《产品造型设计材料与工艺》课件-第七章 工业陶瓷及其加工技术

西安电子科技大学工业设计系第七章工业陶瓷及其加工技术工业陶瓷简介常用陶瓷材料及其性质工业陶瓷材料加工工艺陶瓷制品表面装饰技术思考题工业陶瓷简介

通常把金属、工程塑料和工业陶瓷作为工业产品造型的三大材料。

“陶瓷”这一名词源于古代希腊的“烧物”，它意味着陶器是经焙烧而赋予其强度的材料。目前陶瓷概念已广义化：陶瓷是用天然和人工合成的粉状化合物，经过成型和高温烧结成的、由金属和非金属元素的无机化合物构成的多相固体材料。

包括陶器和瓷器，也包括玻璃、搪瓷、石膏、水泥、石灰、砖瓦、耐火材料等人造无机非金属材料。第七章工业陶瓷及其加工技术工业陶瓷简介常用陶瓷材料及其性质工业陶瓷材料加工工艺陶瓷制品表面装饰技术思考题西安电子科技大学工业设计系7.1常用陶瓷材料及其性质陶瓷材料特点陶瓷材料的分类陶瓷材料的性质常用的工业陶瓷及制品陶瓷材料的特点工业陶瓷区别于其它工业造型材料，主要特点：1.陶瓷结构中，离子键和共价键是主要的结合键。键的性质与材料结构和性质有密切关系。2.陶瓷的生产工艺是先成型后烧结成制品，工艺流程一般都很复杂。对已烧成的陶瓷进行再加工一般较困难。3.工业陶瓷具有一系列优良的物理、化学性能和独特的质感。7.1常用陶瓷材料及其性质陶瓷材料特点陶瓷材料的分类陶瓷材料的性质常用的工业陶瓷及制品陶瓷材料的分类1.普通陶瓷包括日用陶瓷、建筑陶瓷、电器绝缘陶瓷、化工陶瓷、多孔陶瓷等。2.特种陶瓷

（1)按性能分：

具有能量转化的功能陶瓷（高强度、高温、耐磨、耐酸、压电、半导体、磁性、生物、导电、超导）；

作为工业造型材料的结构陶瓷（熔点高、强度高、化学稳定性好）。（2）按化学组成分：氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、金属陶瓷、纤维增强陶瓷等。7.1常用陶瓷材料及其性质陶瓷材料特点陶瓷材料的分类陶瓷材料的性质常用的工业陶瓷及制品陶瓷材料的性质力学性质

1.刚度（由弹性模量衡量，其刚度是各类造型材料中最高的）

2.强度（是抵抗外加负荷的能力，其抗拉强度低、抗弯和抗压强度较高）

3.韧性（韧性极低，是典型的脆性材料。陶瓷的表面和内部由于各种原因，如表面划伤、化学侵蚀、热胀冷缩不均等，很容易产生裂纹）

4.硬度（材料表面的局部抗压强度。陶瓷在各类材料中硬度最高，其硬度随温度升高而降低，但在高温下依然很高）陶瓷材料的性质热性能热膨胀：是指温度升高时物质原子震动幅度增大、原子间距增大所导致的体积涨大现象。陶瓷的热膨胀小，高温抗蠕变能力强。导热性：是指在一定温度梯度作用下热量在固体中的传导速率。陶瓷的热传导主要依靠于原子的热震动，没有自由电子的传热作用。同时由于陶瓷中的气孔对传热不利，所以陶瓷为较好的绝热材料。热稳定性：是指抗热振性，即在不同温度范围波动时的寿命，一般用急冷到水中不破裂所能承受的最高温度来表达。例如，日用陶瓷的热稳定性为220度。它与材料的线膨胀系数和导热性等有关。线膨胀系数大和导热性低的材料的热稳定性不高，韧性低的材料的热稳定性也不高。陶瓷的热稳定性很低，这是陶瓷的另一个主要缺点。陶瓷的其它性质导电性：陶瓷的导电性变化范围很广。大多数陶瓷为绝缘体，但不少陶瓷如许多氧化物如ZnO、NiO等是半导体，所以陶瓷也是重要的半导体材料。目前已出现具有各种电性能的陶瓷，如压电陶瓷、磁性陶瓷、透明铁电陶瓷等。光学性质：白度是指材料对白色光的反射能力，绝大部分陶瓷在外观色彩上均采用纯正的白色；透光度是指允许可见光透过的程度。陶瓷通常是透明和半透明的，这一性质在产品设计中应用较广，尤其在光学领域有着重要的发展和应用；光泽度是指表面对可见光的反射能力。一些陶瓷表面常用釉进行装饰，如日用陶瓷，尤其是高档的茶具等。化学稳定性：一般陶瓷材料耐酸、碱、盐侵蚀性能良好，与许多金属的熔体不发生反应，具有很好的耐火性和不可燃性。气孔率及吸水率：气孔率是衡量陶瓷质量和工艺制度是否合理的重要指标，吸水率反应陶瓷是否烧结和烧结后的致密程度。7.1常用陶瓷材料及其性质陶瓷材料特点陶瓷材料的分类陶瓷材料的性质常用的工业陶瓷及制品常用的工业陶瓷及其制品日用陶瓷建筑陶瓷电工瓷化工陶瓷电子陶瓷高温陶瓷其他陶瓷日用陶瓷类别主要配料烧成温度性能特点主要用途长石质瓷（国内外普遍采用）长石、石英粘土1250～1350瓷质洁白、半透明、不透气、吸水率低、坚硬、强度高、化学稳定性好餐具、茶具、陈设陶瓷器、装饰美术瓷器、一般工业用品绢云母质瓷（传统日用瓷）绢云母、高岭土、石英、其他矿物1250～1450同上。但透明度、外观色调较好餐具、茶具、工业美术制品骨灰质瓷（较为少用的日用瓷）骨灰、长石、高岭土、石英1220～1250白度高、透明性好、瓷质软、光泽柔和、但较脆、热稳定性差高级茶具、餐具、高级工艺美术瓷器日用滑石质瓷（新型日用瓷）滑石、长石、高岭土、粘土1300～1400良好的透明度和热稳定性、较高的强度和良好的电性能高级日用器皿、一般电工陶瓷·图片西安电子科技大学工业设计系日用陶瓷图例常用的工业陶瓷及其制品日用陶瓷建筑陶瓷电工瓷化工陶瓷电子陶瓷高温陶瓷其他陶瓷建筑陶瓷

指用于建筑及其装饰的陶瓷制品，如铺设地面、内外墙、输水管道、卫生间设备以及艺术装饰用的琉璃（带色陶器）等。卫生陶瓷：用于卫生设施的带釉陶瓷制品。一般制品体积较大，形状复杂，品种多，一般采用注浆法成型。釉面转：用于内墙装饰的薄片精陶建筑材料，这类砖坚固耐用、色彩鲜艳、易于清洗、具有防火、抗水、耐磨及耐腐蚀性等特点。铺地砖及锦砖：指地面装饰地板状陶瓷建筑材料，砖面可制成单色或花纹图案。锦砖又称马赛克，是饰有各种图样的片状小瓷砖，主要用于铺地，内墙装饰，也可用于外墙装饰。陶管：指内外表面都上釉的不透水、耐酸碱的陶质管，有直管、异形管、地漏管等式样。卫生陶瓷陶瓷砖地砖装饰砖微晶玻璃陶瓷复合板材常用的工业陶瓷及其制品日用陶瓷建筑陶瓷电工瓷化工陶瓷电子陶瓷高温陶瓷其他陶瓷电工瓷电工瓷是一类绝缘性和力学性能优良的陶瓷材料。电工瓷的介电强度高、抗拉强度和抗弯强度较好，化学稳定性好，耐候性好，不易老化，防污染性好，在长期机械负荷下不会产生永久变形等优良特性。电工瓷广泛用于电力工业和电子工业作为隔电的机械支承件和联接用的各种绝缘器件，如各种瓷绝缘子，各种电器绝缘支柱、套管、瓷套等。电工瓷制品的造型设计非常重要，直接影响制造工艺及制品的性能。包括制品的结构、电性能、机械性能的计算，为了简化工艺和便于制造，一般设计成回转体和直形内孔结构。电工陶瓷2006/7/23常用的工业陶瓷及其制品日用陶瓷建筑陶瓷电工瓷化工陶瓷电子陶瓷高温陶瓷其他陶瓷化工陶瓷化工设备上的陶瓷制品，具有以下特点：优点：具有优异的耐酸碱性、耐腐蚀性、不污染介质等特点，可在－15～100度范围内使用。缺点：蚀性脆、冲击强度和机械强度低、不能承受过大的机械震动，耐热骤冷变化差。化工陶瓷用于化工、化肥、制药、食品、造纸、冶炼及化纤等工业中。如耐酸陶瓷容器、阀门、泵、塔、鼓风机、印板机等。化工陶瓷制品表面常施一层薄釉。制品表面光滑、不透水和气，耐腐蚀。近年来在化工业中出现高强度高致密的氮化硅、碳化硅、氧化硅、氧化铝质特种化工陶瓷。化工陶瓷碳化硅的环、轴承衬套，具有优良的热传导性，具有自润滑性、低的热膨胀。可广泛应用于石油、化工、食品、农药等行业.机械和汽车行业。碳化硅与碳石墨之间的摩擦最小，因此被广泛用作机械密封。耐所有的酸碱.氮化硅陶瓷，在化学工业用作耐磨、耐蚀部件。如球阀、泵体、燃烧汽化器、过滤器等。其耐酸碱性最好.常用的工业陶瓷及其制品日用陶瓷建筑陶瓷电工瓷化工陶瓷电子陶瓷高温陶瓷其他陶瓷电子陶瓷电子陶瓷是指在电子工业中能够利用电、磁性质作元器件使用的陶瓷介质材料。具有电、磁、光、热、力等性能。通常绝缘电阻高、介电常数大、介质损耗小、有一定的介电强度。在能源、家用电器、汽车等方面得到广泛应用。常用的电子陶器有：电容器陶瓷、压电陶瓷、半导体陶瓷、导电陶瓷、超导陶瓷、磁性陶瓷、装置瓷等。电子陶瓷灯具陶瓷电器陶瓷常用的工业陶瓷及其制品日用陶瓷建筑陶瓷电工瓷化工陶瓷电子陶瓷高温陶瓷其他陶瓷高温陶瓷

高温陶瓷是指熔融温度在1728度以上的一类陶瓷制品，它主要是由一些金属氧化物和难熔化合物作为原料制成。

应用最多的有AI2O3、ZrO2、MgO、CaO、BeO等。

1）纯氧化物：很好的高温耐火材料。如AI2O3（刚玉）广泛用于制造高速切削工具、量规等，也是重要的坩埚材料；

ZrO2用作耐火坩埚、炉子和反应堆绝热材料，金属表面的保护涂层等；

MgO、CaO可用于制造坩埚，

MgO还可用作炉衬和高温装置等。

2）难熔化合物：如碳化硅陶瓷主要用作加热元件、石墨的表面保护层，以及作砂轮、磨料等。氮化硼陶瓷（白石墨）具有石墨类型六方结构，可用作为介电体和耐火润滑剂。

西安电子科技大学工业设计系其它陶瓷透明陶瓷：与玻璃一样透明，但其硬度、强度都比玻璃高得多，化学稳定性好，具有很好的抗表面损坏能力，这种透明陶瓷可作超音速飞机风挡、高级轿车的防弹窗、坦克的观察窗、炸弹瞄准工具。它还能透过无线电波，因此可作雷达天线罩、导弹的“防风镜”。另外可用作高压钠灯的放电管，碱金属蒸汽灯等。

1）氧化铝透明陶瓷：用作高压钠灯、金属卤化物灯中的发光管。作为生物陶瓷用作牙齿矫正中的陶瓷托槽。

2）氧化镁透明陶瓷：用于制作高温炉窗口，红外探测器罩和高耐碱性的坩埚与反应容器等。

3）氮化铝透明陶瓷：具有高热导率、低介电常数、高绝缘性等，使用作红外导流罩以及窗口材料。导弹头部整流罩红外成像导弹头装甲车窗口引头罩牙齿矫正器高压钠灯金卤灯其它陶瓷金属陶瓷：是由金属和陶瓷组成的非均质复合材料，可用作工具材料、高温结构和耐蚀材料。

在金属陶瓷中，陶瓷是氧化物、碳化物、硼化物和氮化物，金属相主要是钛、铬、镍、鈷和其合金，目前已经取得较大实际应用的金属陶瓷基体，主要是氧化物和碳化物。抗热冲击性化学稳定性2006/7/23航空发动机叶片热障涂层一般由三层组成：（1）最内层是与基体结构相接近的金属；（2）最外层是陶瓷；（3）陶瓷与金属的中间过渡层用金属陶瓷。英国罗·罗公司把一层厚度为0.1mm的含Mg的ZrO2基金属陶瓷作为航空发动机涡轮叶片热障涂层的中间过渡层，取得了良好应用效果。航空领域铜合金涂层金属陶瓷涂层30天的海水腐蚀试验结果舰船领域制造加工领域金属陶瓷材料在制造加工领域有着不可替代的作用，尤其在量具和切削刀具方面.金属陶瓷轴承与刀具其他领域钼基金属陶瓷热电偶散热陶瓷基板冶金工业用的耐高温坩埚和高温件、机械工业的耐高温耐磨零部件、电子工业的热离子阴极等；日用品领域。金属陶瓷航空铝材质手机外壳西安电子科技大学工业设计系第七章工业陶瓷及其加工技术工业陶瓷简介常用陶瓷材料及其性质工业陶瓷材料加工工艺陶瓷制品表面装饰技术思考题7.2工业陶瓷材料的加工工艺原料配制7.2工业陶瓷材料的加工工艺1.原料配置：陶瓷最基本原料是石英、长石、黏土三大类和其它一些化工原料。2.坯料成型：将制备好的坯料，用各种工艺制成需要的形状和尺寸的坯件（生坯）。

成型工艺应满足下述要求：

1）坯料符合制品要求的形状和尺寸（考虑收缩）；2）坯件应有相当的机械强度，以便后续工作；3）坯件应结构均匀，具有一定的致密度；4）成型过程应便于组织生产。坯料成型技术可塑法：是一种古老也是使用最广泛的成型方法。它是将坯料中加入一定量的水分和塑化剂，使坯料具有良好塑性的料团，然后通过手工和机械成型，分为有模和无模两种。主要包括:(1)挤制法成型:适用于加工各种端面形状规则的瓷棒或轴（圆形、方形、六角形等）和各种管状产品（如高温炉管、热电偶电容器瓷套等）；

(2)车坯成型：使用挤压出的圆柱形泥段作为坯料，在车床上加工成型，常用于加工形状较为复杂的圆形制品；

(3)旋坯法和滚压法：是目前使用广泛的两种成型方法，旋坯法就是将可塑泥料放人旋坯机可以旋转的石膏模中，加力将样板刀下压，泥料受样板刀剪切和挤压，在石膏模表面将泥料坯体可塑成型。常用于成型盘、碗等类制品，也可制造内外形状较复杂的回转面制件、深制品。滚压法类同。

流延成型：极薄的片或板状陶瓷成型工艺，即将陶瓷粉料和溶剂的混合料浆倾倒或浇注在一个平面基体上，均匀铺展，溶剂随后挥发，由此制备各种含有陶瓷粒及粘结剂的生皮带。坯料成型技术坯料成型技术注浆法：陶瓷成型中的基本方法，是将浆料（含水30-40%）注入模具中成型，常用于制造形状复杂、精度要求不高的日用陶瓷和建筑陶瓷。分为空心注浆和实心注浆。

1）空心注浆法：泥浆注满模型后放置一段时间，待模型内壁粘附一定厚度的坯体后，导出多余泥浆，然后带模干燥。

坯体外形---模型工作面；

坯体厚度—吸浆时间（模具温度、湿度、泥浆性质）

适合：小件、薄壁产品。

2）实心注浆法：泥浆注入模型后，石膏模从内外两个方向同时吸水。注浆过程中需不断补充泥浆，直至全部硬化成型。

坯体外形---外模工作面；

坯体内形：模芯工作面

坯体厚度—外模和模芯的空腔。

适合：内外表面形状、花纹不同，大型、厚壁产品。

空心注浆实心注浆坯料成型技术加速注浆法

1）压力注浆：通过提高泥浆压力来提高注浆过程推动力加速水分扩散，缩短注浆时间，减少坯体干燥收缩和脱模后坯体的水分。加压方式有提高浆桶高度或引入压缩空气。

2）真空注浆：模外抽真空，或模型放于负压的真空室中。由于模内外压力差，提高注浆推动力，提高吸浆速度，减少坯体气孔、针眼。

3）离心注浆：向旋转的模型内注入泥浆，在离心力作用下，泥浆紧靠模型脱水成坯。坯料成型技术特种注浆成型

1）直接凝固注模法（DCC）将陶瓷粉料分散于水溶液中，然后注入非孔模具里固化成型。进过干燥后得到坯体。优点：（1）有机物添加少

（2）生坯干燥收缩小，结构均匀；（3）烧结体强度高、可靠性好；（4）便于实现近净尺寸成型；（5）可成型复杂形状的产品。缺点：

生坯强度偏低。直接凝固注模法（DCC）2）凝胶注模法：将陶瓷粉料分散于含有有机单体和交联剂水溶液或有机溶液中，制备出低粘度、高固含量的浓悬附体，然后加入引发剂和催化剂，将悬浮体注入非孔模具里固化成型。进过严格干燥后得到强度较高且可以机加工的坯体。特种注浆成型凝胶注模法（强度较高且可以机加工的坯体）

热压注成型

与熔模铸造中蜡模制造工艺相似。在压力作用下，把熔化的含蜡浆料（蜡浆）注满金属模具，等到坯体冷却凝固后脱模。

获得制品尺寸较准确，光洁度好，结构致密，广泛应用于制造形状复杂、尺寸和质量要求高的工业陶瓷产品，如电子工业用的装置陶瓷、电容器陶瓷、氧化物陶瓷、金属陶瓷、化工陶瓷等。坯料成型技术坯料成型技术注浆法：1）石膏模具：多孔且吸水强，能吸收陶瓷浆料的水分，继而使得陶瓷干燥成型，属于冷压注法；（空心、实心等）2）金属钢模：使用热压注法。（热压注成型）

干压法：将含有一定水分（6-8%）和添加剂的粉料在金属模具中用较高的压力压制成型。

其方法效率高、易于自动化、制品烧成收缩率小，不易变形，适合形状简单的坯件，如园片、方片等，对模具的质量要求高。等静压法：将含有一定水分（1.5-3%）和添加剂的粉料在橡皮模具压制成型。2006/7/237.2工业陶瓷材料的加工工艺3.坯体干燥：目的提高坯件强度，以免在搬运和再加工过程中受损和变形，同时可提高坯件吸附釉彩的能力。

干燥方法有:自然空气干燥、热空气干燥、辐射线干燥、微波干燥等。4.窑炉烧结：它是坯件瓷化的工艺过程，也是陶瓷制品工艺最重要的一道工序。陶瓷制品经高温焙烧烧结后即硬化定型，具有很高的硬度，一般不易加工，对某些尺寸精度要求较高的制件，烧结后可进行研磨、电加工、激光等加工。西安电子科技大学工业设计系第七章工业陶瓷及其加工技术工业陶瓷简介常用陶瓷材料及其性质工业陶瓷材料加工工艺陶瓷制品表面装饰技术思考题1）陶瓷的表面加工

表面加工的目的就是使表面平滑、光亮、美观、表面粗糙化或加工成某一需要的外观造型。陶瓷的机械加工主要有研磨和抛光，有的陶瓷（如六方氮化硼陶瓷）可以进行车、铣、刨等加工。

（1）陶瓷的冷加工：分为一般加工（丝级）、精密加工（微米级）和超精密加工（亚毫米至毫微米级）。除机械加工外，还可进行非机械加工（如电火花加工、离子束加工）。

（2）超精密加工：尺寸精度和表面光洁度和表面装饰的要求很高。

2）陶瓷的表面层