材料导论第五章陶瓷成型.ppt

第一节第一节 结构陶瓷结构陶瓷第二节第二节 功能陶瓷功能陶瓷第三节第三节 陶瓷耐火材料陶瓷耐火材料第四节第四节 玻玻 璃璃第五章第五章 陶瓷材料（一）陶瓷材料（一）第一节第一节 结构陶瓷结构陶瓷q 陶瓷的分类陶瓷的分类氧化物陶瓷（氧化物陶瓷（Al2O3、ZrO2、MgO等）等）碳化物陶瓷（碳化物陶瓷（SiC、B4C、WC等）等）氮化物陶瓷（氮化物陶瓷（Si3N4、TiN、BN等）等）新型碳化物陶瓷（新型碳化物陶瓷（C3N4等）等）硼化物陶瓷（硼化物陶瓷（TiB2、ZrB2等）等）复合陶瓷（复合陶瓷（3Al2O32SiO2(莫来石莫来石)等）等）按按按按成分成分成分成分分分分分 类类类类普通陶瓷（硅酸盐材料）普通陶瓷（硅酸盐材料）特种陶瓷（人工合成材料）特种陶瓷（人工合成材料）按按按按原料分类原料分类原料分类原料分类结构陶瓷结构陶瓷功能陶瓷功能陶瓷陶瓷耐火材料陶瓷耐火材料玻玻 璃璃按按按按用途分类用途分类用途分类用途分类 晶体结构晶体结构晶体结构晶体结构 氧化铝有十多种同素异构体，但常见的主要有三种：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，属于尖晶石型（立方）结构，高温时不稳定，在在1600转变为转变为-Al2O3。-Al2O3 属于六方系，稳定属于六方系，稳定性好，在熔点性好，在熔点2050 之前不发生晶型转变。之前不发生晶型转变。q 氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷 Al2O3少量少量SiO2。根据根据Al2O3含量可分为刚玉含量可分为刚玉-莫来莫来瓷（瓷（75瓷，瓷，wAl2O3=75%）和刚玉瓷（和刚玉瓷（95瓷，瓷，99瓷）。瓷）。制备方法制备方法制备方法制备方法：原料煅烧原料煅烧配料配料球磨球磨成形成形烧结烧结 性能与应性能与应性能与应性能与应 用用用用：1）高高强强度度、高高温温稳稳定定性性：装装饰饰瓷瓷，喷喷嘴嘴、火火箭箭、导导弹弹的导流罩的导流罩；2）高高硬硬度度、高高耐耐磨磨性性：切切削削工工具具，模模具具，磨磨料料，轴轴承承，人造宝石；人造宝石；3）低低的的介介电电损损耗耗、高高电电阻阻率率、高高绝绝缘缘性性：火火花花塞塞，电电 路基板，管座；路基板，管座；4）熔熔点点高高、抗抗腐腐蚀蚀：耐耐火火材材料料，坩坩埚埚，炉炉管管，热热电电偶偶保护套等；保护套等；5）离子导电性：）离子导电性：太阳能电池材料和蓄电池材料等。太阳能电池材料和蓄电池材料等。6）生物相容性：）生物相容性：还可用于制作人工骨骼和人造关节等。还可用于制作人工骨骼和人造关节等。晶体结构晶体结构晶体结构晶体结构q 氧化锆陶瓷氧化锆陶瓷m-ZrO2：单斜晶系（单斜晶系（1170）t-ZrO2：四方晶系（四方晶系（11702370）c-ZrO2：立方晶系（立方晶系（23702715）备注：备注：氧化锆熔点为氧化锆熔点为2715。性能与应用性能与应用性能与应用性能与应用1）热导率小，化学稳定性好、耐腐蚀性高：）热导率小，化学稳定性好、耐腐蚀性高：可用于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、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：喷嘴、阀心、密封器件等：2）硬度高，耐磨性好：）硬度高，耐磨性好：可用于制造切削刀具、模具、可用于制造切削刀具、模具、剪刀、高尔夫球棍头等。剪刀、高尔夫球棍头等。3）具有敏感特性：具有敏感特性：可做气敏元件，还可作为高温燃料可做气敏元件，还可作为高温燃料电池固体电解隔膜、钢液测氧探头等。电池固体电解隔膜、钢液测氧探头等。q 碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷 以以SiC为主要成分的陶瓷。为主要成分的陶瓷。具有很高的高温强度，在具有很高的高温强度，在1400时抗弯强度仍保持时抗弯强度仍保持在在500600MPa，工作温度可达工作温度可达1700；有很好的热稳；有很好的热稳定性、抗蠕变性、耐磨性、耐蚀性，良好的导热性、耐定性、抗蠕变性、耐磨性、耐蚀性，良好的导热性、耐辐射性。辐射性。制作火箭尾喷管喷嘴、浇注金属的浇道口、轴承、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。护套管、炉管、核燃料包封材料等。q 氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷 以以Si3N4为主要成分的陶瓷。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。缘性能。用于制造切削刀具、高温轴承、泵密封环、热电用于制造切削刀具、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。偶保护套、缸套、活塞顶、电磁泵管道和阀门等。第二节第二节 功能陶瓷功能陶瓷q 铁电陶瓷铁电陶瓷 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、锆酸电陶瓷，广泛应用的铁电材料有钛酸钡、钛酸铅、锆酸铝等。铝等。铁电陶瓷应用最多的是铁电陶瓷电容器，还可用于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。制造压电元件、热释电元件、电光元件、电热器件等。q 压电陶瓷压电陶瓷 铁铁电电陶陶瓷瓷在在外外加加电电场场作作用用下下出出现现宏宏观观的的压压电电效效应应，称称为为压压电电陶陶瓷瓷。目目前前所所用用的的压压电电陶陶瓷瓷主主要要有有钛钛酸酸钡钡、钛钛酸铅、锆酸铝、锆钛酸铅等。酸铅、锆酸铝、锆钛酸铅等。压压电电陶陶瓷瓷在在工工业业、国国防防及及日日常常生生活活中中应应用用十十分分广广泛泛。如如压压电电换换能能器器、压压电电马马达达、压压电电变变压压器器、电电声声转转换换器器件件等等。利利用用压压电电效效应应将将机机械械能能转转换换为为电电能能或或把把电电能能转转换换为为机械能的元件称为换能器。机械能的元件称为换能器。q 氧化锆固体电解质陶瓷氧化锆固体电解质陶瓷 ZrO2中中加加入入CaO、Y2O3等等后后，提提供供了了氧氧离离子子扩扩散散的的通通道道，所所以以为为氧氧离离子子导导体体。氧氧化化锆锆固固体体电电解解质质陶陶瓷瓷主主要用于氧敏传感器和高温燃料电池的固体电解质。要用于氧敏传感器和高温燃料电池的固体电解质。q 生物陶瓷生物陶瓷 氧氧化化铝铝陶陶瓷瓷和和氧氧化化锆锆陶陶瓷瓷与与生生物物肌肌体体有有较较好好的的相相容容性性，耐耐腐腐蚀蚀性性和和耐耐磨磨性性能能都都较较好好，因因此此常常用用于于生生物物体体中承受载荷部位的矫形整修，如人造骨骼等。中承受载荷部位的矫形整修，如人造骨骼等。导导电电性性介介于于导导电电和和绝绝缘缘介介质质之之间间的的陶陶瓷瓷材材料料。主主要要有有钛钛酸酸钡钡陶陶瓷瓷，具具有有正正电电阻阻温温度度系系数数，应应用用非非常常广广泛泛。如如用用于于电电动动机机、收收录录机机、计计算算机机、复复印印机机、变变压压器器、烘烘干干机机、暖暖风风机机、电电烙烙铁铁、彩彩电电消消磁磁、燃燃料料的的发发热热体体、阻阻风门、化油器、功率计、线路温度补偿等。风门、化油器、功率计、线路温度补偿等。q 半导体陶瓷半导体陶瓷第三节第三节 陶瓷耐火材料陶瓷耐火材料 陶陶瓷瓷耐耐火火材材料料的的重重要要性性能能指指标标是是：低低温温强强度度、高高温温强度、体密度、孔隙率等。强度、体密度、孔隙率等。酸性耐火材料（以酸性耐火材料（以SiO2、Al2O3为主）为主）碱性耐火材料（如碱性耐火材料（如MgO、CaO等）等）分类分类分类分类第四节第四节 玻玻 璃璃主主主主 要要要要原原原原 料料料料反应反应反应反应条件条件条件条件玻璃窑中发生的主要反应玻璃窑中发生的主要反应玻璃窑中发生的主要反应玻璃窑中发生的主要反应成分成分成分成分纯碱纯碱石灰石石灰石石英石英高高 温温Na2CO3+SiO2=Na2SiO3+CO2CaCO3+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，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。称为玻璃态物质。种种种种 类类类类特特特特 性性性性用用用用 途途途途普通玻璃普通玻璃再再高温下易软化高温下易软化窗窗玻璃、玻璃瓶、玻璃杯等玻璃、玻璃瓶、玻璃杯等石英玻璃石英玻璃膨胀系数小，耐酸碱，膨胀系数小，耐酸碱，强度大，滤光强度大，滤光化学仪器，高压水银灯，紫化学仪器，高压水银灯，紫外灯，光导纤维，压电晶体外灯，光导纤维，压电晶体等等光学玻璃光学玻璃透光性能好，有折光透光性能好，有折光和色散性和色散性眼镜片，照相机，显微镜，眼镜片，照相机，显微镜，望远镜用凸凹透镜等光学仪望远镜用凸凹透镜等光学仪器器玻璃纤维玻璃纤维耐耐腐蚀，不怕烧，不腐蚀，不怕烧，不导电，不吸水，隔热，导电，不吸水，隔热，吸声，防蛀虫吸声，防蛀虫太空飞行员的衣服，玻璃钢太空飞行员的衣服，玻璃钢等等钢化玻璃钢化玻璃耐耐高温，耐腐蚀，强高温，耐腐蚀，强度大，质轻，抗震裂度大，质轻，抗震裂运动器材，微波通讯器材，运动器材，微波通讯器材，汽车，火车窗玻璃等汽车，火车窗玻璃等几种玻璃的特性和用途几种玻璃的特性和用途石英玻璃石英玻璃玻璃纤维玻璃纤维第一节第一节 混合料的制备混合料的制备第二节第二节 陶瓷的成形方法陶瓷的成形方法第五章第五章 陶瓷的成形原理及工艺（二）陶瓷的成形原理及工艺（二）第一节第一节 混合料的制备混合料的制备q 混合料的计算与称料混合料的计算与称料 混合料配方的计算的两种基本形式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；）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。）根据化学成分进行的配料计算。称料时应注意的原则称料时应注意的原则：1）按组分含量由少到多的顺序称量。）按组分含量由少到多的顺序称量。2）采用累积称量法称量。）采用累积称量法称量。q 混混 料料 混料的两种基本形式混料的两种基本形式：1）干混）干混 2）湿混）湿混 根据计算的结果称料，多种组分的原料经过一定的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。）程可同时实现粉碎和混合的双重目的。）q 塑塑 化化 对于特种陶瓷，由于坯料中没有可塑性，在成形时对于特种陶瓷，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。会出现裂纹，因此有必要在成形前进行塑化处理。常用的塑化剂常用的塑化剂：1）无机塑化剂：粘土等）无机塑化剂：粘土等 2）有机塑化剂：）有机塑化剂：粘结剂（如聚乙烯醇）粘结剂（如聚乙烯醇）粘结剂（如聚乙烯醇）粘结剂（如聚乙烯醇）增塑剂（如甘油）增塑剂（如甘油）增塑剂（如甘油）增塑剂（如甘油）溶剂溶剂溶剂溶剂 （如无水乙醇）（如无水乙醇）（如无水乙醇）（如无水乙醇）有机塑化剂有机塑化剂有机塑化剂有机塑化剂 塑化剂选用和加入的原则塑化剂选用和加入的原则塑化剂选用和加入的原则塑化剂选用和加入的原则 1）在保证坯料一定可塑性的条件下，尽可能减少塑化）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。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）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。和排除温度等因素。q 造造 粒粒 造粒就是加入塑性剂后，将细颗粒原料制备成粒度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。较粗的混合料，以改善其流动性。第二节第二节 陶瓷的成形方法陶瓷的成形方法q 模压成形模压成形 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。成一定形状的坯体的方法。手动压制手动压制手动压制手动压制 自动压制自动压制自动压制自动压制 利用液态、气体或橡胶等作为传压介质，在三维方利用液态、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。两种形式。q 冷等静压成形冷等静压成形湿式湿式湿式湿式冷等静压（液体为传压介质）冷等静压（液体为传压介质）干式干式干式干式冷等静压（气体或弹性体为传压介质）冷等静压（气体或弹性体为传压介质）冷等静压冷等静压 以水为溶剂、粘土为粘结剂和陶瓷粉体混合，配制以水为溶剂、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。形状的石膏模中成形的方法。q 注浆法成形注浆法成形 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。铸造成形。q 热压铸成形热压铸成形 1）料浆的制备：）料浆的制备：将经过陶瓷粉体与将经过陶瓷粉体与612石蜡和石蜡和0.1 1硬脂酸或油酸表面活性剂加热到硬脂酸或油酸表面活性剂加热到6080再与熔再与熔 化的石蜡混合即可。化的石蜡混合即可。2）压铸：）压铸：在压缩空气作用下充型，保压冷却，脱模。在压缩空气作用下充型，保压冷却，脱模。借鉴金属的挤借鉴金属的挤压成形和轧制成压成形和轧制成形工艺。形工艺。q 塑性成形塑性成形 将具有将具有可塑性的泥可塑性的泥料，通过挤料，通过挤机嘴成形。机嘴成形。挤制成形挤制成形挤制成形挤制成形 将陶瓷粉体和粘结剂、溶剂等置于置于轧辊上混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；调整层厚膜；调整轧辊间距，反轧辊间距，反复轧制，可制复轧制，可制得薄片瓷坯。得薄片瓷坯。轧膜成形轧膜成形轧膜成形轧膜成形 一般用于制备厚度一般用于制备厚度 80m的的坯片。坯片。q 带式成形带式成形第一节第一节 陶瓷的烧结理论陶瓷的烧结理论第二节第二节 陶瓷的烧结方法陶瓷的烧结方法第三节第三节 陶瓷烧结后的处理陶瓷烧结后的处理第五章第五章 陶瓷的烧结原理及工艺（三）陶瓷的烧结原理及工艺（三）第一节第一节 陶瓷的烧结理论陶瓷的烧结理论q 概概 述述 定定 义义：烧结是指高温条件下，坯体表面积减小，孔隙率降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。低、机械性能提高的致密化过程。烧结驱动力烧结驱动力：粉体的表面能降低和系统自由能降低。粉体的表面能降低和系统自由能降低。烧结的主要阶段烧结的主要阶段：1）烧结前期阶段（坯体入炉）烧结前期阶段（坯体入炉90致密化）致密化）粘结剂等的脱除：如石蜡在粘结剂等的脱除：如石蜡在250400全部汽化全部汽化 挥发。挥发。随着烧结温度升高，原子扩散加剧，孔隙缩小，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。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。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）烧结后期阶段 孔隙的消除：孔隙的消除：晶界上的物质不断扩散到孔隙处，晶界上的物质不断扩散到孔隙处，使孔隙逐渐消除。使孔隙逐渐消除。晶粒长大：晶粒长大：晶界移动，晶粒长大。晶界移动，晶粒长大。烧结的分类烧结的分类：固相烧结（只有固相传质）固相烧结（只有固相传质）液相烧结（出现液相）液相烧结（出现液相）气相烧结（蒸汽压较高）气相烧结（蒸汽压较高）烧烧 结结q 烧结过程的物质传递烧结过程的物质传递气相传质（蒸发与凝聚为主）气相传质（蒸发与凝聚为主）固相传质（扩散为主）固相传质（扩散为主）液相传质（溶解和沉淀为主）液相传质（溶解和沉淀为主）烧结过程烧结过程中的物质中的物质传递传递q 影响烧结的因素影响烧结的因素原料粉末的粒度原料粉末的粒度烧结温度烧结温度烧结时间烧结时间烧结气氛烧结气氛影响因素影响因素第二节第二节 陶瓷的烧结方法陶瓷的烧结方法q 烧结分类烧结分类常压烧结常压烧结压力烧结压力烧结按压力分类按压力分类普通烧结普通烧结氢气烧结氢气烧结真空烧结真空烧结按气氛分类按气氛分类固相烧结固相烧结液相烧结液相烧结气相烧结气相烧结活化烧结活化烧结反应烧结反应烧结按反应分类按反应分类q 常见的烧结方法常见的烧结方法 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。窑中进行烧结。普通烧结普通烧结普通烧结普通烧结 热压烧结热压烧结热压烧结热压烧结 热压烧结是在烧结过程中同时对坯料施加压力，加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。间更短。将粉体压坯或装入包套的粉体放入高压容器中，在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。高温和均衡的气体压力作用下，烧结成致密的陶瓷体。热等静压烧结热等静压烧结热等静压烧结热等静压烧结 真空烧结真空烧结真空烧结真空烧结 将粉体压坯放入到真空炉中进行烧结。真空烧结有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。致密化。反应烧结、气相沉积成形、高温自蔓延（反应烧结、气相沉积成形、高温自蔓延（SHS）烧烧结、等离子烧结、电火花烧结、电场烧结、超高压烧结、结、等离子烧结、电火花烧结、电场烧结、超高压烧结、微波烧结等微波烧结等 其他烧结方法其他烧结方法其他烧结方法其他烧结方法第三节第三节 陶瓷烧结的后处理陶瓷烧结的后处理q 表面施釉表面施釉釉浆制备釉浆制备涂涂 釉釉烧烧 釉釉 工艺过程工艺过程工艺过程工艺过程 表面施釉是通过高温加热，在陶瓷表面烧附一层玻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。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。工方法对其进行处理。q 陶瓷的加工陶瓷的加工q 陶瓷的封接陶瓷的封接 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。接、烧结金属粉末封装等。