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1、陶 瓷 基 础 知 识,主 要 内 容,第一讲 陶瓷的概念,第二讲 陶瓷的组织结构与性能,第三讲 陶瓷的生产工艺原理,第四讲 陶瓷的加工技术,第五讲 石英及石英玻璃的简介,第一讲 陶瓷的概念,随着科学的进步，无机非金属材料研究取得了很大的发展，新技术、新材料正日益改变着人们的生活。70年代人们把材料与能源、信息称为现代技术的三大支柱。 我们都知道 ，陶瓷是一种材料（用来制造器件、构件和其它可供使用物质的总称），是人类生活和现代化建设中不可缺少的一种材料。陶瓷、金属、高分子材料则是当代固体材料中的三大支柱。由此可见，陶瓷在现代技术中 占有非常重要的地位。今天，我在 这里与大家一起来探讨陶瓷，其意
2、义是深远的。,一、研究陶瓷的目的。,1、了解和掌握现有陶瓷的性能状况及制作工艺过程；,2、发掘陶瓷新的性能或改善其性能；,3、研究制品的最佳制作工艺与烧后制品的冷加工技术；,二、陶瓷与工程材料体系,工程材料,金属材料,高分子材料,非金属材料,按性能与用途分,复合材料,陶瓷材料,特 殊 陶 瓷,金 属 陶 瓷,普 通 陶 瓷,涂料,橡胶,纤维,胶 粘 剂,塑料,黑 色 金 属,有 色 金 属,三、陶瓷的定义：,2、广义：由于近代无机非金属材料的发展，陶瓷的概念不仅包括了硅酸盐材料、氧化物，连单晶硅这种无机材料也属于这个范畴。其定义为“经高温处理工艺所合成的无机非金属材料”。实际上是各种无机非金属
3、材料的通称。,1、狭义：“用火烧结的制品”，在传统上是指陶器与瓷器。后来发展到泛指整个硅酸盐材料，包括陶器、瓷器、耐火材料、粘土制品、搪瓷、玻璃和水泥等材料。其共性是含有SiO2的化合物或氧化物成分。,四、陶瓷的分类：,陶瓷材料一般可分为普通陶瓷、特殊陶瓷与金属陶瓷三类,1、普通陶瓷：以天然硅酸盐矿物（粘土、长石、石英）经粉碎、压制成型 、烧结而成的制品，如日用陶瓷、建筑陶瓷、电绝缘陶瓷等。,2、特殊陶瓷：采用高纯度的人工合成材料烧结而成，具有特殊力学、物理、化学性能的陶瓷。如高温陶瓷、磁性陶瓷、压电陶瓷等。,3、金属陶瓷：用粉末冶金的方法制成，是金属与陶瓷组成的非均匀复合材料制品。如金属陶瓷
4、硬质合金等。,思考题：有机玻璃是不是属陶瓷材料的范畴？为什么？,有机玻璃是一种通俗的名称，这种高分子透明材料的化学名称叫聚甲基丙烯酸甲酯，是由甲基丙烯酸甲酯聚合而成的。属于高分子材料中的塑料。,第二讲 陶瓷的组织结构与性能,陶瓷是高温烧结形成的致密固体物质，组织结构比金属要复杂，尽管不同类别的陶瓷有着不同的显微结构，但可归纳为晶体相（晶相）、玻璃相和气相。各相的数量、形状、分布不同，陶瓷的性能也不同。,一、陶瓷的组织结构。,1、晶体相：它是陶瓷的主要组成相，决定陶瓷的主要性能。组成陶瓷晶体相的晶体通常有硅酸盐、氧化物和非氧化物（氮化物）。其结合键是离子键或共价键。构成的陶瓷的“骨架”。只有晶料
5、越小，晶界越多，裂纹扩散阻力越大，晶粒越细，其材料的韧性等性能就越好。,2、玻璃相：它是陶瓷烧结时各组分通过物理化学作用而形成的非晶态物质。熔点较低，结构疏松。它的主要作用是粘接分散的晶体，抑制晶粒的长大并填充气孔。还可以获得一定程度的玻璃特性，如透光性。玻璃相对陶瓷的机械强度、介电性能、耐热耐火等性能是不利的，不能成为陶瓷的主要组成，工业陶瓷中一般控制20%-40%。,二、陶瓷的性能。,3、气 相：它是陶瓷孔隙中的气体。在陶瓷的形成过程中除被玻璃相填充之外，还有少部分残留下来变成气孔。降低陶瓷的强度和抗电击穿能力，材料的脆性增大。因此应力求气孔越少越好。普通陶瓷气孔率在5%-10%，特种陶瓷
6、小于5%，金属陶瓷则要求低于0.5%。,1、力学性能：弹性模量比金属高，硬度高，抗压强度高，但脆性大，抗拉强度低，塑性和韧性也很小。,陶瓷的性能是受化学键（离子键或共价键）、晶体结构、相分布及各种缺陷等影响。以下讲述其共性：,A、硬度:是各类材料中最高的，,是陶瓷的最大特佂,几种常用材料的硬度和弹性模量见表1,B、刚度:是各类材料中最高的(刚性由弹性模量来衡量),比金属高数倍,表1 几种常用材料的硬度和弹性模量,陶瓷的硬度为1000-5000HV,C、强度:陶瓷的强度不高，因为其晶界上存在有晶粒间的局部分离或空隙，如空位、气孔、析出物，晶界上原子间键被拉长，键强度被削弱，同时相同的电荷离子的靠
7、近产生斥力，可能造成裂纹，所以，消除晶界上不良作用，是提高陶瓷强度的基本途径。,陶瓷的抗拉强度很低，抗弯强度较高，抗压强度非常高,D、塑性:陶瓷在室温下几乎没有塑性。在高温低速加载的条件下，可表现出一定的塑性。,E、脆性或韧性:陶瓷脆性极高。是其最大的缺点。原因是陶瓷在受载时其内部的裂纹扩展得快，导致断裂的根本。,2、热性能：陶瓷的熔点很高； 绝大多数陶瓷低温下热容小，高温下热容大(随温度的变化而变，原因是气相对热容有较大影响）；热膨胀系数和导热系数较小（靠原子的热振动，没有自由电子传热）；热稳定性好，便抗热振性较差，（用急冷到水中破裂所能承受的最高温度表示）。,3、电性能：一般是优良绝缘体，
8、个别特殊陶瓷具有导电性与导磁性。,4、化学性能：非常稳定，耐酸、碱、盐等的腐蚀，不老化，不氧化。,思考题：为什么陶瓷材料能够耐高温呢？,不论何种材料，其性质主要取决于材料的微观结构，有机材料大多是分子结合，质点间是靠比较弱的分子力（范德华力）联系起来，因此熔点低 ，硬度小，往往几百度就熔化了，金属材料的结合主要靠金属键，即由自由电子和构成晶格的正离子之间的静电引力结合起来，这种键的结合力比分子键强，但比共价健弱，除少数金属外，大多金属的熔点和硬度并不算高，作为无机非金属材料的陶瓷主要是离子结合和共价结合，结合力最强，所以它具有高的熔点与硬度，由于正负离子的外层电子处于稳定结构，电子被牢固地束缚
9、在离子外围不能自由运动，所以有很好的电绝缘性，化学稳定性和抗氧化性，这就是陶瓷材料能够耐高温的根本原因。,第三讲 陶瓷的生产工艺原理,一、原料（粉末）配制,在原料配制上，普通陶瓷的主要以粘土、长石、石英三种天然矿物为主要原料，改变组成的配比，细度和致密度，可以获得不同特性的陶瓷。特殊陶瓷则是以人工合成的无机化合物为原料，如氧化物、碳化物、硼化物等，要求高纯度和超细微粒度。因此在原料（粉末）的制备方法是有区别的。一般来说就是拣选、破碎、配料、混合、磨细等。由于特殊陶瓷的对原料的粒度要求很细，在制备粉末的方法有固相法、气相法、液相法、机械法、溶剂蒸发法等。,总的来说生产工艺流程：,原料配制,坯料成
10、型,制品烧结,二、坯料的成型,按照不同的制备过程，坯料可以是可塑泥料、粉料或浆料，以适应不同的成型方法。成型的目的是将坯料加工成一定形状和尺寸的半成品，使坯料具有必要的机械强度和一定的致密度。,成型的方法主要有三种，即：可塑成型法、注浆成型法、压制（模压）成型法。另外还有带式成型法。在这里主要介绍前三种方法：,注浆成型适用于制造大型的、形状复杂的、薄壁的产品。有两种形式：一种是石膏模注浆成型，另一种是热压铸成型。,1、注浆成型法,A、石膏模注浆成型：石膏模中进行注浆的成型方法（分实心与空心）,对浆料性能的要求：流动性要好，以便充满模型；稳定性要好，长期稳定不易沉淀与分层；触变性要小，脱模后坯料
11、不会受外力变软；含 水量尽可能小，减少成型时间与干燥收缩；渗透性要好，料浆中的水分容易通过形成坯层，被模壁吸收，使泥层不断加厚；脱模性要好，坯体容,易从模型上脱离，且不与模型发生反应；浆料应尽可能不含气泡。,浆料的性能要求：稳定性要好，在长时间加热而不搅拌的条件下不分层与沉淀；可铸性要好，浆料铸满模腔并保持要求形状的能力；收缩率要小，蜡浆由熔化的液体状态冷却凝固成固态时，会有体积收缩。,高温排蜡：坯体在烧成之前，先要经排蜡处理，否则由于石蜡在高温熔化、流失、挥发、燃烧，坯体将失去粘结而解体。,特点：制品质量差，产量低，生产周期长，不利于机械化。,B、热压铸成型：利用压缩空气使加热熔化的含蜡配料
12、（铸浆）充满模具，冷却后凝固成所要形状坯件的成型方法。,热压铸的工作原理：将配制成的料浆蜡板放置在热压铸机筒内，加热至一定的温度熔化，在压缩空气的驱动下（或手动），将筒内的料浆通过吸铸口压入模腔，根据产品的形状和大小保持一定的时间后，去掉压力，料浆在模腔中冷却成型，然后脱模，取出坯体，有的还可进行加工处理，或车削，或打孔等。,排蜡过程：将坯体埋入疏松、惰性的保护粉料（吸附剂，在高温下稳定，又不易于坯体粘结，工业Al2O3粉料）之中，在升温过程中，石蜡虽然会会熔化、扩散，但有吸附剂支持着坯体，当温度继续升高，石蜡挥发，燃烧完全，坯体中粉料之间会有一定的烧结出现，此时，坯体与吸附剂之间既不发生反应
13、，又不和生粘结，而且坯体具有一定的强度，排蜡温度为900-1100左右，视坯体性质而定，排蜡后的坯体要清理表面的吸附剂，然后再进行烧结。,热压铸成型的特点：适合形状复杂，精度要求高的中小型产品，但工期长，对于壁薄的大而长的制品，不易充满模腔。,可塑成型法是利用泥料具有可塑性的特点，经一定工艺处理浆料制成一定形状的制品。适合生产管、棒和薄片状的制品，所有的结合剂要比注浆成型的少。有挤压成型与轧模成型。,A、挤压成型：是将经真空练制的泥料，放入挤制机内，一头可以对泥料施加压力，另一头装有机嘴即成型模具，通过更换机嘴，能挤出各种形状的坯体。可以挤制1-30mm管、棒等细管，壁厚可小至0.2mm。,挤
14、压法成型对泥料的要求较高，主要是粉料的细度较细，对溶剂、增塑剂、粘结剂等用量适当而均匀。,2、可塑成型法,B、轧模成型：是将准备好的坯料，拌以一定量的有机粘结剂（一般聚乙烯醇），置于两辊轴之间进行辊轧，通过调节轧辊间距，经过多次轧辊，最后达到所要求的厚度，轧好的坯片，需经冲切加工制成所需的坯件。,轧辊成型时，坯料只在厚度和前进方向受到碾压，在宽度方向受力较小，因此，坯料和粘结剂不可避免地会出现定向排列，干燥与烧结时，横向收缩大，易出现变形与开裂，坯体性以上也会出现各向异性。这是此成型法无法消除的问题，制品厚度为0.08mm 。,模压成型法，也叫干压成型法。是将经造粒的配料，通过成型机和模具，把
15、配料压制成具有一定几何尺寸坯件的方法。其特点是粘结剂含量较低，只有百分之几（7%），不经干燥直接烧结，坯体的收缩小。有干压成型与等静压成型两种。,A、干压成型：是将粉料加少量结合剂制成颗粒，在外力作用下，颗粒在模具内相互靠近，并借内摩擦牢固地把各颗粒联系起来，保持一定的形状。这种内摩擦力作用在相互靠近的颗粒外围结合剂薄层上。适合压制高度为0.3-60mm，直径5-500mm形状简单的制品。,加压方式: 单面加压，双面加压，,3、压制（模压）成型法,保压时间，,加压速度，,应注意：,B、等静压成型：是应用巴斯克原理，即在密闭容器内充满液体，由于液体不可压缩性和均匀传递压力的特点，当液体介质一处受
16、压时，此力将传递到液体各点，且各点压强相等。利用液体介质不可压缩性和均匀传递压力性的一种成型方法。,特点：可以成型一般方法不能生产的形状复杂、大件及细而长的制品，且成型质量高； 可以不增加操作难度方便地提高 成型压力，压力效果比干压法要好； 由于坯体各向受压力均匀，其密度高且均匀，烧成收缩小，不易变形； 模具制作方便，寿命长，成本较低； 可以少用或不用结接剂。,特点：坯体密度大，尺寸精确，收缩小，机械强度高，电性能好对大型 坯体生产有难度，需模具，压力分布不均会产生开裂，分层的情况。,液体介质可以是水，油或甘油；弹性模具材料应选用弹性好，抗油性好的橡胶或类似的塑料。,从上所述来看：先要根据所需制品的特征，来选择合适的成型方法，然后确定坯料采用何种形式配制。,带式成型法可分流延法（刮片法）和薄片挤压法两种，在此不作详述。,4、带式成型法,5、小结：,三、制品烧结,陶瓷的烧结就是陶瓷生坯在高温下的致密化过程和现象的总称。随着温度的上升和时间的延长，固体颗粒相互键联，晶粒长大，空隙（气孔）和晶界渐趋减少，通过物质的传递，其总体收缩，密度增加，最后成为坚硬的具有某种显微结构的多晶烧结体，这种过程现象叫烧结。,
