材料工程基础第六章

材料工程基础第六章第一页，共五十六页，编辑于2023年，星期一第一节陶瓷的概述第二页，共五十六页，编辑于2023年，星期一陶瓷:指所有以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经过粉碎、混炼、成型、烧结等过程而制成的各种制品广义的陶瓷概念：用陶瓷生产方法制造的无机非金属固体材料和制品的通称。

德国陶瓷协会：“陶瓷是化学工业或化学生产工艺的一个分支，包括陶瓷材料和器物的制造或进一步加工成陶瓷制品(元件)。陶瓷材料属于无机非金属材料，最少含30％结晶体。一般是在室温中将原料成型，通过800℃以上的高温处理，以获得这种材料的典型性质。有时也在高温下成型，甚至可经过熔化及析晶等过程。”

美国和日本等国：Ceramics是包括各种硅酸盐材料和制品在内的无机非金属材料的通称，不仅指陶瓷，还包括水泥、玻璃、搪瓷等材料。狭义的陶瓷概念一、陶瓷的概念第三页，共五十六页，编辑于2023年，星期一二、陶瓷的分类陶瓷普通陶瓷特种陶瓷日用陶瓷(包括艺术陈列陶瓷)建筑卫生陶瓷化工陶瓷化学瓷电瓷及其它工业陶瓷

结构陶瓷

功能陶瓷

第四页，共五十六页，编辑于2023年，星期一传统陶瓷（普通陶瓷）

第五页，共五十六页，编辑于2023年，星期一第六页，共五十六页，编辑于2023年，星期一性能及特征陶器瓷器吸水性/％一般大于3一般不大于3透光性不透光有一定透光性胎体特征未玻化或玻化程度差、断面粗糙玻化程度高、结构致密、细腻，断面呈石状或贝壳状敲击声沉浊清脆日用陶瓷分类炻器（半瓷）第七页，共五十六页，编辑于2023年，星期一陶器是一种坯体结构较疏松、致密度较差的陶瓷制品，通常有一定吸水率，断面粗糙无光，没有半透明性，敲之声音粗哑。名称粗陶器普通陶器细陶器特征吸水率＞15%；不施釉，制作粗糙吸水率≤12％；断面颗粒较粗，气孔较大，表面施釉，制作不够精细吸水率≤5％；断面颗粒细，气孔较小，结构均匀，施釉或不施釉，制作精细第八页，共五十六页，编辑于2023年，星期一

瓷器的坯体致密，基本上不吸水，有一定的半透明性，断面成石状或贝壳状。名称炻瓷类普通瓷器细瓷器特征吸水率≤3％；透光性差，通常胎体较厚，呈色，断面呈石状，制作较精细吸水率≤

1％；有一定透光性，断面呈石状或贝壳状，制作较精细吸水率≤

0.5％；透光性好，断面细腻，呈贝壳状，制作精细第九页，共五十六页，编辑于2023年，星期一具有各种特殊力学、物理或化学性能等优异特性的陶瓷。人造牙齿压电陶瓷点火器特种陶瓷（新型陶瓷、精细陶瓷、高技术陶瓷）结构陶瓷功能陶瓷电子绝缘件第十页，共五十六页，编辑于2023年，星期一第二节普通陶瓷的生产工艺第十一页，共五十六页，编辑于2023年，星期一

普通陶瓷生产工艺流程P-F-H1、坯料制备（粉体制备）2、成型3、烧成（烧结）第十二页，共五十六页，编辑于2023年，星期一粘土类原料；SiO2、A12O3和结晶水（H2O）石英类原料；SiO2长石类原料；坯料中碱金属氧化物的主要来源镁质原料；菱镁矿MgCO3；滑石3MgO·4SiO2·H2O；透辉石CaO·MgO·2SiO2钙质原料;方解石CaCO3；石灰石CaCO3；硅灰石CaO·SiO2；碳酸盐、硫酸盐和硼酸盐原料氧化物原料（ZrO2、TiO2、PbO和ZnO）1、原料第十三页，共五十六页，编辑于2023年，星期一1、增加坯体的可塑性2、骨架作用，提高坯体强度、减少干燥和烧成收缩4、降低烧结温度,

熔剂作用5、加速烧结进程7、提高釉料质量6、扩大烧结范围塑性原料：粘土类瘠性原料：石英类、长石类、硅酸、碳酸盐类掺入碱土、碱金属离子：长石、碱土硅铝酸盐、硼酸盐、氧化物硅灰石、透辉石滑石石英、长石类：硅酸、碳酸、硼酸盐类；氧化物类3、提高烧结体强度促进莫来石生长：粘土、长石、石英类、滑石第十四页，共五十六页，编辑于2023年，星期一2、坯料制备

（1）注浆坯料，含水率28～35%；（2）可塑坯料，含水率18～25%；（3）压制坯料，含水率3～7%（干压坯料）；

含水率8～15%（半干压坯料）；坯料：陶瓷原料经配料和一定的工艺加工，得到的具有成型性能的多组分均匀的配合料。第十五页，共五十六页，编辑于2023年，星期一坯料制备的主要工序一、原料的处理（原料精选、原料预烧）二、原料粉碎（粗碎、中碎和细碎（磨））三、筛分、除铁、搅拌四、泥浆脱水（浆料泥团；浆料粉料）五、练泥（塑性泥料）六、造粒（压制粉料）七、陈腐压力脱水：20～25%喷雾干燥脱水:8%

第十六页，共五十六页，编辑于2023年，星期一常用成型方法：成型的目的：将坯料加工成具有一定形状和尺寸、并具有一定的致密度和必要的强度的坯体。

可塑成型塑性坯料（泥料）注浆成型浆料压制成型粉料2、成型第十七页，共五十六页，编辑于2023年，星期一压制成型第十八页，共五十六页，编辑于2023年，星期一

注浆成型空心注浆实心注浆第十九页，共五十六页，编辑于2023年，星期一可塑成型-----滚压成型

模型和滚压头分别绕自己的轴线以一定速度旋转。滚压头—面转动—面对坯泥进行“滚”和“压”而成型。

阳模滚压－外滚压：滚压头决定坯体外形的大小，适合扁平状、宽口且坯体内表面有花纹的产品。阴模滚压－内滚压：滚压头形成坯体内表面，适合内径小而宽口制品。第二十页，共五十六页，编辑于2023年，星期一四、普通陶瓷的烧成一次烧成成型、干燥或施釉后的生坯，在陶瓷窑内一次烧成陶瓷产品的工艺路线。特点：工艺流程简化；劳动生产率高；成本低，占地少；节约能源。二次烧成即先素烧后施釉。特点：避免气泡，增加釉面的白度和光泽度；因瓷坯有微孔，易上釉；素烧可增加坯体的强度，降低破损率；成品变形小（因素烧已经收缩）；通过素检可降低次品率。“高温素烧，低温（中温）釉烧”。“低温素烧，高温釉烧”。普陶精陶第二十一页，共五十六页，编辑于2023年，星期一1、强度增加——生成莫来石2、体积收缩3、气孔率降低——致密化4、质量减小陶瓷的烧成过程烧成温度第二十二页，共五十六页，编辑于2023年，星期一陶瓷的烧成过程氧化分解阶段300—950低温阶段室温—300高温阶段950—烧成温度保温阶段烧成温度冷却阶段烧成温度——室温机械水、吸附水质量减小；气孔率增大氧化、分解反应晶型转变质量减小；气孔率增大；强度增加形成液相、莫来石生成质量减小；气孔率降低；强度增加；体积收缩液相增多；晶体增多致密化液相结晶晶型转变；强度增加第二十三页，共五十六页，编辑于2023年，星期一陶瓷显微结构的组成陶瓷材料是多晶相的复合体第二十四页，共五十六页，编辑于2023年，星期一1、间歇式窑：普通陶瓷的烧成设备2、连续式窑：隧道窑高温推板窑辊道窑高温倒焰窑梭式窑钟罩窑电炉第二十五页，共五十六页，编辑于2023年，星期一1）、高温倒焰窑（reverseflamekiln）

倒焰窑工作流程1-窑室；2-燃烧室；3-灰坑；4-窑底吸火孔；5-支烟道；6-主烟道；7-挡火墙；8-窑墙；9-窑顶；10-喷火口1、间歇式窑：第二十六页，共五十六页，编辑于2023年，星期一2）、梭式窑（drawerkiln）

梭式窑结构示意图1-窑室；2-窑墙；3-窑顶；4-烧嘴；5-升降窑门；6-支烟道；7-窑车；8-轨道第二十七页，共五十六页，编辑于2023年，星期一

箱式电阻炉实物图（a）和炉体结构示意图（b）

3）电炉（electricfurnace）是电热窑炉的总称。一般是通过电热元件把电能转变为热能，可分为电阻炉、感应炉、电弧炉等。第二十八页，共五十六页，编辑于2023年，星期一1）、隧道窑（tunnelkiln）2、连续式窑：第二十九页，共五十六页，编辑于2023年，星期一第三十页，共五十六页，编辑于2023年，星期一2）、辊道窑（rollerkiln）辊道窑是电热式隧道窑的一种，只是传递烧结样品的传递系统不是传统的窑车、推板，而是同步转动的陶瓷或金属辊棒。每条辊子在窑外传动机构的作用下不断地转动。第三十一页，共五十六页，编辑于2023年，星期一第三节特种陶瓷的生产工艺第三十二页，共五十六页，编辑于2023年，星期一特陶生产工艺1、原料制备2、成型、干燥3、烧结普陶、特陶P-F-H第三十三页，共五十六页，编辑于2023年，星期一1、原料粉体制备方法机械法：球磨法、切磨法、气流喷射粉碎法、高能球磨法-----机械化学法物理化学法：还原法、溶剂蒸发化学合成法固相：高温高压、微波、等离子、激光、自蔓延。由大→小的过程由小→大的过程物理法:蒸发-冷凝、雾化、PVD液相：沉淀法、水热法、溶胶-凝胶气相：CVD第三十四页，共五十六页，编辑于2023年，星期一1）干压成型——模压+等静压（冷、热）2）塑性成型——挤出、注射、轧膜3）注浆成型——热压铸、流延2、成型第三十五页，共五十六页，编辑于2023年，星期一挤压成型工艺：是将经过真空练制的泥料，放入挤坯机内，只要更换挤坯机的机器，就可挤压出各种形状坯体的方法。适用：此法适生产棒形制品、片状坯膜（半干后再冲刷成型）。第三十六页，共五十六页，编辑于2023年，星期一热压铸成型工艺热压铸成型适用于外形复杂、精密度高的中小型制品更为适宜。蜂窝状或筛格状陶瓷电阻基片，营式电容，线圈滑架等电子陶瓷第三十七页，共五十六页，编辑于2023年，星期一陶瓷热蜡铸工艺流程图第三十八页，共五十六页，编辑于2023年，星期一3、特种陶瓷的烧结

（1）特种烧结方法：１）热压烧结２）热等静压３）放电等离子体烧结４）微波烧结５）反应烧结６）爆炸烧结第三十九页，共五十六页，编辑于2023年，星期一（2）烧结驱动力

烧结的驱动力就是总界面能的减少。烧结过程=致密化过程+晶粒长大过程第四十页，共五十六页，编辑于2023年，星期一（3）烧结宏观变化:1）体积收缩；2）气孔率下降；3）致密度提高；4）强度增加；5）晶粒长大；6）电阻率减小。性质温度气孔率密度电阻晶粒尺寸强度

烧结温度对材料性质的影响是一个物理过程，没有化学反应发生！第四十一页，共五十六页，编辑于2023年，星期一（3）烧结过程：

a:坯体中气孔率达35-60%，颗粒间点接触或没有接触；

b:随着温度升高，颗粒间接触面积增大→颗粒聚集→颗粒中心靠近；

c:逐渐形成晶界→气孔变形，晶粒变形→气孔收缩，坯体收缩，气体排除；

d:连通气孔→孤立的封闭气孔，直至绝大部分气体被排除。无气孔的多晶体bac

烧结现象示意图d第四十二页，共五十六页，编辑于2023年，星期一第四十三页，共五十六页，编辑于2023年，星期一（5）烧结机理

从烧结的物质状态分：1）液相烧结

2）固相烧结3）气相烧结

从烧结的物质传递机理：1）蒸发---凝聚传质2）扩散传质3）溶解---沉淀传质4）粘性流动传质5）塑性流变传质第四十四页，共五十六页，编辑于2023年，星期一蒸发—凝聚传质（气相传质）烧结的驱动力主要来源于半径为r的曲面上的蒸汽压差。凸面：半径R为正P﹥P0—物质蒸发凹面：半径R为负P﹤P0—物质凝聚P=P0exp(2γM/ρkTR)第四十五页，共五十六页，编辑于2023年，星期一1、粉体制备制备AlON相主要有以下几种方法:AlON透明陶瓷研究第四十六页，共五十六页，编辑于2023年，星期一2、成型工艺制备出性能优异的粉末之后就需要进一步的压实,AlON粉末可以通过干压、注射成型等压制方式来实现。最典型的常用压制方法是等静压成型,利用这种方式选择合适的模具可以把粉末压制成各种形状和尺寸。在此过程中主要是控制好压制产品的致密程度,致密程度的好坏将直接影响到后面的生产工艺,适宜的致密度可以使成分在随后的烧结程序中更容易反应,透明性更好。第四十七页，共五十六页，编辑于2023年，星期一3、烧结1)常压烧结：将试样在化学气相渗透炉中进行烧结。先以6℃的升温速率升温到300℃后，将炉内抽真空，然后通入N2，再以6℃的升温速率在气氛作为保护气，常压状态下升至1850℃或1900℃保温一小时后，获得透明氮氧化铝陶瓷。2)热压烧结在1950℃、25MPa、N2气氛中热压烧结制备出透明氮氧化铝陶瓷。第四十八页，共五十六页，编辑于2023年，星期一普通陶瓷特种陶瓷原料天然矿物原料人工精制化工原料和合成原料成型干压、石膏模注浆、可塑法成型为主模压、热压铸、轧膜、流延、等静压、注射成型为主烧成/烧结温度一般在1350℃以下，燃料以煤、油、气为主结构陶瓷常需1600℃左右高温烧结，功能陶瓷需精确控制烧成温度，燃料以电、气、油为主加工一般不需加工常需切割、打孔、磨削、研磨和抛光性能以外观效果为主，较低力学性能和热性能以内在质量为主，常呈现耐温、耐腐蚀、耐磨和各种电、光、热、磁、敏感、生物性能用途炊、餐具、陈设品和墙地砖、卫生洁具主要用于宇航、能源、冶金、机械、交通、家电等行业普通陶瓷与特种陶瓷的区别第四十九页，共五十六页，编辑于2023年，星期一谢谢大家第五十页，共五十六页，编辑于2023年，星期一（1）氧化反应碳素和有机物氧化黄铁矿（FeS2）等有害物质氧化。分解与氧化阶段第五十一页，共五十六页，编辑于2023年，星期一（2