坯体。特点：注浆成型后的坯体结构均匀，但其含水量大，且不均匀，干燥与烧成收缩也较大，不需专用设备，也不拘于生产量的大小，投产容易上马快；但生产时间长，手工操作多，占地面积大，模型用量大。注浆成型分为普通注浆，压力注浆，真空注浆，离心注浆等8.2.4 原位凝固成型技术其成型原理不同于依赖多孔模吸收浆料的传统注浆成型，而是通过浆料内部的化学反映形成大分子网络或者陶瓷颗粒网络结构，从而使注模后的陶瓷浆料快速凝固为陶瓷坯体。 8.2.5 快速原型成型技术快速原型成型技术RP（Rapid Prototype）是20世纪80年代出现的用于制造业的高新技术。它是集CAD、CAM、机械电子工程、数控技术、激光技术、化学技术、新材料科学为一体的新型制造技术，是当前最先进的制造技术之一。其本质是用积分制造三维实体。在成型过程中，先有三维造型软件在计算机中做成部件的三维实体模型，然后将其用软件“切割”出设定厚度（几个微米）的系列片层；再将这些片层数据传递给成型机器，通过材料逐层添加法制造出来。 8.2.6 陶瓷注射成型技术 陶瓷注射成型（Ceramic Injection Molding, 简称CIM）是近代粉末注射成型技术的一个分支，具有很多特殊的技术和工艺优势：可快速而自动地进行批量生产，且对其工艺过程可以进行精确的控制；由于流动充模，使生坯密度均匀；由于高压注射，使得混料中粉末含量大幅提高，减少烧结产品的收缩，使产品尺寸精确可控，公差可达0.1%0.2%，性能优越；无须机械加工或只需微量加工，降低制备成本；可成型复杂形状的，带有横孔、斜孔、凹凸面、螺纹、薄壁、难以切削加工的陶瓷异形件，有着广泛的应用前景。8.2.7 陶瓷流延成型法 流延法是一种制备大面积、薄平陶瓷材料的重要成型方法，流延成型自出现以来就用于生产单层或多层薄板陶瓷材料。现在,流延成型已成为生产多层电容器和多层陶瓷基片的支柱技术,同时也是生产电子元件的必要技术：如用Al2O3制得各种厚度的集成电路基板和衬垫材料；用BaTiO3制成电容器介质材料；用ZrO2制成固体氧化物燃料电池、氧泵和氧传感器等。此外,流延成型工艺还可用于造纸、塑料和涂料等行业。成型技术的比较成型方法成型用料成型自由度均匀性效率成本模压成型粉料2.5差中等低等静压粉料2.5中等中等中等注浆成型悬浮体2.5合理低低流延成型悬浮体1好高中等注射成型塑性料3好中等高9陶瓷发展前景信息、能源、新材料被誉为当代科学技术的三大支柱。先进陶瓷作为一种新材料，以其优异的性能在材料领域独树一帜，受到人们的高度重视，在未来的社会中将发挥显著的作用。随着世界科学技术的不断进步，可以预见，陶瓷材料在21世纪必将获得惊人的发展。展望未来，陶瓷材料将在以下几个方面获得重大突破，对现代科技的发展和人类社会的进步作出贡献：1）纳米陶瓷：是陶瓷材料的一个分支，指平均晶粒尺寸小于100nm的陶瓷材料。2）生物陶瓷：是指直接用于人体或者与人体相关的生物、医用、生物化学等领域的陶瓷材料。3）信息陶瓷：与信息技术相关的陶瓷材料，包括绝缘陶瓷、电子陶瓷、敏感陶瓷、磁性陶瓷等。参考文献 1 陈琦陶瓷艺术与工艺M北京：高等教育出版社，2005.