材料导论(第五章)陶瓷成型

1、第一节第一节 结构陶瓷结构陶瓷第二节第二节 功能陶瓷功能陶瓷第三节第三节 陶瓷耐火材料陶瓷耐火材料第四节第四节 玻玻 璃璃q 陶瓷的分类陶瓷的分类氧化物陶瓷（氧化物陶瓷（Al2O3、ZrO2、MgO等）等）碳化物陶瓷（碳化物陶瓷（SiC、B4C、WC等）等）氮化物陶瓷（氮化物陶瓷（Si3N4、TiN、BN等）等）新型碳化物陶瓷（新型碳化物陶瓷（C3N4等）等）硼化物陶瓷（硼化物陶瓷（TiB2、ZrB2等）等）复合陶瓷（复合陶瓷（3Al2O32SiO2(莫来石莫来石) 等）等）普通陶瓷（硅酸盐材料）普通陶瓷（硅酸盐材料）特种陶瓷（人工合成材料）特种陶瓷（人工合成材料）结构陶瓷结构陶瓷功能陶瓷功能

2、陶瓷陶瓷耐火材料陶瓷耐火材料玻玻 璃璃 氧化铝有十多种同素异构体，但常见的主要有三种：氧化铝有十多种同素异构体，但常见的主要有三种：-Al2O3、-Al2O3 、-Al2O3 。 -Al2O3属于尖晶石型（立方）结构，高温时不稳定，属于尖晶石型（立方）结构，高温时不稳定，在在1600转变为转变为-Al2O3 。 -Al2O3 属于六方系，稳定属于六方系，稳定性好，在熔点性好，在熔点2050 之前不发生晶型转变。之前不发生晶型转变。q 氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷 Al2O3少量少量SiO2。根据。根据Al2O3含量可分为刚玉含量可分为刚玉-莫来莫来瓷（瓷（75瓷，瓷，wAl2O3=75%）和刚玉瓷（）

3、和刚玉瓷（95瓷，瓷，99瓷）。瓷）。原料煅烧原料煅烧配料配料球磨球磨成形成形烧结烧结1）高强度、高温稳定性：装饰瓷，喷嘴、火箭、导弹）高强度、高温稳定性：装饰瓷，喷嘴、火箭、导弹的导流罩的导流罩 ；2）高硬度、高耐磨性：切削工具，模具，磨料，轴承，）高硬度、高耐磨性：切削工具，模具，磨料，轴承，人造宝石；人造宝石； 3）低的介电损耗、高电阻率、高绝缘性：火花塞，电）低的介电损耗、高电阻率、高绝缘性：火花塞，电 路基板，管座；路基板，管座； 4）熔点高、抗腐蚀：耐火材料，坩埚，炉管，热电偶）熔点高、抗腐蚀：耐火材料，坩埚，炉管，热电偶保护套等；保护套等； 5）离子导电性：太阳能电池材料和蓄电池

4、材料等。）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。）生物相容性：还可用于制作人工骨骼和人造关节等。q 氧化锆陶瓷氧化锆陶瓷m-ZrO2：单斜晶系（：单斜晶系（1170）t- ZrO2：四方晶系（：四方晶系（11702370 ）c-ZrO2：立方晶系（：立方晶系（23702715 ） 备注：氧化锆熔点为备注：氧化锆熔点为2715 。1）热导率小，化学稳定性好、耐腐蚀性高：可用于高）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、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：

5、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、）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。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）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。电池固体电解隔膜、钢液测氧探头等。q 碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷 以以SiC为主要成分的陶瓷。为主要成分的陶瓷。 具有很高的高温强度，在具有很高的高温强度，在1400时抗弯强度仍保持时抗弯强度仍保持在在500600MPa，工作温度可达，工作温度可达1700；有很好的热稳；有很好的热稳定性、抗蠕变性、耐磨性、耐蚀性，

6、良好的导热性、耐定性、抗蠕变性、耐磨性、耐蚀性，良好的导热性、耐辐射性。辐射性。 制作火箭尾喷管喷嘴、浇注金属的浇道口、轴承、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。护套管、炉管、核燃料包封材料等。q 氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷 以以Si3N4为主要成分的陶瓷。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

7、除氢氟酸、氢氧化钠外的其他酸和碱性溶稳定性，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。缘性能。 用于制造切削刀具、高温轴承、泵密封环、热电用于制造切削刀具、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。偶保护套、缸套、活塞顶、电磁泵管道和阀门等。q 铁电陶瓷铁电陶瓷 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

8、电场强度，这类陶瓷称为铁极化，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、锆酸电陶瓷，广泛应用的铁电材料有钛酸钡、钛酸铅、锆酸铝等。铝等。 铁电陶瓷应用最多的是铁电陶瓷电容器，还可用于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。制造压电元件、热释电元件、电光元件、电热器件等。q 压电陶瓷压电陶瓷 铁电陶瓷在外加电场作用下出现宏观的压电效应，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。酸

9、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。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。机械能的元件称为换能器。q 氧化锆固体电解质陶瓷氧化锆固体电解质陶瓷 ZrO2中加入中加入CaO、Y2O3等后，提供了氧离子扩散等后，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

10、温燃料电池的固体电解质。要用于氧敏传感器和高温燃料电池的固体电解质。q 生物陶瓷生物陶瓷 氧化铝陶瓷和氧化锆陶瓷与生物肌体有较好的相氧化铝陶瓷和氧化锆陶瓷与生物肌体有较好的相容性，耐腐蚀性和耐磨性能都较好，因此常用于生物体容性，耐腐蚀性和耐磨性能都较好，因此常用于生物体中承受载荷部位的矫形整修，如人造骨骼等。中承受载荷部位的矫形整修，如人造骨骼等。 导电性介于导电和绝缘介质之间的陶瓷材料。主要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。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、烘如用于电动机、收

11、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。风门、化油器、功率计、线路温度补偿等。q 半导体陶瓷半导体陶瓷 陶瓷耐火材料的重要性能指标是：低温强度、高温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。强度、体密度、孔隙率等。酸性耐火材料（以酸性耐火材料（以SiO2、Al2O3为主）为主）碱性耐火材料（如碱性耐火材料（如MgO、CaO等）等） 玻璃是介于结晶态和无定型态之间的一种物质状态，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。称为玻

12、璃态物质。几种玻璃的特性和用途几种玻璃的特性和用途石英玻璃石英玻璃玻璃纤维玻璃纤维第一节第一节 混合料的制备混合料的制备第二节第二节 陶瓷的成形方法陶瓷的成形方法q 混合料的计算与称料混合料的计算与称料 混合料配方的计算的两种基本形式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；）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。）根据化学成分进行的配料计算。 称料时应注意的原则称料时应注意的原则： 1）按组分含量由少到多的顺序称量。）按组分含量由少到多的顺序称量。 2）采用累积称量法称量。）采用累积称量法称量。q 混混 料料 混料的两种基本形式混料的两种基本形

13、式： 1）干混）干混 2）湿混）湿混 根据计算的结果称料，多种组分的原料经过一定的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。）程可同时实现粉碎和混合的双重目的。）q 塑塑 化化 对于特种陶瓷，由于坯料中没有可塑性，在成形时对于特种陶瓷，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。会出现裂纹，因此有必要在成形前进行塑化处理。 常用的塑化剂常用的塑化剂： 1）无机塑化剂：粘土等）无机塑化剂：粘土等 2）有机塑化剂：）有机塑化剂： 1）在保

14、证坯料一定可塑性的条件下，尽可能减少塑化）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。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）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。和排除温度等因素。q 造造 粒粒 造粒就是加入塑性剂后，将细颗粒原料制备成粒度造粒就是加入塑性剂后，将细颗粒原料制备成粒度较粗的混合料，以改善其流动性。较粗的混合料，以改善其流动性。q 模压成形模压成形 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。成一定形状的坯体的方法。 利用液态、气体或橡胶等作为传压介质，

15、在三维方利用液态、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。两种形式。q 冷等静压成形冷等静压成形冷等静压（液体为传压介质）冷等静压（液体为传压介质）冷等静压（气体或弹性体为传压介质）冷等静压（气体或弹性体为传压介质）冷等静压冷等静压 以水为溶剂、粘土为粘结剂和陶瓷粉体混合，配制以水为溶剂、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。形状的石膏模中成形的方法。q 注浆法成形注浆法成形 这种

16、成形方法借鉴了金属压铸成形的工艺思路，利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。铸造成形。 q 热压铸成形热压铸成形 1）料浆的制备：将经过陶瓷粉体与）料浆的制备：将经过陶瓷粉体与612石蜡和石蜡和0.1 1硬脂酸或油酸表面活性剂加热到硬脂酸或油酸表面活性剂加热到6080再与熔再与熔 化的石蜡混合即可。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。）压铸：在压缩空气作用下充型，保压冷却，脱模。 借鉴金属的挤借鉴金属的挤压成形和轧制成压成形和轧制成形工艺。形工艺。q

17、 塑性成形塑性成形 将具有将具有可塑性的泥可塑性的泥料，通过挤料，通过挤机嘴成形。机嘴成形。 将陶瓷粉体和粘结剂、溶剂等置于置于轧辊上混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；调整层厚膜；调整轧辊间距，反轧辊间距，反复轧制，可制复轧制，可制得薄片瓷坯。得薄片瓷坯。 一般用于制备厚度一般用于制备厚度 80m的坯片。的坯片。q 带式成形带式成形第一节第一节 陶瓷的烧结理论陶瓷的烧结理论第二节第二节 陶瓷的烧结方法陶瓷的烧结方法第三节第三节 陶瓷烧结后的处理陶瓷烧结后的处理q 概概 述述 定定

18、义义： 烧结是指高温条件下，坯体表面积减小，孔隙率降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。低、机械性能提高的致密化过程。 烧结驱动力烧结驱动力： 粉体的表面能降低和系统自由能降低。粉体的表面能降低和系统自由能降低。 烧结的主要阶段烧结的主要阶段： 1）烧结前期阶段（坯体入炉）烧结前期阶段（坯体入炉90致密化）致密化） 粘结剂等的脱除：如石蜡在粘结剂等的脱除：如石蜡在250400全部汽化全部汽化 挥发。挥发。 随着烧结温度升高，原子扩散加剧，孔隙缩小，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，连通孔颗粒间由点接触转变为面

19、接触，孔隙缩小，连通孔 隙变得封闭，并孤立分布。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。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）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，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。使孔隙逐渐消除。 晶粒长大：晶界移动，晶粒长大。晶粒长大：晶界移动，晶粒长大。 烧结的分类烧结的分类：固相烧结（只有固相传质）固相烧结（只有固相传质）液相烧结（出现液相）液相烧结（出现液相）气相烧结（蒸汽压较高）气相烧结（蒸汽压较高）烧烧 结结q 烧结过程的物质传递烧结过程的物质传递气相传质（蒸发与凝聚为

20、主）气相传质（蒸发与凝聚为主）固相传质（扩散为主）固相传质（扩散为主）液相传质（溶解和沉淀为主）液相传质（溶解和沉淀为主）烧结过程烧结过程中的物质中的物质传递传递q 影响烧结的因素影响烧结的因素原料粉末的粒度原料粉末的粒度烧结温度烧结温度烧结时间烧结时间烧结气氛烧结气氛影响因素影响因素q 烧结分类烧结分类常压烧结常压烧结压力烧结压力烧结按压力分类按压力分类普通烧结普通烧结氢气烧结氢气烧结真空烧结真空烧结按气氛分类按气氛分类固相烧结固相烧结液相烧结液相烧结气相烧结气相烧结活化烧结活化烧结反应烧结反应烧结按反应分类按反应分类q 常见的烧结方法常见的烧结方法 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。窑中进行烧结。 热压烧结是在烧结过程中同时对坯料施加压力，加热压烧结是在烧结过程中同时对坯料施加压力，加速了致密化的过程。所以热压烧结的温度更低，烧结时速了致密化的过程。所以热压烧结的温度更低，烧结时间更短。间更短。 将粉体压坯或装