无机非金属材料工学(陶瓷)

1、第三篇第三篇 陶瓷工艺学陶瓷工艺学第一章第一章 引引 言言 一、概念和分类v 1概念：广义 无机非金属固体材料制 品的统称。v 狭义 固体原料经成型、煅烧而制成的制品。v 普通陶瓷（传统陶瓷）：以粘土及其它天然矿物（长石、石英等）为原料经粉碎、成型、焙烧等工艺过程而制得的制品。 2分类： v陶瓷按用途分为： v 传统陶瓷（普通陶瓷）和新型陶瓷（特种陶瓷、精密陶瓷），而传统陶瓷又分为日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、化学陶瓷、化工陶瓷等；v 新型陶瓷又分为结构陶瓷（机械和热性能为主）和功能陶瓷（电、磁、光、生化、核能等）。2分类：v按性能分为：拓器、陶器和瓷器。性能见P213表3-1-2和3-1-3

2、。v按成分分为：氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷、硅酸盐陶瓷、钛酸盐陶瓷、磷酸盐陶瓷、金属陶瓷等。v 特种陶瓷的性能及用途，见教材P213表3-3-1。表3-3-1 特种陶瓷的性能及用途 性 能材 料应 用高绝缘性介电性导电性压电性 热释电性软磁性硬磁性半导体性 离子导电性 电子发射性荧光性透光性偏光性光反射性红外反射性红外透射性光导性生物化学功能 研磨性切削性强度功能润滑功能耐热性绝热性导热性核功能性 Ai2O3、BeO、C（人造金刚石）BaTiO3SiC、MoSi2P（Zr，Ti）O3（定向薄膜）SiO2（单晶薄片）P（Zr，Ti）O3（Zn，Mn，Fe）2O4；-Fe3O4SrO6 F

3、e2O3SnO2过度金属氧化物ZnO-Bi2O3BaTiO3- Ai2O3稳定性ZrO2LaB6Y2O3，S：EuAi2O3、SnO2（涂布膜）PLZTTiNSnO2（涂膜）ZnS、MgOSiO2（高纯纤维）Ai2O3、Ca5（F，Cl）P3O12SiO2（孔径控制多孔体）Ai2O3、B4C、人造金刚石（粉体）C-BN、TiC、WC、TiCSi3N4、SiCC、MoSi2、h-BNAi2O3、ThO2K2OnTiO2，CaOSiO2Be、C、SiCUO2C（石墨）、BeOB4C基板电容器发热器震荡元件、点火元件、压电变换器时钟震荡元件红外线检测元件磁带磁铁、可塑性磁铁气体传感器热敏电阻电压性稳

4、定元件，非线形电阻自控电阻发热元件NaS电池氧敏感元件电子枪用热阴极荧光体高压钠灯、防雾玻璃偏光学元件太阳能聚光器省能源窗玻璃导弹光导纤维人工骨、齿固定化酵素载体研磨材料切削工具发动机材料润滑剂耐热结构材料绝缘材料基板核燃料减速剂控制棒材料二、我国陶瓷工业的发展概况vChina，瓷器，世界供认是我国最早发明。8000年前，生产陶器；3000年前，生产瓷器（上釉），我国最早东汉时期陶瓷普及，唐三彩世界文明。景德镇陶瓷从古至今享誉很好，但建筑陶瓷在我国发展相对落后。第一章第一章 普通陶瓷原料及作用普通陶瓷原料及作用 第一节第一节 粘土粘土一、粘土定义 v具有可塑性且粒度小于几微米的矿物。或粒度小于

5、几微米的层状硅酸盐矿物。二、粘土的分类 v 高岭土、膨润土、伊利石、叶腊石、铝矾土等。三、粘土组成 v化学组成：SiO2、Al2O3为主，少量其它氧化物（K2O、Na2O、Fe2O3、MgO、CaO等）v矿物组成：高岭石、蒙脱石、伊利石等。含少量长石、石英等碎屑矿物。v颗粒组成：碎屑颗粒一般较大，粘土颗粒一般较小，小于2微米的颗粒多为粘土矿物。 四、粘土的工艺性质v1可塑性和结合性（粘结剂）；v2离子交换性（脱色、过滤、填料等）；v3触变性，即泥料放置一段时间后，在维持原有水分的情况下会出现变稠和固化现象；v4膨化性，即吸水膨胀性；v5收缩性， 干燥收缩和焙烧收缩；v6烧结温度与烧结范围五、陶

6、瓷中粘土的作用 v粘土在陶瓷中起粘结作用。 第二节第二节 石英石英一、种类和性质 v1种类：脉石英、石英砂岩、石英岩（变质）、石英砂；v2性质：以SiO2为主，其他杂质很少。二、石英的相变 三、石英的作用 (脊料）v1加快干燥；v2减小坯体变形；v3增加机械强度；v4提高耐磨、抗腐性。第三节第三节 长长 石石一、种类 v钾长石、斜长石二、作用 v1助溶；v2提高机械强度和化学稳定性v3提高透光度。三、代用原料 v 花岗伟晶岩、霞石正长岩、透辉石、硅灰石等。v 第四节第四节 其它原料其它原料一、碳酸盐 v 方解石、白云石、菱镁矿。高温下起溶剂作用。 二、滑石 v 釉料和滑石质陶瓷三、硅灰石 v

7、助溶作用 四、透辉石和透闪石 v 助溶作用 第三章第三章 普通陶瓷的配料和计算普通陶瓷的配料和计算 第一节第一节 配料依据配料依据 v1弄清各原料在陶瓷中的作用；v2坯料和釉料组成满足产品的物化性质；包括：收缩率、吸水率、热震性、平整性、光滑性和抗腐性等。v3配方应满足生产工艺设备条件；温度、压力、气氛等。v4经济、合理；v5借鉴成熟的配方。 第二节第二节 坯、釉料表示方法坯、釉料表示方法 v一、实际配料比表示一、实际配料比表示v 根据实际原料的种类和比例来表示。v二、矿物组成表示二、矿物组成表示v 根据各种原料的化学组成换算成长石、石英、黏土的比例。v三、化学组成表示三、化学组成表示v 以各

8、种氧化物的质量百分比来表示。v四、实验公式（塞格尔式）表示四、实验公式（塞格尔式）表示四、实验公式（塞格尔式）表示四、实验公式（塞格尔式）表示 v以碱性、中性、酸性氧化物的顺序列出。坯式是以中性氧化物（R2O3）的mol数为1，计算其它化合物的摩尔数。釉式则是以碱性氧化物（R2O+RO）的mol数为1，计算其它化合物的摩尔数。v如：坯式表示v 0.3105 K2O v 0.1405 Na2O 0.9931 Al2O3 5.354 SiO2v 0.0297 CaO 0.0072 Fe2O3 0.0259 TiO2v 0.0192MgO v釉式表示v0.088 K2Ov0.065 Na2O 2.4

9、01 Al2O3 12.946 SiO2v0.195 CaO 0.032 Fe2O3 0.0667 TiO2v0.652 MgO v陶瓷的酸性指数：vCA=RO2/（R2O+RO+3R2O3）v硬瓷釉的CA一般为1.82.5, 而软瓷釉的CA一般为1.41.6vCA大瓷脆，高温时易变形，但烧成温度低。第三节第三节 坯料的配方计算坯料的配方计算一、坯式的计算一、坯式的计算 v1已知坯料的化学组成计算坯式v（1）将各氧化物的百分含量换算成mol数；v（2）以中性氧化物的摩尔数为1 计算其它各氧化物的相对含量；v（3）按碱性、中性、酸性氧化物的顺序列出坯式。 v例：已知某陶瓷坯料的化学组成为(%)v

10、 SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 CaO MgOv67.08 21.12 0.23 0.43 0.35 0.16 vK2O Na2O 灼减 合计v5.92 1.35 2.44 99.08v其坯式计算结果为：v0.3105 K2O v0.1405 Na2O 0.9931 Al2O3 5.354 SiO2v0.0297 CaO 0.0072 Fe2O3 0.0259 TiO2v0.0192MgO v2已知坯式求坯料的化学组成v该计算为坯式的逆向计算。 二、示性矿物的计算二、示性矿物的计算 v（ 1 ） 以 N a2O 的 含 量 计 算 钠 长 石 （ A b ：Na2OAl2O36

11、SiO2）v 以K2O的含量计算钾长石（Or：K2OAl2O36 SiO2）v 以CaO的含量计算钙长石（An：CaOAl2O32 SiO2）二、示性矿物的计算二、示性矿物的计算v（2）以Al2O3的含量总量减去长石中的Al2O3的含量，剩余的Al2O3计算v高岭石（Kao：Al2O32 SiO22H2O）v蒙脱石（Mt：CaOAl2O34 SiO2nH2O）伊利石（I：K2O3Al2O36 SiO22H2O）。 二、示性矿物的计算二、示性矿物的计算v（3）以MgO计算菱镁矿（MgCO3）或滑石（3MgO4 SiO2 H2O）。v（4）以 Fe2O3计算赤铁矿（Fe2O3），多为黏土带入。v（

12、5）以TiO2计算金红石（TiO2），多为黏土带入。v（6）剩余的SiO2为石英。 三、根据矿物组成计算配方三、根据矿物组成计算配方 v主要是要考虑黏土中的长石、石英。v计算黏土含量时应扣除其中的长石、石英，而计算长石、石英时应考虑黏土已经存在的量。 四、由化学组成计算配方四、由化学组成计算配方 v根据陶瓷的化学组成，计算其示性矿物，然后计算配方，过程同前。 五、用三元系统法计算配方五、用三元系统法计算配方 v已知坯料和原料的化学组成，利用联立方程组的方法或相图的方法计算。 图图3-1 3-1 计算坯料组成的三成分图计算坯料组成的三成分图 六、由坯式计算配方六、由坯式计算配方 v可直接用摩尔数

13、计算其示性矿物，然后计算配方。 v例： 表表3-1 陶瓷中各氧化物的摩尔数陶瓷中各氧化物的摩尔数 氧化物/molSiO20.987Al2O30.291Fe2O30.001CaO0.005KNaO0.006H2O0.5600.006mol Or剩余0.0360.9510.0060.285-0.001-0.005 0.0060-0.560.005molAn剩余0.280molKao剩余0.001molFe0剩余0.381molQ剩余0.0100.9410.5600.381-0.3810.38100.0050.2800.2800-0.001-0.0010.0010-0.0050-0.560.560-

14、表表3-2 各矿物的质量分数和百分数各矿物的质量分数和百分数矿物摩尔数相对化学式量质量分数质量百分数钾长石钠长石钙长石高岭石赤铁矿滑石石英合计0.006-0.0050.2800.001-0.381 556.8540.0279.3258.1160.0378.060.06 3.341-1.39272.2680.16-22.883100.433.34-1.3972.240.16-22.87100.00v所以陶瓷坯料的配方应为 长石：石英：高岭石=4.73：22.87：72.40v若已知坯料所用黏土的矿物组成为：黏土矿物90%，石英 5%，长石 5%。则首先计算黏土的用量为 72.490%=80.45

15、v黏土中带入的石英为 80.455%=4.023v黏土中带入的长石为 80.455%=4.023v需要补充的石英为 22.87-4.023=18.85v需要补充的长石为 4.730-4.023=0.707v所以实际原料配比应为 长石：石英：高岭石=0.707：18.85：80.45第四章第四章 坯料及制备坯料及制备 第一节第一节 坯料种类和质量要求坯料种类和质量要求一、坯料的种类一、坯料的种类 v 1注塑料，含水率28-35%；v 2可塑料，含水率18-25%；v 3压制料，含水率7-15%； 二、坯料的质量要求二、坯料的质量要求 v 1配方准确；v 2混合均匀；v 3粒度符合工艺要求；v 4

16、含较少气体；v 5干坯强度大（可塑料）；v 6悬浮性和流动性好（注浆料）；v 7自由堆积密度尽量大（压制料）。v 第二节第二节 可塑料的制备可塑料的制备一、质量要求一、质量要求 v1可塑性，黏土含量越高，塑性越大；（工艺瓷）v2细度，粒径小于60微米；v3水分：18-25%；v4空气含量：小于1；v5干坯强度：抗折强度大于0.98Mpa.二、制备二、制备 v粗碎细碎混合球磨（干法、湿法）除铁（磁选）练泥（粗练、真空练）可塑泥料v各种原料分别粉碎然后混合，具体如图41。三、工艺要点三、工艺要点 v1原料的预处理和精选；（石英预烧、清洗等，注意：书P245，-石英是错误的）v2原料的粉碎；v3泥浆

17、的筛分、除铁、搅拌； v4泥浆的脱水；v5陈腐，即将泥料在一定温度、湿度的环境下储存一定时间，使泥料中的水分分布更加均匀，黏土颗粒充分水化和产生离子交换，细菌使有机物分解为腐殖酸，从而提高泥料的可塑性；v6练泥： 分为粗练和真空练泥。 第三节第三节 注浆料的制备注浆料的制备一、质量要求一、质量要求 v1流动性，保证泥浆能注满整个模型；v2细度，粒径小于60微米；v3水分：18-25%；v4触变性：用稠化度表示，稠化度是指100ml泥浆在恩氏粘度计中静置30min后，流出时间与静置30s后流出时间的比值。一般陶瓷：1.82.2,精细陶瓷：1.51.6。v5悬浮性：保证成型过程中不易分层。二、制备

18、二、制备 v注浆料的制备与可塑料基本相似，只是多了稀释的过程。 三、泥浆的稀释三、泥浆的稀释 v 根据泥浆的成分，选择添加电解质。由于黏土一般带负电，所以选择Na+电解质使电位平衡。一般SiO2/Na2O=3左右。另外，应控制PH值。vNa+电解质可分为三类：即无机钠盐（硫酸钠、碳酸钠、磷酸钠等）、有机钠盐（腐殖酸、柠檬酸等）和聚合物（树胶、明胶等）。第四节第四节 压制料的制备压制料的制备一、工艺要求一、工艺要求 v 1水分：干压 36%，半干压 714%；v 2粒度：小于65微米；v 3流动性：造粒以增加流动性；v 4自由堆积密度：尽量大。二、制备二、制备 v其它过程与前两者一样。只是需要造

19、粒。分为：v 1普通造粒法；v 2泥饼干燥打粉法；v 3喷雾干燥造粒法。即注浆料在在热气中喷出呈球粒。见图42第五章第五章 成型成型 第一节第一节 可塑成型可塑成型 v1挤压成型：管形陶瓷v2车坯成型：复杂柱形v3旋坯成型：杯、盘子、碟子等，分为内旋和外旋。（坯动）v4滚压成型：由旋坯发展而来，分为内滚和外滚。（滚头动）v5湿压成型第二节第二节 注浆成型注浆成型 一、工艺原理一、工艺原理 v将泥浆注入石膏模内，利用石膏的吸水性使泥浆分散粘附在模壁上，干燥收缩后脱模取出。 二、成型方法二、成型方法 v1基本注浆法：包括 空心注浆（单面注浆）和实心注浆（双面注浆）。图图43 空心注浆空心注浆 图图

20、44 实心注浆实心注浆 v2加速注浆法：包括 压力注浆、离心注浆和真空注浆。 三、注浆成型的物理化学变化三、注浆成型的物理化学变化 v1物理脱水（石膏吸入）v2. 化学凝聚：vNa-黏土+CaSO4+Na2SiO3=Ca-黏土+CaSiO3+Na2SO4（絮凝）四、操作注意事项四、操作注意事项 v1新制成的泥浆陈腐一天以上，用前再搅拌5-10min；v2温度大于10-12；v3模型湿度一致；v4注意不让气体残留；v5模具可加滑石粉以便脱模；v6回收余浆时要去钙；v7操作轻。 五、常见缺陷五、常见缺陷 v1气孔；v2开裂；v3变形；v4泥缕。第三节第三节 压制成型压制成型 一、工艺原理一、工艺原

21、理 v 将配合料置入金属模具中，加压、脱模、成型。 1粉料的工艺性质 v（1） 粒度和粒度分布；粗细造粒。v（2） 粉料的含水率；太大会粘模，太小坯体密度不够。v（3） 粉料的拱桥效应；颗粒越小，表面积越大越易发生。图45v（4） 粉料的流动性。安息角越小流动性越好。图46 图图45 粉料堆积的拱桥效应粉料堆积的拱桥效应 图图46 粉料自然堆积的外形粉料自然堆积的外形 2压制过程中的坯体变化 密度变化：图47 图图47 坯体密度与压力关系坯体密度与压力关系 图图48 坯体强度与成型压力的关系坯体强度与成型压力的关系 （2）强度变化：图48 3加压制度 v（1）填料方式：防止不均匀；v （2）压

22、力确定：工业成型 40100Mpa，含黏土1060Mpa。v （3）加压方式：单向和双向；图49v （4）脱模：脱模加压不易过快。图图49 加压方式加压方式 二、压制成型方法二、压制成型方法 v1.手动；2自动 三、常见缺陷三、常见缺陷 v1尺寸不规范：薄厚不一，扭斜，不方等；v2裂纹：层裂、角裂、膨胀裂等；v3麻面：粘模；v4脏坯：污染；v5坯粉：清理不净；v6掉边、角等。 第六章第六章 釉料制备和施釉釉料制备和施釉 第一节第一节 釉的分类釉的分类 一、按坯体分类 v 瓷釉、陶釉 二、按制备方法 v 生料釉、熔块釉、盐釉 三、按外观特征 v透明釉、乳浊釉、无光釉、结晶釉、金属光泽釉、裂纹釉等

23、。 四、按釉的成熟温度 v高温釉（T1250）、中温釉（11501250）、低温釉（T1100） 五、按釉料中的熔剂 v长石釉、石灰釉、Pb、Li、Mg、Zn釉等。v 第二节第二节 釉层的形成釉层的形成一、釉料在加热过程中的变化 v1分解反应（分解、脱水）v2化合反应：vNa2CO3+SiO2=Na2SiO3+CO2，PbOPbSiO3，ZnOZnSiO3 v3熔融（长石、碳酸盐、硝酸盐等融化形成共熔物）二、油层冷却时的变化 v 1再析晶v 2熔体凝固v 3气泡形成三、坯釉中间层的形成 v 坯、釉固相反应层的形成 第三节第三节 釉层的性质釉层的性质一、熔融态的性质 v1熔融温度：与成分、细度、

24、均匀度有关，是一个范围：从开始熔融到流动。v 2影响因素：（1）成分：Al2O3含量越高温度越高，氧化钾、钠、钙含量越高温度越低。（2）细度：越细温度越低。（3）均匀度：越均匀越好。二、釉熔体的粘度、润湿性和表面张力 v粘度决定釉的铺平程度和均匀性。取决于化学组成和烧成温度。氧化钾、钠、钙含量越高粘度越低，而氧化铝、硅、锆越高粘度越大。v 表面张力过大，阻碍气体的排除和熔体的均化，高温时对坯体的润湿性不好，易造成釉缺陷。 三、坯釉适应性 v1热膨胀系数v2中间层：发育不好易脱落v3釉的弹性、抗张强度：越高、越大越好v4。釉层厚度：过厚会增加中间层的负担，过薄会发生干釉。 第四节第四节 釉料制备

25、和施釉釉料制备和施釉 一、釉料配方确定 v1原则：v a. 根据坯体的烧结性质确定；v b.根据坯体的膨胀系数确定；v c.根据坯体的化学性质确定；v d.正确选用原料（石英、长石、滑石、高岭土)）v2方法：v a. 根据已知配方调整；v b. 根据相图计算。 v3计算：与坯体计算方法相似v a. 酸性氧化物/碱性氧化物=1：33：1v b. R2O/RO2：1v d. Al2O30.2mol 二、釉料制备 v1要求：v a. 生釉料不溶于水（长石、石英+滑石+高岭土）v b. 与坯料比，更细v c. 釉浆有良好的稳定性、流动性v d. 密度相当，1.31.5g/cm2v 2制备流程：v 原料

26、除杂冲洗称量球磨过筛除铁储浆池备用v一般： 料：球：水=1:1.8:0.5, 磨 70hv 3溶块釉制备v 原料粉碎混合熔制淬冷球磨+土过筛釉浆三、施釉 v1浸釉法 v2浇釉法 v3喷釉法 v4刷釉法 v5气化施釉v 6瓷釉一次烧成第五节第五节 陶瓷装饰陶瓷装饰 一、装饰方法 v 1雕塑 v 2色坯v 3色釉 v4釉上彩绘 v5釉彩 v6贵金属装饰 二、陶瓷颜料 v 1离子着色v 2胶体着色v 3晶体着色 第七章第七章 干燥干燥 第一节第一节 干燥原理干燥原理 一、物料中的水 v干燥过程即将物料中的水分（分子水）去除的过程。物料中的水如图47图图47 物料中的水分物料中的水分 二、干燥过程 v

27、 1加热 v 2等速干燥v 3降速干燥 如图48 图图48 物料的温度、水分、干燥速率与时间的关系物料的温度、水分、干燥速率与时间的关系 图图49 坯体水分、干燥收缩与时间的关系坯体水分、干燥收缩与时间的关系v 坯体干燥过程中的收缩情况见图49。 三、影响因素 v1物料的性质、结构v2坯体形状、大小v3坯体含水量和干燥后残余水分要求v4干燥介质的温度和湿度v5干燥介质的流速v6加速对物料的传热v7使热扩散与湿扩散的方向一致 第二节第二节 干燥方法干燥方法 v一、自然对流干燥v二、强制对流干燥v 1间歇式干燥室v 2连续式干燥（隧道式、链式、立式、辊式等）图410、411图图410 隧道式干燥器

28、流程隧道式干燥器流程 图图411立式干燥器流程立式干燥器流程 三、辐射式干燥器 v1红外线 2微波 第三节第三节 干燥缺陷及原因分析干燥缺陷及原因分析 一、缺陷 v1变形 2开裂二、原因 v1原料：粘土过多、颗粒太细、粒度不均、含水过大；v2成型：不均匀、含气、泥浆未陈腐、颗粒定向排列、石膏模过干；v3干燥：速度过快、不均匀、放置不当、介质温度过高。三、解决措施 v1坯体配方稳定；v2控制水分；v3成型按规程，且均匀、合理；v4边缘隔湿处理；v5双面干燥；v6控制干燥制度；v7加强质量监控。 第八章第八章 烧成烧成 第一节第一节 次烧成与二次烧成次烧成与二次烧成 一次烧成及特点： v即瓷釉一次

29、烧成。v特点：1. 工艺流程简化；v 2. 劳动生产率高；v 3. 成本低，占地少；v 4. 节约能源。 二次烧成及特点 v 即先素烧后施釉, 特点：v 1. 避免气泡，增加釉面的白度和光泽度；v 2. 因瓷坯有微孔，易上釉；v 3. 素烧可增加坯体的强度，适应施釉、降低破损率；v 4. 成品变形小，（因素烧已经收缩）；v 5. 通过素检可降低次品率。v近年发展了三次烧成（工艺瓷等）。第二节第二节 普通陶瓷的成瓷机理普通陶瓷的成瓷机理 v一、低温阶段 v二、中温阶段 v三、高温阶段 v四、高温保温阶段 v五、冷却阶段 一、低温阶段 v温度低于300，为干燥阶段，脱分子水；坯体质量减小，气孔率增

30、大。二、中温阶段 v 温度介于300950v 1 氧化反应：（1）碳素和有机质氧化；v （2）黄铁矿（FeS2）等有害物质氧化。v 2 分解反应：（1）结构水脱出；v （2）碳酸盐分解；v （3）硫酸盐分解。 v 3石英相变和非晶相形成。 三、高温阶段 v1氧化保温阶段：温度大于950，各种反应彻底； 2强还原阶段：CO浓度3%5% 三价铁还原成二价铁之后与二氧化硅反应形成硅酸铁。v FeO+SiO2=FeSiO3（1150）v 另外，硫酸盐分解释放二氧化硫在釉面玻化前排出。 v3弱还原阶段 非晶态（玻璃相）增多，出现v 偏高岭石=模来石+ SiO2（非晶态）v 该阶段瓷坯的特点为：v （1）强度增大；v （2）吸收率和孔隙率降低；v （3）体积收缩；v （4）光泽度增加。四、高温保温阶段 v 一般陶器：温度 11501250，时间1小时；v 精陶：温度12201250，时间23小时；v日用瓷：温度12801400，时间12小时；v釉面砖：温度11501250，时间1分钟；五、冷却阶段 v急冷（温度大于850）缓冷（850400）终冷（室温）第三节第三节 烧成窑炉烧成窑炉 一、窑炉分类 v根据燃料：固体燃料窑（煤烧窑）、液体燃料窑（重油窑）和气体燃料窑