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1、2019/2/27,1,6 陶瓷成型,Anhui University of Technology,2019/2/27,2,一、陶瓷材料的基础知识,陶瓷成型,1、 粉末的物理性能 2、 陶瓷粉体的制备方法,二 陶瓷原料的制备,三、陶瓷材料成型,1、 陶瓷的概念 2、 陶瓷的分类 3、 我国陶瓷技术发展 4、 陶瓷材料的力学性能 5、 典型的陶瓷材料特性,1、成型方法分类 2、注浆成型 3、干压成型 4、流延成型 5、轧模成型 6、注射成型 7、其它,2019/2/27,3,1. 陶瓷的概念,传统上，“陶瓷”是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
2、品。 传统陶瓷包括常见的日用陶瓷制品和建筑陶瓷、电瓷等。,日用陶瓷餐具,建筑陶瓷地砖,电瓷,一、陶瓷材料的基础知识,2019/2/27,4,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
3、括水泥、玻璃、搪瓷等材料。,2019/2/27,5,传统陶瓷的主要原料：取之于自然界的硅酸盐矿物(如粘土、长石、石英等)，所以传统陶瓷可归属于硅酸盐类材料和制品。 因此，陶瓷工业可与玻璃、水泥、搪瓷、耐火材料等工业同属“硅酸盐工业”的范畴。,粘土矿物高岭石,钾长石,石英,2019/2/27,6,A超声波雾化器用 压电陶瓷晶片,氧化锆陶瓷,金属陶瓷阀门,氧化物陶瓷、压电陶瓷、金属陶瓷等的生产过程基本上还是原料处理、成形、烧结这种传统的陶瓷生产方法，但原料已不再使用或很少使用粘土等传统陶瓷原料，而已扩大到化工原料和合成矿物，甚至是非硅酸盐、非氧化物原料，组成范围也延伸到无机非金属材料的范围中，并且
4、出现了许多新的工艺。,2019/2/27,7,2. 陶瓷的分类,按陶瓷概念和用途来分类,2019/2/27,8,不同形状的特种结构陶瓷件,结构陶瓷是作为结构部件的特种陶瓷。由单一或复合的氧化物或非氧化物组成，主要是指发挥其机械、热、化学等性能的一大类新型陶瓷材料。用于耐磨损、高强度、耐热、耐热冲击、硬质、高刚性、低热膨胀性和隔热等结构陶瓷材料。,2019/2/27,9,电子绝缘件,氧化锆陶瓷光学导管,功能陶瓷是指在电、磁、声、光、热、生物-化学等方面具备的许多优异性能的陶瓷。在自动控制、仪器仪表、电子、通讯、能源、交通、冶金、化工、精密机械、航空航天、国防等部门均发挥着重要作用。,2019/2
5、/27,10,陶瓷、金属、高分子材料并列为当代三大固体材料。 之间的主要区别在于化学键不同。 金属：金属键 高分子：共价键（主价键）+范德瓦尔键（次价键） 陶瓷：离子键和共价键。 普通陶瓷，天然粘土为原料，混料成形，烧结而成。 工程陶瓷：高纯、超细的人工合成材料，精确控制化 学组成。如氮化硅、碳化硅、氧化铝、氧化锆、氮化硼、氧化锆增韧陶瓷（ZTC）等。 工程陶瓷的性能： 耐高温、耐磨、耐腐蚀、绝缘、抗蠕变性能好； 硬度高，弹性模量高，塑性韧性比金属差得多；对缺陷很敏感；强度可靠性差。,小结：,2019/2/27,11,3 我国陶瓷技术发展,“China”意为“中国” ； “china”意为“瓷
6、器”,2019/2/27,12,陶器出现,裴李岗文化时期的陶器（距今约8000年）。出土于河南省郑州市新郑市裴李岗村。出土的陶器主要以泥质红陶和夹砂红陶为主，红陶在中国出现最早，烧成温度900左右。,2019/2/27,13,仰韶文化时期陶器 1972年河南省郑州市大河村出土,彩陶双连壶,2019/2/27,14,山东历城县龙山镇出现了“黑陶”。所以这个时期称为“龙山文化”时期，又称“黑陶文化”。,龙山文化时期出土的黑陶（距今约46004000年）,龙山黑陶在烧制技术上有了显著进步，它广泛采用了轮制技术，因此，器形浑圆端正，器壁薄而均匀，将黑陶制品表面打磨光滑，乌黑发亮，薄如蛋壳，厚度仅1mm
7、，人称“蛋壳陶”。,2019/2/27,15,殷商时代的陶器从无釉到有釉，是制陶技术上的重大成就。为从陶过渡到瓷创造了必要的条件，这一时期釉陶的出现是我国陶瓷发展过程中的“第一次飞跃”。,商代早期陶器（河南荥阳出土）,商代几何纹白陶瓿 陶器向瓷器过渡,陶瓷发展经历了三个阶段,2019/2/27,16,西汉（公元前206公元24年） 1975年河南省三门峡市出土,北齐武平六年（公元575年） 1971年河南省安阳县范粹墓出土,彩绘陶甗,黄釉舞乐扁壶,汉代以后：釉陶逐渐发展成瓷器，无论从釉面和胎质来看，瓷器的出现无疑是釉陶的“第二次飞跃”。,在浙江出土的东汉越窑青瓷是迄今为止我国发掘的最早瓷器，距
8、今已有1700年。当时的釉具有半透明性，而胎还是欠致密的。这种“重釉轻胎倾向”一直贯穿到宋代的五大名窑(汝、定、官、越、钧)。,2019/2/27,17,唐代越窑的青瓷、邢窑的白瓷、宋代景德镇湖田、湘湖窑的影青瓷都享有盛名。到元、明、清朝代，彩瓷发展很快，釉色从三彩发展到五彩、斗彩，一直发展到粉彩、珐琅彩和低温、高温颜色釉。,唐三彩,钧瓷,景德镇陶瓷,唐代：“第三次飞跃”是瓷器由半透明釉发展到半透明胎。,2019/2/27,18,我国的陶瓷发展经历了三个阶段，取得三个重大突破： 三个阶段：a. 陶器 b. 原始瓷器(过渡阶段) c. 瓷器 三个重大突破：a. 原料的选择和精制 b. 窑炉的改进
9、和烧成温度的提高 c. 釉的发现和使用。 近30年来，特种陶瓷飞速发展。,2019/2/27,19,4 陶瓷材料的力学性能,4.1 弹性变形 （1）弹性模量大 E值大，是金属材料的2倍以上。 共价键结构有较高的抗晶格畸变、阻碍位错运动的阻力。晶体结构复杂，滑移系很少，位错运动困难。 （2）弹性模量呈方向性； 压缩模量高于拉伸弹性模量。结构不均匀性；缺陷。 （3）气孔率，弹性模量,陶瓷材料的弹性变形、塑性变形与断裂,2019/2/27,20,4.2 塑性变形 （1）室温下，绝大多数陶瓷材料塑性变形极小。 （2）1000以上，大多数陶瓷材料可发生塑性变形（主滑移系运动）。 （3）陶瓷的超塑性 是微
10、晶超塑性。晶界滑动，晶界液相流动。 存在条件：超细等轴晶，第二相弥散分布，晶粒间存在液相或无定形相。 如含化学共沉淀法制备的含Y2O3的ZrO2粉体，在1250烧结后，应变速率 =400%。 利用陶瓷的超塑性，可以对陶瓷进行超塑加工。 超塑加工扩散焊接：新的复合加工方法。,2019/2/27,21,以各种缺陷（表面或内部）为裂纹源，从最薄弱处裂纹扩展，瞬时脆断。 陶瓷的主要断裂机制：解理。且容易从穿晶变为沿晶断裂。,4.3 断裂,2019/2/27,22,5.1 结构陶瓷,5 典型的陶瓷材料特性,2019/2/27,23,晶体结构,氧化铝有十多种同素异构体，但常见的主要有三种： -Al2O3、
11、-Al2O3 、-Al2O3 。 -Al2O3属于尖晶石型（立方）结构，高温时不稳定， 在1600转变为-Al2O3 。 -Al2O3 属于六方系，稳定 性好，在熔点2050 之前不发生晶型转变。,氧化铝陶瓷,Al2O3少量SiO2。根据Al2O3含量可分为刚玉-莫来瓷（75瓷，wAl2O3=75%）和刚玉瓷（95瓷，99瓷）。,2019/2/27,24,制备方法：,2019/2/27,25,3）低的介电损耗、高电阻率、高绝缘性：火花塞，电路基板，管座； 4）熔点高、抗腐蚀：耐火材料，坩埚，炉管，热电偶保护套等； 5）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
12、骨骼和人造关节等。,2019/2/27,26,晶体结构,氧化锆陶瓷,备注：氧化锆熔点为2715 。,2019/2/27,27,性能与应用,1）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、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、剪刀、高尔夫球棍头等。 3）具有敏感特性：可做气敏元件，还可作为高温燃料电池固体电解隔膜、钢液测氧探头等。,2019/2/27,28,碳化硅陶瓷,以SiC为主要成分的陶瓷。具有很高的高温强度，在1400时抗弯强度仍保持在500600MPa，工作温度可达1700；有很好的热稳定性、抗蠕变性、耐
13、磨性、耐蚀性，良好的导热性、耐辐射性。 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、热电偶保护套管、炉管、核燃料包封材料等。,2019/2/27,29,氮化硅陶瓷,以Si3N4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。它还具有优良的绝缘性能。 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。,2019/2/27,30,5.2 功能陶瓷,铁电陶瓷,有些陶瓷的晶粒排列是不规则
14、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、锆酸铝等。 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。,2019/2/27,31,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，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。 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。,2019/2
15、/27,32,氧化锆固体电解质陶瓷,ZrO2中加入CaO、Y2O3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要用于氧敏传感器和高温燃料电池的固体电解质。,2019/2/27,33,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。如用于电动机、收录机、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、阻风门、化油器、功率计、线路温度补偿等。,半导体陶瓷,2019/2/27,34,5.3 陶瓷耐火材料,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。,陶瓷耐火材料一般是指耐火度在158
16、0以上的陶瓷。它包括天然矿石及按照一定的目的要求经过一定的工艺制成的各种产品。具有一定的高温力学性能、良好的体积稳定性，是各种高温设备必需的材料。,2019/2/27,35,5.4 玻 璃,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。,2019/2/27,36,几种玻璃的特性和用途,2019/2/27,37,石英玻璃,2019/2/27,38,钢化玻璃,普通玻璃,2019/2/27,39,玻璃纤维,2019/2/27,40,1 粉末的物理性能 2 陶瓷粉体的制备方法,二 陶瓷原料的制备,2019/2/27,41,1 粉末的物理性能,粉末的分类,2019/2/27,42,粉体的物理性能,粉体形状：,2019/2/27,43,粉体的粒度（particle size）,由于细颗粒的团聚作用，粉体一般是大量颗粒的聚合体。习惯上也把聚合体称为颗粒。,按ISO3252定义，晶粒（A）、颗粒（B）、聚合体（C）的区别如 右图
