功能陶瓷的生产工艺过程.pptx

新型陶瓷与传统陶瓷的区别新型陶瓷与传统陶瓷的区别1、原料及其加工工艺区区 别别传统陶瓷传统陶瓷新型陶瓷新型陶瓷原材料原材料天然矿物原料天然矿物原料人工精制合成原料人工精制合成原料成成 型型可塑、注浆、挤压可塑、注浆、挤压干压、等静压、挤压、轧膜、流干压、等静压、挤压、轧膜、流延、热压铸延、热压铸烧烧 成成温度在温度在1350以下，燃以下，燃料以煤、油、气为主料以煤、油、气为主结构陶瓷烧结温度很高结构陶瓷烧结温度很高（1600），功能陶瓷需精确控），功能陶瓷需精确控制温度，燃料以电为主制温度，燃料以电为主加加 工工一般不需加工一般不需加工切割、打孔、研磨、抛光等切割、打孔、研磨、抛光等性性 能能以外观效果为主以外观效果为主侧重力学性能侧重力学性能以内在性能为主：耐磨、耐温、以内在性能为主：耐磨、耐温、耐腐蚀、高强度及各种敏感性耐腐蚀、高强度及各种敏感性用用 途途 日用、建筑、卫生装饰日用、建筑、卫生装饰和艺术品和艺术品 宇航、能源、冶金、化工、交通、宇航、能源、冶金、化工、交通、电子、家电等行业电子、家电等行业第1页/共40页新型陶瓷展望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、原料及其加工工艺第2页/共40页原料分类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、原料及其加工工艺第3页/共40页原料的评价与选择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、原料及其加工工艺第4页/共40页原料粉碎原料粉碎 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、原料及其加工工艺第5页/共40页原料粉碎原料粉碎 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、原料及其加工工艺第6页/共40页原料粉碎原料粉碎 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 CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2)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、原料及其加工工艺第7页/共40页粉料的活化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、原料及其加工工艺第8页/共40页Pb0.91La0.09(Zr0.65Ti0.35)O3配方计配方计算算2、配料计算陶瓷陶瓷原料原料原料纯原料纯度度（A）摩尔摩尔质量质量（M）摩尔摩尔比（比（x）相对重相对重量量（W=xW）百分百分含量含量实际实际投量投量PLZTPb3O496%685.600.91/3207.9762.896551La2O394%325.800.09/214.664.43471ZrO298%123.220.65 180.0924.222471TiO295%79.900.35 127.978.46891第9页/共40页原料预处理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、粉料制备第10页/共40页粉料制备工艺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、粉料制备第11页/共40页粉料的塑化粉料的塑化 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、粉料制备第12页/共40页粉料的塑化粉料的塑化 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、粉料制备第13页/共40页粉料的造粒粉料的造粒 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、粉料制备第14页/共40页粉料的造粒粉料的造粒 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、粉料制备第15页/共40页4、成型第16页/共40页干压成型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、成型第17页/共40页等静压成型等静压成型4、成型第18页/共40页流延法成型流延法成型 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、成型第19页/共40页流延法成型流延法成型 24、成型第20页/共40页注浆成型注浆成型4、成型第21页/共40页热压铸成型热压铸成型 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、成型第22页/共40页热压铸成型热压铸成型 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、成型第23页/共40页热压铸成型热压铸成型 34、成型第24页/共40页热压铸成型热压铸成型 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、成型第25页/共40页热压铸成型热压铸成型 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、成型第26页/共40页热压铸成型热压铸成型 64、成型第27页/共40页烧结过程体系中的自由能变化烧结过程体系中的自由能变化5、烧成第28页/共40页烧结推动力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、烧结第29页/共40页烧结模型烧结模型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x5、烧结第30页/共40页烧结传质机理烧结传质机理5、烧结传质方式传质方式蒸发蒸发-凝聚凝聚扩散扩散流动流动溶解溶解-沉淀沉淀原因原因压力差压力差 P空位浓度差空位浓度差 C应力应力-应变应变溶解度溶解度 C条件条件 P 1-10 Par n0/Nr f可观的液相量可观的液相量固相在液相中溶解度大固相在液相中溶解度大固固-液润湿液润湿特点特点凸面蒸发，凹面凸面蒸发，凹面凝聚凝聚 L/L=0空位与结构基元相空位与结构基元相对扩散对扩散中心距缩短中心距缩短流动同时引起颗粒重排流动同时引起颗粒重排 L/L t 致密化速率最致密化速率最高高接触点溶解到平面上沉积，接触点溶解到平面上沉积，小颗粒溶解到大颗粒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传质同时又是晶粒生长过程公式公式x/r=Kr-2/3t1/3x/r=Kr-3/5t1/5 L/L=Kr-6/5t2/5 L/L=3/2/r td/dt=K(1-)/rx/r=Kr-2/3t1/6 L/L=Kr-4/3t1/3工艺控制工艺控制温度（蒸气压）温度（蒸气压）粒度粒度温度（扩散系数）温度（扩散系数）粒度粒度粘度粘度粒度粒度粒度粒度温度（溶解度）温度（溶解度）粘度粘度液相数量液相数量第31页/共40页烧结工艺烧结工艺升温阶段 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：0.95TS-1.05TS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、烧结第32页/共40页热锻、热拉和热轧热锻、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 -Al2O3、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、陶瓷材料的热加工第33页/共40页急冷和缓冷急冷和缓冷急冷（淬火）：油冷、风冷保留高温相组成，避免缓冷过程中的分凝、析晶、相变产生表面压应力，提高坯体的拉伸强度 独石电容器缓冷（退火）促使晶粒长大、分凝、析晶、相变 微波陶瓷、晶界层电容器消除表面、内部应力，使相平衡过程充分进行6、陶瓷材料的热加工第34页/共40页机械加工机械加工机床：专用超精度加工机床 高精度、高生产率、高可靠性、高重复性刀具 金刚石刀具硬度、刚度大、寿命长，加工稳定、精密金刚石刀口可以磨成数纳米，切削量小于亚微米级切削点能保持较低的温度7、陶瓷材料的冷加工第35页/共40页银电极浆料的制备银电极浆料的制备 1瓷介电容器电极浆料要求浆料中银含量大于65%烧渗温度合适粘度合适存放时间和使用寿命长银浆组成银及其化合物助熔剂：Bi2O3、PbB4O7；各种熔块粘合剂：悬浮能力、粘结性、挥发性8、陶瓷材料的表面金属化第36页/共40页银电极浆料的制备银电极浆料的制备 2银粉的制备抗坏血酸还原法 C6H8O6+2AgNO32Ag+C6H6O6+2HNO3 酸性水溶液，乙二醇或丙三醇作为分散剂三乙醇胺还原法 2AgNO3+Na2CO3Ag2CO3+2NaNO3 6Ag2CO3+N(CH2CH2OH)312Ag+N(CH2COOH)3+6CO2+3H2O氧化银的制备碳酸银分解法硝酸银与氢氧化钠反应法8、陶瓷材料的表面金属化第37页/共40页被银工艺被银工艺瓷体表面的清洁处理30-60热皂水超声清洗，50-80清水冲洗100-140烘干被银方法涂布法：手工、机械印刷法 丝 网 印 刷 机：200目 左 右 的 尼 龙 丝 网、20-30m涤纶模片、括板、真空吸片装置喷银法：银浆浪费严重，特殊情况下使用8、陶瓷材料的表面金属化第38页/共40页烧渗银工艺烧渗银工艺室温-400粘合剂挥发、分解、炭化、燃烧；银开始还原升温要慢，加强通风400-500：氧化银还原，升温可以较快500-烧渗银终了温度助熔剂熔化，银层本身结合，银与瓷件表面结合最佳烧银温度：形成附着力大、可焊性好、表面光滑、致密、导电性良好的银层降温冷却过程：随炉冷却，防止瓷件炸裂8、陶瓷材料的表面金属化第39页/共40页感谢您的观看。第40页/共40页