功能陶瓷的生产工艺过程

1、方必军方必军江苏工业学院材料科学与工程学院江苏工业学院材料科学与工程学院1、原料及其加工工艺、原料及其加工工艺区区 别别传统陶瓷传统陶瓷新型陶瓷新型陶瓷原材料原材料天然矿物原料天然矿物原料人工精制合成原料人工精制合成原料成成 型型可塑、注浆、挤压可塑、注浆、挤压干压、等静压、挤压、轧膜、流干压、等静压、挤压、轧膜、流延、热压铸延、热压铸烧烧 成成温度在温度在1350以下，燃以下，燃料以煤、油、气为主料以煤、油、气为主结构陶瓷烧结温度很高结构陶瓷烧结温度很高 （1600），功能陶瓷需精确控），功能陶瓷需精确控制温度，燃料以电为主制温度，燃料以电为主加加 工工一般不需加工一般不需加工切割、打孔、研

2、磨、抛光等切割、打孔、研磨、抛光等性性 能能以外观效果为主以外观效果为主侧重力学性能侧重力学性能以内在性能为主：耐磨、耐温、以内在性能为主：耐磨、耐温、耐腐蚀、高强度及各种敏感性耐腐蚀、高强度及各种敏感性用用 途途 日用、建筑、卫生装饰日用、建筑、卫生装饰和艺术品和艺术品 宇航、能源、冶金、化工、交通、宇航、能源、冶金、化工、交通、电子、家电等行业电子、家电等行业l气相凝聚法制备超微（纳米）粉体气相凝聚法制备超微（纳米）粉体l用微波加热代替传统烧结用微波加热代替传统烧结l陶瓷脆性的致命弱点将得到改变陶瓷脆性的致命弱点将得到改变l纳米材料的应用纳米材料的应用l智能陶瓷的发展智能陶瓷的发展l陶瓷的

3、晶界工程设计陶瓷的晶界工程设计 研究晶界的作用研究晶界的作用-晶界组成对材料性能的影响；晶晶界组成对材料性能的影响；晶界设计界设计-设计晶界，获得所要求的材料性能；制备设计晶界，获得所要求的材料性能；制备符合实用要求的电子陶瓷产品。符合实用要求的电子陶瓷产品。 1、原料及其加工工艺、原料及其加工工艺l天然矿物原料：可塑性原料、脊性原料天然矿物原料：可塑性原料、脊性原料l化工原料化工原料l化学试剂分级化学试剂分级工业纯（工业纯（IR） Industrial Reagent 98.0% 化学纯（化学纯（CP） Chemical Purity 99.0% 分析纯（分析纯（AR） Analytical

4、 Reagent 99.5% 光谱纯（光谱纯（GR） Guarateend Reagent 99.9% 电子级原料电子级原料 专用专用 1、原料及其加工工艺、原料及其加工工艺l原料的评价原料的评价 化学成份、结构、颗粒度、形貌化学成份、结构、颗粒度、形貌l原料的选择原料的选择l保证产品性能的前提下，尽量选择低纯度原料保证产品性能的前提下，尽量选择低纯度原料l杂质对产品性能的影响要具体分析杂质对产品性能的影响要具体分析 利：利：克制影响产品性能的不利因素；降低烧结温度、克制影响产品性能的不利因素；降低烧结温度、促进烧结（形成固溶体、低共熔物促进烧结（形成固溶体、低共熔物） 害：害：杂相、晶格缺陷

5、，影响产品性能杂相、晶格缺陷，影响产品性能 主晶相原料采用化学纯、电子级粉料，掺杂原料采用主晶相原料采用化学纯、电子级粉料，掺杂原料采用光谱纯粉料光谱纯粉料1、原料及其加工工艺、原料及其加工工艺l粉碎方法粉碎方法 用机械装置对原料进行撞击、碾压、磨擦，使原用机械装置对原料进行撞击、碾压、磨擦，使原料破碎、圆滑料破碎、圆滑l粉碎原理粉碎原理 能量转换过程：机械能能量转换过程：机械能表面能、缺陷能表面能、缺陷能l粉碎要求粉碎要求l效率高：效率高：短期内达到预定的细度；或者达到某一短期内达到预定的细度；或者达到某一细度所消耗的能量少、时间短细度所消耗的能量少、时间短l避免混入杂质：避免混入杂质：减少

6、粉碎机械装置的杂质引入减少粉碎机械装置的杂质引入 1、原料及其加工工艺、原料及其加工工艺l球磨工艺原理球磨工艺原理 l影响球磨效率的因素影响球磨效率的因素l转速、球磨时间转速、球磨时间l磨介填充率（磨介填充率（25-35%）、磨介级配）、磨介级配l料、球、溶剂的配比：料、球、溶剂的配比：1:1:0.6-1l筒体直径、磨球与内衬的质料、磨球形状筒体直径、磨球与内衬的质料、磨球形状1、原料及其加工工艺、原料及其加工工艺l助磨剂作用原理助磨剂作用原理l粉碎机械的粉碎粒度极限粉碎机械的粉碎粒度极限 破碎后粉粒表面带有电荷、偶极矩破碎后粉粒表面带有电荷、偶极矩聚合；比表聚合；比表面增大、活性增强、表面吸

7、附力增大面增大、活性增强、表面吸附力增大聚合聚合l助磨剂屏蔽粉粒表面电荷的原理助磨剂屏蔽粉粒表面电荷的原理 助磨剂：含极性官能团的有机液体助磨剂：含极性官能团的有机液体 例：油酸例：油酸CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2)7-COOH，羧，羧基具有明显基具有明显“ ”极性，屏蔽负电荷，烷基朝外极性，屏蔽负电荷，烷基朝外削削弱粉粒之间的相互作用力弱粉粒之间的相互作用力l助磨剂的作用：助磨剂的作用：分散作用、润滑作用、劈裂作用分散作用、润滑作用、劈裂作用1、原料及其加工工艺、原料及其加工工艺l机械粉碎机械粉碎 增加粉料表面和表面能；增加粉料晶格缺陷能增加粉料表面和表面能；增加粉料晶格缺陷能

8、l低温煅烧：低温煅烧：含氧酸、含氧酸盐、碱含氧酸、含氧酸盐、碱氧化物氧化物l影响煅烧产物活性的因素影响煅烧产物活性的因素 粉料粒度、杂质、煅烧温度、气氛粉料粒度、杂质、煅烧温度、气氛 活性粉料对空气、水分的吸附活性粉料对空气、水分的吸附l煅烧活化机理煅烧活化机理 煅烧分解：临界温度煅烧分解：临界温度 假晶结构假晶结构 生成微晶生成微晶1、原料及其加工工艺、原料及其加工工艺2、配料计算、配料计算陶瓷陶瓷原料原料原料纯原料纯度（度（A）摩尔摩尔质量质量（M）摩尔摩尔比（比（x）相对重相对重量量（W=xW）百分百分含量含量实际实际投量投量PLZTPb3O496%685.600.91/3207.976

9、2.89 6551La2O394%325.800.09/214.664.43471ZrO298%123.220.65 180.0924.22 2471TiO295%79.900.35 127.978.46891l粉料的性能粉料的性能 高度活性、合成主晶相的微晶高度活性、合成主晶相的微晶l原料煅烧原料煅烧 改变矿物结构、促进晶型转变、改善工艺性能改变矿物结构、促进晶型转变、改善工艺性能l熔块合成熔块合成l合成主晶相：合成主晶相：减少烧结过程因为原料反应而造成的膨减少烧结过程因为原料反应而造成的膨胀、收缩、气孔胀、收缩、气孔l完成多晶转变：完成多晶转变：减少烧结过程因为晶型转变产生的应减少烧结过程

10、因为晶型转变产生的应力力产品变形、开裂产品变形、开裂l促进原料混合均匀、反应彻底促进原料混合均匀、反应彻底3、粉料制备、粉料制备l固相反应固相反应 配料、反应煅烧（预烧温度：配料、反应煅烧（预烧温度：TG-DTA；晶相鉴定；粉；晶相鉴定；粉料性能料性能-最多数径、中位径、平均粒径、标准偏差、偏度）最多数径、中位径、平均粒径、标准偏差、偏度）l溶液法溶液法 制备金属盐溶液、溶液反应、固液分离（沉淀、沉淀物制备金属盐溶液、溶液反应、固液分离（沉淀、沉淀物干燥、低温煅烧）干燥、低温煅烧）溶胶溶胶-凝胶法：凝胶法：溶胶制备、凝胶形成、低温煅烧溶胶制备、凝胶形成、低温煅烧l气相法气相法蒸气冷凝法：加热气

11、化、急速冷却蒸气冷凝法：加热气化、急速冷却气相反应法：热分解；化学反应气相反应法：热分解；化学反应 3、粉料制备、粉料制备l塑化原因塑化原因 获得可塑性获得可塑性l塑化途径塑化途径 增塑剂：增塑剂：无机塑化剂、有机塑化剂无机塑化剂、有机塑化剂l有机塑化剂的组成有机塑化剂的组成l粘结剂：粘结剂：聚乙烯醇、聚醋酸乙烯酯、羧甲基纤维素聚乙烯醇、聚醋酸乙烯酯、羧甲基纤维素l增塑剂：增塑剂：甘油、乙二醇；邻苯二甲酸二丁脂、癸二甘油、乙二醇；邻苯二甲酸二丁脂、癸二酸二丁脂酸二丁脂l溶剂：溶剂：水、有机醇、环己酮水、有机醇、环己酮3、粉料制备、粉料制备l有机塑化剂的使用有机塑化剂的使用l防止防止还原作用还原

12、作用 有机粘合剂高温下有可能产生强还原性物质，对有机粘合剂高温下有可能产生强还原性物质，对陶瓷原料产生还原作用陶瓷原料产生还原作用l用量适当用量适当 用量过多：粘模具（压制成型）；用量过少：坯用量过多：粘模具（压制成型）；用量过少：坯体开裂、分层（压制成型）体开裂、分层（压制成型） 塑化剂用量：总质量的塑化剂用量：总质量的3%-10%l控制挥发温度控制挥发温度3、粉料制备、粉料制备l造粒：造粒：磨得很细的粉料，干燥、加一定量的塑化剂磨得很细的粉料，干燥、加一定量的塑化剂流动性好、较粗的颗粒流动性好、较粗的颗粒l造粒的原因造粒的原因 细粉粒细粉粒相对较大、较粗、较圆的粗颗粒相对较大、较粗、较圆的

13、粗颗粒增加流动增加流动性，有利于压制成型性，有利于压制成型l造粒要求造粒要求 l粉体密度：粉体密度：愈大愈好，取决于塑化剂的性质和用量、愈大愈好，取决于塑化剂的性质和用量、造粒压强、造粒次数造粒压强、造粒次数l粉体形状：粉体形状：球状，流动性好、工艺简单球状，流动性好、工艺简单l粒度配合粒度配合3、粉料制备、粉料制备l造粒工艺造粒工艺 l手工造粒法手工造粒法l加压造粒法加压造粒法l冻结干燥造粒法冻结干燥造粒法l喷雾干燥造粒法喷雾干燥造粒法实验室加压造粒（手工造粒）法流程：实验室加压造粒（手工造粒）法流程： 粉料加入粘合剂混合均匀粉料加入粘合剂混合均匀过筛过筛在压力机上用在压力机上用圆钢模具压实

14、圆钢模具压实破碎破碎过筛过筛球形颗粒球形颗粒3、粉料制备、粉料制备4、成型、成型l压制成型的坯体密度压制成型的坯体密度l加压方式的影响加压方式的影响l成型压力的影响成型压力的影响l加压速度、保压时间加压速度、保压时间4、成型、成型4、成型、成型l流延法成型浆料制备流延法成型浆料制备 细磨、煅烧的熟粉料细磨、煅烧的熟粉料加入溶剂（抗凝聚剂、除泡剂、加入溶剂（抗凝聚剂、除泡剂、烧结促进剂烧结促进剂）、）、粘结剂、增塑剂、润滑剂粘结剂、增塑剂、润滑剂湿法混磨湿法混磨真空除气真空除气稳定、稳定、流动性良好的浆料流动性良好的浆料4、成型、成型4、成型、成型4、成型、成型l热压铸成型的粉料热压铸成型的粉料

15、 熟料（煅烧过的料）熟料（煅烧过的料） 含水量小于含水量小于0.5%l热压铸成型的粘结剂热压铸成型的粘结剂 石蜡：石蜡：50-55熔化、冷凝后体积收缩熔化、冷凝后体积收缩5%-7% 添加少量表面活性剂（硬脂酸、油酸、蜂添加少量表面活性剂（硬脂酸、油酸、蜂蜡蜡），增加铸浆的流动性），增加铸浆的流动性4、成型、成型l铸浆的配制铸浆的配制l铸浆的配比：粉料（含铸浆的配比：粉料（含0.4-0.8%的油酸）的油酸）87.5-86.5%，石蜡（含表面活性剂），石蜡（含表面活性剂）12.5-13.5%l铸浆配制工艺铸浆配制工艺 蜡饼制备：加热石蜡至蜡饼制备：加热石蜡至70-90、使之熔化，把已、使之熔化，把

16、已加热的粉料倒入石蜡液中，边加热、边搅拌加热的粉料倒入石蜡液中，边加热、边搅拌 将蜡饼放入和蜡机中：快速和蜡机，将蜡饼放入和蜡机中：快速和蜡机，100-110、转筒速度转筒速度40r/min，熔化蜡饼；慢速和蜡机，熔化蜡饼；慢速和蜡机，60-70、搅拌速度、搅拌速度30r/min，排除气泡，排除气泡4、成型、成型4、成型、成型l铸浆性能的影响因素铸浆性能的影响因素l铸浆的粘度、流动性铸浆的粘度、流动性 粘结剂含量大、铸浆粘度小、流动性好，成型性粘结剂含量大、铸浆粘度小、流动性好，成型性能好；收缩率、气孔率增加能好；收缩率、气孔率增加 加入表面活性剂，提高铸浆的流动性加入表面活性剂，提高铸浆的流

17、动性l铸浆的可铸性铸浆的可铸性 粘度小、流动性好、成型压力大，可铸性好粘度小、流动性好、成型压力大，可铸性好l铸浆的稳定性铸浆的稳定性 粉料粒度大、粗颗粒多、密度大，铸浆稳定性差粉料粒度大、粗颗粒多、密度大，铸浆稳定性差4、成型、成型l热压铸成型工艺热压铸成型工艺l压力压力303.98-506.63kPal铸浆温度铸浆温度65-90l模具温度模具温度0-20l加压速度、压力持续时间加压速度、压力持续时间l热压铸坯体的排胶工艺热压铸坯体的排胶工艺 热压铸成型坯体埋入疏松、惰性的吸附剂之中，热压铸成型坯体埋入疏松、惰性的吸附剂之中，在高温下进行脱蜡在高温下进行脱蜡4、成型、成型4、成型、成型5、烧

18、成、烧成l烧结推动力：烧结推动力：物系自由能的降低物系自由能的降低l表面能、界面能的降低表面能、界面能的降低l位错、结构缺陷、弹性应力的减少或消失位错、结构缺陷、弹性应力的减少或消失l外来杂质的排除外来杂质的排除 高温下物系自由能差降低、传质势垒较小、晶粒质点高温下物系自由能差降低、传质势垒较小、晶粒质点平均热动能较大，平均热动能较大， P-表面自由能成为物质传递的主要表面自由能成为物质传递的主要推动力。推动力。5、烧结、烧结1211dWPdVdAPrr G. C. Kuczynski等径球体模型等径球体模型球体颈部曲率半径球体颈部曲率半径 、颈部体积、颈部体积V、颈部表面积、颈部表面积A、颗

19、粒、颗粒半径半径r、接触颈部半径、接触颈部半径x5、烧结、烧结5、烧结、烧结传质方式传质方式蒸发蒸发-凝聚凝聚扩散扩散流动流动溶解溶解-沉淀沉淀原因原因压力差压力差 P空位浓度差空位浓度差 C应力应力-应变应变溶解度溶解度 C条件条件 P 1-10 Par n0/Nr f可观的液相量可观的液相量固相在液相中溶解度大固相在液相中溶解度大固固-液润湿液润湿特点特点凸面蒸发，凹面凸面蒸发，凹面凝聚凝聚 L/L = 0空位与结构基元相空位与结构基元相对扩散对扩散中心距缩短中心距缩短流动同时引起颗粒重排流动同时引起颗粒重排 L/L t 致密化速率最致密化速率最高高接触点溶解到平面上沉积，接触点溶解到平面

20、上沉积，小颗粒溶解到大颗粒沉积小颗粒溶解到大颗粒沉积传质同时又是晶粒生长过程传质同时又是晶粒生长过程公式公式x/r = Kr-2/3t1/3x/r = Kr-3/5t1/5 L/L = Kr-6/5t2/5 L/L = 3/2 / r td /dt = K(1- )/rx/r = Kr-2/3t1/6 L/L = Kr-4/3t1/3工艺控制工艺控制温度（蒸气压）温度（蒸气压）粒度粒度温度（扩散系数）温度（扩散系数）粒度粒度粘度粘度粒度粒度粒度粒度温度（溶解度）温度（溶解度）粘度粘度液相数量液相数量l升温阶段升温阶段 升温速率、装炉方式、粉料掩埋升温速率、装炉方式、粉料掩埋 特殊升温方式特殊升

21、温方式l保温阶段保温阶段l最高烧结温度：最高烧结温度：0.95TS-1.05TSl保温时间：保温时间：l降温阶段降温阶段l冷却速度冷却速度l冷却方式：保温缓冷、随炉冷却、淬火急冷冷却方式：保温缓冷、随炉冷却、淬火急冷5、烧结、烧结0expSttb Tl热锻热锻l无侧向压力，坯体横向自由变形无侧向压力，坯体横向自由变形l加上负荷，坯体轴向以加上负荷，坯体轴向以10-2-10-4/min速率减小，至所需速率减小，至所需厚度厚度l卸压降温卸压降温 -Al2O3、含铋层状铁电体、铁氧体、含铋层状铁电体、铁氧体l热拉和热轧热拉和热轧l陶瓷坯体具有极好的高温可塑性；拉模、轧辊具有良陶瓷坯体具有极好的高温可

22、塑性；拉模、轧辊具有良好的耐热性、表面光滑性、机械强度好的耐热性、表面光滑性、机械强度l产品添加少量玻璃或金属作为增塑剂产品添加少量玻璃或金属作为增塑剂6、陶瓷材料的热加工、陶瓷材料的热加工l急冷（淬火）：急冷（淬火）：油冷、风冷油冷、风冷l保留高温相组成，避免缓冷过程中的分凝、析晶、保留高温相组成，避免缓冷过程中的分凝、析晶、相变相变l产生表面压应力，提高坯体的拉伸强度产生表面压应力，提高坯体的拉伸强度 独石电容器独石电容器l缓冷（退火）缓冷（退火）l促使晶粒长大、分凝、析晶、相变促使晶粒长大、分凝、析晶、相变 微波陶瓷、晶界层电容器微波陶瓷、晶界层电容器l消除表面、内部应力，使相平衡过程充

23、分进行消除表面、内部应力，使相平衡过程充分进行6、陶瓷材料的热加工、陶瓷材料的热加工l机床：机床：专用超精度加工机床专用超精度加工机床 高精度、高生产率、高可靠性、高重复性高精度、高生产率、高可靠性、高重复性l刀具刀具 金刚石刀具金刚石刀具l硬度、刚度大、寿命长，加工稳定、精密硬度、刚度大、寿命长，加工稳定、精密l金刚石刀口可以磨成数纳米，切削量小于亚微金刚石刀口可以磨成数纳米，切削量小于亚微米级米级l切削点能保持较低的温度切削点能保持较低的温度7、陶瓷材料的冷加工、陶瓷材料的冷加工l瓷介电容器电极浆料要求瓷介电容器电极浆料要求l浆料中银含量大于浆料中银含量大于65%l烧渗温度合适烧渗温度合适l粘度合适粘度合适l存放时间和使用寿命长存放时间和使用寿命长l银浆组成银浆组成l银及其化合物银及其化合物l助熔剂：助熔剂：Bi2O3、PbB4O7；各种熔块；各种熔块l粘合剂：悬浮能力、粘结性、挥发性粘合剂：悬浮能力、粘结性、挥发性8、陶瓷材料的表面金属化、陶瓷材料的表面金属化l银粉的制备银粉的制备l