《材料科学与工程基础 教学课件 ppt 作者 杨庆祥 第八章 陶瓷的工艺过程和应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料科学与工程基础 教学课件 ppt 作者 杨庆祥 第八章 陶瓷的工艺过程和应用（38页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2019年7月11日,第八章 陶瓷的工艺过程和应用,第一节 陶瓷的工艺过程,一、传统陶瓷的工艺过程,1传统陶瓷的原料,传统陶瓷工业生产中最基本的原料是石英、长石和粘土三大类和一些化工原材料。,（1）石英(SiO2),石英是构成地壳的主要成分，部分以硅酸盐化合物状态存在，构成各种矿物岩石，另一部分则以独立状态存在，成为单独的矿物实体。,石英在加热过程中发生下列晶型转变：,（2）长石,长石是一族矿物的总称，是架状硅酸盐结构，一般又分四大类：,Na2OAl2O36SiO2,钠长石,钙长石,钾长石,钡长石,K2OAl2O36SiO2,CaOAl2O32SiO2,BaOAl2O32SiO2,在陶瓷生产中
2、使用的长石是几种长石的互溶物，并含有其它杂质，所以它没有一个固定熔融温度，只是在一个温度范围内逐渐软化熔融变为乳白色粘稠玻璃态物质。熔融后的玻璃态物质能够溶解一部分粘土分解物及部分石英，促进成瓷反应的进行，并降低烧成温度，减少燃料消耗。这种作用通常称为助熔作用。此外，由于高温下长石熔体具有较大粘度，可以起到高温热塑作用与高温胶结作用，防止高温变形。冷却后长石熔体以透明玻璃体状态存在于瓷体中，构成瓷的玻璃基质，增加透明度，提高光泽与透光度，改善瓷的外观质量与使用效能。,（3）粘土,高岭石类，一般称为高岭土（Al2O32SiO22H2O）； 伊利石类，这类粘土主要是水云母质粘土，或绢云母质粘土；
3、蒙脱石类，主要是由蒙脱石、拜来石等构成的粘土，这类粘土又称为膨润土。,粘土是一种含水铝硅酸盐矿物，是由地壳中含长石类岩石经过长期风化与地质作用而生成。在自然界中分布很广，种类繁多，藏量丰富。,粘土矿物的主要化学成分是SiO2、Al2O3和水，还含有Fe2O3、TiO2等成分。粘土具有独特的可塑性与结合性，调水后成为软泥，能塑造成形，烧后变得致密坚硬。这样一种性能构成了陶瓷的生产工艺基础，因而它是陶瓷的基础原料。,粘土矿物主要有以下几类：,2坯料制备,（1）可塑法成形坯料,可塑法成形坯料要求在含水量低的情况下有良好的可塑性，同时坯料中各种原料与水分应混合均匀以及含空气量低，可塑法成形是陶瓷生产中
4、最常用的一种成形方法，目前国内使用最普遍的流程如图8-1所示。,图8-1坯体制备的工艺流程,（2）注浆法成形,坯料注浆法成形用的坯料含水量为3035%。对注浆料来说要求它在含水量较低的情况下具有良好的流动性、悬浮性与稳定性，料浆中各原料与水分均匀混合，而且料浆其有良好的渗透性等。上述这些性能，主要通过调整坯料配方与加入合适的电解质来解决。但正确选择制备流程与工艺控制也可以在某种程度上改善泥浆性能。如泥浆搅拌可促使泥浆组成均一，保持悬浮状态，减少分层现象。陈腐不但可使水分均匀，促使泥料中的空气排除，同时也可增加坯料的粘性和强度。一般泥浆在使用前需存放13昼夜。 注浆泥料的制备流程基本上和可塑法成
5、形坯料制备流程相似，一般有经过压滤与不经过压滤两种方法。不压滤法是按配比将各种原料、水和电解质一起装入球磨机混合研磨，直接制成注浆泥浆，或将粉磨好的各种原料按配比在搅拌机中加水和电解质混合成均匀的泥浆。该法虽操作简单、设备费用低，但泥浆稳定性较差。 经过压滤的泥浆，质量高，稳定性好。这种泥浆的制备方法是将球磨后的泥浆经过压滤脱水成泥饼。然后将泥饼碎成小块，与电解质以及水在搅拌成泥浆。经过压滤的泥料，由于在压滤时滤去了由原料中混入的有害的可溶性盐类(如Ca2+、Mg2+以及其它有影响的阴离子SO42-)，可以改善泥浆的稳定性，适用于生产质量要求较高、形状较复杂的产品，但成本较高。,3成形,成形就
6、是将制备好的坯料用各种不同的方法制成具有一定形状和尺寸的坯件（生泥）。,根据坯料性能与含水量的不同，陶瓷成形方法可分为三大类： 可塑法成形、 注浆法、 干压法成形。,可塑法成形是用各种不同的外力对具有可塑性的坯料(泥团)进行加工，迫使坯料在外力作用下发生可塑变形而制成生坯的成形方法。可塑法成形基于坯料具有可塑性。对于可塑成形来说，要求可塑坯料具有较高的屈服值和较大延伸变形最（在破裂点前）。较高的屈服值是保证成形时坯料有足够的稳定性，而较大的延伸变形量则保证其易被塑成各种形状而不开裂。,注浆法成形是将制备好的坯料泥浆注入多孔性模塑内，由于多孔性模型的吸水性，泥浆贴近模壁的一层被模子吸水而形成均匀
7、的泥层。该泥层随时间的延长而逐渐加厚，当达到所需的厚度时，可将多余的泥浆倾出。最后该层继续脱水收缩而与模型脱离，从模型中取出后即为毛坯。整个过程的示意图如图8-2所示。,图8-2注浆法成形过程示意图,等静压成形与干压成形相似，也是利用压力将干粉料在模型中压制成形。但等静压成形的压力不象干压成形那样只局限于一、二个受压面，而是在模具的各个面上都施以均匀的压力，这种均匀受压是利用了液体或气体能均匀地向各个方向传递压力的特性。等静压成形过程示意图如图9-3所示。将粉料装进一只有弹性的模具内，密封，然后把模具连同粉料一起放在充有液体或气体的高压容器中。封闭后，用泵对液体或气体加压，压力均匀地传送到弹性
8、模壁和粉料上，使粉料被压成与模具形状相象的压实物，但尺寸要比模具小一些。受压结束后，慢慢减压，从模具中取出坯体。,干压法成形是利用压力将干粉坯料在模型中压成致密坯体的一种成形方法。由于干压成形的坯料水分少，压力大，坯体比较致密，因此能获得收缩小、形状准确、无需大干燥的生坏。干压成形过程简单，生产量大，缺陷少，便于机械化，因此对于成形形状简单的小型坯体较为合适，但对于形状复杂的大型制品，采用一般的干压成形就有困难。,图8-3等静压成形过程 1待成形的粉状原料2将粉料装满有弹性的软模3把模子关上并封严 4把模子放在施压容器的施压介质中5施压6减压之后，得到毛坯,4坯体干燥,图8-4坯体干燥过程的示
9、意图,坯体在干燥过程中，随着水分的排出，坯体不断发生收缩。收缩的原因可用图8-4来说明。,成形后的坯体必须进行干燥，排除水分。实践表明，生坯的强度随着水分的降低而大为提高。当生坯的水分含量干燥到12%时，已有足够的强度和吸附釉层的能力，无须再继续干燥。若生坯的水分再降低，则生坯在存放过种程中会自然吸收空气中的水分。干燥的实质是水分扩散的过程。水分扩散靠外扩散和内扩散来进行。外扩散就是坯体表面的水分以蒸汽形式从表面扩散到周围介质中去的过程，也就是水分蒸发的过程。内扩散则是水分在坯体内部进行移动的过程。干燥的速度取决于内外扩散的速度。,5上釉,釉是附着于陶瓷坯体表面的连续玻璃质层，具有与玻璃相类似
10、的物理与化学性质。陶瓷坯体表面的釉层从外观来说使陶瓷具有平滑而光泽的表面，增加陶瓷的美观，尤其是颜色釉与艺术釉更增添了陶瓷制品的艺术价值。就机械性能来说，正确配合的釉层可以增加陶瓷的强度与表面硬度，同时还可以使陶瓷的电气绝缘性能、抗化学腐蚀性能有所提高。,釉料,配料,制浆,施釉,浸釉法 喷釉法 浇釉法 刷釉法,6烧成,经过成形、上釉后的半成品，必须最后通过高温烧成才能获得瓷器的一切特性。坯体在烧成过程中发生一系列物理化学变化，如膨胀、收缩、气体的产生、液相的出现、旧晶相的消失、新晶相的析出等等，这些变化在不同温度阶段中进行的状况决定了陶瓷的质量与性能。烧成过程大致可分为四个阶段：,蒸发期坯体内
11、残余水分的排除，常温300左右。,氧化分解和晶型转化期,玻化成瓷期,冷却期,图8-5表示了Al2O3加压烧结时，其密度和烧结温度的关系。加压烧结设备的基本构造是电加热和油压加压。典型加热方法如图8-6所示。,图8-5 Al2O3烧结体的密度与烧结温度的关系,图8-6各种加热烧结的加热方法 a）电阻间接加热b）高频式间接加热c）电阻通电式直接加热d）高频式直接加热,二、特种结构陶瓷的工艺过程,高温、高强度结构陶瓷材料主要包括下列两大类：一类是金属（主要是过渡族金属）和C、N、B、O、Si等非金属的化合物；另一类是非金属之间的化合物，如Si和B的碳化物、氮化物等。具体可分为以下几组：,1） 氧化物
12、如Al2O3，BeO，CaO，CeO，MgO，ZrO2，SnO2，UO2等。它们的熔点都在2000左右，甚至更高。 2） 碳化物如SiC，B4C，WC，TiC，HfC，NbC，ZrC等几类化合物。它们的熔点最高，硬度高，脆性大。 3） 氮化物如BN，Si3N4，AlN，ZrN，HfN等它们都是高熔点物质，一般地说，氮化物是最硬的材料。 4） 硼化物如HfB2，ZrB2，WB，MoB等。熔点均在2000以上。硼化物的氧化性最强。 5） 硅化物如MoSi2，ZrSi2等。熔点在2000左右。在高温氧化气氛中使用时，表面生成SiO2或硅酸保护层，抗氧化能力强。,1氧化物陶瓷,以高铝瓷为例，高铝瓷是一
13、种以和SiO2为主要成分的陶瓷，其中Al2O3的含量在45%以上。随Al2O3 含量的增高，其机械和物理性能都有明显的改善。高铝瓷生产中主要采用工业氧化铝作原料，它是将含铝量高的天然矿物如铝矾土，用碱法或酸法处理而得。,在Al2O3含量较高的瓷坯中，主要晶相为刚玉(-Al2O3)。这种刚玉瓷，由于Al2O3含量高，具有很高的耐火度和强度。其生产工艺过程如下：,(1)工业氧化铝的预烧 预烧使原料中的-Al2O3全部转变为-Al2O3，减少烧成收缩。预烧还能排除原料中大部分Na2O杂质。 (2) 原料的细磨 由于工业Al2O3是由氧化铝微晶组成的疏松多孔聚集体，很难烧结致密。为了要破坏这种聚集体的
14、多孔性，必需将原料细磨。但过细粉磨，也可能使烧结时的重结晶作用很难控制，导致晶粒长大，降低材料性能。 (3) 酸洗 如果采用钢球磨粉磨，料浆要经过酸洗除铁。盐酸能与铁生成FeCl2或FeCl3而溶解，然后再水洗以达到除铁的目的。 (4) 成形 把经酸洗除铁并烘干备用的原料采用干压、挤制、注浆、轧膜、捣打、热压及等静压等方法成形，以适应各种不同形状的要求。 (5) 烧成 烧成制度对刚玉制品的密度及显微结构起着决定性作用，从而对性能也起着决定性作用。适当地控制加热温度和保温时间，可获得致密的具有细小晶粒的高质量瓷坯。 (6) 表面处理 对于高温、高强度构件或表面要求平整而光滑的制品，烧成后往往要经
15、过研磨及抛光。,2碳化物陶瓷,以碳化硅陶瓷为例: (1) SiC原料的获得 SiC是将石英、碳和锯末装在电弧炉中合成而得。合成反应为：SiC2+3CSiC+2CO 得到-SiC及-SiC的混合物。其中-SiC属于六方结构，在高温下是稳定相。而-SiC属于等轴结构，在低温下是稳定相。-SiC向-SiC转变温度约为21002400。 (2)SiC陶瓷的生产工艺 SiC难以烧结，因而必须加入烧结促进剂，如B4C9以及Al2O3等，然后将粒度为1m左右的原料采用注浆、干压或等静压成形。于2100烧结。其气孔率约10。采用热压法得到的产品其密度得到进一步改善，达到理论密度的99%以上。,3氮化物陶瓷,(
16、1)Si3N4原料的获得工业合成Si3N4有两种方法。一种是将硅粉在氮气中加热； 3Si+2N2Si3N4 另一种方法是用硅的卤化物(SiCl4、SiBr4等)与氨反应； 3SiCl4+4NH3Si3N4+12HCl,(2) Si3N4陶瓷的生产工艺Si3N4陶瓷的生产方法有反应烧结法和热压烧结法。,将Si粉或Si粉与Si3O4粉的混合料按一般陶瓷生产方法成形，然后在氮化炉内于11501200预氮化，获得一定的强度之后，可在机床上进行车、刨、钻、铣等切削加工，然后在13501450进一步氮化1836h，直到全部成为Si3N4为止。 热压烧结法是将Si3N4粉和少量添加剂（如MgO，Al2O3，MgF2，AlF3或FeO等）在19.6MPa以上的压强和16001704条件下热压成形烧结。,4赛龙(Sialon)陶瓷材料,在Si3N4中添加多量Al2O3构成Si-Al-O-N系统的新型陶瓷材料，称为赛龙陶瓷材料。这类
