特种陶瓷2007级材料工艺复习要点

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1、无机非金属材料工程专业 2007级 特种陶瓷复习要点,谈国强 2010.12.,简述粉体团聚原因。试从改变溶液pH值的角度谈谈解决团聚方法 在湿化学方法制纳米粉体的过程中， 反应成核 晶核生长 前驱体的洗涤 干燥 煅烧 均有可能产生颗粒的团聚。,简述粉体团聚原因： 颗粒尺寸小于0.1m的粉体 尺寸微小 比表面积巨大 在整个颗粒中表面原子所占的比例极大。 颗粒通过静电引力、范德华力、毛细管力等较弱的相互作用力聚合一起 颗粒表面多余的自由水分子与颗粒表面的自由羟基以氢键相互连接。形成颗粒间化学键合,颗粒的软团聚体： 颗粒通过静电引力、范德华力、毛细管力等较弱的相互作用力聚合一起，以降低系统自由焓，

2、相互作用力较小形成的团聚 颗粒的硬团聚体： 湿化学方法制纳米粉体的过程中，颗粒表面多余的自由水分子与颗粒表面的自由羟基以氢键相互连接。产生的“架桥效应”，进一步的脱水，导致颗粒间化学键的形成，形成难分散的团聚。,1）改善反应条件 当pH值等于胶体溶液的等电点时，胶体处于非常不稳定的状态，胶粒由小颗粒聚集成大颗粒，使团聚程度增大。控制合适的pH值，使颗粒由于表面电荷的排斥而处于高分散状态，对减少团聚有利。 2）脱水 湿化学方法制备的前驱物中含有的大量吸附水及自由羟基是形成硬团聚的根源，故将多余的水分子去掉可有效抑制团聚的产生。 在干燥及煅烧前用表面张力小的有机溶剂，如乙醇清洗颗粒，可明显减少残余

3、水分子及其他离子(如NH4，Cl)的吸附，从而有效抑制团聚的发生。,合理的控制ZrO2的颗粒和ZrO2在基体中的百分含量对获得良好的微裂纹增韧效果是重要的。 当ZrO2的粒径D DH（相变温度的临界粒径）时，ZrO2 颗粒在高温已经发生了相变，而且相变是突发性的，微裂纹尺寸较大，这些微裂纹可以导致主裂纹的分叉，对陶瓷基体的韧化作用不大。 当ZrO2 的粒径介于DH D DR之间（DR为室温临界粒径）时，室温会有诱发微裂纹存在。这时，陶瓷的韧性会有明显的提高，强度会由于微裂纹的存在而降低。,当ZrO2粒子进一步减小，DDR时，在室温陶瓷基体中不存在相变诱发微裂纹，而是储存着相变弹性压应变能。 当

4、基体受到外力作用时，克服了弹性压应变能对主裂纹扩展所起的势垒作用，t-ZrO2才转变为m-ZrO2，诱发出极其细小的微裂纹。由于相变弹性压应变能和微裂纹的双重作用，材料的韧性可以得到大幅度的提高。 在非ZrO2基陶瓷中， ZrO2的体积含量对K1c的影响存在一最佳值，而这时强度降低不多。,为什么要 控制ZrO2弥散粒子的尺寸D ZrO2弥散粒子的相变温度是随其颗粒的减小而下降，大颗粒首先在高温下发生相变。在相变温度(11000C左右)，当DDH(相变临界颗粒直径)时，ZrO2颗粒都发生相变，而且相变是突发性的，微裂纹的尺寸较大，会导致主裂纹扩展过程中的分岔，这种情况对陶瓷基体韧性的提高不大。

5、当ZrO2弥散粒子的直径D为DR(室温相变临界颗粒直径)DDH时，即处于相变温度为室温和11500C左右的两种颗粒尺寸之间，陶瓷基体会有相变诱发微裂纹，陶瓷材料的韧性有明显的提高，但其强度由于微裂的存在而下降。,当ZrO2弥散粒子的直径DDR时，陶瓷基体并未含有相变诱发微裂纹，储存着相变弹性压应变能。 当陶瓷基体受到了适当时外力时，克服相变应变能对主裂纹扩展所起的势垒作用，ZrO2弥散粒子才由四方相转化为单斜相，并诱发出极细小的微裂纹。 由于相变弹性应变能和微裂纹作用，陶瓷基体的韧性有较大幅度的提高，强度亦相应提高了。,为什么要控制ZrO2颗粒的分布状态? 当ZrO2的粒径D DH（相变温度的

6、临界粒径）时，ZrO2 颗粒在高温已发生了相变，微裂纹尺寸较大，这些微裂纹可以导致主裂纹的分叉，对陶瓷基体的韧化作用不大。 当ZrO2 的粒径介于DH D DR之间（DR为室温临界粒径）时，室温会有诱发微裂纹存在。这时，陶瓷的韧性会有明显的提高，强度会由于微裂纹的存在而降低。,当ZrO2粒子进一步减小，DDR时，在室温陶瓷基体中不存在相变诱发微裂纹，而是储存着相变弹性压应变能。 当基体受到外力作用时，克服了弹性压应变能对主裂纹扩展所起的势垒作用，t-ZrO2才转变为m-ZrO2，诱发出极其细小的微裂纹。由于相变弹性压应变能和微裂纹的双重作用，材料的韧性可以得到大幅度的提高。 在非ZrO2基陶瓷

7、中， ZrO2的体积含量对K1c的影响存在一最佳值，而这时强度降低不多。,为什么要控制最佳的ZrO2体积分数和均匀的ZrO2弥散程度 当ZrO2的粒径D DH（相变温度的临界粒径）时，ZrO2 颗粒在高温已经发生了相变，而且相变是突发性的，微裂纹尺寸较大，这些微裂纹可以导致主裂纹的分叉，对陶瓷基体的韧化作用不大。 当ZrO2 的粒径介于DH D DR之间（DR为室温临界粒径）时，室温会有诱发微裂纹存在。这时，陶瓷的韧性会有明显的提高，强度会由于微裂纹的存在而降低。,当ZrO2粒子进一步减小，DDR时，在室温陶瓷基体中不存在相变诱发微裂纹，而是储存着相变弹性压应变能。 当基体受到外力作用时，克服

8、了弹性压应变能对主裂纹扩展所起的势垒作用，t-ZrO2才转变为m-ZrO2，诱发出极其细小的微裂纹。由于相变弹性压应变能和微裂纹的双重作用，材料的韧性可以得到大幅度的提高。 如果ZrO2弥散粒子的颗粒分布较宽大，降温过程中持续相变温度范围必定较宽，那么相变诱发裂纹的过程也就相应复杂了。 不同的颗粒范围各有其相应的韧化机制 应当减小ZrO2颗粒子的分布宽度。,4.凝胶注模成型工艺 凝胶注模成型技术是由美国橡树岭（Oak Ridge）国家实验室Janney和Omatete教授发明的一种新颖的陶瓷净尺寸成型技术。 方法： 陶瓷粉料分散于含有有机单体和交联剂的水溶液或非水溶液中，制备出低粘度且高固相体

9、积分数的浓悬浮体(50)， 加入引发剂和催化剂，将悬浮体注入非孔的模具中，在一定的温度条件下，引发有机单体聚合，悬浮体粘度剧增，从而导致原位凝固成型。,需长时间（100200h）的低温干燥，可得到强度为2040MPa，可进行机加工的坯体。 有机单体的质量含量占溶剂的1020，占坯体总质量的 24左右。溶剂可通过干燥排除，干燥过程中的网络聚合物不会随之迁移。形成的聚合物含量降低，可容易地排除。 悬浮体的粘度、坯体强度、形成固化的时间及排胶时间可以通过加入的交联剂、引发剂、催化剂及分散剂来调控 有利于成型工艺的连续化和机械化 单体有一定的毒性，对环境全造成一定的污染,5. 直接凝胶注模成型（简称D

10、CC） DCC是1994年由瑞士苏黎士联邦高等工业学院(Swiss Federal Institute of Technology，Zurich，Switzerland) Gauckler教授及其研究小组提出的一种新颖的制造高可靠性陶瓷的胶态净尺寸原位凝固成型工艺。 简述直接凝胶注模成型工艺。并简述其固化原理,方法： 调节水基悬浮液的pH值或加入少量分散剂或反絮凝剂以保持颗粒间足以分散的静电排斥作用力,制备成低粘度的陶瓷高浓悬浮体(体积分数50) 将浆料从室温冷却至05之间，加入生物酶(enzyme)和底物(substrate)，此时生物酶在低温下保持惰性，不与底物发生作用 将悬浮体升温至20

11、50之间，酶的活性被激发，与底物发生作用，使悬浮体内部pH值调节至等电点或增加悬浮体的离子强度，使颗粒间的排斥势垒下降，范德华吸引能增加，颗粒发生团聚，悬浮体的粘度剧增，从而原位凝固,DCC成型的成型方式： 改变浆料pH值的反应和增加电解质浓度的反应。,凝固后的坯体十分均匀且没有收缩，可形成足以脱模的湿坯。湿坯经干燥后，烧结成所需各种陶瓷材料及制品。 没有加入粘结剂，坯体的强度直接取决于坯体的密度，即取决悬浮体的固相体积含量。 悬浮体的固相体积含量小于50，即使通过调节pH值至等电点或增加高于离子强度使悬浮体聚沉，也难形成有一定强度可脱模的坯体，仍然是一种流体； 悬浮体的固相体积含量大于50时

12、，则通过DCC的工艺可形成固化的坯体 制备大于50的浓悬浮体是DCC首要解决的问题。,陶瓷原位胶态凝固注模成型固化方式,名词解释 1.新型陶瓷 2.水热法 3.溶胶凝胶法 4.热敏陶瓷 5.金红石瓷直流老化,有两件产品需要用99Al2O3瓷来加工，产品的尺寸如图，加工数量分别1万件，你现在需要选择合适的工艺路线，将此按图产品加工出来。（从原料、外加剂、成型方法、烧成、冷加工等方面）,99氧化铝陶瓷配方： Al2O399.0(wt)、高岭土0.75(wt)、MgCO30.25(wt)。 Al2O3预烧 使-Al2O3全部转变为-Al2O3，减少烧成收缩。排除氧化铝原料中的氧化钠，提高原料的纯度及

13、产品质量 图1 采用湿法球磨，料、水和研磨体的质量比为l：(0.450.55)：(1.52.3)，研磨介质为Al2O3球，把Al2O3装入球磨机内,粉磨一段时间后再加入MgCO3和高岭土原料，加入12wt%的腐植酸钠和聚丙稀酸钠，制备稳定的 Al2O3泥浆 喷雾造粒法，粉料水分控制在56。,干压成型制备出图1形状的Al2O3坯体 在1200C以下一定升温制度干燥。 将坯体装入刚玉匣钵中，用刚玉粉隔开 在电加热的高温推板式隧道窑约（170010）烧成， 产品烧成后，用水清洗，放入平面磨磨床上进行平面加工，平面磨磨床的砂轮为金刚石砂轮，达到图1尺寸要求。 用热水清洗。,图2产品用原料与图1相同。

14、干法球磨，干法球磨中加入约25Vol%的粉料和一同加入大约1wt%油酸，研磨介质为Al2O3球。 将磨好的粉体（Al2O3水含量不大于0.2%)与石蜡为主的粘结剂中制成蜡板（石蜡12.513.5，蜂蜡0.40.8） 将蜡板加入热压铸机中热压注成型图2形状， 将坯体埋入煅烧的工业Al2O3粉料之中，进行排蜡，排蜡温度为9001100左右。 排蜡后的坯体清理表面吸附剂，再装入刚玉匣钵中，用刚玉粉隔开，在电加热的高温推板式隧道窑约（170010）进行烧结。烧结好的产品清除表面的Al2O3粉。,有两件产品需要用95Al2O3瓷来加工，图1为机械密封件产品，尺寸如图，加工数量分别1万件，图2 为Al2O

15、3介质球，数量为1吨，你现在需要选择合适的工艺路线，将此产品按图加工出来。（从原料、外加剂、成型方法、烧成、冷加工等方面）,95氧化铝陶瓷配方： Al2O395.0(wt)、高岭土2.0(wt)、滑石3.0(wt)。 Al2O3预烧 使-Al2O3全部转变为-Al2O3，减少烧成收缩。排除氧化铝原料中的氧化钠，提高原料的纯度及产品质量 图1 采用湿法球磨，料、水和研磨体的质量比为l：(0.450.55)：(1.52.3)，研磨介质为Al2O3球，把Al2O3装入球磨机内,粉磨一段时间后再加入MgCO3和高岭土原料，加入12wt%的腐植酸钠和聚丙稀酸钠，制备稳定的 Al2O3泥浆 喷雾造粒法，粉

16、料水分控制在56。,干压成型制备出图1形状的Al2O3坯体 在1200C以下一定升温制度干燥。 将坯体装入刚玉匣钵中，用刚玉粉隔开 在电加热的高温推板式隧道窑约（165010）烧成， 产品烧成后，用水清洗，放入平面磨磨床上进行平面加工，平面磨磨床的砂轮为金刚石砂轮，达到图1尺寸要求。 用热水清洗。,图2产品用原料与图1相同。采用湿法球磨，料、水和研磨体的质量比为l：(0.450.55)：(1.52.3)，研磨介质为Al2O3球，先把Al2O3装入球磨机内,粉磨一段时间后再加入滑石和高岭土原料，加入12wt%的腐植酸钠和聚丙稀酸钠，制备出稳定的 Al2O3泥浆，喷雾造粒法，粉料水分控制在56。 将磨好的粉料装入用塑料或橡胶做成的弹性磨具内，置于等静压成型机中等静压成型图2形状。 等静压成型制备出图2形状的Al2O3介质球，在1200C以下一定升温制度干燥。 将介质球装入刚玉匣钵中，用刚玉粉隔开，在电加热的高温推板式隧道窑约（1650