功能陶瓷的生产工艺过程课件

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,*,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,功能陶瓷的生产工艺过程,方必军,江苏工业学院材料科学与工程学院,功能陶瓷的生产工艺过程,1,新型陶瓷与传统陶瓷的区别,1、原料及其加工工艺,区 别,传统陶瓷,新型陶瓷,原材料,天然矿物原料,人工精制合成原料,成 型,可塑、注浆、挤压,干压、等静压、挤压、轧膜、流延、热压铸,烧 成,温度在1350以下，燃料以煤、油、气为主,结构陶瓷烧结温度很高（1600），功能陶瓷需精确控制温度，燃料以电为主,加 工,一般不需加工,切割、打孔、研磨、抛光等,性 能,以外观效果为主,侧重力学性能,以内在性能为主：耐磨、耐温、耐腐蚀、高强度及各种敏感性,用 途,日用、建筑、卫生装饰和艺术品,宇航、能源、冶金、化工、交通、电子、家电等行业,新型陶瓷与传统陶瓷的区别1、原料及其加工工艺区 别传统陶瓷,2,新型陶瓷展望,气相凝聚法制备超微（纳米）粉体,用微波加热代替传统烧结,陶瓷脆性的致命弱点将得到改变,纳米材料的应用,智能陶瓷的发展,陶瓷的晶界工程设计,研究晶界的作用-晶界组成对材料性能的影响；晶界设计-设计晶界，获得所要求的材料性能；制备符合实用要求的电子陶瓷产品。,1、原料及其加工工艺,新型陶瓷展望气相凝聚法制备超微（纳米）粉体1、原料及其加工工,3,原料分类,天然矿物原料：可塑性原料、脊性原料,化工原料,化学试剂分级,工业纯（IR）Industrial Reagent 98.0%,化学纯（CP）Chemical Purity 99.0%,分析纯（AR）Analytical Reagent 99.5%,光谱纯（GR）Guarateend Reagent 99.9%,电子级原料 专用,1、原料及其加工工艺,原料分类天然矿物原料：可塑性原料、脊性原料1、原料及其加工工,4,原料的评价与选择,原料的评价,化学成份、结构、颗粒度、形貌,原料的选择,保证产品性能的前提下，尽量选择低纯度原料,杂质对产品性能的影响要具体分析,利：,克制影响产品性能的不利因素；降低烧结温度、促进烧结（形成固溶体、低共熔物）,害：,杂相、晶格缺陷，影响产品性能,主晶相原料采用化学纯、电子级粉料，掺杂原料采用光谱纯粉料,1、原料及其加工工艺,原料的评价与选择原料的评价1、原料及其加工工艺,5,原料粉碎 1,粉碎方法,用机械装置对原料进行撞击、碾压、磨擦，使原料破碎、圆滑,粉碎原理,能量转换过程：机械能,表面能、缺陷能,粉碎要求,效率高：,短期内达到预定的细度；或者达到某一细度所消耗的能量少、时间短,避免混入杂质：,减少粉碎机械装置的杂质引入,1、原料及其加工工艺,原料粉碎 1粉碎方法1、原料及其加工工艺,6,原料粉碎 2,球磨工艺原理,影响球磨效率的因素,转速、球磨时间,磨介填充率（25-35%）、磨介级配,料、球、溶剂的配比：1:1:0.6-1,筒体直径、磨球与内衬的质料、磨球形状,1、原料及其加工工艺,原料粉碎 2球磨工艺原理1、原料及其加工工艺,7,原料粉碎 3,助磨剂作用原理,粉碎机械的粉碎粒度极限,破碎后粉粒表面带有电荷、偶极矩,聚合；比表面增大、活性增强、表面吸附力增大,聚合,助磨剂屏蔽粉粒表面电荷的原理,助磨剂：含极性官能团的有机液体,例：油酸CH,3,-(CH,2,),7,-CH=CH-(CH,2,),7,-COOH，羧基具有明显“,”极性，屏蔽负电荷，烷基朝外,削弱粉粒之间的相互作用力,助磨剂的作用：,分散作用、润滑作用、劈裂作用,1、原料及其加工工艺,原料粉碎 3助磨剂作用原理1、原料及其加工工艺,8,粉料的活化,机械粉碎,增加粉料表面和表面能；增加粉料晶格缺陷能,低温煅烧：,含氧酸、含氧酸盐、碱,氧化物,影响煅烧产物活性的因素,粉料粒度、杂质、煅烧温度、气氛,活性粉料对空气、水分的吸附,煅烧活化机理,煅烧分解：临界温度,假晶结构,生成微晶,1、原料及其加工工艺,粉料的活化机械粉碎1、原料及其加工工艺,9,Pb,0.91,La,0.09,(Zr,0.65,Ti,0.35,)O,3,配方计算,2、配料计算,陶瓷,原料,原料纯度（A）,摩尔,质量（M）,摩尔,比（x）,相对重量,（W=xW）,百分含量,实际投量,PLZT,Pb,3,O,4,96%,685.60,0.91/3,207.97,62.89,6551,La,2,O,3,94%,325.80,0.09/2,14.66,4.43,471,ZrO,2,98%,123.22,0.65,1,80.09,24.22,2471,T,i,O,2,95%,79.90,0.35,1,27.97,8.46,891,Pb0.91La0.09(Zr0.65Ti0.35)O3配方,10,原料预处理,粉料的性能,高度活性、合成主晶相的微晶,原料煅烧,改变矿物结构、促进晶型转变、改善工艺性能,熔块合成,合成主晶相：,减少烧结过程因为原料反应而造成的膨胀、收缩、气孔,完成多晶转变：,减少烧结过程因为晶型转变产生的应力,产品变形、开裂,促进原料混合均匀、反应彻底,3、粉料制备,原料预处理粉料的性能3、粉料制备,11,粉料制备工艺,固相反应,配料、反应煅烧（预烧温度：TG-DTA；晶相鉴定；粉料性能-最多数径、中位径、平均粒径、标准偏差、偏度）,溶液法,制备金属盐溶液、溶液反应、固液分离（沉淀、沉淀物干燥、低温煅烧）,溶胶-凝胶法：,溶胶制备、凝胶形成、低温煅烧,气相法,蒸气冷凝法：加热气化、急速冷却,气相反应法：热分解；化学反应,3、粉料制备,粉料制备工艺固相反应3、粉料制备,12,粉料的塑化 1,塑化原因,获得可塑性,塑化途径,增塑剂：,无机塑化剂、有机塑化剂,有机塑化剂的组成,粘结剂：,聚乙烯醇、聚醋酸乙烯酯、羧甲基纤维素,增塑剂：,甘油、乙二醇；邻苯二甲酸二丁脂、癸二酸二丁脂,溶剂：,水、有机醇、环己酮,3、粉料制备,粉料的塑化 1塑化原因3、粉料制备,13,粉料的塑化 2,有机塑化剂的使用,防止,还原作用,有机粘合剂高温下有可能产生强还原性物质，对陶瓷原料产生还原作用,用量适当,用量过多：粘模具（压制成型）；用量过少：坯体开裂、分层（压制成型）,塑化剂用量：总质量的3%-10%,控制挥发温度,3、粉料制备,粉料的塑化 2有机塑化剂的使用3、粉料制备,14,粉料的造粒 1,造粒：,磨得很细的粉料，干燥、加一定量的塑化剂,流动性好、较粗的颗粒,造粒的原因,细粉粒,相对较大、较粗、较圆的粗颗粒,增加流动性，有利于压制成型,造粒要求,粉体密度：,愈大愈好，取决于塑化剂的性质和用量、造粒压强、造粒次数,粉体形状：,球状，流动性好、工艺简单,粒度配合,3、粉料制备,粉料的造粒 1造粒：磨得很细的粉料，干燥、加一定量的塑化剂,15,粉料的造粒 2,造粒工艺,手工造粒法,加压造粒法,冻结干燥造粒法,喷雾干燥造粒法,实验室加压造粒（手工造粒）法流程：,粉料加入粘合剂混合均匀,过筛,在压力机上用圆钢模具压实,破碎,过筛,球形颗粒,3、粉料制备,粉料的造粒 2造粒工艺 3、粉料制备,16,4、成型,4、成型,17,干压成型,压制成型的坯体密度,加压方式的影响,成型压力的影响,加压速度、保压时间,4、成型,干压成型压制成型的坯体密度4、成型,18,等静压成型,4、成型,等静压成型4、成型,19,流延法成型 1,流延法成型浆料制备,细磨、煅烧的熟粉料,加入溶剂（抗凝聚剂、除泡剂、烧结促进剂,）、,粘结剂、增塑剂、润滑剂,湿法混磨,真空除气,稳定、,流动性良好的浆料,4、成型,流延法成型 1流延法成型浆料制备4、成型,20,流延法成型 2,4、成型,流延法成型 24、成型,21,注浆成型,4、成型,注浆成型4、成型,22,热压铸成型 1,热压铸成型的粉料,熟料（煅烧过的料）,含水量小于0.5%,热压铸成型的粘结剂,石蜡：50-55熔化、冷凝后体积收缩5%-7%,添加少量表面活性剂（硬脂酸、油酸、蜂蜡），增加铸浆的流动性,4、成型,热压铸成型 1热压铸成型的粉料4、成型,23,热压铸成型 2,铸浆的配制,铸浆的配比：粉料（含0.4-0.8%的油酸）87.5-86.5%，石蜡（含表面活性剂）12.5-13.5%,铸浆配制工艺,蜡饼制备：加热石蜡至70-90、使之熔化，把已加热的粉料倒入石蜡液中，边加热、边搅拌,将蜡饼放入和蜡机中：快速和蜡机，100-110、转筒速度40r/min，熔化蜡饼；慢速和蜡机，60-70、搅拌速度30r/min，排除气泡,4、成型,热压铸成型 2铸浆的配制4、成型,24,热压铸成型 3,4、成型,热压铸成型 34、成型,25,热压铸成型 4,铸浆性能的影响因素,铸浆的粘度、流动性,粘结剂含量大、铸浆粘度小、流动性好，成型性能好；收缩率、气孔率增加,加入表面活性剂，提高铸浆的流动性,铸浆的可铸性,粘度小、流动性好、成型压力大，可铸性好,铸浆的稳定性,粉料粒度大、粗颗粒多、密度大，铸浆稳定性差,4、成型,热压铸成型 4铸浆性能的影响因素4、成型,26,热压铸成型 5,热压铸成型工艺,压力303.98-506.63kPa,铸浆温度65-90,模具温度0-20,加压速度、压力持续时间,热压铸坯体的排胶工艺,热压铸成型坯体埋入疏松、惰性的吸附剂之中，在高温下进行脱蜡,4、成型,热压铸成型 5热压铸成型工艺4、成型,27,热压铸成型 6,4、成型,热压铸成型 64、成型,28,烧结过程体系中的自由能变化,5、烧成,烧结过程体系中的自由能变化5、烧成,29,烧结推动力,烧结推动力：,物系自由能的降低,表面能、界面能的降低,位错、结构缺陷、弹性应力的减少或消失,外来杂质的排除,高温下物系自由能差降低、传质势垒较小、晶粒质点平均热动能较大，,P-表面自由能成为物质传递的主要推动力。,5、烧结,烧结推动力烧结推动力：物系自由能的降低5、烧结,30,烧结模型,G.C.Kuczynski等径球体模型,球体颈部曲率半径,、颈部体积V、颈部表面积A、颗粒半径r、接触颈部半径x,5、烧结,烧结模型G.C.Kuczynski等径球体模型5、烧结,31,烧结传质机理,5、烧结,传质方式,蒸发-凝聚,扩散,流动,溶解-沉淀,原因,压力差,P,空位浓度差,C,应力-应变,溶解度,C,条件,P 1-10 Pa,r n,0,/N,r f,可观的液相量,固相在液相中溶解度大,固-液润湿,特点,凸面蒸发，凹面凝聚,L/L=0,空位与结构基元相对扩散,中心距缩短,流动同时引起颗粒重排,L/L t 致密化速率最高,接触点溶解到平面上沉积，小颗粒溶解到大颗粒沉积,传质同时又是晶粒生长过程,公式,x/r=Kr,-2/3,t,1/3,x/r=Kr,-3/5,t,1/5,L/L=Kr,-6/5,t,2/5,L/L=3/2/rt,d/dt=K(1-)/r,x/r=Kr,-2/3,t,1/6,L/L=Kr,-4/3,t,1/3,工艺控制,温度（蒸气压）,粒度,温度（扩散系数）,粒度,粘度,粒度,粒度,温度（溶解度）,粘度,液相数量,烧结传质机理5、烧结传质方式蒸发-凝聚扩散流动溶解-沉淀原因,32,烧结工艺,升温阶段,升温速率、装炉方式、粉料掩埋,特殊升温方式,保温阶段,最高烧结温度：0.95T,S,-1.05T,S,保温时间：,降温阶段,冷却速度,冷却方式：保温缓冷、随炉冷却、淬火急冷,5、烧结,烧结工艺升温阶段5、烧结,33,热锻、热拉和热轧,热锻,无侧向压力，坯体横向自由变形,加上负荷，坯体轴向以10,-2,-10,-4,/min速率减小，至所需厚度,卸压降温,-Al,2,O,3,、含铋层状铁电体、铁氧体,热拉和热轧,陶瓷坯体具有极好的高温可塑性；拉模、轧辊具有良好的耐热性、表面光滑性、机械强度,产品添加少量玻璃或金属作为增塑剂,6、陶瓷材料的热加工