第2次课-特种陶瓷粉体的制备方法课件

特种陶瓷材料及工艺特种陶瓷材料及工艺授课教师：任授课教师：任 帅帅 材料科学与工程学院 绪绪 论论一、材料学一、材料学二、什么是陶瓷、特种陶瓷？二、什么是陶瓷、特种陶瓷？三、特种陶瓷和粉末冶金三、特种陶瓷和粉末冶金四、特种陶瓷的特性和应用领域四、特种陶瓷的特性和应用领域五、特种陶瓷的发展前景五、特种陶瓷的发展前景六、特种陶瓷的研究任务六、特种陶瓷的研究任务二、什么是陶瓷、特种陶瓷？二、什么是陶瓷、特种陶瓷？二、什么是陶瓷、特种陶瓷？二、什么是陶瓷、特种陶瓷？“特特种种陶陶瓷瓷”：通通常常认认为为是是采采用用高高度度精精选选的的原原料料，具具有有能能精精确确控控制制的的化化学学组组成成，按按照照便便于于控控制制的的制制造造技技术术加加工工的的，便便于于进行进行结构设计结构设计，并具有，并具有优异特性优异特性的陶瓷。的陶瓷。特种陶瓷使用性能普通陶瓷合成/加工工艺普通陶瓷固有性能普通陶瓷普通陶瓷使用性能使用性能特种陶瓷的特性和应用领域特种陶瓷的特性和应用领域特种陶瓷的应用特种陶瓷的应用结构陶瓷结构陶瓷 力学性能力学性能功能陶瓷功能陶瓷 研磨和耐磨性研磨和耐磨性切削性切削性高强度高强度润滑性润滑性绝缘性绝缘性介电性介电性导电性导电性压电性压电性磁性磁性电磁功能电磁功能半导体功能半导体功能光学光学热学热学生物、化学生物、化学与原子有关的功能与原子有关的功能超导超导绪论绪论第一章第一章 特种陶瓷生产工艺原理特种陶瓷生产工艺原理第二章第二章 结构陶瓷结构陶瓷第三章第三章 功能陶瓷功能陶瓷第四章第四章 特种玻璃特种玻璃第五章第五章 人工晶体人工晶体第六章第六章 无机纤维无机纤维第七章第七章 薄膜材料薄膜材料第八章第八章 生物陶瓷生物陶瓷第九章第九章 新能源材料新能源材料第十章第十章 环境材料环境材料第一章第一章 特种陶瓷工艺原理特种陶瓷工艺原理1.1 1.1 特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.3 1.3 特种陶瓷的成型方法特种陶瓷的成型方法1.4 1.4 特种陶瓷的烧结特种陶瓷的烧结1.1 1.1 特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能纳米陶瓷粉体纳米陶瓷粉体(a)(b)(c)(f)(e)(d)图1 各种形状的粉体颗粒1.11.1特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能1.1.1 1.1.1 粉体的粒度与粒度分布粉体的粒度与粒度分布 粉体是具有粒度分布的大量固体颗粒的分散相粉体是具有粒度分布的大量固体颗粒的分散相 不可能用单一的大小来描述不可能用单一的大小来描述 颗粒的颗粒的平均大小被定义为粉体的粒度平均大小被定义为粉体的粒度。粉体颗粒的粉体颗粒的粒度粒度(particle size)(particle size)等体积等体积球相当径。（体积可求）球相当径。（体积可求）等面积等面积球相当径。球相当径。(流体通过法或吸附法流体通过法或吸附法 )等沉降速度等沉降速度相当径。相当径。显微镜下测得的颗粒粒径显微镜下测得的颗粒粒径:马丁径、弗莱特径、投影面积径马丁径、弗莱特径、投影面积径。1.11.1特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能1.1.1 1.1.1 粉体的粒度与粒度分布粉体的粒度与粒度分布3)3)粉体颗粒的粉体颗粒的粒度分布粒度分布 -是表征多分散体系中颗粒大小不均一程度的。是表征多分散体系中颗粒大小不均一程度的。单分散（单分散（monodispersemonodisperse）体系）体系多分散（多分散（polydispersepolydisperse）体系）体系 1.11.1特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能1.1.1 1.1.1 粉体的粒度与粒度分布粉体的粒度与粒度分布3)3)粉体颗粒的粉体颗粒的粒度分布粒度分布 频率分布曲线频率分布曲线 累积分布曲线累积分布曲线 1.1 1.1 特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能1.1.1 1.1.1 粉体的粒度与粒度分布粉体的粒度与粒度分布1.1.2 1.1.2 粉体颗粒的形态及其表征粉体颗粒的形态及其表征1.1.3 1.1.3 粉体的表面特性粉体的表面特性1.1.4 1.1.4 粉体的填充性粉体的填充性1.11.1特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能1.1.2 1.1.2 粉体颗粒的形态及其表征粉体颗粒的形态及其表征 颗颗粒粒形形态态对对粉粉体体系系统统的的性性质质比比如如流流动动性性，自自然然堆堆积积密密度度、比比表表面面以以及及成成形形体体密密度度，烧烧结结体体性性质质等等有有直直接接的影响。的影响。SiCSiC 晶须晶须 金属陶瓷用复合粉末金属陶瓷用复合粉末 (a)(b)(c)(f)(e)(d)图1 各种形状的粉体颗粒1.11.1特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能1.1.2 1.1.2 粉体颗粒的形态及其表征粉体颗粒的形态及其表征 形状因子：形状因子：在一定程度上可在一定程度上可表征颗粒形状相对于标准形状表征颗粒形状相对于标准形状的偏离的偏离。常见的几种形状因子有：。常见的几种形状因子有：Wadell球形度球形度w w（球体）（球体）与颗粒具有相同体积的球的表面积对于实际颗粒的表面积之比，与颗粒具有相同体积的球的表面积对于实际颗粒的表面积之比，一般小于一般小于1 1，如等于，如等于1 1，则该颗粒为球形，则该颗粒为球形 长短度和扁平度（柱状或片状）长短度和扁平度（柱状或片状）长短度长短度=长径长径l/l/短径短径b b，扁平度扁平度=短径短径b/b/厚度厚度t t 动力形状因子动力形状因子K K K=Dd/Dv Dd颗粒在介质中的沉降阻力相当径颗粒在介质中的沉降阻力相当径 Dv-等体积球径等体积球径1.1 1.1 特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能1.1.1 1.1.1 粉体的粒度与粒度分布粉体的粒度与粒度分布1.1.2 1.1.2 粉体颗粒的形态及其表征粉体颗粒的形态及其表征1.1.3 1.1.3 粉体的表面特性粉体的表面特性1.1.4 1.1.4 粉体的填充性粉体的填充性1.1 1.1 特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能1.1.3 1.1.3 粉体的表面特性粉体的表面特性1 1）粉体颗粒的表面能和表面状态）粉体颗粒的表面能和表面状态 当当晶晶体体破破碎碎，破破断断面面上上的的原原子子所所处处的的状状态态就就与与内内部部原原子不一样子不一样。内内部部原原子子在在周周围围原原子子的的均均等等作作用用下下处处于于能能量量平平衡衡的的状状态态；而而表表面面则则只只是是一一侧侧受受到到内内部部原原子子的的引引力力，另另一一侧侧则则处处于于一一种种具具有有“过过剩剩能能量量”的的状状态态，该该“过过剩剩能能量量”就就称为表面能称为表面能。同同样样，粉粉体体颗颗粒粒表表面面的的“过过剩剩能能量量”就就称称为为颗颗粒粒的的表表面面能能。当当物物质质被被粉粉碎碎成成细细小小颗颗粒粒时时，就就会会出出现现大大量量的的新新表表面面，并并且且这这种种新新表表面面能能的的量量值值随随粒粒度度变变小小而而迅迅速速增增加加。这时，这时，处于表面的原子的数量发生显著变化处于表面的原子的数量发生显著变化。1.1 1.1 特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能1.1.3 1.1.3 粉体的表面特性粉体的表面特性1 1）粉体颗粒的表面能和表面状态）粉体颗粒的表面能和表面状态 表1所示当粒径变化时，一般物质颗粒细化后，其原子数与表面原子数的比例变化。粒径（nm）颗粒原子数表面原子数/原子数（%）202.510510103104205410340225080130991.1 1.1 特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能1.1.3 1.1.3 粉体的表面特性粉体的表面特性1 1）粉体颗粒的表面能和表面状态）粉体颗粒的表面能和表面状态 举举例例：NaCl晶晶体体沿沿（100）面面破破碎碎时时的的状状态态，A为为理理想想（100）面面，B为为极极化化后后的的表表面面，C为为极极化化后后再再重重排排的表面。随着的表面。随着A至至C状态的变化，表面能下降状态的变化，表面能下降。1.1 1.1 特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能1.1.3 1.1.3 粉体的表面特性粉体的表面特性2 2）粉体颗粒的吸附与凝聚）粉体颗粒的吸附与凝聚 粉体所以区别于一般固体而呈独立物态，是因为它一方面是细化了的固体；另一方面，在接触点上与其它粒子间有相互作用力存在。对于液体，由于液滴粒子碰到之后就合而为之，界面立即消失；固体粒子则不然，这除了由物质本身的状态决定外，还与固体的表面性质有关，我们把存在于异种固体表面的引力称为附着力；把存在于同种固体表面间的引力称为凝聚力。广义上，一个颗粒依附于其它颗粒表面上，也称为附着。与之对应的凝聚则是指颗粒间在各种引力作用下的团聚。1.1 1.1 特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能1.1.3 粉体的表面特性粉体的表面特性2 2）粉体颗粒的吸附与凝聚）粉体颗粒的吸附与凝聚 粉体颗粒的附着凝聚机制有多种原因，但从现象上看，它多半与单个颗粒的动能有关，即由颗粒大小（质量）和速度决定的动量呈反向的作用力。将作用于颗粒固体表面间的力分为：颗粒状态机制颗粒状态机制颗粒间无夹杂物范德华力颗粒间有夹杂物液膜架桥静电力粘结物质磁力固结 （固化剂、烧结、析晶）1.1 1.1 特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能1.1.1 1.1.1 粉体的粒度与粒度分布粉体的粒度与粒度分布1.1.2 1.1.2 粉体颗粒的形态及其表征粉体颗粒的形态及其表征1.1.3 1.1.3 粉体的表面特性粉体的表面特性1.1.4 1.1.4 粉体的填充性粉体的填充性1.1 1.1 特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能1.1.4粉体的填充性粉体的填充性 粉体的填充特性及其填充体的集合组织是特种陶瓷粉末成型的基础。粉体的填充组织可通过粉体层中空隙部分的量表示。分为：等大球的致密填充（立方、六方密堆 74.05%,简单立方 63.1%)P.16 等大球的不规则填充(63.7%-Scott)异直径球的填充(大加小）加压压密填充1.1 1.1 特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能1.1.4 粉体的填充性粉体的填充性影响粉体密实性的因素有：影响粉体密实性的因素有：颗粒大小的影响颗粒大小的影响 a.当颗粒的粒径不大时，粒径越小，填充越疏松；如果粒径变大至超过临界粒径时，随着粒径的增大，即粒子自重力增大，粒径的变化对填充率的影响甚微。颗粒形状和凝聚的影响颗粒形状和凝聚的影响 b.球形颗粒容易填充，棒状或针状的颗粒难以填充。第一章第一章 特种陶瓷工艺原理特种陶瓷工艺原理1.1 1.1 特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.3 1.3 特种陶瓷的成型方法特种陶瓷的成型方法1.4 1.4 特种陶瓷的烧结特种陶瓷的烧结粘土矿物粘土矿物-高岭土高岭土钾长石钾长石石石 英英1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法 3.3.气相法气相法(gas phase method)(gas phase method)制备粉末制备粉末 从气相析出的固相形态从气相析出的固相形态有以下几种：有以下几种：a.在固体表面上生长在固体表面上生长薄膜、薄膜、晶须和晶粒晶须和晶粒，b.在气体中生长的在气体中生长的微粒微粒。1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法 粉体的制备方法一般分为有两大类：粉体的制备方法一般分为有两大类：机械法；合成法机械法；合成法机械法：机械法：是由粗颗粒来获得细粉的方法，通常采用是由粗颗粒来获得细粉的方法，通常采用机械粉机械粉 碎碎，现在发展到采用，现在发展到采用气流粉碎气流粉碎。缺点缺点：在粉碎过程中难免混入杂质；在粉碎过程中难免混入杂质；都都不易不易制得粒径在制得粒径在1 1mm以下的微细颗粒以下的微细颗粒（效率）（效率）合成法合成法：是是由离子、原子、分子通过反应、成核和成长、由离子、原子、分子通过反应、成核和成长、收集、后处理收集、后处理来获得微细颗粒的方法。来获得微细颗粒的方法。特点特点：纯度、粒度可控，均匀性好，颗粒微细。且可以实纯度、粒度可控，均匀性好，颗粒微细。且可以实 现颗粒在分子级水平上的复合、均化。现颗粒在分子级水平上的复合、均化。通常包括通常包括固相法、液相法固相法、液相法和和气相法气相法。1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.1 1.2.1 机械法机械法 一般机械制粉法包括一般机械制粉法包括捣磨法，切磨法，涡旋磨法，捣磨法，切磨法，涡旋磨法，球磨法，气体喷射粉碎法，高能球磨法球磨法，气体喷射粉碎法，高能球磨法等，可等，可根据材根据材料的物理力学性能及所制粉末的粗细要求进行选择料的物理力学性能及所制粉末的粗细要求进行选择。加工脆性大的材料加工脆性大的材料可选用可选用捣磨法，涡旋磨法，球捣磨法，涡旋磨法，球磨法，气体喷射粉碎法，高能球磨法磨法，气体喷射粉碎法，高能球磨法；加工塑性较高的材料加工塑性较高的材料可选用可选用切磨法，涡旋磨法，切磨法，涡旋磨法，气体喷射粉碎法气体喷射粉碎法。一般制备一般制备超细粉与纳米粉超细粉与纳米粉时，只能时，只能选用气体喷射选用气体喷射粉碎法或高能球磨法粉碎法或高能球磨法。1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.1 1.2.1 机械法机械法1.1.材料粉碎加工原理材料粉碎加工原理 弹性变形弹性变形塑性变形塑性变形材料硬化；材料硬化；内应力增大内应力增大材料断裂材料断裂重复发生重复发生破碎破碎1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.1 1.2.1 机械法机械法1.1.材料粉碎加工原理材料粉碎加工原理 抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗拉强度抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗拉强度图2-4破碎与磨碎方式1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.1 1.2.1 机械法机械法2.2.材料粉碎加工模型材料粉碎加工模型 在在粉粉体体材材料料的的粉粉碎碎过过程程中中，其其粉粉碎碎产产物物的的集集合合体体的的颗颗粒粒粒粒度度实实质质上上具有具有多分散性多分散性。而而其其分分散散程程度度随随粉粉碎碎方式方式不同而有较大差异。不同而有较大差异。a a、体积粉碎模型体积粉碎模型 b b、表面粉碎模型、表面粉碎模型 c c、均一粉碎模型均一粉碎模型1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.1 1.2.1 机械法机械法3.3.影响颗粒粉碎的因素影响颗粒粉碎的因素易碎性易碎性 易碎性表征着材料对粉碎的阻抗能力易碎性表征着材料对粉碎的阻抗能力，它可定量地表，它可定量地表示为将材料粉碎到某一粒度所需的示为将材料粉碎到某一粒度所需的比功比功。而且，易碎性也。而且，易碎性也是粉碎过程所耗能量的判据。是粉碎过程所耗能量的判据。碰撞速度碰撞速度 材料的粉碎与系统提供它的能量有直接关系，而在机材料的粉碎与系统提供它的能量有直接关系，而在机械粉碎过程中能量的形成与转换则与体系的运动速度密切械粉碎过程中能量的形成与转换则与体系的运动速度密切相关，其又可分为相关，其又可分为破碎粒子碰撞速度破碎粒子碰撞速度和和粉碎介质碰撞速度粉碎介质碰撞速度。1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.1 1.2.1 机械法机械法4.4.具体粉碎方法具体粉碎方法 机械冲击式粉碎机械冲击式粉碎 （破碎破碎）球磨粉碎球磨粉碎 行星球磨行星球磨 振动粉碎振动粉碎 气流粉碎气流粉碎图2-4破碎与磨碎方式1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.1 1.2.1 机械法机械法4.4.具体粉碎方法具体粉碎方法 颚式破碎机颚式破碎机(a)简单摆动型 (b)复杂摆动型 (c)综合摆动型1-定颚；2-动颚；3-推动板；4-连杆；5-偏心轴；6-悬挂轴1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.1 1.2.1 机械法机械法4.4.具体粉碎方法具体粉碎方法 圆锥破碎机圆锥破碎机1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.1 1.2.1 机械法机械法4.4.具体粉碎方法具体粉碎方法 球磨粉碎机球磨粉碎机1-电动机；2-离合器操纵杆；3-减速器；4-摩擦离合器；5-大齿圈；6-筒身；7-加料口；8-端盖；9-旋塞阀；10-卸料管；11-主轴头；12-轴承座；13-机座；14-衬板；15-研磨体1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.1 1.2.1 机械法机械法4.4.具体粉碎方法具体粉碎方法气流粉碎法气流粉碎法管道式气流粉碎机 1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法 合成法合成法-是由离子、原子、分子通过反应、成核是由离子、原子、分子通过反应、成核和和 成长，收集，后处理成长，收集，后处理来获得微细颗粒的方法。来获得微细颗粒的方法。特特点点：纯纯度度，粒粒度度可可控控，均均匀匀性性好好，颗颗粒粒微微细细。并且可以实现颗粒在分子级水平上的复合，均化。并且可以实现颗粒在分子级水平上的复合，均化。固相法固相法 液相法液相法 气相法气相法另一分类方法：物理方法、化学方法另一分类方法：物理方法、化学方法制制备备方方法法物物理理方方法法化化学学方方法法粉粉碎碎法法构构筑筑法法干式粉碎干式粉碎湿式粉碎湿式粉碎气体蒸发法气体蒸发法真真 空空 沉沉 积积法法溅射法溅射法活化氢熔融金属反应法活化氢熔融金属反应法加热蒸发法加热蒸发法混合等离子体法混合等离子体法喷喷雾雾法法水解法水解法沉沉淀淀法法氧化还原法氧化还原法喷雾水解法喷雾水解法喷雾焙烧法喷雾焙烧法喷雾干燥法喷雾干燥法共沉淀法共沉淀法化合物沉淀法化合物沉淀法冻结干燥法冻结干燥法激光合成法激光合成法火花放电法火花放电法1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法 1.1.固相法制备粉末固相法制备粉末 2.2.液相法制备粉末液相法制备粉末 3.3.气相法制备粉末气相法制备粉末 4.4.合成粉末的实例合成粉末的实例1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法1.1.固相法制备粉末固相法制备粉末 就是就是以固态物质为原料来制备粉末的方法以固态物质为原料来制备粉末的方法。作为固。作为固相反应，包括有很多内容：相反应，包括有很多内容：化合反应化合反应分解反应分解反应氧化还原反应氧化还原反应固溶反应固溶反应出溶反应出溶反应相变相变1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法1.固相法制备粉末固相法制备粉末化合反应法化合反应法 combinationreaction 化合反应一般具有以下反应结构式化合反应一般具有以下反应结构式 A s+B s C s+D g 二种或者二种以上的固态粉末，经二种或者二种以上的固态粉末，经混合后在一定的混合后在一定的热力学条件和气氛下反应热力学条件和气氛下反应而成为而成为复合物粉末复合物粉末，有时也伴，有时也伴随一些气体逸出。随一些气体逸出。如钛酸钡粉末的合成就是典型的固相化合反应：如下如钛酸钡粉末的合成就是典型的固相化合反应：如下 BaCO3+TiO2BaTiO3+CO21.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法1.固相法制备粉末固相法制备粉末 热分解反应热分解反应热分解反应基本形式热分解反应基本形式(S代表固相，代表固相，G代表气相代表气相)：SlS2+G1金属的硫酸盐、硝酸盐等金属的硫酸盐、硝酸盐等 特种陶瓷用氧化物粉末特种陶瓷用氧化物粉末如如将将硫硫酸酸铝铝铵铵Al2(NH4)2(SO4)424H2O在在空空气气中中进进行行热热分分解解，即可制备出即可制备出Al2O3粉末。粉末。利用有机酸盐制备粉体利用有机酸盐制备粉体，优点是：，优点是：a.有机酸盐易于金属提纯，有机酸盐易于金属提纯，b.容易制成含两种以上金属的复合盐，容易制成含两种以上金属的复合盐，c.分解温度比较低，产生的气体组成为分解温度比较低，产生的气体组成为C、H、O。1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法1.1.固相法制备粉末固相法制备粉末 氧化物还原法氧化物还原法 reductionmethod（非氧化物陶瓷）（非氧化物陶瓷）以以SiC粉粉末末的的制制备备为为例例，是是将将SiO2与与碳碳粉粉混混合合，在在1460-1600的的加加热热条条件件下下，逐逐步步还还原原碳碳化化。其其大大致致历历程如下程如下 进一步还原后，产生进一步还原后，产生Si蒸气，发生反应蒸气，发生反应SiO2+C SiO+CO SiO+2CSiC+CO SiO+CSi+CO Si+C SiCSiO2颗粒表面蒸发、颗粒表面蒸发、分解、扩散至分解、扩散至C粒粒表面发生反应表面发生反应 这时得到的这时得到的SiC粉是无定形的，需要再经过粉是无定形的，需要再经过1900的高温处理的高温处理获得晶态获得晶态SiC。1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法 1.1.固相法制备粉末固相法制备粉末 2.2.液相法制备粉末液相法制备粉末 3.3.气相法制备粉末气相法制备粉末 4.4.合成粉末的实例合成粉末的实例1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2合成法合成法2.液相法液相法 liquid-phasemethod 制备粉末制备粉末 液相反应法制备超细粉体的共同特点是：液相反应法制备超细粉体的共同特点是：均均以以均均相相的的溶溶液液为为出出发发点点，通通过过各各种种途途径径使使溶溶质质和和溶溶剂剂分分离离，溶溶质质形形成成一一定定形形状状和和大大小小的的颗颗粒粒，得得到到所所需需粉粉末末的前驱体，热解后得到微粒。的前驱体，热解后得到微粒。与固相法相比，其主要的优点：与固相法相比，其主要的优点：（1）精确控制化学组成；）精确控制化学组成；（2）易于添加微量有效成分；）易于添加微量有效成分；（3）超细粒子形状和尺寸也比较容易控制。）超细粒子形状和尺寸也比较容易控制。特别适合制备组成均匀，且特别适合制备组成均匀，且纯度纯度高的高的复合氧化物复合氧化物超细粉。超细粉。?1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2合成法合成法2.液相法液相法 liquid-phasemethod 制备粉末制备粉末 基本方法有基本方法有 1)沉淀法沉淀法直接沉淀法直接沉淀法；均匀沉淀法；均匀沉淀法；共沉淀法；共沉淀法；醇盐水解法醇盐水解法；特殊沉淀法特殊沉淀法：a.溶胶溶胶-凝胶凝胶(Sol-gel)法法；b.凝胶凝胶-沉淀沉淀法法2)溶剂蒸发法溶剂蒸发法冰冻干燥法冰冻干燥法(freeze-drying);喷雾干燥法喷雾干燥法(Spraydrying);喷雾热分解法喷雾热分解法1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法2.2.液相法制备粉末液相法制备粉末 1）沉淀法：）沉淀法：直接沉淀法，以制备直接沉淀法，以制备Al2O3为例为例矿石高压溶出：矿石高压溶出：Al2O33H2O+2NaOH2NaAl(OH)4分分解：解：2NaAl(OH)4 2Al(OH)3+2NaOH煅煅烧：烧：2Al(OH)3Al2O3+3H2O前驱物前驱物1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法2.2.液相法制备粉末液相法制备粉末 1 1）沉淀法）沉淀法 醇盐水解法 金金属属醇醇盐盐是是用用金金属属元元素素置置换换醇醇中中羟羟基基的的氢氢的的化化合合物物总总称称，通通式式为为M(OR)n，其中其中M代表金属元素，代表金属元素，R是烷基（羟基）。是烷基（羟基）。金金属属醇醇盐盐由由金金属属或或者者金金属属卤卤化化物物与与醇醇反反应应合合成成，它它很很容容易易和和水水反反应应生生成成氧氧化化物物、氢氢氧氧化化物物和和水水化化物物。氢氢氧氧化化物物和和其其它它水水化化物物经经煅煅烧烧后后可可以以转转化化为为氧氧化化物物粉粉体。体。1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法2.2.液相法制备粉末液相法制备粉末 1 1）沉淀法沉淀法 醇盐水解法n醇盐水解法的特点：醇盐水解法的特点：水解过程中不需要添加碱，因此水解过程中不需要添加碱，因此不存在有害负离子和碱金属离子不存在有害负离子和碱金属离子；反应条件温和、操作简单产品纯度高反应条件温和、操作简单产品纯度高；制备的超微粉体制备的超微粉体具有较大的活性具有较大的活性；粉体粒子通常粉体粒子通常呈单分散状态呈单分散状态；具有良好的具有良好的低温烧结性能低温烧结性能。n醇盐水解法的醇盐水解法的缺点是成本昂贵缺点是成本昂贵。1.2.2合成法合成法2.液相法制备粉末液相法制备粉末1）沉淀法）沉淀法 溶胶溶胶-凝胶法：凝胶法：1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法纳米氧化铝溶胶纳米氧化铝溶胶1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法2.2.液相法液相法 liquid-phase methodliquid-phase method 制备粉末制备粉末 溶胶溶胶-凝胶法凝胶法制制取取ZrO2的流程的流程均匀性均匀性1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法2.2.液相法液相法 liquid-phase methodliquid-phase method 制备粉末制备粉末2 2）溶剂蒸发法：）溶剂蒸发法：溶剂蒸发法以金属盐溶液制备超微粉体溶剂蒸发法以金属盐溶液制备超微粉体 溶剂蒸发法：溶剂蒸发法：a.冷冻干燥法冷冻干燥法n 冷冷冻冻干干燥燥法法：a.将将配配制制好好的的阳阳离离子子盐盐溶溶液液喷喷入入到到低低温温有有机机液液体体中，使液体进行中，使液体进行瞬间冷冻和沉淀瞬间冷冻和沉淀在玻璃器皿的底部，在玻璃器皿的底部，b.将将冷冷冻冻球球状状液液滴滴和和有有机机液液体体筛筛选选分分离离后后放放入入冷冷冻冻干干燥燥器器，在在维持低温降压条件下，溶剂升华、脱水维持低温降压条件下，溶剂升华、脱水，c.再在煅烧炉内将盐分解，可制得超细粉体。再在煅烧炉内将盐分解，可制得超细粉体。冷冻干燥法原料及实验装置冷冻干燥法原料及实验装置（a）冷冻装置；（）冷冻装置；（b）真空干燥装置）真空干燥装置溶剂蒸发法：溶剂蒸发法：a.冷冻干燥法冷冻干燥法冷冻冷冻干燥机干燥机冷冻干燥法的突出优点：冷冻干燥法的突出优点：a.在在溶溶液液状状态态下下均均匀匀混混合合，适适合合于于极极微微量量组组分分的的添添加加，有有效效地合成复杂的陶瓷功能粉体材料并地合成复杂的陶瓷功能粉体材料并精确控制其最终组成精确控制其最终组成；b.制制备备的的超超微微粉粉体体粒粒度度分分布布范范围围窄窄，一一般般在在10500nm范范围围内，内，c.冷冷冻冻干干燥燥物物在在煅煅烧烧时时内内含含气气体体极极易易逸逸出出，容容易易获获得得易易烧烧结结的的陶陶瓷瓷超超微微粉粉体体，由由此此制制得得的的大大规规模模集集成成电电路路基基片片平平整整度度好好，用来制备催化剂，则其表面积和反应活性均较一般过程高用来制备催化剂，则其表面积和反应活性均较一般过程高；d.操作简单操作简单，特别适合于高纯陶瓷材料用超微粉体的制备。，特别适合于高纯陶瓷材料用超微粉体的制备。溶剂蒸发法：溶剂蒸发法：a.冷冻干燥法冷冻干燥法喷雾干燥装置的模型图喷雾干燥装置的模型图溶剂蒸发法：溶剂蒸发法：b.喷雾干燥法喷雾干燥法图图1-1-21 喷雾焙烧装置的示意图喷雾焙烧装置的示意图溶剂蒸发法：溶剂蒸发法：c.喷雾热分解法喷雾热分解法溶剂蒸发法：溶剂蒸发法：c.喷雾热分解法喷雾热分解法1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法 1.1.固相法制备粉末固相法制备粉末 2.2.液相法制备粉末液相法制备粉末 3.3.气相法制备粉末气相法制备粉末 4.4.合成粉末的实例合成粉末的实例1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法3.3.气相法气相法(gas phase method)(gas phase method)制备粉末制备粉末 由气相生成微粉的方法有如下两种由气相生成微粉的方法有如下两种:系统中不发生化学反应的蒸发系统中不发生化学反应的蒸发-凝聚法凝聚法(PVD)(PVD)，另一种是气相化学反应法另一种是气相化学反应法(CVD)(CVD)。1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法 3.3.气相法气相法(gas phase method)(gas phase method)制备粉末制备粉末 1)1)蒸发蒸发-凝聚法凝聚法 蒸蒸发发-凝凝聚聚法法是是将将原原料料加加热热至至高高温温(用用电电弧弧或或等等离离子子流流等等加加热热)，使使之之气气化化，接接着着在在具具有有很很大大温温度度梯梯度度的的环环境境中中急急冷冷，凝凝聚聚成成微微粒粒状物料的方法。这一过程状物料的方法。这一过程不伴随化学反应不伴随化学反应。采用这种方法能制得采用这种方法能制得颗粒直径在颗粒直径在5nm100nm范围的微粉范围的微粉，适于适于制备单一氧化物、复合氧化物、碳化物或金属的微粉制备单一氧化物、复合氧化物、碳化物或金属的微粉。如如果果在在惰惰性性气气体体中中蒸蒸发发凝凝聚聚，通通过过调调节节气气压压，就就能能控控制制生生成成的颗粒的大小的颗粒的大小。如如果果颗颗粒粒是是按按照照蒸蒸发发-液液体体-固固体体那那样样经经过过液液相相中中间间体体后后生生成成的的，那么那么颗粒成为球形颗粒成为球形或接近球状。或接近球状。1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法 3.3.气相法气相法(gas phase method)(gas phase method)制备粉末制备粉末 2)2)气相化学反应法气相化学反应法 气气相相化化学学反反应应法法是是将将挥挥发发性性金金属属化化合合物物的的蒸蒸气气通通过过化化学学反反应应合合成成所所需需物物质质的的方方法法。气气相相化化学学反反应应可可分分为为两两类类：一一类类为为单单一一化化合合物物的的热热分分解解（A(G)B(s)+C(g)）;另另一一类类为为两两种种以以上上化化学物质之间的反应学物质之间的反应 (A(g)+B(g)C(s)+D(g)。气气相相反反应应法法除除适适用用于于制制备备氧氧化化物物外外，还还适适用用于于制制备备液液相相法法难于直接合成的金属、氮化物、碳化物、硼化物等非氧化物难于直接合成的金属、氮化物、碳化物、硼化物等非氧化物。制制备备容容易易、蒸蒸气气压压高高、反反应应性性较较强强的的金金属属氯氯化化物物常常用用作作气气相化学反应的原料相化学反应的原料。1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法 3.3.气相法气相法(gas phase method)(gas phase method)制备粉末制备粉末 气相反应法与盐类热分解及沉淀法相比气相反应法与盐类热分解及沉淀法相比，特点：，特点：金金属属化化合合物物原原料料具具有有挥挥发发性性，容容易易提提纯纯，而而且且生生成粉料不需要进行粉碎，纯度高成粉料不需要进行粉碎，纯度高。生成颗粒的生成颗粒的分散性良好分散性良好。只只要要控控制制反反应应条条件件，就就很很容容易易得得到到颗颗粒粒直直径径分分布布范围较窄的微细粉末范围较窄的微细粉末。容易控制气氛。容易控制气氛。1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法 3.3.气相法气相法(gas phase method)(gas phase method)制备粉末制备粉末 从气相析出的固相形态从气相析出的固相形态有以下几种：有以下几种：a.在固体表面上生长在固体表面上生长薄膜、薄膜、晶须和晶粒晶须和晶粒，b.在气体中生长的在气体中生长的微粒微粒。1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法 1.1.固相法制备粉末固相法制备粉末 2.2.液相法制备粉末液相法制备粉末 3.3.气相法制备粉末气相法制备粉末 4.4.合成粉末的实例合成粉末的实例1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法 4.4.合成粉末的实例合成粉末的实例 a.a.氧化物粉末氧化物粉末-挥发性金属化合物（一般为氯化物）与挥发性金属化合物（一般为氯化物）与氧气或水蒸气在几百度至一千几百度下由氧气或水蒸气在几百度至一千几百度下由气相反应气相反应，合成，合成氧化物粉末。氧化物粉末。1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法 4.4.合成粉末的实例合成粉末的实例 TiO2粉末制备粉末制备：TiCl4和氧气的反应从400左 右 开 始，到800以 上 转 化 率 达100%。TiO2晶 粒 为0.1m以下到几微米。TiCl4+O2TiO2+2Cl2生成锐钛矿型生成锐钛矿型TiO2，各个颗粒都为单晶各个颗粒都为单晶1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法 4.4.合成粉末的实例合成粉末的实例 b.b.高熔点高熔点氮化物和碳化物氮化物和碳化物粉末制备：粉末制备：工业上，金属和金属氧化物通过固相反应合成工业上，金属和金属氧化物通过固相反应合成非非氧化物粉末氧化物粉末。采用固相法时通常要进行粉碎，不易控。采用固相法时通常要进行粉碎，不易控制粉料的特性。制粉料的特性。相相对对而而言言，采采用用气气相相合合成成法法生生成成的的粉粉料料分分散散低低，比较容易控制颗粒直径比较容易控制颗粒直径。1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法 4.4.合成粉末的实例合成粉末的实例 1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法4.4.合成粉末的实例合成粉末的实例 c.Si3N4粉末制备：SiCl4和NH3在1000-1500温度范围内通过气相反应能生成颗粒直径0.1m以下的非晶态物质，之后在1400结晶化为Si3N4。或同样通过气相反应生成颗粒直径0.2m以下的非晶态粉末，再通过热处理得到高纯度Si3N4。1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法4.4.合成粉末的实例合成粉末的实例 d.TiN粉末制备：TiCl4和NH3在700-1500温度范围内，通过气相反应能 生成TiN微粉。1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法思考题：思考题：1 1、粉碎法制备粉体技术方法的分类及特点；、粉碎法制备粉体技术方法的分类及特点；2 2、气气相相法法制制备备超超细细粉粉体体的的原原理理及及各各种种加加热热方方法的特点；法的特点；3 3、液相法制备超细粉体的原理及特点、液相法制备超细粉体的原理及特点.1.11.1特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能1.1.1 1.1.1 粉体的粒度与粒度分布粉体的粒度与粒度分布3)3)粉体颗粒的粉体颗粒的粒度分布粒度分布 频率分布曲线频率分布曲线 累积分布曲线累积分布曲线 1.1 1.1 特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能1.1.1 1.1.1 粉体的粒度与粒度分布粉体的粒度与粒度分布1.1.2 1.1.2 粉体颗粒的形态及其表征粉体颗粒的形态及其表征1.1.3 1.1.3 粉体的表面特性粉体的表面特性1.1.4 1.1.4 粉体的填充性粉体的填充性1.1 1.1 特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能1.1.3 1.1.3 粉体的表面特性粉体的表面特性1 1）粉体颗粒的表面能和表面状态）粉体颗粒的表面能和表面状态 表1所示当粒径变化时，一般物质颗粒细化后，其原子数与表面原子数的比例变化。粒径（nm）颗粒原子数表面原子数/原子数（%）202.510510103104205410340225080130991.1 1.1 特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能1.1.4 粉体的填充性粉体的填充性影响粉体密实性的因素有：影响粉体密实性的因素有：颗粒大小的影响颗粒大小的影响 a.当颗粒的粒径不大时，粒径越小，填充越疏松；如果粒径变大至超过临界粒径时，随着粒径的增大，即粒子自重力增大，粒径的变化对填充率的影响甚微。颗粒形状和凝聚的影响颗粒形状和凝聚的影响 b.球形颗粒容易填充，棒状或针状的颗粒难以填充。第一章第一章 特种陶瓷工艺原理特种陶瓷工艺原理1.1 1.1 特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.3 1.3 特种陶瓷的成型方法特种陶瓷的成型方法1.4 1.4 特种陶瓷的烧结特种陶瓷的烧结1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法 粉体的制备方法一般分为有两大类：机械法：机械法：合成法合成法：捣捣磨磨法法，切切磨磨法法，涡涡旋旋磨磨法法，球磨法，气体喷射粉碎法，球磨法，气体喷射粉碎法，高能球磨法高能球磨法固相法固相法 液相法液相法 气相法气相法1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法化合反应化合反应分解反应分解反应氧化还原反应氧化还原反应固溶反应固溶反应出溶反应出溶反应相变相变固固相相法法液液相相法法1、沉淀法、沉淀法 直接沉淀法直接沉淀法；均匀沉淀均匀沉淀法；法；共沉淀法；共沉淀法；醇盐水解法醇盐水解法；特殊沉淀法特殊沉淀法：a.溶胶溶胶-凝胶凝胶(Sol-gel)法；法；b.凝胶凝胶-沉淀法沉淀法2、溶剂蒸发法、溶剂蒸发法 冷冻干燥法冷冻干燥法;喷雾干燥法喷雾干燥法;喷雾热分解法喷雾热分解法1、蒸发蒸发-凝聚法凝聚法(PVD)；2、气相化学反应法气相化学反应法(CVD)气气相相法法