材料导论第五章陶瓷成型

第 一 节 结 构 陶 瓷第 二 节 功 能 陶 瓷第 三 节 陶 瓷 耐 火 材 料第 四 节 玻 璃第 五 章 陶 瓷 材 料 （ 一 ） 第 一 节 结 构 陶 瓷q 陶 瓷 的 分 类氧 化 物 陶 瓷 （ Al2O3、 ZrO2、 MgO等 ）碳 化 物 陶 瓷 （ SiC、 B4C、 WC等 ）氮 化 物 陶 瓷 （ Si3N4、 TiN、 BN等 ）新 型 碳 化 物 陶 瓷 （ C3N4等 ）硼 化 物 陶 瓷 （ TiB 2、 ZrB2等 ）复 合 陶 瓷 （ 3Al2O32SiO2(莫 来 石 ) 等 ） 普 通 陶 瓷 （ 硅 酸 盐 材 料 ）特 种 陶 瓷 （ 人 工 合 成 材 料 ）结 构 陶 瓷功 能 陶 瓷陶 瓷 耐 火 材 料玻 璃 氧 化 铝 有 十 多 种 同 素 异 构 体 ， 但 常 见 的 主 要 有 三 种 ：-Al2O3、 -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 。q 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 ） 。 原 料 煅 烧 配 料 球 磨 成 形 烧 结1） 高 强 度 、 高 温 稳 定 性 ： 装 饰 瓷 ， 喷 嘴 、 火 箭 、 导 弹的 导 流 罩 ；2） 高 硬 度 、 高 耐 磨 性 ： 切 削 工 具 ， 模 具 ， 磨 料 ， 轴 承 ，人 造 宝 石 ； 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 骨 骼 和 人 造 关 节 等 。 q 氧 化 锆 陶 瓷m-ZrO2： 单 斜 晶 系 （ 1170 ）t- ZrO2： 四 方 晶 系 （ 1170 2370 ）c-ZrO2： 立 方 晶 系 （ 2370 2715 ） 备 注 ： 氧 化 锆 熔 点 为 2715 。 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 。 q 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 500 600MPa， 工 作 温 度 可 达 1700 ； 有 很 好 的 热 稳定 性 、 抗 蠕 变 性 、 耐 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 。 q 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 。 第 二 节 功 能 陶 瓷q 铁 电 陶 瓷 有 些 陶 瓷 的 晶 粒 排 列 是 不 规 则 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 。 q 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 。 q 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 。q 生 物 陶 瓷 氧 化 铝 陶 瓷 和 氧 化 锆 陶 瓷 与 生 物 肌 体 有 较 好 的 相容 性 ， 耐 腐 蚀 性 和 耐 磨 性 能 都 较 好 ， 因 此 常 用 于 生 物 体中 承 受 载 荷 部 位 的 矫 形 整 修 ， 如 人 造 骨 骼 等 。 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 。q 半 导 体 陶 瓷 第 三 节 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 。酸 性 耐 火 材 料 （ 以 SiO2、 Al2O3为 主 ）碱 性 耐 火 材 料 （ 如 MgO、 CaO等 ） 第 四 节 玻 璃纯 碱石 灰 石石 英 高 温 Na2CO3+SiO2 = Na2SiO3+CO2CaCO 3+SiO2 = CaSiO3+CO2 Na2SiO3 CaSiO3 SiO2 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 。 几种玻璃的特性和用途 石英玻璃 玻璃纤维 第 一 节 混 合 料 的 制 备第 二 节 陶 瓷 的 成 形 方 法第 五 章 陶 瓷 的 成 形 原 理 及 工 艺 （ 二 ） 第 一 节 混 合 料 的 制 备q 混 合 料 的 计 算 与 称 料 混 合 料 配 方 的 计 算 的 两 种 基 本 形 式 ： 1） 已 知 的 化 学 计 量 式 的 配 料 计 算 ； 2） 根 据 化 学 成 分 进 行 的 配 料 计 算 。 称 料 时 应 注 意 的 原 则 ： 1） 按 组 分 含 量 由 少 到 多 的 顺 序 称 量 。 2） 采 用 累 积 称 量 法 称 量 。 q 混 料 混 料 的 两 种 基 本 形 式 ： 1） 干 混 2） 湿 混 根 据 计 算 的 结 果 称 料 ， 多 种 组 分 的 原 料 经 过 一 定 的方 法 混 合 均 匀 的 过 程 称 为 混 料 。 （ 在 球 磨 机 中 的 混 料 过程 可 同 时 实 现 粉 碎 和 混 合 的 双 重 目 的 。 ） q 塑 化 对 于 特 种 陶 瓷 ， 由 于 坯 料 中 没 有 可 塑 性 ， 在 成 形 时会 出 现 裂 纹 ， 因 此 有 必 要 在 成 形 前 进 行 塑 化 处 理 。 常 用 的 塑 化 剂 ： 1） 无 机 塑 化 剂 ： 粘 土 等 2） 有 机 塑 化 剂 ： 1） 在 保 证 坯 料 一 定 可 塑 性 的 条 件 下 ， 尽 可 能 减 少 塑 化 剂 的 用 量 。2） 选 用 塑 化 剂 时 ， 需 考 虑 塑 化 剂 在 烧 结 时 排 除 的 难 易 和 排 除 温 度 等 因 素 。q 造 粒 造 粒 就 是 加 入 塑 性 剂 后 ， 将 细 颗 粒 原 料 制 备 成 粒 度较 粗 的 混 合 料 ， 以 改 善 其 流 动 性 。 第 二 节 陶 瓷 的 成 形 方 法q 模 压 成 形 模 压 成 形 是 将 混 合 料 加 入 到 模 具 中 ， 在 压 力 机 上 压成 一 定 形 状 的 坯 体 的 方 法 。 利 用 液 态 、 气 体 或 橡 胶 等 作 为 传 压 介 质 ， 在 三 维 方向 对 坯 体 进 行 压 制 的 工 艺 。 冷 等 静 压 可 分 为 干 式 和 湿 式两 种 形 式 。q 冷 等 静 压 成 形 冷 等 静 压 （ 液 体 为 传 压 介 质 ）冷 等 静 压 （ 气 体 或 弹 性 体 为 传 压 介 质 ）冷 等 静 压 以 水 为 溶 剂 、 粘 土 为 粘 结 剂 和 陶 瓷 粉 体 混 合 ， 配 制成 的 具 有 较 好 流 动 性 的 料 浆 ， 再 将 料 浆 注 入 到 具 有 产 品形 状 的 石 膏 模 中 成 形 的 方 法 。q 注 浆 法 成 形 这 种 成 形 方 法 借 鉴 了 金 属 压 铸 成 形 的 工 艺 思 路 ， 利用 石 蜡 的 高 温 流 变 特 性 ， 对 陶 瓷 石 蜡 流 体 进 行 压 力 下 的铸 造 成 形 。 q 热 压 铸 成 形 1） 料 浆 的 制 备 ： 将 经 过 陶 瓷 粉 体 与 6 12 石 蜡 和0.1 1 硬 脂 酸 或 油 酸 表 面 活 性 剂 加 热 到 60 80 再 与 熔 化 的 石 蜡 混 合 即 可 。 2） 压 铸 ： 在 压 缩 空 气 作 用 下 充 型 ， 保 压 冷 却 ， 脱 模 。 借 鉴 金 属 的 挤压 成 形 和 轧 制 成形 工 艺 。q 塑 性 成 形 将 具 有可 塑 性 的 泥料 ， 通 过 挤机 嘴 成 形 。 将 陶 瓷 粉 体 和 粘 结 剂 、 溶 剂 等 置 于 置 于 轧 辊 上 混炼 ， 使 之 混 合 均 匀 ， 伴 随 吹 风 ， 溶 剂 逐 步 挥 发 ， 形 成 一层 厚 膜 ； 调 整轧 辊 间 距 ， 反复 轧 制 ， 可 制得 薄 片 瓷 坯 。 一 般 用 于 制 备 厚 度 80m的 坯 片 。q 带 式 成 形 第 一 节 陶 瓷 的 烧 结 理 论第 二 节 陶 瓷 的 烧 结 方 法第 三 节 陶 瓷 烧 结 后 的 处 理第 五 章 陶 瓷 的 烧 结 原 理 及 工 艺 （ 三 ） 第 一 节 陶 瓷 的 烧 结 理 论q 概 述 定 义 ： 烧 结 是 指 高 温 条 件 下 ， 坯 体 表 面 积 减 小 ， 孔 隙 率 降低 、 机 械 性 能 提 高 的 致 密 化 过 程 。 烧 结 驱 动 力 ： 粉 体 的 表 面 能 降 低 和 系 统 自 由 能 降 低 。 烧 结 的 主 要 阶 段 ： 1） 烧 结 前 期 阶 段 （ 坯 体 入 炉 90 致 密 化 ） 粘 结 剂 等 的 脱 除 ： 如 石 蜡 在 250 400 全 部 汽 化 挥 发 。 随 着 烧 结 温 度 升 高 ， 原 子 扩 散 加 剧 ， 孔 隙 缩 小 ， 颗 粒 间 由 点 接 触 转 变 为 面 接 触 ， 孔 隙 缩 小 ， 连 通 孔 隙 变 得 封 闭 ， 并 孤 立 分 布 。 小 颗 粒 间 率 先 出 现 晶 界 ， 晶 界 移 动 ， 晶 粒 长 大 。 2） 烧 结 后 期 阶 段 孔 隙 的 消 除 ： 晶 界 上 的 物 质 不 断 扩 散 到 孔 隙 处 ， 使 孔 隙 逐 渐 消 除 。 晶 粒 长 大 ： 晶 界 移 动 ， 晶 粒 长 大 。 烧 结 的 分 类 ：固 相 烧 结 （ 只 有 固 相 传 质 ）液 相 烧 结 （ 出 现 液 相 ）气 相 烧 结 （ 蒸 汽 压 较 高 ）烧 结 q 烧 结 过 程 的 物 质 传 递气 相 传 质 （ 蒸 发 与 凝 聚 为 主 ）固 相 传 质 （ 扩 散 为 主 ）液 相 传 质 （ 溶 解 和 沉 淀 为 主 ）烧 结 过 程中 的 物 质传 递 q 影 响 烧 结 的 因 素原 料 粉 末 的 粒 度烧 结 温 度烧 结 时 间烧 结 气 氛影 响 因 素 第 二 节 陶 瓷 的 烧 结 方 法q 烧 结 分 类 常 压 烧 结压 力 烧 结按 压 力 分 类 普 通 烧 结氢 气 烧 结真 空 烧 结按 气 氛 分 类 固 相 烧 结液 相 烧 结气 相 烧 结活 化 烧 结反 应 烧 结按 反 应 分 类 q 常 见 的 烧 结 方 法 传 统 陶 瓷 在 隧 道 窑 中 进 行 烧 结 ， 特 种 陶 瓷 大 都 在 电窑 中 进 行 烧 结 。 热 压 烧 结 是 在 烧 结 过 程 中 同 时 对 坯 料 施 加 压 力 ， 加速 了 致 密 化 的 过 程 。 所 以 热 压 烧 结 的 温 度 更 低 ， 烧 结 时间 更 短 。 将 粉 体 压 坯 或 装 入 包 套 的 粉 体 放 入 高 压 容 器 中 ， 在高 温 和 均 衡 的 气 体 压 力 作 用 下 ， 烧 结 成 致 密 的 陶 瓷 体 。 将 粉 体 压 坯 放 入 到 真 空 炉 中 进 行 烧 结 。 真 空 烧 结 有利 于 粘 结 剂 的 脱 除 和 坯 体 内 气 体 的 排 除 ， 有 利 于 实 现 高致 密 化 。 反 应 烧 结 、 气 相 沉 积 成 形 、 高 温 自 蔓 延 （ SH S） 烧结 、 等 离 子 烧 结 、 电 火 花 烧 结 、 电 场 烧 结 、 超 高 压 烧 结 、微 波 烧 结 等 第 三 节 陶 瓷 烧 结 的 后 处 理q 表 面 施 釉釉 浆 制 备 涂 釉 烧 釉 表 面 施 釉 是 通 过 高 温 加 热 ， 在 陶 瓷 表 面 烧 附 一 层 玻璃 状 物 质 使 其 表 面 具 有 光 亮 、 美 观 、 绝 缘 、 防 水 等 优 异性 能 的 工 艺 方 法 。 为 改 善 烧 结 后 的 陶 瓷 制 件 的 表 面 光 洁 度 、 精 确 尺 寸或 去 除 表 面 缺 陷 等 ， 常 利 用 磨 削 、 激 光 以 及 超 声 波 等 加工 方 法 对 其 进 行 处 理 。q 陶 瓷 的 加 工q 陶 瓷 的 封 接 在 很 多 场 合 ， 陶 瓷 需 要 与 其 他 材 料 封 接 使 用 。 常 用的 封 接 技 术 有 ： 玻 璃 釉 封 接 、 金 属 化 焊 料 封 接 、 激 光 焊接 、 烧 结 金 属 粉 末 封 装 等 。