第2次课-特种陶瓷粉体的制备方法

1.2 特种陶瓷粉体的制备方法
1.2.2 合成法
1.固相法制备粉末 2.液相法制备粉末 3.气相法制备粉末 4.合成粉末的实例
1.2 特种陶瓷粉体的制备方法
1.2.2 合成法
1.固相法制备粉末 就是以固态物质为原料来制备粉末的方法。作为固原反应 固溶反应
1.2 特种陶瓷粉体的制备方法
1.2.2 合成法
1.固相法制备粉末 ③ 氧化物还原法reduction method（非氧化物陶瓷） 以SiC粉 末 的 制备为例 ， 是 将SiO2 与碳粉混合 ， 在 1460℃-1600℃的加热条件下，逐步还原碳化。其大致历 程如下 SiO2+C SiO+CO SiO+2CSiC+CO
特种陶瓷 使用性能 普通陶瓷
使用性能
普通陶瓷 合成/加工工艺
普通陶瓷 固有性能
特种陶瓷的特性和应用领域
特种陶瓷的应用
研磨和耐磨性 切削性 高强度
结构陶瓷
力学性能
电磁功能 半导体功能 光学
润滑性
绝缘性 介电性
功能陶瓷
导电性
压电性 磁性
热学
生物、化学
与原子有关的功能 超导
第四章 特种玻璃
绪论
第一章 特种陶瓷生产工艺原理 第二章 结构陶瓷
1.2 特种陶瓷粉体的制备方法
1.2.1 机械法 4.具体粉碎方法 球磨粉碎机
1-电动机；2-离合器操纵杆；3-减速器；4-摩擦离合器；5-大齿圈；6-筒身； 7-加料口；8-端盖；9-旋塞阀；10-卸料管；11-主轴头；12-轴承座；13-机座； 14-衬板；15-研磨体
1.2 特种陶瓷粉体的制备方法
1.2 特种陶瓷粉体的制备方法
1.2.2 合成法 2.液相法制备粉末 1）沉淀法 ⑤ 溶胶-凝胶法：
纳米氧化铝溶胶
1.2 特种陶瓷粉体的制备方法
1.2.2 合成法
2.液相法liquid-phase method制备粉末
均匀性
溶胶-凝胶法制取ZrO2的流程
1.2 特种陶瓷粉体的制备方法
1.2.2 合成法
前驱物
1.2 特种陶瓷粉体的制备方法
1.2.2 合成法
2.液相法制备粉末 1）沉淀法
④醇盐水解法
金属醇盐是用金属元素置换醇中羟基 的氢的化合物总称，通式为M(OR)n，
其中M代表金属元素，R是烷基（羟
基）。 金属醇盐由金属或者金属卤化物与醇 反应合成，它很容易和水反应生成氧化 物、氢氧化物和水化物。氢氧化物和其 它水化物经煅烧后可以转化为氧化物粉 体。
BaCO3+TiO2BaTiO3+CO2
1.2 特种陶瓷粉体的制备方法
1.2.2 合成法
1. 固相法制备粉末 ② 热分解反应
热分解反应基本形式(S代表固相，G代表气相)： Sl→S2+G1 金属的硫酸盐、硝酸盐等 → 特种陶瓷用氧化物粉末 如将硫酸铝铵Al2(NH4)2(SO4)4· 2O在空气中进行热分解， 24H 即可制备出Al2O3粉末。 利用有机酸盐制备粉体，优点是： a.有机酸盐易于金属提纯， b.容易制成含两种以上金属的复合盐， c.分解温度比较低，产生的气体组成为C、H、O。
②碰撞速度 材料的粉碎与系统提供它的能量有直接关系，而在机 械粉碎过程中能量的形成与转换则与体系的运动速度密切 相关，其又可分为破碎粒子碰撞速度和粉碎介质碰撞速度。
1.2 特种陶瓷粉体的制备方法
1.2.1 机械法 4.具体粉碎方法 ① ② ③ ④ 机械冲击式粉碎 （破碎） 球磨粉碎 行星球磨 振动粉碎
粉 碎 法 物 理 方 法
干式粉碎 湿式粉碎
气体蒸发法 活化氢熔融金属反应法 构 筑 法 溅射法 真空沉积法 加热蒸发法
制 备 方 法
混合等离子体法 沉 淀 法 共沉淀法 化合物沉淀法 喷雾干燥法 喷 雾 法 喷雾水解法 喷雾焙烧法
化 学 方 法
水解法
氧化还原法 冻结干燥法 激光合成法 火花放电法
特种陶瓷使用性能普通陶瓷合成加工工艺普通陶瓷固有性能普通陶瓷使用性能特种陶瓷的应用结构陶瓷力学性能功能陶瓷研磨和耐磨性切削性高强度润滑性绝缘性导电性压电性磁性电磁功能半导体功能光学热学生物化学与原子有关的功能超导绪论第一章特种陶瓷生产工艺原理第二章结构陶瓷第三章功能陶瓷第四章特种玻璃第五章人工晶体第六章无机纤维第七章薄膜材料第八章生物陶瓷第九章新能源材料第十章环境材料11特种陶瓷粉体的物理性能12特种陶瓷粉体的制备方法13特种陶瓷的成型方法14特种陶瓷的烧结各种形状的粉体颗粒111粉体的粒度与粒度分布112粉体颗粒的形态及其表征113粉体的表面特性114粉体的填充性粉体颗粒的粒度particlesize等面积球相当径
冷冻干燥法原料及实验装置 （a）冷冻装置；（b）真空干燥装置
溶剂蒸发法：
a. 冷冻干燥法
冷冻 干燥机
溶剂蒸发法：
a. 冷冻干燥法
冷冻干燥法的突出优点： a. 在溶液状态下均匀混合，适合于极微量组分的添加，有效 地合成复杂的陶瓷功能粉体材料并精确控制其最终组成；
气体喷射粉碎法。一般制备超细粉与纳米粉时，只能 选用气体喷射粉碎法或高能球磨法。
1.2 特种陶瓷粉体的制备方法
1.2.1 机械法
1.材料粉碎加工原理
弹性变形
塑性变形
材料断裂
破碎
材料硬化；内应力增大
重复发生
1.2 特种陶瓷粉体的制备方法
1.2.1 机械法
1.材料粉碎加工原理
图2-4破碎与磨碎方式
抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗拉强度
SiO2颗粒表面蒸发、 分解、扩散至C粒 表面发生反应 进一步还原后，产生 Si蒸气，发生反应
SiO+CSi+CO
Si+C SiC
这时得到的SiC粉是无定形的，需要再经过 1900℃的高温处理获得晶态SiC。
1.2 特种陶瓷粉体的制备方法
1.2.2 合成法
1.固相法制备粉末 2.液相法制备粉末 3.气相法制备粉末 4.合成粉末的实例
1.2 特种陶瓷粉体的制备方法
1.2.2 合成法
2.液相法liquid-phase method制备粉末
液相反应法制备超细粉体的共同特点是：
均以均相的溶液为出发点，通过各种途径使溶质和溶 剂分离，溶质形成一定形状和大小的颗粒，得到所需粉末 的前驱体，热解后得到微粒。 与固相法相比，其主要的优点： （1）精确控制化学组成； （2）易于添加微量有效成分； （3）超细粒子形状和尺寸也比较容易控制。 特别适合制备组成均匀，且纯度高的复合氧化物超细粉。
出溶反应
相变
1.2 特种陶瓷粉体的制备方法
1.2.2 合成法
1. 固相法制备粉末 ①化合反应法combination reaction 化合反应一般具有以下反应结构式
As + Bs Cs + Dg
二种或者二种以上的固态粉末，经混合后在一定的 热力学条件和气氛下反应而成为复合物粉末，有时也伴 随一些气体逸出。 如钛酸钡粉末的合成就是典型的固相化合反应：如下
1.2 特种陶瓷粉体的制备方法
1.2.2 合成法
2.液相法制备粉末 1）沉淀法： ① 直接沉淀法，以制备Al2O3为例 矿石高压溶出： Al2O3· 2O+2NaOH→2NaAl(OH)4 3H 分 解： 煅 烧： 2NaAl(OH)4 →2Al(OH)3+2NaOH 2Al(OH)3→Al2O3+3H2O ↑
1.2 特种陶瓷粉体的制备方法
1.2.2 合成法
2.液相法制备粉末

1）沉淀法 醇盐水解法
醇盐水解法的特点： 水解过程中不需要添加碱，因此不存在有害负离子和碱金属离子；


反应条件温和、操作简单产品纯度高；
制备的超微粉体具有较大的活性； 粉体粒子通常呈单分散状态，在成型体中表现出良好的填充性； 具有良好的低温烧结性能。 醇盐水解法的缺点是成本昂贵。
1.1 特种陶瓷粉体的物理性能
1.1.1
1.1.2 1.1.3
粉体的粒度与粒度分布
粉体颗粒的形态及其表征 粉体的表面特性
1.1.4
粉体的填充性
粉体颗粒的粒度(particle size) ① 等体积球相当径。（体积可求） ② 等面积球相当径。 (流体通过法或吸附法 ) ③ 等沉降速度相当径。 ④ 显微镜下测得的颗粒粒径:
⑤
气流粉碎
图2-4破碎与磨碎方式
1.2 特种陶瓷粉体的制备方法
1.2.1 机械法 4.具体粉碎方法 颚式破碎机
(a) 简单摆动型
(b)复杂摆动型
(c)综合摆动型
1-定颚；2-动颚；3-推动板；4-连杆；5-偏心轴；6-悬挂轴
1.2 特种陶瓷粉体的制备方法
1.2.1 机械法 4.具体粉碎方法 圆锥破碎机
② 长短度和扁平度（柱状或片状） 长短度=长径l/短径b ， 扁平度=短径b/厚度t
③ 动力形状因子K
K=Dd/Dv Dd—颗粒在介质中的沉降阻力相当径 Dv---等体积球径
1.1 特种陶瓷粉体的物理性能
1.1.3 粉体的表面特性
1）粉体颗粒的表面能和表面状态 2）粉体颗粒的吸附与凝聚
1.1 特种陶瓷粉体的物理性能
1.2 特种陶瓷粉体的制备方法
1.2.1 机械法
一般机械制粉法包括捣磨法，切磨法，涡旋磨法， 球磨法，气体喷射粉碎法，高能球磨法等，可根据材 料的物理力学性能及所制粉末的粗细要求进行选择。
加工脆性大的材料可选用捣磨法，涡旋磨法，球
磨法，气体喷射粉碎法，高能球磨法；
加工塑性较高的材料可选用切磨法，涡旋磨法，
特种陶瓷材料及工艺
授课教师：任 帅
材料科学与工程学院
绪 论
一、材料学
二、什么是陶瓷、特种陶瓷？
三、特种陶瓷和粉末冶金
四、特种陶瓷的特性和应用领域 五、特种陶瓷的发展前景 六、特种陶瓷的研究任务
二、什么是陶瓷、特种陶瓷？
―特种陶瓷”：通常认为是采用高度精选的原料，具有能精 确控制的化学组成，按照便于控制的制造技术加工的，便于 进行结构设计，并具有优异特性的陶瓷。
2.液相法liquid-phase method制备粉末 2）溶剂蒸发法：
溶剂蒸发法以金属盐溶液制备超微粉体
溶剂蒸发法：
a. 冷冻干燥法

冷冻干燥法：a.将配制好的阳离子盐溶液喷入到低温有机液体中，
使液体进行瞬间冷冻和沉淀在玻璃器皿的底部，
b.将冷冻球状液滴和有机液体筛选分离后放入冷冻干燥器，在维 持低温降压条件下，溶剂升华、脱水， c.再在煅烧炉内将盐分解，可制得超细粉体。
1.2 特种陶瓷粉体的制备方法
1.2.1 机械法
2.材料粉碎加工模型 在粉体材料的粉碎过 程中，其粉碎产物的集 合体的颗粒粒度实质上 具有多分散性。 而其分散程度随粉碎 方式不同而有较大差异。 a、体积粉碎模型 b、表面粉碎模型 c、均一粉碎模型
1.2 特种陶瓷粉体的制备方法
1.2.1 机械法
3.影响颗粒粉碎的因素 ①易碎性 易碎性表征着材料对粉碎的阻抗能力，它可定量地表 示为将材料粉碎到某一粒度所需的比功。而且，易碎性也 是粉碎过程所耗能量的判据。
第五章 人工晶体 第六章 无机纤维
第七章 薄膜材料
第八章 生物陶瓷 第九章 新能源材料 第十章 环境材料
第三章 功能陶瓷
第一章 特种陶瓷工艺原理
1.1 特种陶瓷粉体的物理性能
1.2 特种陶瓷粉体的制备方法 1.3 特种陶瓷的成型方法 1.4 特种陶瓷的烧结
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
图1 各种形状的粉体颗粒
1.1.4 粉体的填充性
影响粉体密实性的因素有： ① 颗粒大小的影响
② 颗粒形状和凝聚的影响
第一章 特种陶瓷工艺原理
1.1 特种陶瓷粉体的物理性能
1.2 特种陶瓷粉体的制备方法 1.3 特种陶瓷的成型方法 1.4 特种陶瓷的烧结
1.2 特种陶瓷粉体的制备方法
粉体的制备方法一般分为有两大类：机械法；合成法 机械法：是由粗颗粒来获得细粉的方法，通常采用机械粉 碎，现在发展到采用气流粉碎。 缺点： ① 在粉碎过程中难免混入杂质； ② 都不易制得粒径在1μm以下的微细颗粒（效率） 合成法：是由离子、原子、分子通过反应、成核和成长、 收集、后处理来获得微细颗粒的方法。 特点： 纯度、粒度可控，均匀性好，颗粒微细。且可以实 现颗粒在分子级水平上的复合、均化。 通常包括固相法、液相法和气相法。
1.2.1 机械法 4. 具体粉碎方法——气流粉碎法
管道式气流粉碎机
1.2 特种陶瓷粉体的制备方法
1.2.2 合成法
合成法-----是由离子、原子、分子通过反应、成核和 成长，收集，后处理来获得微细颗粒的方法。 特点：纯度，粒度可控，均匀性好，颗粒微细。 并且可以实现颗粒在分子级水平上的复合，均化。 固相法 液相法 气相法 另一分类方法：物理方法、化学方法
1.2 特种陶瓷粉体的制备方法
1.2.2 合成法
2.液相法liquid-phase method制备粉末 基本方法有 1) 沉淀法 ①直接沉淀法；②均匀沉淀法；③共沉淀法； ④醇盐水解法； ⑤特殊沉淀法：a.溶胶-凝胶(Sol-gel)法；b.凝胶-沉淀法 2) 溶剂蒸发法 ①冰冻干燥法(freeze-drying); ②喷雾干燥法(Spray drying); ③喷雾热分解法
马丁径、弗莱特径、投影面积径。
粉体颗粒的粒度(particle size)
马丁径 - 对开线长度
弗莱特径 – 两对边切线之间距离
粉体颗粒的粒度分布
频率分布曲线
累积分布曲线
1.1特种陶瓷粉体的物理性能
1.1.2 粉体颗粒的形态及其表征
① Wadell球形度ψw（球体）
与颗粒具有相同体积的球的表面积对于实际颗粒的表面积之比， 一般小于1，如等于1，则该颗粒位球形