西工大《陶瓷制备技术》复习题

1、请简述烧结的定义、主要类型及其传质机制；列举 3 种烧结方法，并分析其优缺点。 烧结：坯体在高温下致密化过程和现象的总称。随着温度升高，陶瓷坯体中具有比表面大，表面能较高的粉粒， 力图向降低表面能的方向变化，不断进行物质迁移，晶界随之移动，气孔逐步排除，产生收缩，使坯体成为具有一 定强度的致密的烧结体。 烧结类型：气相烧结、固相烧结、液相烧结 传质机制：蒸发-凝聚传质、扩散传质、流动传质 (1)无压烧结 优点：方便、经济、成本低。缺点：烧结制品致密化程度较低，制品强度较低，不能充分满足高 性能产品的需求。 (2)热压烧结 优点：降低了烧结温度，缩短了烧结时间，抑制了晶粒长大，得到的产品较为致密；易得到具有 良好机械性能、电学性能的产品。缺点：生产率低、成本高；烧结后微观结构具有各向异性，影响了制品性能。 (3)热等静压烧结 优点： 陶瓷材料的致密化可以在比无压烧结或热压烧结低得多的温度下完成，可以有效地 抑制材料在高温下发生很多不利的发应或变化（烧结温度低）；能够在减少甚至无烧结添加剂的条件下，制备出微 观结构均匀且几乎不含气孔的致密陶瓷烧结体（均匀性好、致密度高）；可以减少乃至消除烧结体中的剩余气孔， 愈合表面裂纹，从而提高陶瓷材料的密度、强度（密度较大，强度高）；能够精确控制产品的尺寸与形状，而不必 使用费用高的金刚石切割加工，理想条件下产品无形状改变（工序少，尺寸稳定性好）。缺点：通常只能用于制造 形状简单的产品且生产效率低；烧结设备昂贵，一次性投资较大。 2、请分析陶瓷/陶瓷基复合材料的主要优点、缺点及其主要应用领域 陶瓷材料 优点：硬度高，刚度好，抗压强度大；陶瓷材料一般熔点高，在高温下具有极好的化学稳定性； 陶 瓷的导热性低于金属材料，陶瓷还是良好的隔热材料；陶瓷的线膨胀系数比金属低，当温度发生变化时，陶瓷具有 良好的尺寸稳定性；大多数陶瓷材料在高温下不易氧化，并对酸、碱、盐具有良好的抗腐蚀能力； 大多数陶瓷具 有良好的电绝缘性； 陶瓷材料还有独特的光学性能、磁性能。 缺点：抗拉强度较低，塑性和韧性很差，可靠性较 差，加工性差。主要应用领域：生活用品（日用陶瓷），汽车，化工，航空航天，医学，电子等行业。 陶瓷基复合材料 优点：除了拥有陶瓷材料的优点外，还克服了脆性差的缺点。 缺点：成本高。应用领域： 主要应用于航空航天领域，汽车，化工，医学，电子等行业也有所应用。 3、请分析陶瓷材料韧性低的原因，并列举 3 种以上增韧方法及其特点 陶瓷材料本身的脆性来自于其化学健的种类。 实际陶瓷晶体中大都以方向性较强的离子链和共价健为主。多 数晶体的结构复杂，平均原子间距大，因而表面能小。因此，同金属材料相比．在室温下发生的滑移几乎没有，位 错的滑移很难发生。因此很容易由表面或内部存在的缺陷引起应力集中而产生脆性破坏。 增韧方法： (1)颗粒增韧，是增强体增韧的一种。主要增韧机理为残余应力增韧、微裂纹增韧、裂纹偏转增韧、 颗粒桥联增韧、延性颗粒增韧，是提高陶瓷材料韧性最简单、最廉价的途径。颗粒的形状和表面处理对强韧化效果 影响很大。 (2)纤维（晶须）增韧 通过纤维（晶须）脱粘、纤维（晶须）拔出、裂纹桥联和裂纹的偏转等机制耗 散能量，阻止裂纹扩展，提高复合材料的韧性。 (3)原位自生增韧，即在制备过程中通过对材料组元的形核和晶体 生长的控制，使微结构细化或取向生长，从而抑制陶瓷材料对缺陷和裂纹的敏感性，避免两相不相容、分布不均匀 问题，提高材料韧性。 (4)仿生结构增韧 仿生结构陶瓷是受贝壳珍珠等生物材料结构启发而提出的一种增韧陶瓷。 主要由高模量和低模量两种陶瓷材料组成的，其中，高模量陶瓷的主要作用是承载而增强，低模量陶瓷的主要作用 是偏转裂纹而增韧。 4、陶瓷/陶瓷基复合材料的常温力学性能主要包括哪些，如何测试（分析 4 种即可） （1）弯曲强度：可采用三点弯曲、四点弯曲方法测出。其中三点弯法比四点弯测得的强度稍大一些。 （2） 断裂韧性：采用压痕法（VIF）和单边切口梁法（SENB）测试。 （3）硬度：静负荷试验法，是在静负荷作用下将 一个硬的压头压入材料来测试硬度，属于这种试验法的有布氏、洛氏、表面洛氏、维氏和显微硬度试验法等。陶瓷 材料的硬度常用维氏硬度、莫氏硬度、显微硬度来评价。 （4）弹性模量：有静态法和动态法两种，后者较为准确。 动态法又分为共振法和超声法。共振法是以一个连续可变的振动波，激发试样，测定试样在纵向或弯曲振动时，本 身固有的共振频率。由于其振动为阻尼振动，当振动频率衰减到与试样本身固有的频率相等时，产生共振，振幅增 大，这个波通过测试探针或测量话筒的传递转换成电讯号送入仪器，测得此时的频率，计算弹性模量。超声法是给 试样一定频率的超声波，测定超声波在试样中纵波的速度，计算弹性模量。 5、陶瓷材料的硬度有哪些表示方法，如何测试 陶瓷材料的硬度常用维氏硬度、莫氏硬度、显微硬度来评价。 ①维氏硬度试验法是两相对面间的夹角为 136 度的正四棱锥形金刚石压头在一定的负荷作用下压入试样表面，经规定的负荷保持时间后，卸除负荷，在试样的表 面上压出一个正方形的压痕，以所采用的负荷除以压痕的表面积所得的商数 (N/mm2)来表示硬度值。维氏硬度的符
号用 HV 表示。试样的厚度至少是压痕深度的 10 倍。 ②莫氏硬度： 应用划痕法将棱锥形金刚钻针刻划所试材料 的表面而发生划痕，用测得的划痕的深度分十级来表示硬度（刻划法）。 ③维氏显微硬度： 其原理与维氏硬度的 测试一样，只是由于使用的负荷小于 9.8N，且压痕以微米(μm)为单位，故称为显微硬度。其压痕对角线尺寸需通过 仪器中的光学放大系统用读数显微镜测出。计算公式与维氏硬度的相同。 6、请简述氧化铝陶瓷的主要性能特点、制备方法和应用领域 制备方法：（1）热压烧结法：将干燥的符合要求的氧化铝粉料充填入模型内，再从单轴方向边加压边加热， 使成型和烧结同时完成。（2）热等静压烧结法： 将成型后的氧化铝制品放置到密闭的容器中，向制品施加各向同 等的压力，同时施以高温,在高温高压的作用下，制品得以烧结和致密化。（3）放电等离子烧结法：将氧化铝粉末 装入石墨等材质制成的模具内，利用上、下模冲及通电电极将特定烧结电源和压制压力施加于烧结粉末，经放电活 化、热塑变形和冷却等过程，制备高性能氧化铝陶瓷。 性能特点及应用：氧化铝陶瓷的用途是十分广泛的，根据氧化铝含量不同，其性能不同，用途也各有差异。 机 械强度高：氧化铝烧结后的抗弯强度可达 250MPa，热压产品可达 500MPa。氧化铝的成分愈纯，强度愈高。强度在 高温下可维持到 900℃， 可以制成装置瓷和其他机械构件。 电阻率高， 电绝缘性好： 氧化铝的常温电阻率约为 1015Ω · cm，绝缘强度 15Kv/mm，利用其绝缘性和强度可制成各种基板、管座、火花塞和电路外壳等。 硬度高： 莫氏硬 度为 9，加上优良的抗磨损性，所以广泛地用以制造刀 具、磨轮、磨料、拉丝模、挤压模、轴承等。熔点高，抗腐 蚀：氧化铝的熔点为 2050℃，能较好地抵抗一些熔融金属的侵蚀，可用作耐火材料、炉管，热电偶保护套等。化学 稳定性好： 许多复合的硫化物、磷化物、砷化物、氯化物、溴化物、 碘化物、氧化物以及硫酸、盐酸、硝酸、氢 氟酸不与 A12O3 作用。因此 A12O3 可以制备人体关节、人工骨等生物陶瓷材料。光学特性: 氧化铝陶瓷可以制成 用于高压纳灯的透明陶瓷灯管。 7、请简述氮化硅陶瓷的主要性能特点、制备方法和应用领域 性能特点： 高的室温强度和高温强度；高硬度，耐磨蚀性好；抗氧化性高；良好的耐热冲击和机械冲击性能； 热稳定性和化学性能稳定性好；密度低，比重小；电绝缘性好，介电损耗小，抗击穿电压高等。在高温结构陶瓷领 域，氮化硅陶瓷是综合性能最好、最具应用前景和最有希望替代镍基合金并在高温领域获得广泛应用的新材料。 制备方法： （1）反应烧结氮化硅（RBSN） ：反应烧结 Si3N4 陶瓷，就是将硅粉以适当方式成型后，在氮 化炉中通氮加热进行氮化：3Si+2N2====Si3N4，氮化后产品为α和β相的混合物。 由于这种烧成工艺可精确地制造 形状很复杂的产品，不需要昂贵的机械加工。所以，目前反应烧结 Si3N4 在工业上获得了广泛地应用。（2）常压 烧结（SSN）：高纯 Si3N4 为共价键化合物、原子自扩散系数太小，烧结极为困难。如果用 Si3N4 原料高表面能 的超细粉末，同时采用高温和高压，固相烧结也是不可能的。加入适当的添加剂，使之发生液相烧结，这才是有效 的解决办法。添加剂有：MgO，Y2O3，ZrO2，La2O3 等。（3）热等静压烧结氮化硅（HIPSN）：对制品同时施 加高温和高压的作用，颗粒发生重排和塑性变形，将气泡排除体外，高温下发生传质过程，致密化速度非常高，可 获得致密、无缺陷、性能非常优异的材料。 应用：利用其切削性，可以用于切削工具； 利用其高温、高强度性，用于发动机用陶瓷零件、燃气轮机用陶 瓷零件； 利用其耐腐蚀性，可以用于泵零件； 利用其耐热性，用作各种耐热结构材料，制备工业用炉材、循环换 热器等。 8、简述溶胶-凝胶法制备陶瓷粉体的原理。 用含高化学活性组分的化合物作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液 中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化、胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶， 凝胶网络间充满了 失去流动性的溶剂， 形成凝胶。凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。 9、试简述几种制备 Si3N4 粉体的方法。 （1）直接氮化法：即采用高纯硅粉为原料，在一定温度下，通 N2 来与 Si 反应，形成 Si3N4 粉末，其反应式为
1000~1300 C 3SiCl4 4 NH 3 Si3 N 4 12 HCl 或 3SiH 4 4 NH 3 Si3 N 4 12 H 2
o
~1600o C
（4）自蔓延合成法：以硅粉为原料的氮化反应法，利用 Si 粉氮化时的放热来延续整个氮化反应过程。
10、注塑（射）成型与热压注成型的区别有哪些。 热压注成型： 将含有石蜡的浆料在一定的温度和压力下注入金属模中，待坯体冷却凝固后再进行脱模的成型 方法。 注塑成型：将瘠性物料与有机添加剂混合加压挤制的成型方法。 相同之处为：都包含瘠性料与有机添加剂 混合、成型、脱脂（排腊）三个主要工序。都是在一定温度、压力下成型。 不同点：（1） 热压注在成型前需制 成可以流动的腊浆。注射成型是制备出颗粒状干粉料，注入料腔后加热至塑性状态，填充模具。 （2）热压注压力 0.3～0.5 MPa，注射成型压力 130MPa。 11、等静压成型与干压成型的主要差别及其优点。 （1）干压成型：一种金属粉末和陶瓷粉末的成型方法，就是将干粉坯料填充入金属模腔中，施以压力使其成为 致密坯体。 压制过程中，颗粒重新排列时，颗粒之间产生内摩擦力，颗粒与模壁间产生外摩擦力，这两种摩擦力 阻碍压力的传递。压力分布不均匀导致坯体密度不均匀。优点：工艺简单，操作方便，周期短，效率高，适于自动 化生产； 坯体密度大，收缩小，强度高。（2）等静压成型：利用液体介质不可压缩性和均匀传递压力性来实现成 型的。 特点：1、坯体强度高、密度高、密度均匀、长径比不受限制、形状可复杂。 2、粉料中不需添加润滑剂， 既减少了对制品的污染，又简化了制造工序。 3、可实现近净尺寸成型，减少加工费用和材料浪费。 4、坯体水份 含量小（～1%） ，不需烘烤，可直接烧结，减少生产工序。 12、在压制成型中为什么要造粒？如何造粒。 ⑴对烧结而言，粉料越细越好，可降低烧结温度；对成型而言，粉料越细，比表面积越大，流动性差，堆积密 度低，压制时粉料间及粉料和模壁间摩擦阻力大，易在坯体内形成密度梯度和分层，包裹的气体很难排出，卸载和 脱模过程中易产生裂纹。因此，成型前对原始粉料必须进行造粒处理。 ⑵造粒：在陶瓷原料细粉中加入一定量的 塑化剂（如水） ，制成粒度较粗，含一定水分，具有一定假颗粒度级配、流动性好的团粒。 一般造粒法： 将坯 料加入适当塑化剂后， 经混合过筛， 得到一定大小的团粒。（1）一般造粒法：将坯料加入适当塑化剂后，经混 合过筛，得到一定大小的团粒。（2）加压造粒法：将坯料加入适当塑化剂后，经预压成块，然后破碎过筛而成团 粒。团粒体积密度大。（3）喷雾造粒法：把坯料与塑化剂混合好形成浆料，再用喷雾器喷入造粒塔进行雾化、干 燥，出来的粒子即为质量较好的团粒。（4）冷冻干燥法：将金属盐水溶液喷雾到低温有机液体中，液体立即冻结， 使冻结物在低温减压下升华，脱水后进行热分解，从而获得所需要的成型粉料。 13、快速原型制造的基本原理和特点。 原理：从成形的全过程来看，快速成形过程可以描述为离散/堆积过程。离散： 从 CAD 模型中获得这些点、 线、面的几何信息；堆积：把几何信息与成形参数信息结合，转换为控制成形机工作的代码，控制材料有规律地、 精确地迭加起来。 特点：1）高度柔性 取消了专用工具，在计算机的管理和控制下可以制造出任意复杂形状的零 件，把可重编程、重组、连续改变的生产装备用信息方式继承到一个制造系统中，制造成本完全与批量无关。2） 技术的高度集成 SFF（固体无模制造）技术是计算机技术、数控技术、激光技术、材料技术和机械技术的综合集成， 显著特点就是 CAD/CAM 一体化。3）快速性 从 CAD 设计到原型（或零件）的加工完毕，无需等待模具的更改就 可以灵活的实现对设计的调整或更改，从而缩短了开发周期，降低了费用。4）自由成型制造 一是可以根据零件的 形状，无需专用工具的限制而自由地成型；二是指不受复杂程度的限制。5）材料的广泛性 原料可以是树脂、塑料 类等高分子材料，也可以制造金属、陶瓷材料部件。还可以从液体乃至气体直接生Βιβλιοθήκη Baidu固体部件，使材料的制备和部 件的加工统一起来。 14、如何测量粉体的粒径分布。解释以下粒径分布曲线。 （1）筛分法：筛分法是利用筛孔将粉体机械阻挡的分级方法。将筛由粗到细按筛号顺序上下排列，将一定量粉 体样品置于最上层中，振动一定时间，称量各个筛号上的粉体重量， 求得各筛号上的不同粒级重量百分数，由此 获得以重量基准的筛分粒径分布及平均粒径。（2）显微法：采用定向径方法测量。（3）光衍射法：测量原理：当 光入射到颗粒时，会产生衍射，小颗粒衍射角大，而大颗粒衍射角小，某一衍射角的光强度与相应粒度的颗粒多少 有关。（4）沉降法：通过检测物料颗粒在介质中的沉降速度进行物料拉度分析，确定其粒度组成。
1200~1400 C 3Si 2 N 2 Si3 N 4
o
（ 2） 碳热还原氮化法： 以细而纯的 SiO2 作为原料， 以 C 作为还原剂， 同时通入 N2 进行氮化， 获得高纯超细 Si3N4 粉末，其反应式为 3SiO2 6C 2 N 2 Si3 N 4 6CO （3）化学气相沉积法：采用硅的卤化物和氨在气态下进行反应，产物 Si3N4 在冷却端沉积下来，反应式为