第五章陶瓷材料..ppt

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1、第五章陶瓷材料第五章陶瓷材料1一、陶瓷材料与功能陶瓷一、陶瓷材料与功能陶瓷1、陶瓷材料陶瓷材料的发展概况的发展概况2、功能陶瓷功能陶瓷的定义、范围和分类的定义、范围和分类3、功能陶瓷功能陶瓷的性能与工艺特征的性能与工艺特征4、功能陶瓷功能陶瓷的应用和展望的应用和展望5、制备、制备陶瓷材料的原料陶瓷材料的原料 21、陶瓷材料的发展概况、陶瓷材料的发展概况陶瓷陶瓷在人类在人类生活和社会建设生活和社会建设中是不中是不可缺少的材料，它和可缺少的材料，它和金属材料金属材料、高分子高分子材料材料并列为当代并列为当代三大固体材料三大固体材料。3我国的我国的陶瓷研究陶瓷研究历史悠久历史悠久、成就辉煌、成就辉煌

2、，它是中华文明的伟大象征之一，在我国它是中华文明的伟大象征之一，在我国的的文化和发展史上文化和发展史上占有极其重要的地位。占有极其重要的地位。4陶瓷的研究进程分为三个阶段陶瓷的研究进程分为三个阶段新石器时代新石器时代先进陶瓷阶段先进陶瓷阶段纳米陶瓷阶段纳米陶瓷阶段5新石器时代新石器时代远在远在几干年前几干年前的的新石器时代新石器时代新石器时代新石器时代，我们的祖先就，我们的祖先就已经用已经用天然黏土天然黏土天然黏土天然黏土作原料，塑造成各种器皿，再作原料，塑造成各种器皿，再在在火堆中火堆中烧成坚硬的可重复使用的烧成坚硬的可重复使用的陶器陶器陶器陶器，由于，由于烧成烧成温度较低温度较低，陶瓷仅是

3、一种含有，陶瓷仅是一种含有较多气孔较多气孔较多气孔较多气孔、质地疏质地疏质地疏质地疏松松松松的的未完全烧成未完全烧成制品。制品。67釉釉以以石英石英、长石长石、硼砂硼砂、黏土黏土等为原料制成等为原料制成的东西，涂在瓷器、陶器外面，烧制后的东西，涂在瓷器、陶器外面，烧制后发出玻发出玻发出玻发出玻璃光泽璃光泽璃光泽璃光泽，可增加陶瓷的，可增加陶瓷的机械强度机械强度和和绝缘性能绝缘性能。8以后大约在以后大约在2000年前的年前的东汉晚期东汉晚期东汉晚期东汉晚期，人们利，人们利用用含铝较高的天然瓷土含铝较高的天然瓷土含铝较高的天然瓷土含铝较高的天然瓷土为原料，加上为原料，加上釉釉釉釉的发明，的发明，以

4、及以及高温合成技术高温合成技术高温合成技术高温合成技术的不断改进，使陶瓷步入的不断改进，使陶瓷步入瓷瓷器阶段器阶段，这是，这是陶瓷技术发展史上陶瓷技术发展史上意义重大的里意义重大的里程碑。程碑。9瓷器瓷器烧成温度高烧成温度高，质地致密坚硬质地致密坚硬，表，表面有面有光亮的釉彩光亮的釉彩。随着科学进步与发展，由随着科学进步与发展，由瓷器瓷器又衍生又衍生出许多种类的出许多种类的陶瓷陶瓷。10陶瓷陶瓷都是以都是以黏土黏土为主要原料与其他为主要原料与其他天天然矿物原料然矿物原料经经粉碎混炼粉碎混炼成形成形一一煅烧煅烧等等过程制成的。过程制成的。如常见的如常见的日用陶瓷日用陶瓷、建筑陶瓷建筑陶瓷、电电瓷

5、瓷等传统陶瓷。等传统陶瓷。11由于由于陶瓷陶瓷的主要原料取之于自然界的主要原料取之于自然界的的硅酸盐矿物硅酸盐矿物(如如黏土黏土、长石长石、石英石英等等)，所以可归为，所以可归为硅酸盐类材料和制品硅酸盐类材料和制品。从从原始瓷器原始瓷器的出现到的出现到近代的传统陶近代的传统陶瓷瓷，这一阶段持续了四千余年。，这一阶段持续了四千余年。12先进陶瓷阶段先进陶瓷阶段20世纪以来，随着人类对世纪以来，随着人类对宇宙的探索宇宙的探索、原子原子能工业的兴起能工业的兴起和和电子工业电子工业的迅速发展，从的迅速发展，从性质性质性质性质、品种品种品种品种到到质量质量质量质量等方面，对等方面，对陶瓷材料陶瓷材料陶瓷

6、材料陶瓷材料均提出均提出越来越高越来越高的要求的要求。从而，促使。从而，促使陶瓷材料陶瓷材料陶瓷材料陶瓷材料发展成为一系列发展成为一系列具具有特殊功能的有特殊功能的无机非金属材料无机非金属材料无机非金属材料无机非金属材料。13如如氧化物陶瓷氧化物陶瓷、压电陶瓷压电陶瓷、金属陶金属陶瓷瓷等各种等各种高温和功能陶瓷高温和功能陶瓷。这时，陶瓷研究进入第二个阶段这时，陶瓷研究进入第二个阶段先进陶瓷阶段先进陶瓷阶段。14先进陶瓷先进陶瓷先进陶瓷先进陶瓷（Advanced ceramics）又称又称现代陶瓷现代陶瓷现代陶瓷现代陶瓷，是为了有别于是为了有别于传统陶瓷传统陶瓷传统陶瓷传统陶瓷而言的。而言的。先

7、进陶瓷先进陶瓷先进陶瓷先进陶瓷有时也称为有时也称为精细陶瓷精细陶瓷精细陶瓷精细陶瓷(Fine Ceramics)、新型陶瓷新型陶瓷新型陶瓷新型陶瓷(New Ceramics)、特种陶瓷特种陶瓷特种陶瓷特种陶瓷(Special Ceramics)和和高技术陶瓷高技术陶瓷高技术陶瓷高技术陶瓷(High-Tech.Ceramics)等。等。15在在先进陶瓷阶段先进陶瓷阶段先进陶瓷阶段先进陶瓷阶段，陶瓷制备技术陶瓷制备技术飞速发展。飞速发展。在在成形方面，成形方面，成形方面，成形方面，有有等静压等静压等静压等静压成形、成形、热压注热压注热压注热压注成形、成形、注注注注射射射射成形、成形、离心注浆离心注

8、浆离心注浆离心注浆成形、成形、压力注浆压力注浆压力注浆压力注浆成形等成形方法；成形等成形方法；在在烧结方面，烧结方面，烧结方面，烧结方面，则有则有热压热压热压热压烧结、烧结、热等静压热等静压热等静压热等静压烧结、烧结、反应反应反应反应烧结、烧结、快速快速快速快速烧结、烧结、微波微波微波微波烧结、烧结、自蔓延自蔓延自蔓延自蔓延烧结等。烧结等。16在在先进陶瓷阶段先进陶瓷阶段先进陶瓷阶段先进陶瓷阶段，采用的采用的原料原料原料原料已不再使用或已不再使用或很少使用很少使用黏土黏土黏土黏土等传统原料，而已扩大到等传统原料，而已扩大到化工原料化工原料化工原料化工原料和和合成矿物合成矿物合成矿物合成矿物，甚

9、至是，甚至是非硅酸盐非硅酸盐非硅酸盐非硅酸盐、非氧化物非氧化物非氧化物非氧化物原料，原料，组成范围组成范围也延伸到也延伸到无机非金属材料无机非金属材料无机非金属材料无机非金属材料范围。范围。17此时可认为，此时可认为，广义的陶瓷概念广义的陶瓷概念已已是是用陶瓷生产方法用陶瓷生产方法制造的制造的无机非金属无机非金属固体材料固体材料和和制品制品的统称。的统称。18但是，但是，这一阶段的先进陶瓷这一阶段的先进陶瓷，无论从，无论从原料原料、显微结构显微结构中所体现的中所体现的晶粒晶粒、晶界晶界、气孔气孔、缺陷缺陷等等在尺度上在尺度上还只是处在还只是处在微米级微米级的水平，故又可称之为的水平，故又可称之

10、为微米级先进陶瓷微米级先进陶瓷。19纳米陶瓷阶段纳米陶瓷阶段到到20世纪世纪90年代，陶瓷研究已进入第三个阶年代，陶瓷研究已进入第三个阶段段-纳米陶瓷阶段纳米陶瓷阶段纳米陶瓷阶段纳米陶瓷阶段。所谓所谓纳米陶瓷纳米陶瓷纳米陶瓷纳米陶瓷，是指，是指显微结构中的物相显微结构中的物相就有就有纳米级尺度纳米级尺度的陶瓷材料。它包括的陶瓷材料。它包括晶粒尺寸晶粒尺寸晶粒尺寸晶粒尺寸、晶界晶界晶界晶界宽度宽度宽度宽度、第二相分布第二相分布第二相分布第二相分布、气孔尺寸气孔尺寸气孔尺寸气孔尺寸、缺陷尺寸缺陷尺寸缺陷尺寸缺陷尺寸等均等均在在纳米量级的尺度上纳米量级的尺度上。2021222324纳米陶瓷纳米陶瓷是

11、当今是当今陶瓷材料研究中陶瓷材料研究中一个一个十分重要的发展趋向，它将促使十分重要的发展趋向，它将促使陶瓷材料陶瓷材料的研究的研究从工艺到理论从工艺到理论、从性能到应用从性能到应用都提都提高到一个崭新的阶段。高到一个崭新的阶段。252、功能陶瓷的定义、范围和分类功能陶瓷的定义、范围和分类从性能上从性能上可把可把先进陶瓷先进陶瓷分为分为结构陶瓷结构陶瓷(Structral ceramics)和和功能陶瓷功能陶瓷(Functional Ceramics)两大类。两大类。26结构陶瓷结构陶瓷是指具有是指具有力学力学和和机械性能机械性能及部及部分分热学热学和和化学功能化学功能的先进陶瓷的先进陶瓷(现代

12、陶瓷现代陶瓷)，特别特别适于高温下应用的适于高温下应用的则称为则称为高温结构陶瓷高温结构陶瓷。27功能陶瓷功能陶瓷是指那些利用是指那些利用电电、磁磁、声声、光光、热热、力力等等直接效应直接效应及其及其耦合效应耦合效应所提所提供的供的一种或多种性质一种或多种性质来实现某种来实现某种使用功能使用功能的先进陶瓷的先进陶瓷(现代陶瓷现代陶瓷)。28功能陶瓷的特点功能陶瓷的特点品种多品种多、产量大产量大、价格低价格低、应用广应用广、功能全功能全、技术高技术高、更新快更新快。29通过对通过对复杂多元氧化物系统复杂多元氧化物系统复杂多元氧化物系统复杂多元氧化物系统的的化学、物理及化学、物理及组成、结构、性能

13、和使用效能组成、结构、性能和使用效能间相互关系的研究，间相互关系的研究，已陆续发现了一大批具有已陆续发现了一大批具有优异性能或特殊功能的优异性能或特殊功能的优异性能或特殊功能的优异性能或特殊功能的功能陶瓷功能陶瓷功能陶瓷功能陶瓷，并可借助于，并可借助于离子置换离子置换、掺杂掺杂等方法等方法调调节、优化其性能节、优化其性能，功能陶瓷材料研究已开始从，功能陶瓷材料研究已开始从经经经经验式的探索验式的探索验式的探索验式的探索逐步走向逐步走向按所需性能来进行材料设计按所需性能来进行材料设计按所需性能来进行材料设计按所需性能来进行材料设计。303、功能陶瓷的性能与工艺特征、功能陶瓷的性能与工艺特征陶瓷功

14、能陶瓷功能陶瓷功能陶瓷功能的实现，主要取决于它所具有的的实现，主要取决于它所具有的各种性能各种性能各种性能各种性能，而在，而在某一类性能某一类性能某一类性能某一类性能范围中，又必须针范围中，又必须针对对具体应用具体应用具体应用具体应用，去，去改善、提高某种有效的性能改善、提高某种有效的性能，以获得有以获得有某种功能某种功能的陶瓷材料。的陶瓷材料。31例如，就陶瓷的例如，就陶瓷的电学功能电学功能电学功能电学功能而言，要改善而言，要改善压压压压电陶瓷电陶瓷电陶瓷电陶瓷在大功率使用下在大功率使用下的功能，就必须首先的功能，就必须首先改改进陶瓷材料的进陶瓷材料的机电损耗特性机电损耗特性机电损耗特性机电

15、损耗特性；为改善为改善滤波器陶瓷性能滤波器陶瓷性能滤波器陶瓷性能滤波器陶瓷性能，则要从，则要从提高材料提高材料的的频率变化时间频率变化时间频率变化时间频率变化时间和和温度的稳定性温度的稳定性温度的稳定性温度的稳定性入手；入手；32对于对于集成电路基片陶瓷集成电路基片陶瓷，需改善其，需改善其绝绝缘电阻缘电阻和和导热性能导热性能；为改善作避雷器使用的为改善作避雷器使用的压敏陶瓷压敏陶瓷的功的功能，则需提高其能，则需提高其通流容量通流容量和和非线性系数非线性系数。33一般来说，要一般来说，要从性能的改进从性能的改进从性能的改进从性能的改进来来改善陶瓷材改善陶瓷材改善陶瓷材改善陶瓷材料的功能料的功能料

16、的功能料的功能，需从以下两个方面入手：，需从以下两个方面入手：通过通过改变外界条件改变外界条件改变外界条件改变外界条件，即，即改变工艺条件改变工艺条件改变工艺条件改变工艺条件以以改善和提高改善和提高陶瓷材料的性能陶瓷材料的性能陶瓷材料的性能陶瓷材料的性能，达到获得优质材，达到获得优质材料的目的。料的目的。34从材料的组成上从材料的组成上直接直接调节调节、优化优化其内其内在的品质在的品质，包括采用，包括采用非化学式计量非化学式计量、离子置离子置换换、添加不同类型杂质添加不同类型杂质，使不同相在微观级，使不同相在微观级复合，进而形成不同性质的晶界层等。复合，进而形成不同性质的晶界层等。35一般工艺

17、条件一般工艺条件是指是指原料的原料的物理化学性质物理化学性质和和状态状态、加工成型方法加工成型方法和和条件条件、烧成制度烧成制度和和烧结状态烧结状态，以及，以及成品的加工方法成品的加工方法和和条件条件等。等。无论是无论是改变组成改变组成还是还是改变工艺改变工艺，最终都，最终都是通过是通过材料材料微观结构的变化微观结构的变化，才能体现出，才能体现出宏宏观的功能变化观的功能变化。36因此，要想达到因此，要想达到自控设计材料自控设计材料自控设计材料自控设计材料，或者进行，或者进行局局局局部的性能改善部的性能改善部的性能改善部的性能改善，必须综合考虑，必须综合考虑组成组成、工艺工艺、微观微观结构结构等

18、诸多因素，这是个系统工程。等诸多因素，这是个系统工程。下图表示了下图表示了陶瓷功能陶瓷功能与与组成、工艺、性能和组成、工艺、性能和结构结构的关系。的关系。37陶瓷功能与组成、工艺、性能、结构的关系陶瓷功能与组成、工艺、性能、结构的关系384、功能陶瓷的应用和展望、功能陶瓷的应用和展望功能陶瓷功能陶瓷的不断开发，对的不断开发，对科学技术的科学技术的发展发展起了巨大促进作用，功能陶瓷的起了巨大促进作用，功能陶瓷的应用应用领域领域也随之更为广泛。也随之更为广泛。39目前，目前，功能陶瓷功能陶瓷主要用于主要用于电、磁、光、电、磁、光、声、热和化学声、热和化学等等信息的检测信息的检测、转换转换、传输传输

19、、处理处理和和存储存储等，并已在电子信息、等，并已在电子信息、集成电路集成电路、计算机计算机、能源工程能源工程、超声换能、超声换能、人工智能人工智能、生物工程生物工程等众多等众多近代科技领域近代科技领域显示出广阔的显示出广阔的应用前景。应用前景。40根据功能陶瓷根据功能陶瓷组成结构的组成结构的易调性易调性和和可可控性控性，可以制备，可以制备超高绝缘性超高绝缘性、绝缘性绝缘性、半半导性导性、导电性导电性和和超导电性超导电性陶瓷；陶瓷；41根据功能陶瓷根据功能陶瓷能量转换能量转换和和耦合特性耦合特性，可，可以制备以制备压电压电、光电光电、热电热电、磁电磁电和和铁电铁电等陶等陶瓷；瓷；根据功能陶瓷对

20、根据功能陶瓷对外场条件的敏感效应外场条件的敏感效应，则可制备则可制备热敏热敏、气敏气敏、湿敏湿敏、压敏压敏、磁敏磁敏和和光敏光敏等敏感陶瓷。等敏感陶瓷。42二十世纪二十世纪90年代，开始的年代，开始的纳米功能陶纳米功能陶瓷瓷的研究，表明人们已开始深入到的研究，表明人们已开始深入到介于宏介于宏观与原子尺度的纳米层次观与原子尺度的纳米层次来研究功能陶瓷来研究功能陶瓷的的性能与结构性能与结构，以期进一步开拓，以期进一步开拓功能陶瓷功能陶瓷新的应用领域。新的应用领域。43无论从无论从应用的广度应用的广度应用的广度应用的广度，还是，还是市场占有率市场占有率市场占有率市场占有率来看，在来看，在当前及以后相

21、当一段时间内，当前及以后相当一段时间内，功能陶瓷功能陶瓷功能陶瓷功能陶瓷在现代陶瓷在现代陶瓷中中仍将占据主导地位。仍将占据主导地位。因此，因此，功能陶瓷功能陶瓷功能陶瓷功能陶瓷今后今后在性能方面在性能方面应向着应向着高效能高效能高效能高效能、高可靠性高可靠性高可靠性高可靠性、低损耗低损耗低损耗低损耗、多功能多功能多功能多功能、超高功能超高功能超高功能超高功能以及以及智能化智能化智能化智能化方向发展。方向发展。44在在设备技术方面设备技术方面向着向着多层多层、多相多相乃至乃至超微细结构的调控超微细结构的调控与与复合复合、低温低温活化烧结活化烧结、立体布线立体布线、超细超纯超细超纯、薄薄膜技术膜技

22、术等方向发展。等方向发展。45在在材料及应用方面材料及应用方面材料及应用方面材料及应用方面的的主要研究方向主要研究方向应包括：应包括：智能化敏感陶瓷智能化敏感陶瓷智能化敏感陶瓷智能化敏感陶瓷及其及其传感器传感器传感器传感器；高转换率高转换率高转换率高转换率、高可靠性高可靠性高可靠性高可靠性、低损耗低损耗低损耗低损耗、大功率大功率大功率大功率的的压压压压电陶瓷电陶瓷电陶瓷电陶瓷及其及其换能器换能器换能器换能器；46超高速大容量超高速大容量超导计算机超导计算机用用光纤陶瓷材料光纤陶瓷材料光纤陶瓷材料光纤陶瓷材料；多层封装多层封装立体布线立体布线用的用的高导热低介电常数高导热低介电常数高导热低介电常

23、数高导热低介电常数陶瓷基板材料陶瓷基板材料陶瓷基板材料陶瓷基板材料；量大面广量大面广、低烧低烧、高比容高比容、高稳定性高稳定性的的多多多多层陶瓷电容器材料层陶瓷电容器材料层陶瓷电容器材料层陶瓷电容器材料等。等。475、制备陶瓷材料的原料、制备陶瓷材料的原料陶瓷材料制品陶瓷材料制品陶瓷材料制品陶瓷材料制品由多相的由多相的无机非金属材料无机非金属材料无机非金属材料无机非金属材料所构成，所构成，所用原料大部分是所用原料大部分是天然的矿物原料天然的矿物原料天然的矿物原料天然的矿物原料或或岩石原料岩石原料岩石原料岩石原料，其，其中多为中多为硅酸盐矿物硅酸盐矿物硅酸盐矿物硅酸盐矿物。48这些这些天然的矿物

24、原料天然的矿物原料天然的矿物原料天然的矿物原料或或岩石原料岩石原料岩石原料岩石原料种类繁多种类繁多，资源蕴藏丰富资源蕴藏丰富，且，且分布极广分布极广。某些某些陶瓷材料制品陶瓷材料制品陶瓷材料制品陶瓷材料制品对原料的要求很高，需对原料的要求很高，需要采用要采用均一均一均一均一且且高纯度高纯度高纯度高纯度的的人工合成原料人工合成原料。49(1)原料分类原料分类通常，通常，陶瓷原料的分类陶瓷原料的分类是根据是根据不同的不同的工艺特性工艺特性、传统习惯传统习惯及及原料性质原料性质等不同角等不同角度进行的。综合起来，可分为以下四类：度进行的。综合起来，可分为以下四类：50 根据根据原料工艺特性原料工艺特

25、性分为：分为：可塑性可塑性原料原料(也称瘠性原料也称瘠性原料)、熔剂性原料熔剂性原料。根据根据原料的用途原料的用途分为：分为：瓷坯原料瓷坯原料、瓷釉原料瓷釉原料、色彩色彩及及彩料原料彩料原料。51根据根据原料的矿物组成原料的矿物组成分为：分为：黏土质原黏土质原料料、硅质原料硅质原料、长石质原料长石质原料、钙质原料钙质原料、镁、镁质原料质原料。根据根据原料获得的方式原料获得的方式分为：分为：矿物原料矿物原料、化工原料化工原料。52陶瓷制品的结构陶瓷制品的结构陶瓷制品的结构陶瓷制品的结构是决定其是决定其性能和品质性能和品质性能和品质性能和品质的内因，的内因，而而制品的结构制品的结构是由是由原料的种

26、类原料的种类原料的种类原料的种类和和工艺过程工艺过程工艺过程工艺过程来保证的。来保证的。陶瓷制品所选用的陶瓷制品所选用的原料原料原料原料，首先是保证供给其，首先是保证供给其经经过加工后过加工后能生成能生成所需要的晶相所需要的晶相所需要的晶相所需要的晶相和和玻璃相玻璃相玻璃相玻璃相，其次是保，其次是保证能适应证能适应在加工处理过程中在加工处理过程中制品的各种工艺性能制品的各种工艺性能制品的各种工艺性能制品的各种工艺性能。53综合综合陶瓷制品陶瓷制品对于对于原料原料的两方面要求，的两方面要求，根据原料的根据原料的工艺特性工艺特性可以把所需要的可以把所需要的陶瓷原陶瓷原料料主要归纳为三大类：主要归纳

27、为三大类：具有可塑性的具有可塑性的黏土类原料黏土类原料、具有非可塑、具有非可塑性的性的石英类原料石英类原料和和熔剂原料熔剂原料。54一般来说，一般来说，黏土类原料黏土类原料黏土类原料黏土类原料往往是既有往往是既有加工所需加工所需的可塑性的可塑性，也能在烧成后，也能在烧成后形成结构晶相形成结构晶相的原料；的原料；石英类原料石英类原料石英类原料石英类原料既是既是非可塑性原料非可塑性原料，同时也是，同时也是能能生成晶相的原料生成晶相的原料；熔剂原料熔剂原料熔剂原料熔剂原料也具有也具有非可塑性质非可塑性质。55除上述的除上述的陶瓷坯体陶瓷坯体中所需的三大原料外，中所需的三大原料外，陶瓷釉料陶瓷釉料还常

28、常需用各种特殊的还常常需用各种特殊的熔剂原料熔剂原料，包括采用各种化工原料。包括采用各种化工原料。陶瓷工业中需用的陶瓷工业中需用的辅助材料辅助材料主要是主要是石膏石膏和和耐火材料耐火材料，以及，以及各种外加剂各种外加剂如如助磨剂助磨剂、助助滤剂滤剂、解凝剂解凝剂、增塑剂增塑剂和和增强剂增强剂等。等。56(2)黏土类原料黏土类原料黏土类原料黏土类原料黏土类原料黏土类原料是是日用陶瓷日用陶瓷和和工业用陶瓷工业用陶瓷的主的主要原料之一。要原料之一。黏土是多种黏土是多种微细的矿物微细的矿物微细的矿物微细的矿物的混合体，其矿物的混合体，其矿物的粒径多数小于的粒径多数小于2um，主要是由主要是由黏土矿物黏

29、土矿物黏土矿物黏土矿物和和其其其其他矿物他矿物他矿物他矿物组成的并组成的并具有一定持性具有一定持性的的(其中主要是其中主要是具有可塑性具有可塑性)土状岩石土状岩石土状岩石土状岩石。57我国我国黏土原料黏土原料黏土原料黏土原料资源丰富，产地遍及全国。资源丰富，产地遍及全国。黏土的主要矿物黏土的主要矿物黏土的主要矿物黏土的主要矿物：高岭石高岭石类、类、蒙脱石蒙脱石类、类、伊利石伊利石类和类和水铝英石水铝英石。黏土的组成黏土的组成黏土的组成黏土的组成：黏土的组成可从几个方面来：黏土的组成可从几个方面来分析，一般可从分析，一般可从矿物组成矿物组成、化学组成化学组成和和颗粒组颗粒组成成三个方面来进行分析

30、。三个方面来进行分析。58黏土的性质黏土的性质黏土的性质对黏土的性质对陶瓷的生产陶瓷的生产有很大的影有很大的影响。它主要包括响。它主要包括可塑性可塑性、结合性结合性、离子交、离子交换性、换性、触变性触变性、干燥收缩干燥收缩和和烧成收缩烧成收缩、烧烧结温度结温度与与烧结范围烧结范围和和耐火度耐火度等。等。59黏土的工艺性质黏土的工艺性质主要取决于黏土的主要取决于黏土的矿物组成矿物组成、化学化学组成组成与与颗粒组成颗粒组成。其中，。其中，矿物组成矿物组成是基是基本因素。本因素。60黏土的加热变化黏土的加热变化黏土的加热变化黏土的加热变化：黏土是陶瓷的主要原料，陶：黏土是陶瓷的主要原料，陶瓷瓷在烧成

31、过程中在烧成过程中所发生的一系列所发生的一系列物理和化学变化物理和化学变化，是在是在黏土加热变化的基础上黏土加热变化的基础上进行的，因此进行的，因此黏土的加黏土的加黏土的加黏土的加热变化热变化热变化热变化是陶瓷制品烧成的基本理论基础。是陶瓷制品烧成的基本理论基础。黏土黏土在加热过程中的变化在加热过程中的变化包括两个阶段：包括两个阶段：脱水脱水脱水脱水阶段阶段阶段阶段与与脱水后产物的继续转化阶段脱水后产物的继续转化阶段脱水后产物的继续转化阶段脱水后产物的继续转化阶段。61黏土在陶瓷生产中的作用黏土在陶瓷生产中的作用黏土在陶瓷生产中的作用黏土在陶瓷生产中的作用：黏土之所以作为陶：黏土之所以作为陶瓷

32、制品的主要原料，是由于瓷制品的主要原料，是由于其赋予泥料其赋予泥料具有具有可塑性可塑性可塑性可塑性和和烧结性烧结性烧结性烧结性，这也是在，这也是在发现和发明陶瓷制品的过程中发现和发明陶瓷制品的过程中，充分利用了黏土的这一特性，才创造出多姿多彩的充分利用了黏土的这一特性，才创造出多姿多彩的各类陶瓷制品。各类陶瓷制品。62因此，因此，有了黏土有了黏土有了黏土有了黏土才有了才有了与人类文明发展有与人类文明发展有重大关系的重大关系的陶瓷制品陶瓷制品陶瓷制品陶瓷制品。黏土黏土黏土黏土作为主要原料作为主要原料对对陶瓷生产的影响陶瓷生产的影响陶瓷生产的影响陶瓷生产的影响是巨是巨大的，黏土不仅能保证大的，黏土

33、不仅能保证陶瓷制品的成形陶瓷制品的成形，而且，而且能决定能决定烧后制品的性质烧后制品的性质。63黏土作用黏土作用概括为五个方面：概括为五个方面：1)黏土的可塑性黏土的可塑性黏土的可塑性黏土的可塑性是是陶瓷坯泥赖以成形的基础陶瓷坯泥赖以成形的基础。2)黏土使黏土使注浆泥料与釉料注浆泥料与釉料具有悬浮性与稳定性。具有悬浮性与稳定性。3)黏土一般呈黏土一般呈细分散颗粒细分散颗粒，同时具有，同时具有结合性结合性。644)黏土是黏土是陶瓷坯体烧结时陶瓷坯体烧结时的主体，黏土中的的主体，黏土中的AlAl2 2OO3 3含量含量含量含量和和杂质含量杂质含量杂质含量杂质含量是决定是决定陶瓷坯体的烧结程陶瓷坯体

34、的烧结程度度、烧结温度烧结温度和软化温度的主要因素；和软化温度的主要因素；5)黏土是形成黏土是形成陶器主体结构陶器主体结构和和瓷器中莫来石瓷器中莫来石晶体晶体的主要来源。的主要来源。65(3)石英类原料石英类原料石英的种类。石英的种类。自然界中的自然界中的二氧化硅结晶矿物二氧化硅结晶矿物二氧化硅结晶矿物二氧化硅结晶矿物可以统称为石英。可以统称为石英。其中其中最纯的石英晶体最纯的石英晶体统称为统称为水晶水晶水晶水晶。在陶瓷工业中，在陶瓷工业中，常用的石英类原料和材料常用的石英类原料和材料有下有下列几种：列几种：脉石英脉石英脉石英脉石英、砂岩砂岩砂岩砂岩、石英岩石英岩石英岩石英岩、石英砂石英砂、隧

35、石隧石隧石隧石和和硅藻土硅藻土硅藻土硅藻土。66石英原料的性质石英原料的性质石英的外观石英的外观视其种类不同而异，有的呈视其种类不同而异，有的呈乳白乳白乳白乳白色色色色，有的，有的呈灰白半透明呈灰白半透明呈灰白半透明呈灰白半透明状态，表面具有状态，表面具有玻璃光泽玻璃光泽或或脂肪光泽脂肪光泽，莫氏硬度莫氏硬度值为值为7，相对密度相对密度因晶型而因晶型而异，波动于异，波动于2.222.65g/cm3之间。之间。石英的石英的主要化学成分主要化学成分主要化学成分主要化学成分为为SiOSiO2 2，常含有少量杂常含有少量杂质成分，如质成分，如Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、TiO2等。等。67

36、石英是具有石英是具有强耐酸侵蚀力强耐酸侵蚀力强耐酸侵蚀力强耐酸侵蚀力的酸性氧化物，除的酸性氧化物，除氢氟酸氢氟酸外，一般酸类对它都不产生作用。外，一般酸类对它都不产生作用。当石英与当石英与碱性物质碱性物质碱性物质碱性物质接触时，则能起反应而生接触时，则能起反应而生成成可溶性的硅酸盐可溶性的硅酸盐。在高温中与在高温中与碱金属氧化物碱金属氧化物作用生成作用生成硅酸盐硅酸盐硅酸盐硅酸盐与与玻璃态物质玻璃态物质玻璃态物质玻璃态物质。68石英石英在陶瓷生产中的在陶瓷生产中的作用作用石英是作为石英是作为瘠性原料瘠性原料加入到陶瓷坯料中的，加入到陶瓷坯料中的，它是它是陶瓷坯体中主要组分之一陶瓷坯体中主要组分

37、之一陶瓷坯体中主要组分之一陶瓷坯体中主要组分之一，它在陶瓷生产，它在陶瓷生产中的作用不仅中的作用不仅在坯体成形时在坯体成形时，而且，而且在烧成时在烧成时都都有重要的影响。其作用概括如下：有重要的影响。其作用概括如下：69在烧成前在烧成前是是瘠性原料瘠性原料瘠性原料瘠性原料，可对，可对泥料的可塑性泥料的可塑性起起调节作用调节作用调节作用调节作用，能，能降低坯体的干燥收缩降低坯体的干燥收缩，缩短干燥时间缩短干燥时间并防止坯体变形。并防止坯体变形。在烧成时在烧成时，石英的加热膨胀可，石英的加热膨胀可部分地抵消坯部分地抵消坯体收缩体收缩的影响，的影响，当玻璃质大量出现时当玻璃质大量出现时，在高温下，在

38、高温下石石英能部分熔解于液相中英能部分熔解于液相中，增加熔体的强度增加熔体的强度，而未熔，而未熔解的石英颗粒，则构成坯体的骨架，可防止坯体发解的石英颗粒，则构成坯体的骨架，可防止坯体发生软化变形等缺陷生软化变形等缺陷。70在瓷器中，石英对在瓷器中，石英对坯体的力学强度坯体的力学强度坯体的力学强度坯体的力学强度有着很有着很大的影响，大的影响，合理的石英颗粒合理的石英颗粒能大大能大大提高瓷器坯体提高瓷器坯体提高瓷器坯体提高瓷器坯体的强度的强度的强度的强度，否则效果相反。同时，石英也能使，否则效果相反。同时，石英也能使瓷坯瓷坯的透光度和白度的透光度和白度得到改善。得到改善。在釉料中，二氧化硅是生成玻

39、璃质的主要在釉料中，二氧化硅是生成玻璃质的主要组分，增加釉料中组分，增加釉料中石英含量石英含量石英含量石英含量能提高能提高釉的熔融温度釉的熔融温度与黏度与黏度，并减少，并减少釉的线胀系数釉的线胀系数。同时它是赋予釉。同时它是赋予釉以以高的力学强度高的力学强度、硬度、耐磨性和耐化学侵蚀性硬度、耐磨性和耐化学侵蚀性的主要因素。的主要因素。71(4)长石类原料长石类原料长石长石长石长石是陶瓷原料中最常用的是陶瓷原料中最常用的熔剂性原料熔剂性原料熔剂性原料熔剂性原料，在，在陶瓷生产中用作陶瓷生产中用作坯料坯料、釉料釉料、色料色料、熔剂熔剂等的基等的基本组分，其用量较大，是本组分，其用量较大，是陶瓷三大

40、原料陶瓷三大原料之一。之一。长石的长石的种类种类种类种类和和一般性质一般性质一般性质一般性质：长石是地壳上分布：长石是地壳上分布广泛的广泛的造岩矿物造岩矿物。72长石长石呈呈架状硅酸盐架状硅酸盐结构，化学成分结构，化学成分为不含水的碱金属与碱土金属为不含水的碱金属与碱土金属铝硅酸盐铝硅酸盐，主要是钾、钠、钙和少量钡的铝硅酸盐，主要是钾、钠、钙和少量钡的铝硅酸盐，有时含有微量的铯、锶等金属离子。有时含有微量的铯、锶等金属离子。73根据根据架状硅酸盐架状硅酸盐的结构特点，的结构特点，长石长石可分为可分为四种基本类型四种基本类型：钠长石、钾长石、钙长石和钡长石。钠长石、钾长石、钙长石和钡长石。74生

41、产中的生产中的钾长石钾长石钾长石钾长石，实际上是，实际上是含钾为主含钾为主的的钾钠长石钾钠长石钾钠长石钾钠长石；而所谓的而所谓的钠长石钠长石钠长石钠长石，实际上是，实际上是含钠为主含钠为主的的钾钠长石钾钠长石钾钠长石钾钠长石。钠长石钠长石钠长石钠长石与与钙长石钙长石钙长石钙长石一般呈一般呈白色白色白色白色或或灰白色灰白色灰白色灰白色，相对密度为相对密度为2.62 gcm3，其他一般物理性质其他一般物理性质与与钾钠长石钾钠长石钾钠长石钾钠长石近似近似。75在在钾钠长石钾钠长石中，含中，含钾长石钾长石较多的长石较多的长石一般呈一般呈粉红色粉红色或或肉红色肉红色，个别的可呈，个别的可呈白色白色、灰色

42、灰色、淡黄色淡黄色等，等，相对密度相对密度为为2.562.59 g/cm3，莫氏硬度莫氏硬度值为值为6-6.5，断口断口呈玻璃呈玻璃光泽，解理清楚。光泽，解理清楚。76长石长石在陶瓷原料中在陶瓷原料中是作为熔剂使用是作为熔剂使用的，因而长石的，因而长石在陶资生产中的作用在陶资生产中的作用主要主要表现为它的表现为它的熔融熔融和和熔化其他物质熔化其他物质的性质。的性质。长石长石在陶瓷生产中的作用在陶瓷生产中的作用如下：如下：77 长石长石在高温下在高温下熔融，形成熔融，形成黏稠的玻黏稠的玻璃熔体璃熔体，是坯料中碱金属氧化物，是坯料中碱金属氧化物(K2O、Na2O)的主要来源，能的主要来源，能降低陶

43、瓷坯体组分的降低陶瓷坯体组分的熔化温度熔化温度，有利于成瓷和降低烧成温度有利于成瓷和降低烧成温度。78熔融后的熔融后的长石熔体能长石熔体能熔解部分熔解部分高高岭土分解产物岭土分解产物和和石英颗粒石英颗粒。液相中。液相中Al2O3和和SiO2互相作用，促进互相作用，促进莫来石晶体莫来石晶体的形的形成和长大，赋予了坯体的成和长大，赋予了坯体的力学性能力学性能和和化化学稳定性学稳定性。79长石熔体长石熔体能填充于能填充于各结晶颗粒之间各结晶颗粒之间，有助于有助于坯体致密坯体致密和和减少空隙减少空隙。冷却后的冷却后的长石熔体长石熔体，构成了，构成了瓷的玻璃瓷的玻璃基质基质，增加了透明度增加了透明度，并

44、，并有助于瓷坯的力有助于瓷坯的力学性能学性能和和电气性能电气性能的提高的提高。80在釉料中在釉料中长石是主要长石是主要熔剂熔剂。长石作为长石作为瘠性原料瘠性原料，在生坯中还，在生坯中还可以可以缩短坯体干燥时间缩短坯体干燥时间，减少坯体的干减少坯体的干燥收缩和变形燥收缩和变形等。等。81(5)其他矿物原料其他矿物原料含碱硅酸铝含碱硅酸铝含碱硅酸铝含碱硅酸铝类；包括类；包括伟晶花岗岩伟晶花岗岩、霞石正长岩霞石正长岩、酸性玻璃熔岩酸性玻璃熔岩（包括（包括珍珠岩珍珠岩、松脂岩松脂岩、浮岩浮岩等等)和和锂质矿物原料锂质矿物原料(常见的有常见的有锂辉石锂辉石和和锂云母锂云母两种两种)。82碱土硅酸盐类碱土

45、硅酸盐类碱土硅酸盐类碱土硅酸盐类：包括：包括滑石滑石与与蛇纹石蛇纹石、硅灰石硅灰石、透辉石透辉石和和透闪石透闪石。碳酸盐类碳酸盐类碳酸盐类碳酸盐类：包括：包括方解石方解石与与石灰石石灰石、白云石白云石和和菱菱镁矿镁矿。钙的磷酸盐类钙的磷酸盐类钙的磷酸盐类钙的磷酸盐类：包括：包括骨灰骨灰和和磷灰石磷灰石。高铝质矿物类高铝质矿物类高铝质矿物类高铝质矿物类：包括：包括高铝矾土高铝矾土、硅线石硅线石。工业废渣类工业废渣类工业废渣类工业废渣类：包括：包括磷矿渣磷矿渣、高炉矿渣高炉矿渣、萤石矿萤石矿渣渣、辉绿岩辉绿岩、粉煤灰粉煤灰、煤歼石煤歼石和和高岭土高岭土和和瓷石尾砂瓷石尾砂。83锆英石锆英石锆英石锆

46、英石：锆英石的化学通式为：锆英石的化学通式为ZrSiO4，理理论上含论上含ZrO2 67.2，SiO2 32.8。由于含有微由于含有微量量U、Th等放射性元素，因而带有微量放射性。等放射性元素，因而带有微量放射性。锆英石锆英石锆英石锆英石属属正方晶系正方晶系，相对密度相对密度为为3.9-4.9 g/cm3。莫氏硬度莫氏硬度值为值为7-8。由于。由于含有杂质含有杂质而呈现而呈现不同颜色，有不同颜色，有无色无色无色无色的，亦有的，亦有淡黄淡黄淡黄淡黄、浅灰浅灰浅灰浅灰、淡黄淡黄淡黄淡黄绿绿绿绿、棕黄棕黄棕黄棕黄和和淡红褐色淡红褐色淡红褐色淡红褐色。84二、绝缘陶瓷二、绝缘陶瓷2.1 精密绝缘陶瓷精

47、密绝缘陶瓷在近代电子技术在近代电子技术中的作用中的作用 2.2 绝缘陶瓷的绝缘陶瓷的性能与特征性能与特征 2.3 常用绝缘陶瓷材料及其性能常用绝缘陶瓷材料及其性能 2.4 绝缘陶瓷的应用绝缘陶瓷的应用852.1 精密绝缘陶瓷在近代电子技术中的作用精密绝缘陶瓷在近代电子技术中的作用绝缘材料绝缘材料在在电气电路电气电路或或电子电路电子电路中所起中所起的作用主要是的作用主要是根据电路设计要求根据电路设计要求将导体物理将导体物理隔离，以防隔离，以防电流在它们之间流动电流在它们之间流动而破坏电路而破坏电路的正常运行。的正常运行。86即，即，电子技术中电子技术中首先要求首先要求绝缘材料不导电绝缘材料不导电

48、，即要求即要求电阻率电阻率电阻率电阻率尽量高，尽量高，绝缘强度绝缘强度绝缘强度绝缘强度也尽量高。也尽量高。此外，此外，绝缘材料绝缘材料绝缘材料绝缘材料还起着导体的还起着导体的机械支持机械支持机械支持机械支持、散散散散热热热热及及电路环境保护电路环境保护电路环境保护电路环境保护等作用。等作用。一般将一般将能起上述作用的陶瓷能起上述作用的陶瓷称为称为绝缘陶瓷绝缘陶瓷绝缘陶瓷绝缘陶瓷。87绝缘陶瓷绝缘陶瓷绝缘陶瓷绝缘陶瓷可分为可分为氧化物绝缘陶瓷氧化物绝缘陶瓷氧化物绝缘陶瓷氧化物绝缘陶瓷和和非氧化非氧化非氧化非氧化物绝缘陶瓷物绝缘陶瓷物绝缘陶瓷物绝缘陶瓷两大系列；无论是哪种系列的绝缘两大系列；无论是

49、哪种系列的绝缘陶瓷，要成为一种陶瓷，要成为一种优异的绝缘陶瓷优异的绝缘陶瓷，它必须具，它必须具备如下性能：备如下性能：体积电阻率体积电阻率体积电阻率体积电阻率()=1012 cm相对介电常数相对介电常数相对介电常数相对介电常数(r)=30损耗因子损耗因子损耗因子损耗因子(tg)=5.0kV/mm88 除上述性能外，除上述性能外，绝缘陶瓷绝缘陶瓷还应具还应具有有良好的导热性良好的导热性、与、与导体材料导体材料尽可能一尽可能一致的致的热膨胀热膨胀性、性、耐热性耐热性、高强性高强性及及化学化学稳定性稳定性等。等。89高压陶瓷绝缘子高压陶瓷绝缘子作为一种作为一种传统的绝缘传统的绝缘陶瓷陶瓷已有已有10

50、0多年的历史。多年的历史。而而精密绝缘陶瓷精密绝缘陶瓷与与高压陶瓷绝缘子高压陶瓷绝缘子相相比，则是后起之秀，它在比，则是后起之秀，它在近代电子技术中近代电子技术中所起的作用是前者无法比拟的。所起的作用是前者无法比拟的。909192比如，在众多的比如，在众多的家用电器家用电器家用电器家用电器，如收录机、彩色，如收录机、彩色电视机和录像机中，在电视机和录像机中，在一般的集成电路一般的集成电路一般的集成电路一般的集成电路(IC)，大大大大规模集成电路规模集成电路规模集成电路规模集成电路(LSI)和和超大规模集成电路超大规模集成电路超大规模集成电路超大规模集成电路(VLSI)中，在中，在大型电子计算机