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1、陶瓷材料的设计与高温制备陶陶 瓷瓷 陶瓷（陶瓷（ceramics）是我们日常生活接触较多，在）是我们日常生活接触较多，在国民经济中有许多重要应用的无机非金属材料之一。国民经济中有许多重要应用的无机非金属材料之一。 传统概念的陶瓷是指所有一粘土为主要原料，传统概念的陶瓷是指所有一粘土为主要原料，并与其他矿物原料经过破碎混和成型烧成等过程而并与其他矿物原料经过破碎混和成型烧成等过程而制得的制品制得的制品, ,就是常见的日用陶瓷建筑卫生陶瓷等普就是常见的日用陶瓷建筑卫生陶瓷等普通陶瓷通陶瓷(ordinaryceramics)。 随着社会的发展，出现了有一类性能特殊，在随着社会的发展，出现了有一类性能
2、特殊，在电子、航空、生物医学等领域有广泛用途的陶瓷材电子、航空、生物医学等领域有广泛用途的陶瓷材料，称之为特种陶瓷料，称之为特种陶瓷(speciealceramics)。陶瓷综合实验设计思路陶瓷综合实验设计思路将特定的陶瓷产品设计、制造工艺流程与产品性能将特定的陶瓷产品设计、制造工艺流程与产品性能测定分析结为一个有机的整体。建立起新的实验体测定分析结为一个有机的整体。建立起新的实验体系。系。加强实验的科学性、系统性，增加学生动脑、动手加强实验的科学性、系统性，增加学生动脑、动手的机会，强化技能的训练，调动学生实验的积极性的机会，强化技能的训练，调动学生实验的积极性和主动性，提高分析问题和解决问
3、题的能力。和主动性，提高分析问题和解决问题的能力。为毕业论文和将来工作打下一定的基础为毕业论文和将来工作打下一定的基础 实实 验验 目目 的的1了解陶瓷各种工艺实验在生产中的作用与实际意义。了解陶瓷各种工艺实验在生产中的作用与实际意义。2掌握陶瓷主要工艺实验的原理、方法与一定的操作掌握陶瓷主要工艺实验的原理、方法与一定的操作技能。技能。3通过陶瓷工艺综合实验了解陶瓷产品的设计程序与通过陶瓷工艺综合实验了解陶瓷产品的设计程序与工艺过程。工艺过程。4培养学生综合设计实验的能力，提高分析问题、解培养学生综合设计实验的能力，提高分析问题、解决问题和动手能力。决问题和动手能力。实实 验验 要要 求求 1
4、 1掌握陶瓷原料、泥浆性能、坯体干燥性能、掌握陶瓷原料、泥浆性能、坯体干燥性能、烧成性能和产品性能测试原理、方法和影响实验烧成性能和产品性能测试原理、方法和影响实验结果的因素。结果的因素。 2 2熟悉陶瓷配料计算。熟悉陶瓷配料计算。 3 3掌握陶瓷产品的试制工艺和分析影响产掌握陶瓷产品的试制工艺和分析影响产品性能的因素。品性能的因素。 4 4写出实验学术论文。写出实验学术论文。1.1陶瓷的组成、结构与性能陶瓷的组成、结构与性能 陶瓷（材料及其制品）都有特定的性能要求。陶瓷（材料及其制品）都有特定的性能要求。日用餐具要有一定的强度（日用餐具要有一定的强度（strength）、白度（）、白度（wh
5、iteness）、抗热）、抗热冲击性（热稳定性）；冲击性（热稳定性）；电瓷有强度和介电性能要求；电瓷有强度和介电性能要求；特种陶瓷对性能及其热稳定性要求更高。特种陶瓷对性能及其热稳定性要求更高。 研究表明，陶瓷的性能一方面受到其本征物理量研究表明，陶瓷的性能一方面受到其本征物理量（如热稳定系数、电阻率、弹性模量等）的影响，同时（如热稳定系数、电阻率、弹性模量等）的影响，同时又与其显微结构密切相关。而决定显微结构和本征物理又与其显微结构密切相关。而决定显微结构和本征物理量的是陶瓷的量的是陶瓷的组成组成及其及其加工工艺过程加工工艺过程。 其中其中 陶瓷组成对显微结构、性能起决定作用陶瓷组成对显微结
6、构、性能起决定作用。 1.2陶瓷的理论设计陶瓷的理论设计根据材料的使用要求进行设计.根据手册或其他 参考资料进行设计（相图是重要的资料） CaO、Al2O3、Si2O系统包括一系列重要的硅酸盐工业产品、高炉矿渣、以及某些矿物与岩石。具有实际意义。 1.2陶瓷的理论设计陶瓷的理论设计.根据他人（单位）或自己（单位）的经验进行设计.从头摸索1.3陶瓷化学组成设计陶瓷化学组成设计 陶陶瓷瓷坯坯料料（bodymaterial）一一般般是是由由几几种种不不同同的的原原料料配配只只制制而而成成的的。性性能能不不同同的的陶陶瓷瓷产产品品，其其所所用用原原料料的的种类和配比不同，也即所谓坯料组成或配方不同。种
7、类和配比不同，也即所谓坯料组成或配方不同。一一.成分设计原则成分设计原则1根根据据科科研研需需要要或或用用户户的的要要求求确确定定产产品品（充充分分考考虑虑产品的物理化学性能和实用性能要求产品的物理化学性能和实用性能要求）；2参考前人的经验和数据；参考前人的经验和数据；3了解各种原料对产品性质的影响了解各种原料对产品性质的影响；4应满足生产工艺的要求应满足生产工艺的要求；5了解原料的品位、来源和到厂价格了解原料的品位、来源和到厂价格1.3陶瓷化学组成设计陶瓷化学组成设计传统概念的陶瓷是指所有传统概念的陶瓷是指所有以粘土为主要原料，并与其他矿物原料以粘土为主要原料，并与其他矿物原料经过破碎、混合
8、、成形、烧成等过程而制得的制品经过破碎、混合、成形、烧成等过程而制得的制品。1.3陶瓷化学组成设计陶瓷化学组成设计二二.本次实验的参考资料本次实验的参考资料1.3陶瓷化学组成设计陶瓷化学组成设计1.3陶瓷化学组成设计陶瓷化学组成设计1.3陶瓷化学组成设计陶瓷化学组成设计三坯体组成的表示方法三坯体组成的表示方法坯体组成的表示方法可分为坯体组成的表示方法可分为4种种1. 1. 配料量表示法配料量表示法 配配料料量量表表示示法法也也称称配配料料比比表表示示法法，是是生生产产中中常常用用的的方方法法。它它直直接接列列出出所所用用原原料料的的名名称称和和质质量量比比（各各种种原原料料质质量量比比之之和和
9、应应为为100）。这种方法便于工厂计量配料，直观方便。）。这种方法便于工厂计量配料，直观方便。2.化学组成表示法化学组成表示法 即即用用坯坯料料中中各各种种化化学学组组分分所所占占质质量量百百分分数数来来表表示示坯坯料料组组成成。其其优优点点是是可可以以根根据据坯坯料料中中化化学学成成分分的的多多少少来来推推断断或或比比较较坯坯体体的的某某些性能。些性能。1.3陶瓷化学组成设计陶瓷化学组成设计3.示性矿物组成表示法示性矿物组成表示法 普普通通陶陶瓷瓷坯坯体体一一般般是是由由粘粘土土、石石英英及及熔熔剂剂类类矿矿物物原原料料组组成成。用用这这三三类类矿矿物物的的百百分分含含量量可可表表示示坯坯料
10、料的的组组成成，这这样样的的表表示示方方法法叫叫示示性性矿矿物物表表示示法法。它它有有助助于于了了解解坯坯料料的的一一些些工工艺艺性性能能，比比如如烧烧成成性能等。性能等。 4.实验式表示法实验式表示法 实实验验式式表表示示法法也也称称坯坯式式表表示示法法，它它是是采采用用各各种种氧氧化化物物摩摩尔尔数数来来表表示示坯坯料料组组成成的的一一种种方方法法，将将坯坯料料中中的的氧氧化化物物分分为为碱碱性性、中中性性和酸性氧化物，并计算出其摩尔数后按比例排列。和酸性氧化物，并计算出其摩尔数后按比例排列。 坯坯式式是是陶陶瓷瓷理理论论研研究究中中常常用用的的方方法法，它它可可以以明明显显地地表表示示出
11、出各各组分之间的数量关系，进而分析坯料的性能。组分之间的数量关系，进而分析坯料的性能。实际工作中，往往是同时用两种或两种以上的方法表示组成。实际工作中，往往是同时用两种或两种以上的方法表示组成。 1.3陶瓷化学组成设计陶瓷化学组成设计四坯体配料计算四坯体配料计算 由由于于坯坯料料组组成成有有多多种种表表示示方方法法，故故必必须须了了解解这这几几种不同表示方法之间的换算。种不同表示方法之间的换算。由产品的化学组成和原料的化学组成进行计算由产品的化学组成和原料的化学组成进行计算上上面面给给出出产产品品的的配配方方组组成成（参参考考）和和实实验验室室所所供供应应原原料料的的组组成成，利利用用这这些些
12、数数据据可可以以顺顺利利进进行行坯坯体体配配料料的计算。的计算。1.4陶瓷实验流程陶瓷实验流程一一. . 制备工艺流程制备工艺流程可以归纳如下可以归纳如下1.4陶瓷实验流程陶瓷实验流程1配料配料按按计计算算结结果果，用用药药用用天天平平准准确确称称量量，精精确确到到小小数数点后点后2位。每份料的位。每份料的总量总量为为300克克。2研磨、造粒研磨、造粒将将称称量量好好的的料料放放入入快快速速磨磨内内研研磨磨，磨磨料料时时间间为为2030分钟。分钟。将将磨磨好好的的料料放放入入干干净净而而且且干干燥燥的的白白瓷瓷盘盘内内，用用喷喷水壶喷入少量的水，造粒。水壶喷入少量的水，造粒。3陈腐陈腐 将造好
13、的粒用塑料袋（保鲜袋）装好，密封袋口，将造好的粒用塑料袋（保鲜袋）装好，密封袋口，贴上标签，存放贴上标签，存放2448小时即可用于压制成形。小时即可用于压制成形。1.4陶瓷实验流程陶瓷实验流程4压制成形压制成形为方便性能测试，可分别压制成条、片的试样。为方便性能测试，可分别压制成条、片的试样。条状试样条状试样，6条，条，3克克/条条，成型压力，成型压力2030KN.片片状状试试样样，24片片，13克克/片片（片片径径4cm），或或8克克/片片（片径（片径3cm），成型压力），成型压力3040KN。压制成形后立即对试压制成形后立即对试样编号，用游标卡尺样编号，用游标卡尺量尺量尺寸寸并记录。并记录
14、。1.4陶瓷实验流程陶瓷实验流程5干燥干燥将将试试样样放放入入100105的的烘烘箱箱中中烘烘810小小时时（也也可自然干燥可自然干燥23天）后，取出，放入干燥器。天）后，取出，放入干燥器。试试样样冷冷却却后后，量量取取干干燥燥后后的的尺尺寸寸并并记记录录，计计算算干干燥收缩率燥收缩率。6烧成烧成上上述述5种种产产品品种种的的烧烧成成温温度度基基本本一一致致，但但最最高高烧烧成成温度不同。温度不同。因因为为各各地地原原料料的的成成分分不不同同，每每种种产产品品的的烧烧成成温温度度都有波动。需经烧成实验确定。都有波动。需经烧成实验确定。1.4陶瓷实验流程陶瓷实验流程二二.烧成制度的制定烧成制度的
15、制定 烧烧成成制制度度包包括括温温度度制制度度、气气氛氛制制度度和和压压力力制制度度。对对一一个个特特定定的的产产品品而而言言，制制定定好好温温度度制制度度（建建立立温温度度与与时时间间的的关关系系）和和控控制制好好烧烧成成气气氛氛是是关关键键。压压力力制制度度起起保保证证前前两两个个制制度度顺顺利利实实施施的的作作用用。三者之间互相协调构成一个合理的烧成制度。三者之间互相协调构成一个合理的烧成制度。烧成温度曲线的性质决定于下列因素：烧成温度曲线的性质决定于下列因素： （1 1）烧烧成成时时坯坯体体中中的的反反应应速速度度。坯坯体体的的组组成成、原原料料性性质质以以及及高高温中发生的化学变化均
16、影响反应的速度。温中发生的化学变化均影响反应的速度。（2 2）坯体的厚度、大小及坯体的热传导能力。）坯体的厚度、大小及坯体的热传导能力。 （3 3）窑炉的结构、型式和热容，以及窑具的性质和装窑密度。）窑炉的结构、型式和热容，以及窑具的性质和装窑密度。 1.4陶瓷实验流程陶瓷实验流程二二.烧成制度的制定烧成制度的制定 因因为为是是在在实实验验室室进进行行烧烧成成，使使用用硅硅碳碳棒棒电电路路或或硅硅钼钼棒棒电电炉炉，主要技术烧成最高温度。主要技术烧成最高温度。最高烧成温度按下式进行计算：最高烧成温度按下式进行计算：1.4陶瓷实验流程陶瓷实验流程烧成曲线的制定烧成曲线的制定根根据据经经验验公公式式
17、计计算算出出最最高高烧烧结结温温度度后后，制制定定烧烧成成曲线。参考数据如下：曲线。参考数据如下：地砖和仿花岗岩玻化砖地砖和仿花岗岩玻化砖T烧烧=12001280；釉面砖釉面砖T烧烧=12001280；低温快烧的釉面砖低温快烧的釉面砖T烧烧=10001080；耐热瓷耐热瓷T烧烧=12801320；1.4陶瓷实验流程陶瓷实验流程升温速率与保温的确定升温速率与保温的确定升温速率升温速率：小于：小于1000时，时，810/分钟；分钟；大于大于1000时，时，58/分钟；分钟；保温与取样保温与取样：当当温温度度为为100、200、300、400、500、600、700各保温各保温30min，取出样品；
18、，取出样品；当当温温度度为为800、900、1000 时时，各各保保温温60min，取出样品；，取出样品；当当温温度度为为“最最高高烧烧成成温温度度”时时，保保温温60min，取取出出样品。样品。1.5 确定陶瓷烧结温度范围确定陶瓷烧结温度范围三确定烧结温度范围三确定烧结温度范围 用气孔率、吸水率、收缩率的数据绘制曲线图，用气孔率、吸水率、收缩率的数据绘制曲线图，求烧结温度范围。求烧结温度范围。1.6陶瓷试样性能测定陶瓷试样性能测定四样品性能的测定四样品性能的测定1.试样干燥强度的测定试样干燥强度的测定2.试样试样干燥线收缩干燥线收缩3. 3. 试样试样烧结强度测定烧结强度测定4试样试样烧成烧
19、成收缩率收缩率的测定的测定5试样试样气孔率气孔率的测定的测定6试样试样吸水率吸水率的测定的测定7. 7. 体积密度测定体积密度测定试样干试样干燥强度燥强度的测定的测定试样吸试样吸水率与水率与气孔率气孔率的测定的测定1.7 确定陶瓷烧结温度范围确定陶瓷烧结温度范围作图，确定坯体的烧结温度和烧结温度范围作图，确定坯体的烧结温度和烧结温度范围图图34-4试样加热过程气孔率和收缩率变化试样加热过程气孔率和收缩率变化1气孔率曲线气孔率曲线2线收缩率曲线线收缩率曲线1.8 总结总结实验结果分析与结论实验结果分析与结论1成分设计是否合理成分设计是否合理2原料是否符合要求原料是否符合要求3成形是否良好成形是否
20、良好4烧成是否成功烧成是否成功5制品质量如何制品质量如何6实验结论或心得实验结论或心得实实 验验 学学 术术 论论 文文改变过去一个实验写一份实验报告的作法，要改变过去一个实验写一份实验报告的作法，要求按陶瓷求按陶瓷 制备工艺流程制备工艺流程 和和 性能测定性能测定 将整个实验将整个实验串联起来完成一篇学术性论文。串联起来完成一篇学术性论文。 内容大致由前言、实验、结果分析与讨论、结内容大致由前言、实验、结果分析与讨论、结论和参考文献五个部分组成。论和参考文献五个部分组成。 实验部分，不要求将每个实验写的过细，侧量实验部分，不要求将每个实验写的过细，侧量点放在根据产品的性能分析各道工序存在的问题，点放在根据产品的性能分析各道工序存在的问题，以及在生产中应如何加以控制上。以及在生产中应如何加以控制上。 论文要有分析，比较和判断，而不只是实验操论文要有分析，比较和判断，而不只是实验操作的记录或参考资料的简单堆积。作的记录或参考资料的简单堆积。 祝祝大大家家成成功功！
