材料导论(第五章)陶瓷成型

第一节结构陶瓷第二节功能陶瓷第三节陶瓷耐火材料第四节玻璃 第五章陶瓷材料 一 第一节结构陶瓷 陶瓷的分类 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 制备方法 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 晶体结构 氧化锆陶瓷 备注 氧化锆熔点为2715 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 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 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500 600MPa 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 氮化硅陶瓷 以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 第二节功能陶瓷 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 还可用于制造压电元件 热释电元件 电光元件 电热器件等 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 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 导电性介于导电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 第三节陶瓷耐火材料 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 第四节玻璃 玻璃是介于结晶态和无定型态之间的一种物质状态 称为玻璃态物质 几种玻璃的特性和用途 石英玻璃 玻璃纤维 第一节混合料的制备第二节陶瓷的成形方法 第五章陶瓷的成形原理及工艺 二 第一节混合料的制备 混合料的计算与称料 混合料配方的计算的两种基本形式 1 已知的化学计量式的配料计算 2 根据化学成分进行的配料计算 称料时应注意的原则 1 按组分含量由少到多的顺序称量 2 采用累积称量法称量 混料 混料的两种基本形式 1 干混2 湿混 根据计算的结果称料 多种组分的原料经过一定的方法混合均匀的过程称为混料 在球磨机中的混料过程可同时实现粉碎和混合的双重目的 塑化 对于特种陶瓷 由于坯料中没有可塑性 在成形时会出现裂纹 因此有必要在成形前进行塑化处理 塑化剂选用和加入的原则 1 在保证坯料一定可塑性的条件下 尽可能减少塑化剂的用量 2 选用塑化剂时 需考虑塑化剂在烧结时排除的难易和排除温度等因素 第二节陶瓷的成形方法 模压成形 模压成形是将混合料加入到模具中 在压力机上压成一定形状的坯体的方法 手动压制 自动压制 利用液态 气体或橡胶等作为传压介质 在三维方向对坯体进行压制的工艺 冷等静压可分为干式和湿式两种形式 冷等静压成形 以水为溶剂 粘土为粘结剂和陶瓷粉体混合 配制成的具有较好流动性的料浆 再将料浆注入到具有产品形状的石膏模中成形的方法 注浆法成形 这种成形方法借鉴了金属压铸成形的工艺思路 利用石蜡的高温流变特性 对陶瓷石蜡流体进行压力下的铸造成形 热压铸成形 1 料浆的制备 将经过陶瓷粉体与6 12 石蜡和0 1 1 硬脂酸或油酸表面活性剂加热到60 80 再与熔化的石蜡混合即可 2 压铸 在压缩空气作用下充型 保压冷却 脱模 借鉴金属的挤压成形和轧制成形工艺 塑性成形 将陶瓷粉体和粘结剂 溶剂等置于置于轧辊上混炼 使之混合均匀 伴随吹风 溶剂逐步挥发 形成一层厚膜 调整轧辊间距 反复轧制 可制得薄片瓷坯 轧膜成形 一般用于制备厚度 80 m的坯片 带式成形 第一节陶瓷的烧结理论第二节陶瓷的烧结方法第三节陶瓷烧结后的处理 第五章陶瓷的烧结原理及工艺 三 第一节陶瓷的烧结理论 概述 定义 烧结是指高温条件下 坯体表面积减小 孔隙率降低 机械性能提高的致密化过程 烧结驱动力 粉体的表面能降低和系统自由能降低 烧结的主要阶段 1 烧结前期阶段 坯体入炉 90 致密化 粘结剂等的脱除 如石蜡在250 400 全部汽化挥发 随着烧结温度升高 原子扩散加剧 孔隙缩小 颗粒间由点接触转变为面接触 孔隙缩小 连通孔隙变得封闭 并孤立分布 小颗粒间率先出现晶界 晶界移动 晶粒长大 2 烧结后期阶段 孔隙的消除 晶界上的物质不断扩散到孔隙处 使孔隙逐渐消除 晶粒长大 晶界移动 晶粒长大 烧结过程的物质传递 影响烧结的因素 第二节陶瓷的烧结方法 烧结分类 常见的烧结方法 传统陶瓷在隧道窑中进行烧结 特种陶瓷大都在电窑中进行烧结 普通烧结 将粉体压坯或装入包套的粉体放入高压容器中 在高温和均衡的气体压力作用下 烧结成致密的陶瓷体 热等静压烧结 反应烧结 气相沉积成形 高温自蔓延 SHS 烧结 等离子烧结 电火花烧结 电场烧结 超高压烧结 微波烧结等 其他