材料工程基础第六章.ppt

1、第六章 陶瓷,主讲教师:孙文周,第一节,陶瓷的概述,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

2、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,二、陶瓷的分类,传统陶瓷（普通陶瓷）,日用陶瓷分类,炻器（半瓷）,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。,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。,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,第二节,普通陶瓷的生产工艺,普通陶瓷生产工艺流程,P-F-H,1、坯料制备（粉体制备） 2、成型 3、烧成（烧结）,粘土类原料；

3、 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3MgO4SiO2H2O；透辉石CaOMgO2SiO2 钙质原料; 方解石CaCO3；石灰石CaCO3；硅灰石CaOSiO2； 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,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

4、、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,2、坯料制备,（1）注浆坯料，含水率2835%； （2）可塑坯料，含水率1825%； （3）压制坯料，含水率37% （干压坯料）； 含水率815%（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。,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（

5、压制粉料） 七、陈腐,压力脱水：2025%,喷雾干燥脱水: 8%,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。,2、成型,压制成型,注浆成型,空心注浆,实心注浆,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。,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

6、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。,普陶,精陶,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,陶瓷的烧成过程,陶瓷显微结构的组成,陶瓷材料是多晶相的复合体,1、 间歇式窑：,普通陶瓷的烧成设备,2、 连续式窑：,1）、高温倒焰窑（reverse flame kiln）,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

7、道；7-挡火墙；8-窑墙；9-窑顶；10-喷火口,1、 间歇式窑：,2）、梭式窑（drawer kiln）,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,箱式电阻炉实物图（a）和炉体结构示意图（b）,3） 电炉（electric furnace）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。,1）、隧道窑（tunnel kiln）,2、 连续式窑：,2）、辊道窑（roller kiln） 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

8、条辊子在窑外传动机构的作用下不断地转动。,第三节,特种陶瓷的生产工艺,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,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,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,挤压成型,工艺：是将经过真空练制的泥料，放入挤坯

9、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）。,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,陶瓷热蜡铸工艺流程图,3、特种陶瓷的烧结,（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,（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。,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！,（3）烧结过程： a:坯体

10、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。,（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,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PP0物质蒸发 凹面：半径R为负PP0物质凝聚,P=P0exp(2M / kT

11、R),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,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。,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。,普通陶瓷与特种陶瓷的区别,谢 谢 大 家,（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,（2）分解反应 结构水排除： 粘土原料和其他含水矿物进行结构水的排除。,碳酸盐、硫酸盐分解,（3）石英晶型转变和少量液相形成,半安定方石英,在900附近，长石与石英，长石与分解后的粘土颗粒，在接触位置处有共熔体的液像生成。,在1050以前，继续上述的氧化分解反应并排除结