《陶瓷的烧成》PPT课件
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陶瓷工艺学第十章烧成与窑具
第四节 窑具
4.1 窑具种类 匣钵、棚板、支柱、各种耐火垫、
托板、辊棒和窑车材料等。
现代窑炉的重要标志之一，就是大幅度 减少了窑具的用量，采用多种高级耐火材料 窑具，满足快速烧成的需要。
4.2窑具的性能要求 （1）足够的结构强度
常温强度和高温强度
（2）良好的抗热震性能 破坏机理：裂纹不断扩展； 热膨胀系数小，产生应力小，不易破坏 熟料和基质的相互关系；相对量的多少 影响较大。
理论温度制度曲线
1400 1200 1000 800 600 400
200
脆性生坯
厚坯 薄坯
热塑性范围
中火保温
脆性瓷器
时间
1.2.2.3 釉烧方法
（1）一次烧成时，釉料的熔化温度与坯料的氧化分解 温度相适应，中火保温防止针孔、橘釉、黑心、鼓泡 等缺陷。 （2）冷却初期依据釉料要求确定冷却速度
光泽釉——快速冷却 结晶釉——结晶温度保温处理 （3）二次烧成 高温素烧低温釉烧：釉烧时可以不考虑坯体的脱 结构水及 氧化分解排气，素烧 时不考虑与釉的关系。 低温素烧高温釉烧：釉烧时可以不考虑 坯体的脱结构 水，要考虑氧化分解，素 烧时不考虑与釉的关系。
不同烧结温度及高温保温时间对产品性能的影响
注：摘自《陶瓷研究》杨世源
烧成温度（℃） 保温时间（min） 平均吸水率（%）
1020
30
16.4
1040
30
15.7
1060
30
14.92
1080
30
14.10
1100
30
13.92
1080
5
14.96
1080
15
14.7
1080
30
陶艺 陶瓷烧成课件
（2）.龙窑——一般都是依山坡而建，坡的大 小缓急直接影响烧成时间和产量。
一般窑头坡度大，易上火，窑尾坡度小，易 存火，低的一端为火膛，高的一端有排烟 口。
龙窑的只要特点是升温快、降温也快，维持 火焰和还原时间长。使用的材料为松柴。
在我国南方比较多见。（如浙江龙泉、福建 德化、在景德镇的湖田也多出发现了龙 窑。）
一次烧成和二次烧成
一次烧成：是指经过成型、干燥或施釉后的 生坯，在烧成窑内一次烧成陶瓷产品的工艺 路线。 二次烧成：是指经过成型干燥的生坯，先在 素烧窑内进行第一次烧成(素烧）后的产品， 经拣选，施釉等工序后，再进行第二次烧成 （釉烧）的工艺路线。
设置烧制曲线
釉下烧成曲线
釉上烧成曲线
（三）升温曲线
使之变成“形如覆瓮”的蛋型， 所以也叫瓮形 窑或蛋形窑，景德镇人把这各独具地方特色， 独具技术优势的属于平焰式的窑叫镇窑。
电窑认识
以此款八边形顶 开盖窑炉为例。
此款窑为顶开 盖，小且轻便。 0.07立方、6kw、 220v、接线为4m ㎡以上的全铜 线。
窑炉结构
采用五层不同结构层完美结合。 最里层为高温砖，然后以高保温耐火棉保
150~500℃：坯体可快速升温，比较安全，失去结合 水，碳酸盐、黑云母的分解，气体很容易溢出。
500~700℃：较松散，石英在573℃有突变，膨胀系数 较大。
700~900℃：可快速加热坯体，比较安全，碳化物燃 烧成气体，并排出，坯体气孔增多，可不限制加热速 度，因为坯体很薄，可渗透性强。
• 900~1100℃：在烧成收缩很严重之前要减小制品间 的温差，在900度是升温较慢，盐酸盐分解许多气泡 在釉面玻化之前必须排出，快速升温会导致石膏混入 坯体或已干燥的可溶性盐类集中到一起，坯体炸裂。
陶瓷烧成的四个阶段
陶瓷烧成的四个阶段说起陶瓷烧成的那四个阶段，嘿，那可真是个手艺活儿，得细心又耐心，跟养花儿似的，得一步步来，急不得。
咱们今儿个就用大白话聊聊这陶瓷从泥巴到宝贝的变身过程，保证你听了心里头那个舒坦，跟吃了蜜似的。
首先啊，咱们得从“揉面”开始说起，不过这儿的“面”可不是咱们吃的那种，而是那湿乎乎、软绵绵的陶泥。
师傅们得把这泥巴当宝贝似的，又是揉又是捏，跟哄孩子似的温柔。
这第一步，就叫“成型”。
你看那师傅的手，跟有魔法似的，一会儿功夫，一块平平无奇的泥巴就变成了碗啊、壶啊的模样，活灵活现的，就像是从古代走来的物件儿，透着股子古朴劲儿。
成型之后，可不能直接扔炉子里烧啊，那不得成了焦炭嘛！得先让它“晾晾膘”，风干一下，这就是“干燥”阶段了。
这个阶段啊，得慢慢来，急不得，得让泥坯里的水分慢慢蒸发掉，就像咱们减肥一样，得循序渐进，不能一蹴而就。
泥坯干燥了，才能经得起炉火的考验，不然啊，一进炉子就裂开了，那前面的功夫可就白费了。
干燥好了，就该“上火”了——没错，就是进窑烧制。
这窑啊，就像是个大烤箱，里面热得跟蒸笼似的。
陶瓷坯子一进去，就得经受住高温的洗礼，从里到外都得熟透。
这个过程啊，叫“素烧”。
素烧的时候，窑里的火得烧得旺旺的，师傅们得守在旁边，眼睛都不带眨的，生怕出啥岔子。
素烧出来的陶瓷啊，虽然还是素白的，但已经变得坚硬结实了，就像咱们年轻人经历了社会的磨砺，变得更加成熟稳重了。
最后一步啊，就是“上色”了——不过陶瓷界可不这么叫，人家叫“釉烧”。
在素烧好的陶瓷上涂上一层釉料，再送进窑里烧一次。
这次烧啊，可不光是为了把釉料烧熟让它粘在陶瓷上那么简单了，还得让釉料和陶瓷融为一体呢！釉烧出来的陶瓷啊，那叫一个漂亮！釉面光滑如镜，色彩斑斓夺目，就像咱们精心打扮了一番去参加宴会似的，让人看了就挪不开眼。
这陶瓷烧成的四个阶段啊，就像咱们人生的四个阶段一样：从懵懂无知的孩童到青涩的少年再到成熟稳重的青年最后成为风华正茂的成年人。
《陶瓷材料的烧结》课件
资源循环利用
对废弃的陶瓷材料进行回收和再利用，实现资源的循环利用，降 低对自然资源的依赖。
THANKS。
致密度、均匀性和性能。
烧结设备的改进
03
随着技术的进步，烧结设备的性能和效率也将得到提升，为陶
瓷材料的制备提供更好的设备支持。
环保和可持续发展在陶瓷烧结领域的应用
环保材料的研发
为了降低陶瓷产业对环境的影响，未来将大力研发环保型的陶瓷 材料，如低毒陶瓷、可降解陶瓷等。
节能减排技术的应用
通过采用新型的节能技术，降低陶瓷烧结过程中的能耗和排放， 实现低碳、环保的生产。
04
陶瓷材料的烧结性能
烧结密度和孔隙率
烧结密度
烧结后的陶瓷材料密度，影响材料的 机械性能和热学性能。
孔隙率
陶瓷材料内部孔隙的多少，与材料的 强度、热导率和绝缘性能有关。
烧结陶瓷的力学性能
01
硬度
烧结陶瓷的硬度取决于其成分和 显微结构，硬度高的陶瓷耐磨、 耐划痕。
02
03
抗弯强度
韧性
陶瓷抵抗弯曲应力的能力，与材 料的成分、显微结构和制备工艺 有关。
航天器结构材料
陶瓷材料具有轻质、高强度和耐高温的特性，适用于航天器结构材料，如卫星天线骨架、太阳能电池板支架等。
06
未来展望
新型陶瓷材料的开发
高性能陶瓷
随着科技的发展，对陶瓷材料性能的要求越来越高，未来 将开发出具有更高强度、硬度、耐磨性、耐高温等高性能 的新型陶瓷材料。
多功能陶瓷
除了传统的结构陶瓷外，未来还将开发出具有多种功能如 导电、导热、压电、磁性等功能的新型陶瓷材料。
05
陶瓷材料的烧结应用
在电子行业的应用
电子封装
对废弃的陶瓷材料进行回收和再利用，实现资源的循环利用，降 低对自然资源的依赖。
THANKS。
致密度、均匀性和性能。
烧结设备的改进
03
随着技术的进步，烧结设备的性能和效率也将得到提升，为陶
瓷材料的制备提供更好的设备支持。
环保和可持续发展在陶瓷烧结领域的应用
环保材料的研发
为了降低陶瓷产业对环境的影响，未来将大力研发环保型的陶瓷 材料，如低毒陶瓷、可降解陶瓷等。
节能减排技术的应用
通过采用新型的节能技术，降低陶瓷烧结过程中的能耗和排放， 实现低碳、环保的生产。
04
陶瓷材料的烧结性能
烧结密度和孔隙率
烧结密度
烧结后的陶瓷材料密度，影响材料的 机械性能和热学性能。
孔隙率
陶瓷材料内部孔隙的多少，与材料的 强度、热导率和绝缘性能有关。
烧结陶瓷的力学性能
01
硬度
烧结陶瓷的硬度取决于其成分和 显微结构，硬度高的陶瓷耐磨、 耐划痕。
02
03
抗弯强度
韧性
陶瓷抵抗弯曲应力的能力，与材 料的成分、显微结构和制备工艺 有关。
航天器结构材料
陶瓷材料具有轻质、高强度和耐高温的特性，适用于航天器结构材料，如卫星天线骨架、太阳能电池板支架等。
06
未来展望
新型陶瓷材料的开发
高性能陶瓷
随着科技的发展，对陶瓷材料性能的要求越来越高，未来 将开发出具有更高强度、硬度、耐磨性、耐高温等高性能 的新型陶瓷材料。
多功能陶瓷
除了传统的结构陶瓷外，未来还将开发出具有多种功能如 导电、导热、压电、磁性等功能的新型陶瓷材料。
05
陶瓷材料的烧结应用
在电子行业的应用
电子封装
陶瓷工艺学--8 烧成-09.10
这些碳素和有机物加热即发生氧化反应：
C（有机物）+O2
350º C
CO2
C（碳素）+O2
2H2 + O2
600º C
CO2
2H2O
250~ 920º C
S + O2
2CO+O2
SO2
2CO2
这些反应要在釉面熔融和坯体显气孔封闭前
结束。否则，就会产生烟熏、起泡等缺陷。
2. 硫化铁的氧化 FeS2+O2
1. 升温速度的确定
A.低温阶段：升温速度主要取决于坯体入窑时的 水分。
如果坯体进窑水分高、坯件较厚或装窑量大，则升
温过快将引起坯件内部水蒸气压力增高，可能产生开 裂现象； 对于入窑水分不大于1%～2%的坯体，一般强度也 大，在120℃前快速升温是合理的；对于致密坯或厚胎
坯体，水分排除困难，加热过程中，内外温差也较大，
3MgO4SiO2H2O
600~ 970º 3(MgOSiO )(原顽火辉石)+ SiO +H O C 2 2 2
蒙脱石脱水：
Al2O34SiO2nH2O
Al2O34SiO2+nH2O
5. 晶型转变
石英在573℃时， -石英迅速地转变为 -石英， 体积膨胀0.82%；在870℃-石英缓慢地转变为 -鳞石 英，体积膨胀16%。石英晶型转变造成的体积膨胀， 一部分会被本阶段的氧化和分解所引起的体积收缩所 抵消。如果操作得当，特别是保持窑内温度均匀，这 种晶型转变对制品不会带来多大的影响。 由粘土脱水分解生成的无定形Al2O3，在950℃时 转化为-Al2O3。随着温度的升高，-Al2O3与SiO2反应 生成莫来石晶体。
（三）高温玻化成瓷阶段 （从950℃到最高烧成温度）
烧成
、烧结曲线等技术资料。
陶瓷材料工艺学
K2O-Al2O3-SiO2相图低共熔点985±20℃，烧
结温度范围宽50～60℃；
MgO-Al2O3-SiO2相图低共熔点1355℃，烧结
温度范围窄10～20℃；
热分析曲线DTA、 TE 、ITE拟定烧成制度。
Ｐ379 图10－9 ，10－10
陶瓷材料工艺学
方石英
1300～1400℃
3Al2O3 • 2SiO2＋SiO2
陶瓷材料工艺学
第二种看法：
Al2O3•2SiO2
Al2O3＋SiO2
约950℃
Al2O3（无定形） 3γ －Al2O3 ＋2SiO2
γ －Al2O3 3Al2O3 • 2SiO2
＞1000℃
陶瓷材料工艺学
4、冷却阶段
①. 液相析晶，玻璃相物质凝固； ②. 游离石英晶型转变。
2. 坯体形状、厚度和入窑水分
陶瓷制品由于形状、厚度和含水率不同，升温速 度和烧成周期都有所不同。 薄壁小制品入窑水分易于控制，一般可采取短周 期烧成。对大件厚壁制品，则升温不能过快，周期不 能过短。如果坯体含有大量高可塑性粘土，则由于排 水困难、升温速度更应放慢。
陶瓷材料工艺学
3. 窑炉结构、燃料类型和装窑密度
3、高温玻化成瓷阶段（950℃～最高烧成温度） ①.1050℃以前继续氧化分解反应及排除少量残余 结构水； ②.硫酸盐分解和高价铁的还原与分解； ③.形成大量液相和莫来石新相； ④.新相的重结晶和坯体的烧结； ⑤.釉料熔融成玻璃体。 制品强度增加，气孔率减少，坯体急剧收缩。
陶瓷材料工艺学
980～1000℃
陶瓷材料工艺学
二、烧成制度的确定
1. 温度制度：
陶瓷材料工艺学
K2O-Al2O3-SiO2相图低共熔点985±20℃，烧
结温度范围宽50～60℃；
MgO-Al2O3-SiO2相图低共熔点1355℃，烧结
温度范围窄10～20℃；
热分析曲线DTA、 TE 、ITE拟定烧成制度。
Ｐ379 图10－9 ，10－10
陶瓷材料工艺学
方石英
1300～1400℃
3Al2O3 • 2SiO2＋SiO2
陶瓷材料工艺学
第二种看法：
Al2O3•2SiO2
Al2O3＋SiO2
约950℃
Al2O3（无定形） 3γ －Al2O3 ＋2SiO2
γ －Al2O3 3Al2O3 • 2SiO2
＞1000℃
陶瓷材料工艺学
4、冷却阶段
①. 液相析晶，玻璃相物质凝固； ②. 游离石英晶型转变。
2. 坯体形状、厚度和入窑水分
陶瓷制品由于形状、厚度和含水率不同，升温速 度和烧成周期都有所不同。 薄壁小制品入窑水分易于控制，一般可采取短周 期烧成。对大件厚壁制品，则升温不能过快，周期不 能过短。如果坯体含有大量高可塑性粘土，则由于排 水困难、升温速度更应放慢。
陶瓷材料工艺学
3. 窑炉结构、燃料类型和装窑密度
3、高温玻化成瓷阶段（950℃～最高烧成温度） ①.1050℃以前继续氧化分解反应及排除少量残余 结构水； ②.硫酸盐分解和高价铁的还原与分解； ③.形成大量液相和莫来石新相； ④.新相的重结晶和坯体的烧结； ⑤.釉料熔融成玻璃体。 制品强度增加，气孔率减少，坯体急剧收缩。
陶瓷材料工艺学
980～1000℃
陶瓷材料工艺学
二、烧成制度的确定
1. 温度制度：
9陶瓷材料烧成(实验目的)
材料制备与合成
9.陶瓷材料烧成（注意事项）
陶瓷坯体烧成前必须经过充分地干燥，以免烧成过程中 开裂
在水分蒸发期升温速度须根据坯体块大小而定，坯体薄 尺寸小，升温可以快些，反之应该缓慢升温以防止开裂
573℃因石英的晶型转变容易产生开裂，此阶段可适当 保温，或缓慢升温
瓷化期应采取氧化保温操作，以免坯体气孔内碳的沉积
9.陶材料瓷制备与材合成料烧成（实验目的）
了解陶瓷材料的烧结现象 学习陶瓷制品的烧成方法 掌握陶瓷制品烧成工艺的确定方法
材料制备与合成
9.陶瓷材料烧成（实验原理）
烧成是陶瓷生产过程中非常关键的工序。经过前面所有的工序之 后的半成品，必须经过高温烧成才能获得瓷器的一切特性。坯体 在烧成过程中发生了一系列的物理化学变化，最后显气孔率降至 最低，这种在高温下的致密化现象称为“烧结”
பைடு நூலகம்
材料制备与合成
9.陶瓷材料烧成（预习题目）
陶瓷在高温下致密化过程称为陶瓷的（B） A—烧成；B—烧结；C—过烧 陶瓷的烧成一般分为（B）个阶段 A—三；B—四；C—五 陶瓷烧结后表面发黑说明（） A—升温速度过慢；B—保温时间过长；C—气孔中沉
碳氧化不完全
将陶瓷坯体锯成长度为1~1.5cm的泥段，倒 角，一共为5~10块
将试样放在陶瓷片上，在试样与陶瓷片之间 撒上一层 Al2O3粉以防高温时粘结
材料制备与合成
9.陶瓷材料烧成（实验步骤）
将试样放入高温炉内，按升温曲线升温。烧成温度对材料最终性能有很 大的影响，为了达到最佳效果，可取多个样品分别在1100℃、1150℃、 1200℃、1250℃、1300℃保温1hr，当冷却至室温后取出放入干燥器内， 以备测定密度和气孔率作比较
《陶瓷烧结方法》课件
2
在高温同时施加高电压脉冲电流，使粉
末快速烧结，常用于制作钢和超硬合金。
3
微波烧结法
通过粉末中所含的微波吸收剂，在微波 炉中快速烧结制造新材料和高性能金属 陶瓷复合材料。
激光烧结法
利用激光加热粉末，使其迅速熔融并结 合成材料。被广泛应用于制造新型复合 材料。
陶瓷烧结过程中的关键技术
烧结温度与时间控制
控制烧结温度和时间对陶瓷 组织和性能有着至关重要的 影响。
热压强度控制
热压强度对陶瓷烧结的瓷砖 干缩和密度均有着重要的影 响。
等温氧化控制
等温氧化是一种重要的表面 处理方法，它可以提高材料 的表面质量和性能。
陶瓷烧结的应用领域
电子领域
陶瓷烧结技术被广泛用于制造电 路板和其他电子元器件，其特性 适合各种高频应用。
传统烧结方法
短时高温烧结法
在高温下以较短时间使粉末结合 成实体，常用于制造建筑材料和 骨科植入物。
长时间低温烧结法
在较低的温度下以较长时间使粉 末结合成实体，常用于制作砖、 陶器等。
合成烧结法
先将粉末中的化学物质反应生成 所需物质，再进行高温烧结，常 用于制造高性能功能材料。
现代烧结方法
1
脉冲电流烧结法
陶瓷烧结方法
在制造陶瓷制品时，陶瓷烧结方法是其中至关重要的一环。本课程将介绍传 统和现代烧结方法，以及烧结过程中的关键技术和应用领域。
概述
陶瓷烧结是一种用高温使粉末结合成坚硬材料的方法。它主要用于制造各种陶瓷制品。传统烧结方法主要有三 种：短时高温、长时间低温和合成烧结法。现代烧结方法则主要有微波烧结造关节、种植义齿 和其它骨科植入物，因其生物相 容性和高强度而广泛应用。
环保领域
陶瓷PPT课件
陶瓷的典型组织结构：晶体相、玻璃相和气相
陶瓷的组织示意图
陶瓷材料的相组成
晶体相
晶体相是陶瓷材料最主要的组成相，主要是某些固溶体 或化合物，其结构、形态、数量及分布决定了陶瓷材料 的特性和应用。晶体相又分为主晶相、次晶相和第三相。 陶瓷中晶体相主要有含氧酸盐（硅酸盐、钛酸盐等）、氧 化物（MgO、Al2O3）、非氧化物（SiC，Si3N4）等。
彩陶双连壶
仰韶文化时期陶器 1972年河南省郑州市大河村出土
山东历城县龙山镇出现了“黑陶”。所以这个时期称为“龙山文化”时 期，又称“黑陶文化”。龙山黑陶在烧制技术上有了显著进步，它广泛采用 了轮制技术，因此，器形浑圆端正，器壁薄而均匀，将黑陶制品表面打磨光 滑，乌黑发亮，薄如蛋壳，厚度仅1mm，人称“蛋壳陶”。
中国陶瓷珍品之清青花
景德镇传统名瓷之一的薄胎瓷
景德镇传统名瓷之一的雕塑瓷
景德镇传统名瓷之 一的粉彩瓷
景德镇传统名瓷 景德镇传统名瓷
之一的玲珑瓷
之一的青花瓷
我国的陶瓷发展经历了三个阶段，取得三个重大突破： 三个阶段：a. 陶器
b. 原始瓷器(过渡阶段) c. 瓷器 三个重大突破：a. 原料的选择和精制
再次，陶瓷又是一个原料来源丰富，传统技艺悠久，具有坚硬、 耐用及一系列优良性质的材料，在建筑、电力、电子、化学、冶金 工业等，甚至农业和农产品加工中都大量应用。
最后，随着现代科学技术的飞速发展，使得具有优良性能的特 种陶瓷得到了广泛应用。
一、 陶瓷的分类
2.1 陶瓷材料的分类和制备工 艺
1.按陶瓷概念和用途来分类
• 泥浆稳定性表示在不搅拌时，泥浆长时间保持 稳定，不产生沉淀或分层的性能。
• 配料就是按陶瓷材料的组成，将所需各种原料 进行称量。
陶瓷的烧成详细分析
坯体处于弹性状态时，如果加热或冷却过快，则造成坯体内外温 差过大，膨胀不一致，由此引起的热力效应达到了极限值，或因坯体 内外晶型转化不一致而产生的应力达到了极限值，（最常见的是石英 在573的晶型转化），就会使坯体开裂而变成废品。在残余物化结合 水排除阶段，因坯体水分一般都在临界水分以下，不会产生干燥收缩。 但如水分较多，升温过快，水分蒸发过急，则会使坯体炸裂。 坯体在塑性状态时，上述应力受到液相缓冲可能减小或消失。但 当存在较大重力负荷，或因坯体烧成收缩不一致时，坯体就会变形而 成废品，坯体温度愈高，其中液相粘度愈低，就越容易变形。由于烧 成温度不够高或过高，保温时间不足或过长，会导致产品生烧或过烧。 生烧表现为坯体烧结不够，坯体内物理化学变化不充分；过烧则表现 为坯体烧结过分，或发生不希望出现的变化，并常伴随有变形。
陶瓷烧成技术
烧窑实训
陶瓷烧成
• 陶瓷烧成 陶瓷烧成是生产陶瓷制品的主要工序之一。 将生坯或半成品在高温下处理，使其发生 物理、化学变化而得产品的过程。 • 陶瓷的出现离不开窑炉。陶器的烧成温度 约800~1000℃，瓷器的烧成温度约 1200~1300℃。瓷器出现远远晚于陶瓷， 其中一个重要原因就是窑炉技术水平低， 窑炉温度不能达到瓷器烧成要求的温度。
在不过烧的情况下，随着烧成温度的的升高，瓷坯的体积密度增大， 吸水率和显气孔率逐渐减小，釉面的光泽度不断提高，釉面的显微硬 度也随着温度的升高而不断增大。 在烧成温度范围内，适当提高烧成温度，有利于电瓷的机电性能 和细瓷的透光度的提高。 保温是指烧成过程中，达到最高烧成温度范围后，保持一段时间， 或在较低温度下保持一段时间，这段时间称为保温时间，随后进入冷 却阶段。在生产实践中，适当降低烧成温度，延长保温时间，有利于 提高产品品质，降低烧成损失率。保温时间及保温温度对希望釉面析 晶的产品（如结晶釉等艺术釉产品）更为重要。为了控制釉层中析出 晶核的速度、尺寸和数量，这类产品的保温温度往往比烧成温度低得 多，百问世间直接关系到晶体的形成率。 烧成过程中的升降温速度是否恰当，较直观地是看其对制品在烧 成过程中体积热胀冷缩带来的影响（有无变形、开裂）。
陶瓷烧成机理
陶瓷烧成机理ห้องสมุดไป่ตู้
1、概述 2、烧结定义 3、烧结的驱动力 4、烧结的机理 5、烧结的过程 6、陶瓷烧结方法
1、概述
烧结过程是一门古老的工艺。现在，烧 结过程在许多工业部门得到广泛应用，如 陶瓷、耐火材料、粉末冶金、超高温材料 等生产过程中都含有烧结过程。烧结的目 的是把粉状材料转变为致密体。 研究物质在烧结过程中的各种物理化学 变化。对指导生产、控制产品质量，研制 新型材料显得特别重要。
4.2.3蒸发-冷凝
由于颗粒表面各处的曲率不同，按开尔文公式: (8) 式中d为液体密度，M为摩尔质量，R为气体常数。 可知，各处相应的蒸气压大小也不同。故质点容易从高 能阶的凸处（如表面）蒸发，然后通过气相传递到低能 阶的凹处(如颈部）凝结，使颗粒的接触面增大，颗粒 和空隙形状改变而使成型体变成具有一定几何形状和性 能的烧结体。这一过程也称气相传质。
6、陶瓷烧结方法
陶瓷烧结方法很多，必须根据对材料烧结 的要求以及具体的实验条件和成本等来进行选 择，以下介绍其中的几种烧结方法。 6.1热压烧结法
将粉体置于压模中，加高温并单轴加压(10~50Mpa), 通过模具热辐射和加压形成塑性变形进行烧结。此法可 以得到高强度和低空隙率的产品，如切削工具等。但是 由于单轴向加压，因此难以进行形状复杂的陶瓷产品的 烧结。
烧结中期晶粒间的界面增大，晶粒开始长大，烧 结温度一般大于0.25Tm（Tm为熔点）。颈的生长以 扩散为主，此时气孔在表面和界面张力作用下达到平 衡并相互连通成连续网络，而颗粒间的界面互相孤立， 未形成连续网络。烧结中期占了整个烧结过程的大部 分时间，通常以烧结体的密度达到理论密度的90%时 标志烧结中期结束。
图1
因此，粘附作用是烧结初始阶段，导致粉体 颗粒间产生键合、靠拢和重排，并开始形成接触 区的一个原因。
1、概述 2、烧结定义 3、烧结的驱动力 4、烧结的机理 5、烧结的过程 6、陶瓷烧结方法
1、概述
烧结过程是一门古老的工艺。现在，烧 结过程在许多工业部门得到广泛应用，如 陶瓷、耐火材料、粉末冶金、超高温材料 等生产过程中都含有烧结过程。烧结的目 的是把粉状材料转变为致密体。 研究物质在烧结过程中的各种物理化学 变化。对指导生产、控制产品质量，研制 新型材料显得特别重要。
4.2.3蒸发-冷凝
由于颗粒表面各处的曲率不同，按开尔文公式: (8) 式中d为液体密度，M为摩尔质量，R为气体常数。 可知，各处相应的蒸气压大小也不同。故质点容易从高 能阶的凸处（如表面）蒸发，然后通过气相传递到低能 阶的凹处(如颈部）凝结，使颗粒的接触面增大，颗粒 和空隙形状改变而使成型体变成具有一定几何形状和性 能的烧结体。这一过程也称气相传质。
6、陶瓷烧结方法
陶瓷烧结方法很多，必须根据对材料烧结 的要求以及具体的实验条件和成本等来进行选 择，以下介绍其中的几种烧结方法。 6.1热压烧结法
将粉体置于压模中，加高温并单轴加压(10~50Mpa), 通过模具热辐射和加压形成塑性变形进行烧结。此法可 以得到高强度和低空隙率的产品，如切削工具等。但是 由于单轴向加压，因此难以进行形状复杂的陶瓷产品的 烧结。
烧结中期晶粒间的界面增大，晶粒开始长大，烧 结温度一般大于0.25Tm（Tm为熔点）。颈的生长以 扩散为主，此时气孔在表面和界面张力作用下达到平 衡并相互连通成连续网络，而颗粒间的界面互相孤立， 未形成连续网络。烧结中期占了整个烧结过程的大部 分时间，通常以烧结体的密度达到理论密度的90%时 标志烧结中期结束。
图1
因此，粘附作用是烧结初始阶段，导致粉体 颗粒间产生键合、靠拢和重排，并开始形成接触 区的一个原因。
陶瓷烧结过程【共23张PPT】
氧化锆，（<2000C）
– 钟罩窑、梭式窑 室温就高吸收：CaCO3、Fe2O3、Cr2O3、SiC等
以高压气体作为压力介质作用于陶瓷材料（包封的粉体和素坯，或烧结体），使其在高温环境下受到等静压而达到高致密化 氧化锆，（<2000C）
• 连续式： 氮化硅无熔点、高温分解（1900C）
硅钼棒，MoSi2（<1700C）
• 整体均匀加热 低温吸收小，高于某温度急剧增加：Al2O3、MgO、ZrO2、Si3N4等
利用微波与材料的相互作用，其介电损耗导致陶瓷坯体自身发热而烧结
• 无热惯性，烧成周期短 埋粉（Si3N4：BN：MgO=5:4:1）抑制氮化硅分解
管式气氛炉：电热丝、硅碳、硅钼 为了抑制氮化物分解，在N2气压力1-10MPa高压下烧成。
Al2O3-SiO2）
• 采用α氮化硅为原料，1420C相变为β相，有利烧结， 且该β相为柱状晶，力学性能好。
• 埋粉（Si3N4：BN：MgO=5:4:1）抑制氮化硅分解
氮化硅的气压烧结 （Gas Pressure Sintering GPS）
• 为了抑制氮化物分解，在N2气压力110MPa高压下烧成。
• 对于氮化硅常压烧成温度要低于1800C， 而气压烧结温度可提高到2100-2390C。
热压烧结（Hot Pressing, HP）
• 加热的同时施加机械压力 ，增加烧结驱动力，促进 烧结
– 粘性流动 – 塑性变形 – 晶界滑移 – 颗粒重排
• 一般采用石墨模具，表面 涂覆氮化硼，防止反应
热等静压 （Hot Isostatic Pressing, HIP）
陶瓷烧结过程
烧结的驱动力
• 粉体表面能与界面能的差 • 传质过程
– 钟罩窑、梭式窑 室温就高吸收：CaCO3、Fe2O3、Cr2O3、SiC等
以高压气体作为压力介质作用于陶瓷材料（包封的粉体和素坯，或烧结体），使其在高温环境下受到等静压而达到高致密化 氧化锆，（<2000C）
• 连续式： 氮化硅无熔点、高温分解（1900C）
硅钼棒，MoSi2（<1700C）
• 整体均匀加热 低温吸收小，高于某温度急剧增加：Al2O3、MgO、ZrO2、Si3N4等
利用微波与材料的相互作用，其介电损耗导致陶瓷坯体自身发热而烧结
• 无热惯性，烧成周期短 埋粉（Si3N4：BN：MgO=5:4:1）抑制氮化硅分解
管式气氛炉：电热丝、硅碳、硅钼 为了抑制氮化物分解，在N2气压力1-10MPa高压下烧成。
Al2O3-SiO2）
• 采用α氮化硅为原料，1420C相变为β相，有利烧结， 且该β相为柱状晶，力学性能好。
• 埋粉（Si3N4：BN：MgO=5:4:1）抑制氮化硅分解
氮化硅的气压烧结 （Gas Pressure Sintering GPS）
• 为了抑制氮化物分解，在N2气压力110MPa高压下烧成。
• 对于氮化硅常压烧成温度要低于1800C， 而气压烧结温度可提高到2100-2390C。
热压烧结（Hot Pressing, HP）
• 加热的同时施加机械压力 ，增加烧结驱动力，促进 烧结
– 粘性流动 – 塑性变形 – 晶界滑移 – 颗粒重排
• 一般采用石墨模具，表面 涂覆氮化硼，防止反应
热等静压 （Hot Isostatic Pressing, HIP）
陶瓷烧结过程
烧结的驱动力
• 粉体表面能与界面能的差 • 传质过程
陶瓷烧成技术
陶瓷的烧成制度
陶瓷制品生产历史久远，产品种类繁多，原料来源广泛，窑炉类 型多样，生产地区分布各地，这些因素决定了陶瓷生产工艺过程的多 样性，包括用不同的烧成制度及烧成方法。 成功的烧成过程必须在合理的烧成制度下进行。对于普通陶瓷来 讲，烧成制度包括温度制度、气氛制度、和压力制度。在主要由气体 进行传热的窑炉中（如常用的固体、液体、气体燃料的窑炉，不包括 电炉）压力制度是保证温度制度及气氛制度实现的条件。 温度制度对产品性能的影响 制品烧成时，经历了 由常温加热到高温，再由高温冷却到常温的 过程。随着温度的变化，制品产生了一系列的物理化学变化（如脱水、 氧化、还原、分解、化合、熔融、再结晶等）。在这个过程中，制品 性能也在不断的发生变化，最终达到所需的性能指标。 我们通常所说的烧成温度，是指制品在烧成过程中所经受的最高 温度。对于具有一定原来组成、颗粒组成的坯体，都有一个对应于所 需烧结程度的煅烧阶段，此温度即为该陶瓷制品的烧成温度。
陶瓷的烧成过程及烧成制度
陶瓷的烧成过程
烧成过程实质上是若干过程的综合，一般来说，它包括下列五个过程： 1 物料的物理化学变化过程 2 物料的运动过程 3 气体流动过程 4 燃料燃烧的过程 5 传热过程 后四个过程是窑炉为了实现坯体的物理化学变化而建立外在条件（温 度、气氛）的需要。广义来说，烧成有熔制（液态）、煅烧（散料） 以及烧制（成型制品）。狭义来说，烧成就是指成型制品的烧制。
陶瓷品种多种多样，其烧成过程的物理化学变化及产品的化学矿物组成也各不相同。但从共性来看， 粘土质陶瓷的烧成过程物理化学变化大致可划分为9个阶段： 1、 20~200 ℃，排出残余水 入窑水分要求：<1%， 快烧<0.5%， 升温速度：20~30 ℃／h 2 、 200~500 ℃，排除结构水 指粘土矿物中的结晶水和层间水，安全阶段，可快烧，40~50 ℃／h 3 、 500~700 ℃，石英晶型转化 573 ℃时,体积膨胀，易变形干裂，升温应慢，升温速度：20~30 ℃／h 4 、 700~1050，氧化阶段 进行氧化反应和分解反应。硫化铁，有机物氧化，碳酸盐、硫酸盐、氢氧 化铁分解，放出二氧化 硫和二氧化碳及水蒸气等气体，应在釉面封闭以前氧清氧透，保证良好的氧化气氛和充分的氧化时 间，减少窑内温差，适当进行中火保温，否则易出现质量缺陷，如黑点、青边、发黄、气泡等。 气氛要求：O2=4~5%，CO<1% 5、 1050~1200，还原阶段 使氧化铁还原成氧化亚铁，褐色变为青色，改善制品色泽，达到白里泛青，即“白如玉”的效果。 要求：升温慢，使气体充分排除，减少坯泡 保证气氛，避免重新氧化，CO=2~4% 保证时间，以利于还原反应进行彻底
工学-第六章+烧成与烧结
4. 大量液相及莫来石形成
至1200℃以上长石熔完。熔化时不断溶解粘土分解物和细粒石英，
熔体组分不断变化, 这种高硅质熔体可以溶解细小针状莫来石。
同时，三组分共熔物亦不断增加。在还原焰中且系统含铁又较高时， 则碱和碱土金属氧化物与低价铁、石英等也形成低共熔物（表）
故, 液相量大为增加。在长石瓷烧结坯中液相量可高达50-60％左右。
1.氧化反应
1） 碳素和有机物的氧化 北方紫木节土、黑碱石、黑矽砂石和南方的黑泥等含有大量有机
物和碳素，压制成形时，坯料中添有有机粘合剂，坯体表面占有润滑
油，这类物质加热时都要发生氧化。
2013-7-27
10 School of Materials Science and Engineering
2） 铁的化合物（硫化物及硫酸盐）的氧化： FeS2、FeS、Fe2（SO4）3
4）氧化铁的分解
Fe2O3的分解温度因气氛条 件不同而异。在氧化气氛中中 1250℃开始分解，1370℃时剧 烈分解：
2013-7-27
17 School of Materials Science and Engineering
3. 石英的多晶转化和少量液相的生成
β-石英→α-石英(573℃)；α-石英→方石英(870℃)
用静水压法以80.0MPa压力成形，烧成时的升温速度为6-10℃/分。
还用同样方法分别测试了石英、长石和粘土原料的相应性能以作对比。
2013-7-27
29 School of Materials Science and Engineering
1. 950℃前的变化
500℃前坯体是由带棱角的石英、长石和细颗粒高岭土集合体组成 的多孔粗糙组织。
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一、坯体在烧制过程中的物理变化
3、玻化成瓷期（950 ℃ ~烧成温度） •（1）在1020 ℃前继续氧化分解反应，排除残留结构水
•坯体在氧化分解期的氧化反应实际上是不完全的，由于水气 及其他气体的急剧排除，在坯体周围有一层气膜，妨碍氧气 继续向坯体内部渗透，从而使坯体气孔中的沉碳难以烧尽。 800 ℃以前水分排除3/4，1000 ℃以上才能排除。
270℃时，α-方石英转变为β-方石英，体积收缩2.8%。
一、坯体在烧制过程中的物理变化
二 显微结构的组成
烧成温度 （℃）
1210 1270 1310 1350
玻璃相 56 58 61 62
相 组 成 （%）
莫来石
石英
9
32
63
28
15
23
10
19
气孔体积 （%）
3 2 1 1
二 显微结构的组成
三、最佳烧成制度的确定
（一）、温度制度及控制
（2）氧化分解与晶型转化期（300~950 ℃ ）
升温速度主要根据窑内温差以及坯料组成、细度，坯体的厚度、 大小和装窑密度等因素来确定。排除结晶水的温度范围 （400~600 ℃ ）内，坯体无收缩，且保持较大的气孔率，结晶 水和分解气体的排除可自由进行，有机物中的碳素也能顺利氧 化。 较多高岭石粘土的坯体不能升温太快。 隧道窑控制在80~150 ℃ 。
一、坯体在烧制过程中的物理变化
（4）石英溶解、莫来石重结晶和坯体烧结 在1200 ℃以后，随着温度的升高，石英的溶解度迅速增大。 石英含量降低，从而熔体的成分不断变化。这种高硅质熔体将 细小针状莫来石溶解，高温时粒状和片状莫来石也受到强烈的 侵蚀。若铁含量较高，碱性氧化物与则低价铁、石英等将形成 更多的低共熔物，使坯体中液相量大为增加。
二 显微结构的组成
3. 气孔
一般陶瓷制品的气孔率5～10％（体积）。 气孔的存在与坯料的组成 和烧成制度有关。 提高烧成温度，总气孔率降低。 过烧时？
重结晶作用，晶粒异常长大，或液 相粘度降低，闭口气孔合并，开口 气孔增加而使孔径及总气孔率增大。
热压、热等静压烧结，坯体的气孔率可下降至1％以下，甚至 接近理论密度。
二 显微结构的组成
4. 晶界 （1） 晶界的定义
晶界：结晶方向不同的、直接接触的同成分晶粒间的交界处， 称为晶界（晶粒间界或粒界）。
相界：不同成分晶粒间的交界处或不同相间的交界处称为 相界面。
晶界结构：晶界处物 质的结构特点。
晶界的厚度：取决于 相邻晶粒的取向之差 及所含杂质的种类和 数量。
晶界结构示意图
1. 石英
2. 液相（玻璃相）3. 二次莫来石 4. 粘土残骸及一次莫来石 瓷坯冷却前后的变化图
一、坯体在烧制过程中的物理变化
大量液相对坯体的成瓷作用表现在两个方面
一方面促使晶体发生重结晶。由于细晶溶解度大于粗晶， 因而小晶体溶解后就向大晶粒上沉积，导致大晶粒尺寸进 一步长大。
另一方面液相起着致密化的作用。由于表面张力的拉紧 作用，使它能填充颗粒间隙，促使固体颗粒相互靠拢。最 终使莫来石、残余石英与瓷坯中的其他组分彼此合成整体， 组成致密的具有较高机械强度的瓷坯。
二 显微结构的组成
（2） 晶界的异相偏析效应 在高温条件下的烧结和冷却过程中，异性 杂质离子从晶粒内部向晶界扩散和迁移， 使之在晶界部位富集的现象，称为晶界异 相偏析效应。 晶界上的杂质往往以三种形式存在：
陶瓷显微结构中杂质在晶界上存在的状态
二 显微结构的组成
（3） 晶界的物质迁移效应
(A)
(B)
一、坯体在烧制过程中的物理变化
3、玻化成瓷期（950 ℃ ~烧成温度） （2）硫酸盐的分解和氧化铁的还原与分解
此阶段的烧成气氛对坯体的化学反应影响极大。在氧 化气氛中，硫酸盐与高价铁的分解往往推迟到1300 ℃ 以后进行。具体情况如下：
MgSO4→MgO+SO3↑ 900℃以上 CaSO4→CaO+SO3↑ 1250-1370℃ Na2SO4→Na2O+SO3↑ 1200-1370℃ Fe2O3 →FeO+O2 ↑ 1250-1370℃
600-750 ℃
•瓷石
450-700 ℃
•粘土矿物排除结构水也与升温速度有关。随着升温速度的加快残
留结构水的排除向高温推移，甚至要到1000 ℃以上才能完成。
一、坯体在烧制过程中的物理变化
2、氧化分解与晶型转变期（300~950 ℃ ）
•（2）碳酸盐的分解 •CaCO3→CaO+CO2 ↑
850~1000 ℃
还原焰下 1080～1100 ℃
Fe2O3+CO →FeO+CO2↑1000～1100℃ 还原焰
一、坯体在烧制过程中的物理变化
3、玻化成瓷期（950 ℃ ~烧成温度） （3）形成大量液相和莫来石晶相 •长石—石英—高岭土三组分瓷，随着温度的升高，高岭石 在925 ℃左右经过放热反应，生成铝硅尖晶石开始转化为莫 来石（3Al2O3•2SiO2），非晶态二氧化硅转化为方石英。
晶界物质迁移效应引起的再结晶(A)及其示意图(B)
三、最佳烧成制度的确定
烧成制度包括温度制度、气氛制度和压力制度，影响产品性能 的关键是温度及其与时间的关系，以及烧成时的气氛。其中温 度制度，气氛制度需要根据不同产品要求而定，而压力制度是 保证窑炉按照要求的温度制度与气氛制度进行烧成。 制定烧成制度的依据：
•MgCO3 → MgO+CO2 ↑
500~850 ℃
•4FeCO3 → 2Fe2O3+3CO2 ↑
800~1000 ℃
•MgCO3.CaCO3 → CaO+MgO+CO2 ↑ 730~950 ℃
•（3）碳素、有机物和硫化物的氧化 •氧化反应和反应温度如下：
•C有机物+O2 →CO2 ↑
350 ℃以上
（1）以坯釉的化学组成及其在烧成过程中的物理化学变化为 依据。如氧化铁和氧化钛的含量决定了采用不同的烧成气氛； 又如坯釉中氧化分解反应、收缩变化、密度变化以及热重变 化等决定采用不同的烧成制度。 （2）以坯件的种类、大小、形状和薄厚为依据。 （3）以窑炉的结构、类型、燃料种类以及装窑方式和装窑疏 密为依据。 （4）以相似产品的成功烧成经验为依据。
一、坯体在烧制过程中的物理变化
3、玻化成瓷期（950 ℃ ~烧成温度） （3）形成大量液相和莫来石晶相
长石约在1170 ℃开始分解，析出白榴石 并生成液相。在高岭土和长石组成的二组 分混合物中，约在1000 ℃莫来石开始形成。
首先是在高岭土的残骸上，由于比较活泼 的钾、钠离子的侵入形成少量溶质而促使 莫来石的生成。另一方面，由于K2O与 Na2O含量降低，长石熔体组成向莫来石区 析出方向变化，导致长石熔体中形成细小 的针状莫来石。这两种莫来石有明显的区 别，由高岭石分解物形成的粒状或鳞片状 莫来石成为一次莫来石；由长石熔体形成 的针状莫来石称为二次莫来石。
陶瓷显微结构示意图
二 显微结构的组成
1. 晶相（结晶相） 陶瓷材料烧结后的主要组成相之一。 同一坯体内可有多种晶相。主晶相、次晶相
晶相的组成，特别是主晶相的组成往往决定着制品的物理 化学性能。 长石质瓷器的晶相为：莫来石、方石英和残余石英。
二 显微结构的组成
2. 玻璃相 由坯料的组分及杂质或添加物所形成的非晶态低熔点固体 物质。
一、坯体在烧制过程中的物理变化
2、氧化分解与晶型转变期（300~950 ℃ ） （1）粘土结构矿物水的排除 •粘土矿物因其类型、结晶完整程度和颗粒
度的不同，排除结构水的温度也有所差别。
•高岭土
450-650 ℃
•珍珠陶土 500-700 ℃
•蒙脱石
500-750 ℃
•伊利石
400-650 ℃
•叶蜡石
•本阶段要加强通风，目的是使被水气饱和的烟气得到及时排 除，不致因其温度继续下降到露点而析出液态水，凝聚在制 品表面造成“水迹”或开裂等缺陷。
一、坯体在烧制过程中的物理变化
2、氧化分解与晶型转变期（300~950 ℃ ）
•在这一阶段，坯体内部发生较复杂的物理化学变化： •粘土中的结构水的排除； •碳酸盐分解； •有机物、碳素和硫化物被氧化； •石英晶型转变。 •这些变化与坯体组成、升温
（一）、温度制度及控制
温度制度包括升温速度、烧成温度、保温时间以及冷却速度等 参数。
1、各阶段的升温速度 （1）坯体水分蒸发期（室温~300 ℃ ） 这阶段实际是干燥的延续，升温速度主要取决于坯体的含水 率、致密度、厚度和窑内实际温度以及装坯量。入窑水分2% 的坯件能较快升温。当坯件入窑水分较高，坯件厚度及装窑 密度大时，应采取慢速升温。特别对于含结合粘土多的致密 坯体，水份排除困难，在温差大时更应慢速升温。
一、坯体在烧制过程中的物理变化
4、冷却阶段 冷却初期，即由烧成温度冷却至800 ℃ ，这是冷却过程的重 要阶段。 采取快冷的方法 冷却过慢 主要变化：黏度不断增大，细晶减少粗晶增多，结构不均匀， 导致机械性能下降; 釉层细晶失透；低价铁重新氧化。
一、坯体在烧制过程中的物理变化
冷却中期，由800-400 ℃ ，这是冷却的最危险的阶段。 主要变化，由塑性变为固态。
残余石英的晶型转变（573 ℃ ） 在573℃α-石英转变为β-石英，体积收缩0.82%。必须缓慢 冷却过快：产生较大的结构应力; 内部和表面出现较大的热应 力
冷却后期400 ℃ -室温。针对陶和瓷采取不同降温措施 瓷器中不会有方石英出现，冷却时因熔体粘度增大抑制了晶芽 的形成，而且高温熔体中硅量并未达到饱和，因此一般陶瓷在 冷却阶段不会有方石英新相析出。 陶炻质坯体中，由于液相数量少，可能有以固体状态存在的方 石英。冷却时要特别注意。
作用： ★ 粘结晶粒、填充气孔和空隙，促进坯体致密，增加透明 度，降低坯体的烧结温度。 ★ 高粘度玻璃相能抑制晶粒长大，防止晶型转变、扩大烧结 范围。