第5章 陶瓷材料的烧结-经典3
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陶瓷工艺学第五章全解
2018年10月25日
5.2.4 烧结参数对于烧结样品性能的影响
5.2.4.1 材料参数对烧结的影响
烧结粉体的特征，如颗粒尺寸、尺寸分布、颗粒形状、颗粒团聚 体以及团聚程度都严重影响着致密化过程以及烧结制品的显微结 构。理想的颗粒品质是尺寸小、无团聚、等轴颗粒形状、尺寸分 布范围小、纯度高。 (1) 颗粒尺寸对烧结的影响 原始粉料中的颗粒尺寸越小，致密化速率越快。这种观点可以根据 有关的分形理论来解释。该分形理论指出，对于由固相颗粒组成的 两相或多相系统中，颗粒具有相同的特征，但尺寸不同，在一定温 度下进行的烧结过程中，这些颗粒具有相似的几何特征变化，使这 些变化产生所需的时间可以通过简单的定律来判断。
2018年10月25日
(2) 粉体结块和团聚对烧结的影响
结块(agglomerates)的概念是指小部分的颗粒通过表面力和/或固体 桥接作用结合在一起；而团聚(aggregates)描述的是颗粒经过牢固 结合和/或严重反应形成的粗大颗粒。结块和团聚形成的粗大颗粒 都是通过表面力结合的。单位质量的表面力与颗粒尺寸成反比。 因此，对于亚微尺寸以下的粉体颗粒，结块和团聚问题非常严重。
2018年10月25日
在煅烧过程中形成的固相桥接主要是由于固相颗粒之间的部分烧 结或颈部生长。 如果在颗粒制备过程中已经形成了松散的结块体，煅烧过程的热 处理将使这些结块体转变成更加坚硬的团聚体。
由于烧结颈部的尺寸随着煅烧温度的升高而增大，团聚体的结合 强度随着温度的升高而提高。通常通过球磨，利用机械能来破坏 这些团聚体。
2018年10月25日
一般来讲，烧结样品的原始粉体粒度分布在0.1～100µm 之间；其总表面能为500～0.5 J/mol。而一般粉体氧化 后的表面能变化基本上在300～1500 kJ/mol范围。 因此这样的粉体的总表面能本身就比较小，如果要利用本身数 值就不大的总表面能的减小来完成烧结的话，控制烧结工艺参 数就显得非常必要。
5.2.4 烧结参数对于烧结样品性能的影响
5.2.4.1 材料参数对烧结的影响
烧结粉体的特征，如颗粒尺寸、尺寸分布、颗粒形状、颗粒团聚 体以及团聚程度都严重影响着致密化过程以及烧结制品的显微结 构。理想的颗粒品质是尺寸小、无团聚、等轴颗粒形状、尺寸分 布范围小、纯度高。 (1) 颗粒尺寸对烧结的影响 原始粉料中的颗粒尺寸越小，致密化速率越快。这种观点可以根据 有关的分形理论来解释。该分形理论指出，对于由固相颗粒组成的 两相或多相系统中，颗粒具有相同的特征，但尺寸不同，在一定温 度下进行的烧结过程中，这些颗粒具有相似的几何特征变化，使这 些变化产生所需的时间可以通过简单的定律来判断。
2018年10月25日
(2) 粉体结块和团聚对烧结的影响
结块(agglomerates)的概念是指小部分的颗粒通过表面力和/或固体 桥接作用结合在一起；而团聚(aggregates)描述的是颗粒经过牢固 结合和/或严重反应形成的粗大颗粒。结块和团聚形成的粗大颗粒 都是通过表面力结合的。单位质量的表面力与颗粒尺寸成反比。 因此，对于亚微尺寸以下的粉体颗粒，结块和团聚问题非常严重。
2018年10月25日
在煅烧过程中形成的固相桥接主要是由于固相颗粒之间的部分烧 结或颈部生长。 如果在颗粒制备过程中已经形成了松散的结块体，煅烧过程的热 处理将使这些结块体转变成更加坚硬的团聚体。
由于烧结颈部的尺寸随着煅烧温度的升高而增大，团聚体的结合 强度随着温度的升高而提高。通常通过球磨，利用机械能来破坏 这些团聚体。
2018年10月25日
一般来讲，烧结样品的原始粉体粒度分布在0.1～100µm 之间；其总表面能为500～0.5 J/mol。而一般粉体氧化 后的表面能变化基本上在300～1500 kJ/mol范围。 因此这样的粉体的总表面能本身就比较小，如果要利用本身数 值就不大的总表面能的减小来完成烧结的话，控制烧结工艺参 数就显得非常必要。
烧结动力学
许多现代技术陶瓷，如氧化铝和AlN 电子基片、氧化铝和SiC机械密封件、氧化 铝和Si3N4电热塞、氮化硅/sialon结构部件、 ZnO压敏电阻等，也都采用液相烧结工艺 制备。
◎液相浸润
固相被液相很好浸润是实现液相烧 结的基本要求。
固相被液相浸润取决于系统的温度 和化学反应。
Θ角越小，固相越容易被液相浸润。
◎液相烧结又可依据固相、液相和气 孔相的相对体积进一步划分为液相烧结、 粘滞复相烧结和粘滞玻璃相烧结三类。
粘滞复相 烧结区
固相烧结 液相烧结区
粘滞玻璃相烧结
Ⅲ
Ⅱ
Ⅰ
液相烧结区
二、固相烧结
◎固相烧结是没有液相参加，或液相 量极少不起作用的烧结。
◎固相烧结过程中主要发生晶粒中心 相互靠近，晶粒长大，减小粉末压实体的 尺寸以及排出气孔等变化。
第五章 烧结动力学
烧结——是指粉状物料在高温作用下， 气孔排出，体积收缩，逐渐变成坚固整体 的过程。
烧结的目的是使坯体致密化，并获得 预期的显微结构和性能。
烧结过程中，陶瓷坯体将发生复杂的 物理化学变化，并受多种动力学因素制约。
一、烧结类型划分
◎按烧结方式，可划分为无压烧结和 施加外力烧结两类。
◎按烧结机理，可划分为固相烧结和 液相烧结两种类型。
气孔体积及界面面积减小引起的吉布斯自 由能的降低（Kelvin，1987）。
5. 颗粒粗化 烧结总是伴随着微观结构的粗化。 由于驱动力降低以及使扩散路径变长，
晶粒粗化将降低烧结速率，从而使动力学 过程变慢。
由于质量守恒，若颗粒平均尺寸增加， 晶粒数必然减少。
位于晶界的气孔（或其他夹杂物）具 有保持在晶界的倾向，这是由于它的存在 会减小晶界能。
气孔
◎液相浸润
固相被液相很好浸润是实现液相烧 结的基本要求。
固相被液相浸润取决于系统的温度 和化学反应。
Θ角越小，固相越容易被液相浸润。
◎液相烧结又可依据固相、液相和气 孔相的相对体积进一步划分为液相烧结、 粘滞复相烧结和粘滞玻璃相烧结三类。
粘滞复相 烧结区
固相烧结 液相烧结区
粘滞玻璃相烧结
Ⅲ
Ⅱ
Ⅰ
液相烧结区
二、固相烧结
◎固相烧结是没有液相参加，或液相 量极少不起作用的烧结。
◎固相烧结过程中主要发生晶粒中心 相互靠近，晶粒长大，减小粉末压实体的 尺寸以及排出气孔等变化。
第五章 烧结动力学
烧结——是指粉状物料在高温作用下， 气孔排出，体积收缩，逐渐变成坚固整体 的过程。
烧结的目的是使坯体致密化，并获得 预期的显微结构和性能。
烧结过程中，陶瓷坯体将发生复杂的 物理化学变化，并受多种动力学因素制约。
一、烧结类型划分
◎按烧结方式，可划分为无压烧结和 施加外力烧结两类。
◎按烧结机理，可划分为固相烧结和 液相烧结两种类型。
气孔体积及界面面积减小引起的吉布斯自 由能的降低（Kelvin，1987）。
5. 颗粒粗化 烧结总是伴随着微观结构的粗化。 由于驱动力降低以及使扩散路径变长，
晶粒粗化将降低烧结速率，从而使动力学 过程变慢。
由于质量守恒，若颗粒平均尺寸增加， 晶粒数必然减少。
位于晶界的气孔（或其他夹杂物）具 有保持在晶界的倾向，这是由于它的存在 会减小晶界能。
气孔
陶瓷烧结PPT课件
未来研究方向与展望
新材料与新工艺的开发
跨学科合作与技术融合
智能化与数字化技术的 应用
未来，研究者们将继续探索新型陶瓷 材料，研究新的烧结工艺和技术，以 满足各种应用需求。同时，如何实现 陶瓷材料的绿色生产和降低成本也是 未来的重要研究方向。
陶瓷烧结技术涉及到材料科学、物理 学、化学等多个学科领域，未来的研 究将更加注重跨学科的合作和技术融 合，以推动陶瓷材料的发展和应用。
还原气氛
可以还原杂质，提高陶瓷的纯度。
压力的影响
常压烧结
是最常见的烧结方式，适用于大多数 陶瓷材料。
加压烧结
在加压条件下，可以促进陶瓷的致密 化，提高其性能。
05
陶瓷烧结的质量控制与检测
质量控制方法
原料质量控制
对原料的化学成分、粒度、含水 率等指标进行严格检测和控制，
确保原料质量稳定。
工艺参数控制
在烧结过程中，对温度、压力、气 氛等工艺参数进行精确控制，以获 得最佳的烧结效果。
设备维护与校准
定期对烧结设备进行维护和校准， 确保设备运行稳定，提高产品的重 复性和可靠性。
性能检测与评价
物理性能检测
检测产品的密度、气孔率、热膨 胀系数等物理性能指标，确保产
品性能符合要求。
力学性能检测
通过抗弯强度、抗压强度等力学 性能试验，评估产品的机械性能
和可靠性。
耐腐蚀性能检测
对产品的耐酸、耐碱、耐热等性 能进行检测，以适应不同环境下
的使用要求。
缺陷分析与改进
缺陷识别
通过外观检查、无损检测等方法，识别产品中的 缺陷和问题。
原因分析
对缺陷产生的原因进行深入分析，找出根本原因 并制定相应的改进措施。
陶瓷材料工艺学--第五章 陶瓷材料的烧结
③ 气氛对坯的颜色和透光度以及釉层质量的影响
a. 影响铁和钛的价态； b. 使SiO2和CO还原； c. 形成氮化合物。
结论：气氛的影响有好有坏，关键是看坯体的组成。
（4）升温与降温速度对产品性能的影响
75%Al2O3瓷的升温速率与性能的关系曲线 1―抗折强度；2―温度系数；3―介质损耗角
（4）升温与降温速度对产品性能的影响
全部组元都转变为液相，而烧结是在低于主要组分的熔点下进
行的。
这两个过程均在低于材料熔点或熔融温
度之下进行的。并且在过程的自始至终都至少有一相是固态。
固相烧结一般可分为三个阶段：初始阶段，主要表现为颗粒形状 改变；中间阶段，主要表现为气孔形状改变；最终阶段，主要表现为 气孔尺寸减小。
烧结过程
收缩
降温速率对坯体的白度和性能都有影响。特别是 含玻璃相多的陶瓷，应采取高温快冷和低温慢冷的制 度。
高温快冷可避免泛黄、釉面析晶，提高光泽；低 温慢冷可减少应力，避免开裂等。
影响陶瓷材料烧结的工艺参数:
（1）烧成温度 （2）保温时间 （3）烧成气氛 （4）升温与降温速率
本节小结
1、 烧结的定义和烧结的方法 2、 烧结的类型
接触部位 颈部 颈部 颈部 颈部 颈部 颈部 颈部
相关参数 晶格扩散率,Dl 晶界扩散率,Db
粘度,η 表面扩散率,Ds 晶格扩散率,Dl 蒸汽压差,Δp 气相扩散率,Dg
5.3.2 晶粒过渡生长现象
晶粒的异常长大是指在长大速度较慢的细晶基体内有少部分区域快 速长大形成粗大晶粒的现象。
在烧结过程中发生异常长大与以下主要因素有关： ① 材料中含有杂质或者第二相夹杂物 ② 材料中存在高的各向异性的界面能，例如固/液界面
三、气孔排除
a. 影响铁和钛的价态； b. 使SiO2和CO还原； c. 形成氮化合物。
结论：气氛的影响有好有坏，关键是看坯体的组成。
（4）升温与降温速度对产品性能的影响
75%Al2O3瓷的升温速率与性能的关系曲线 1―抗折强度；2―温度系数；3―介质损耗角
（4）升温与降温速度对产品性能的影响
全部组元都转变为液相，而烧结是在低于主要组分的熔点下进
行的。
这两个过程均在低于材料熔点或熔融温
度之下进行的。并且在过程的自始至终都至少有一相是固态。
固相烧结一般可分为三个阶段：初始阶段，主要表现为颗粒形状 改变；中间阶段，主要表现为气孔形状改变；最终阶段，主要表现为 气孔尺寸减小。
烧结过程
收缩
降温速率对坯体的白度和性能都有影响。特别是 含玻璃相多的陶瓷，应采取高温快冷和低温慢冷的制 度。
高温快冷可避免泛黄、釉面析晶，提高光泽；低 温慢冷可减少应力，避免开裂等。
影响陶瓷材料烧结的工艺参数:
（1）烧成温度 （2）保温时间 （3）烧成气氛 （4）升温与降温速率
本节小结
1、 烧结的定义和烧结的方法 2、 烧结的类型
接触部位 颈部 颈部 颈部 颈部 颈部 颈部 颈部
相关参数 晶格扩散率,Dl 晶界扩散率,Db
粘度,η 表面扩散率,Ds 晶格扩散率,Dl 蒸汽压差,Δp 气相扩散率,Dg
5.3.2 晶粒过渡生长现象
晶粒的异常长大是指在长大速度较慢的细晶基体内有少部分区域快 速长大形成粗大晶粒的现象。
在烧结过程中发生异常长大与以下主要因素有关： ① 材料中含有杂质或者第二相夹杂物 ② 材料中存在高的各向异性的界面能，例如固/液界面
三、气孔排除
《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
清华大学工程材料第五版第五章
5.1 普通陶瓷
5.1.1 普通日用陶瓷
一、普通日用陶瓷的用途和特点
用粘土、石灰石、长石、石英等天然硅 酸盐类矿物制成。制造日用器皿和瓷器。
一般具有良好的光泽度、透明度，热稳 定性和机械强度较高。
日用器皿
艺术陶瓷
二、常用普通日用陶瓷
（1）长石质瓷 国内外常用的日用瓷，作 一般工业瓷制品。
（2）绢云母质瓷 我国的传统日用瓷。 （3）骨质瓷 主要作高级日用瓷制品。 （4）滑石质瓷 综合性能好的新型高质瓷。 （5）高石英质日用瓷 我国研制成功，石 英含量 ≥40%，瓷质细腻、色调柔和、透光 度好、机械强度和热稳定性好。
氧化铝陶瓷应用实例：
氧化铝陶瓷密封环
氧化铝陶瓷喷咀
二、氧化铍陶瓷
●导热性极好，很高的热稳定性，抗热冲 击性较高；
●消散高能辐射的能力强、热中子阻尼系 数大。
●强度低。
应用 氧化铍陶瓷制造坩埚，作真空陶瓷和 原子反应堆陶瓷，气体激光管、晶体管散热 片和集成电路的基片和外壳等。
三、氧化锆陶瓷
●熔点在2700 ℃以上，耐2300 ℃高温， 推荐使用温度2000 ℃～2200 ℃；
绝缘瓷瓶
改善工业陶瓷性能的方法： 加入MgO、ZnO、BaO、Cr2O3等或增加莫 来石晶体相，提高机械强度和耐碱抗力；
加入Al2O3、ZrO2等提高强度和热稳定性； 加入滑石或镁砂降低热膨胀系数；
加入SiC提高导热性和强度。
5.2 特种陶瓷
☆ 老师提示：重点内容
特种陶瓷也叫现代陶瓷、精细陶瓷。 特种陶瓷包括特种结构陶瓷和功能陶瓷两 大类，如压电陶瓷、磁性陶瓷、电容器陶瓷、 高温陶瓷等。 按陶瓷的主要组成分： 氧化物陶瓷、硼化物陶瓷、 氮化物陶瓷、碳化物陶瓷。
陶瓷材料烧结温度和烧结温度范围的测定陶瓷材料烧结温度和烧结
7．将试样分成两批，900℃以下为第一批，测定其饱吸煤 油后在煤油中重及饱吸煤油后在空气中重；900℃以上的 试样为第二批，测定其饱吸水后在水中重及饱吸水后在空 气中重。
五、记录与计算
1. 按下列烧结温度与烧结温度范围测定记录表做 好记录。
2．计算
V0＝（G2-G1）／γ油
（1）
V＝（G5-G4）／γ水
烧后失重=[（G0-G3）／G0] ×100%
（8）
式中 G0 ——干燥试样在空气中质量，g；
G1——干燥试样饱吸煤油后在煤油中质量，g；
G2——干燥试样饱吸煤油后在空气中质量，g；
G3——烧后试样在空气中质量，g；
G4 ——烧后试样饱吸煤油（水）在煤油（水）中质
量，g；
G5——烧后试样饱吸煤油在空气中质量，g；
定坯料在烧成时的安全程度、制定合理的烧成升温曲线以 及选择窑炉等均有重要参考价值。为了决定最适宜的烧 成制度，必须知道坯料的烧结温度与烧结温度范围这两个 重要工艺特性。 本实验的目的： 1．掌握烧结温度与烧结温度范围的测定原理和测定方 法。 2．了解影响烧结温度与烧结温度范围的复杂因素。 3．明确烧结温度与烧结温度范围对陶瓷生产的实际意 义。
二、实验原理
本实验是将试样在各种不同温度下焙烧，然后根 据不同温度焙烧的试样外貌特征、气孔率、体积 密度、收缩率等数据绘制气孔率、收缩率一温度 曲线。并从曲线上找出气孔率到最小值（收缩率 最大值）时的温度称为烧结温度；
三、仪器设备 1．高温电炉（最高温度不低于1400℃）； 2．取样铁钳、钢丝锯条、细砂纸； 3．高铝瓷托管； 4．天平：感量0.001g ； 5．烘箱； 6．烧杯、煤油、金属网、纱布； 7．石英粉或Al2O3粉。
五、记录与计算
1. 按下列烧结温度与烧结温度范围测定记录表做 好记录。
2．计算
V0＝（G2-G1）／γ油
（1）
V＝（G5-G4）／γ水
烧后失重=[（G0-G3）／G0] ×100%
（8）
式中 G0 ——干燥试样在空气中质量，g；
G1——干燥试样饱吸煤油后在煤油中质量，g；
G2——干燥试样饱吸煤油后在空气中质量，g；
G3——烧后试样在空气中质量，g；
G4 ——烧后试样饱吸煤油（水）在煤油（水）中质
量，g；
G5——烧后试样饱吸煤油在空气中质量，g；
定坯料在烧成时的安全程度、制定合理的烧成升温曲线以 及选择窑炉等均有重要参考价值。为了决定最适宜的烧 成制度，必须知道坯料的烧结温度与烧结温度范围这两个 重要工艺特性。 本实验的目的： 1．掌握烧结温度与烧结温度范围的测定原理和测定方 法。 2．了解影响烧结温度与烧结温度范围的复杂因素。 3．明确烧结温度与烧结温度范围对陶瓷生产的实际意 义。
二、实验原理
本实验是将试样在各种不同温度下焙烧，然后根 据不同温度焙烧的试样外貌特征、气孔率、体积 密度、收缩率等数据绘制气孔率、收缩率一温度 曲线。并从曲线上找出气孔率到最小值（收缩率 最大值）时的温度称为烧结温度；
三、仪器设备 1．高温电炉（最高温度不低于1400℃）； 2．取样铁钳、钢丝锯条、细砂纸； 3．高铝瓷托管； 4．天平：感量0.001g ； 5．烘箱； 6．烧杯、煤油、金属网、纱布； 7．石英粉或Al2O3粉。
陶瓷工艺学习题答案
一、绪论及陶瓷原料1、传统陶瓷和特陶的相同和不同之处？2、陶瓷的分类依据？陶瓷的分类？3、陶瓷发展史的四个阶段和三大飞跃？4、宋代五大名窑及其代表产品？5、在按陶瓷的基本物理性能分类法中，陶器、炻器和瓷器的吸水率和相对密度有何区别？6、陶瓷工艺学的内容是什么？7、陶瓷生产基本工艺过程包括哪些工序？8、列举建筑卫生陶瓷产品中属于陶器、炻器和瓷器的产品？9、陶瓷原料分哪几类？10、粘土的定义？评价粘土工艺性能的指标有哪些？11、粘土是如何形成的？高岭土的由来和化学组成；12、粘土按成因和耐火度可分为哪几类？13、粘土的化学组成和矿物组成是怎样的？14、什么是粘土的可塑性、塑性指数和塑性指标？15、粘土在陶瓷生产中有何作用？16、膨润土的特点；17、高铝质原料的特点和在高级耐火材料中的作用；18、简述石英的晶型转化在陶瓷生产中有何意义？19、石英在陶瓷生产中的作用是什么？20、各种石英类原料的共性和区别，指出它们不同的应用领域；21、长石类原料分为哪几类？在陶瓷生产中有何意义？22、钾长石和钠长石的性能比较；23、硅灰石、透辉石、叶腊石（比较说明）作为陶瓷快速烧成原料的特点；24、滑石原料的特点，为什么在使用前需要煅烧？25、氧化铝有哪些晶型？为什么要对工业氧化铝进行预烧？26、氧化锆有哪些晶型？各种晶型之间的相互转变有何特征？27、简述碳化硅原料的晶型及物理性28、简述氮化硅原料的晶型及物理性能。
二、粉体的制备与合成1、解释什么是粉体颗粒、一次颗粒、二次颗粒、团聚？并解释团聚的原因。
2、粉体颗粒粒度的表示方法有哪些？并加以说明。
3、粉体颗粒粒度分布的表示方法有哪些？并加以说明。
4、粉体颗粒粒度测定分析的方法有哪些？并说明原理。
5、粉体颗粒的化学表征方法有哪些？6、粉碎的定义及分类，并加以说明。
7、常用的粉碎方法有哪些？画出三种粉碎流程图。
8、机械法制粉的主要方法有哪些？并说明原理。
9、影响球磨机粉碎效率的主要因素有哪些？10、化学法合成粉体的主要方法有哪些？并说明原理。
《陶瓷的连接》PPT课件
材料连接新技术
第五章 陶瓷材料的连接
主要内容
➢陶瓷材料的性能特点 ➢陶瓷连接的要求和存在的问题 ➢陶瓷材料的焊接性问题 ➢陶瓷材料的连接方法
1. 陶瓷材料概论
1.1 陶瓷概念
陶瓷的英文名为Ceramic，起源于希腊语Keramos(意为 陶器)
陶瓷是指以各种金属的氧化物、氮化物、碳化物、硅化 物为原料，经适当配料、成型和高温烧结等人工合成的无机 非金属材料。
➢ 应用： 可用做内燃机气缸内衬、活塞顶等 耐磨、耐腐蚀器件 模具 高温发热体材料，在空气中最高发热温度可达2200℃ 燃料电池材料等
3.1.3其他氧化物陶瓷 氧化镁陶瓷 氧化铍陶瓷
3.2 非氧化物陶瓷
非氧化物陶瓷与氧化物陶瓷的区别： ➢ 人工制备的 ➢ 烧结需在保护气氛中进行 ➢ 难熔、难烧结
氮化硅陶瓷
3.5~5
(4)高温强度高、蠕变抗力高 作为耐高温材料，已在工程中获得广泛应用
3.1 氧化物陶瓷
3.几种常用的结构陶瓷
氧化物陶瓷是指包含氧元素的陶瓷，包括由金属与 非金属元素的化合物构成的非均匀固体物质。主要由离 子键结合，也有一定成分的共价键。
最重要的氧化物陶瓷是几种简单类型的氧化物： AO，AO2，A2O3，ABO3和AB2O4等结构类型(A、B表 示阳离子)。
主要选择的中间层 ➢ 单一金属：Cu、Ni、Nb、Ti、W、Mo、铜镍合
金、合金钢 ➢ 两种不同的金属作为复合中间层，例如：Ni作为
塑性金属，W作为低线胀系数材料
中间层材料的预置方式： ➢ 金属铂片 ➢ 金属粉末：真空蒸发、离子溅射、化学气相沉积、
喷涂、电镀
中间层的影响：
➢ 中间层厚度增大，残余应力降低
表3-3 几种氧化物陶瓷的化学组成
第五章 陶瓷材料的连接
主要内容
➢陶瓷材料的性能特点 ➢陶瓷连接的要求和存在的问题 ➢陶瓷材料的焊接性问题 ➢陶瓷材料的连接方法
1. 陶瓷材料概论
1.1 陶瓷概念
陶瓷的英文名为Ceramic，起源于希腊语Keramos(意为 陶器)
陶瓷是指以各种金属的氧化物、氮化物、碳化物、硅化 物为原料，经适当配料、成型和高温烧结等人工合成的无机 非金属材料。
➢ 应用： 可用做内燃机气缸内衬、活塞顶等 耐磨、耐腐蚀器件 模具 高温发热体材料，在空气中最高发热温度可达2200℃ 燃料电池材料等
3.1.3其他氧化物陶瓷 氧化镁陶瓷 氧化铍陶瓷
3.2 非氧化物陶瓷
非氧化物陶瓷与氧化物陶瓷的区别： ➢ 人工制备的 ➢ 烧结需在保护气氛中进行 ➢ 难熔、难烧结
氮化硅陶瓷
3.5~5
(4)高温强度高、蠕变抗力高 作为耐高温材料，已在工程中获得广泛应用
3.1 氧化物陶瓷
3.几种常用的结构陶瓷
氧化物陶瓷是指包含氧元素的陶瓷，包括由金属与 非金属元素的化合物构成的非均匀固体物质。主要由离 子键结合，也有一定成分的共价键。
最重要的氧化物陶瓷是几种简单类型的氧化物： AO，AO2，A2O3，ABO3和AB2O4等结构类型(A、B表 示阳离子)。
主要选择的中间层 ➢ 单一金属：Cu、Ni、Nb、Ti、W、Mo、铜镍合
金、合金钢 ➢ 两种不同的金属作为复合中间层，例如：Ni作为
塑性金属，W作为低线胀系数材料
中间层材料的预置方式： ➢ 金属铂片 ➢ 金属粉末：真空蒸发、离子溅射、化学气相沉积、
喷涂、电镀
中间层的影响：
➢ 中间层厚度增大，残余应力降低
表3-3 几种氧化物陶瓷的化学组成
陶瓷材料的烧结
晶格扩散率,Dl
晶界扩散率,Db 粘度,η 表面扩散率,Ds 晶格扩散率,Dl 蒸汽压差,Δp 气相扩散率,Dg
2013-7-29
河南省精品课程——陶瓷工艺原理
5.3.2晶粒过渡生长现象
晶粒的异常长大是指在长大速度较慢的细晶基体内有少部分区域快速 长大形成粗大晶粒的现象。
在烧结过程中发生异常长大与以下主要因素有关：
① 材料中含有杂质或者第二相夹杂物 ② 材料中存在高的各向异性的界面能，例如固/液界面 能或者是薄膜的表面能等 ③ 材料内存在高的化学不平衡性。
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5.4 液相烧结过程与机理
液相烧结（Liquid Phase Sintering，简写为LPS）是指在烧结包含多种粉 末的坯体中，烧结温度至少高于其中的一种粉末的熔融温度，从而在烧结过 程中而出现液相的烧结过程。
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二、热压装置和模具
（a）电阻间热式；（b）感应间热式； （c）电阻直热式；（d）感应直热式
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三、热压烧结的驱动力 在热压烧结的初始阶段，假设所有粉体都是规则的球形颗粒立方堆积 在一起，则作用在颗粒接触面积上的有效压力为: Pappl. 2 s P2* r
热压技术已有70年历史，最早用于碳化钨和钨粉致密件的制备。 现在已广泛应用于陶瓷、粉末冶金和复合材料的生产。
2013-7-29
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一、热压烧结的优点 （1）所需的成型压力仅为冷压法的1/10 （2）降低烧结温度和缩短烧结时间，抑制了晶粒的长大。 （3）易得到具有良好机械性能、电学性能的产品。 （4）能生产形状较复杂、尺寸较精确的产品。 热压法的缺点是生产率低、成本高。
第五章烧结-1
（3）万一过烧，残余Fe2O3极少 ，故膨胀发泡可能性很小 若因高岭土粘性不够，而加膨润土，则应为氧化气氛
膨润土中有较多的有机物和碳素
烧结的主要阶段：
1）烧结前期阶段（坯体入炉——90％致密化） ① 粘结剂等的脱除：如石蜡在250～400℃全部汽化挥发。 ② 随着烧结温度升高，原子扩散加剧，孔隙缩小，
颗粒间由点接触转变为面接触，孔隙缩小，连通孔 隙变得封闭，并孤立分布。 ③ 小颗粒间率先出现晶界，晶界移动，晶粒长大。
2）烧结后期阶段 ① 孔隙的消除：晶界上的物质不断扩散到孔隙处， 使孔隙逐渐消除。 ② 晶粒长大：晶界移动，晶粒长大。
烧结的分类：
烧结
固相烧结（只有固相传质） 液相烧结（出现液相） 气相烧结（蒸汽压较高）
化学特性 化学组分，纯度，非化学计量性，绝对均性等 烧结温度，烧结时间，压力气氛，升温和降温度等
5.2.4 烧结参数对于烧结样品性能的影响
一、材料参数对烧结的影响 （1）颗粒尺寸对烧结的影响
在一定温度下，半径为r1的一列球形颗粒所需要的烧结时间为t1，半径为 r2的另一列排列相同的球形颗粒烧结时间为t2，则：
烧结中的物质传输机理
物质扩散机理 1．晶格扩散
2．晶界扩散 3．粘性流动 4．表面扩散
5．晶格扩散
6．气相传输
蒸发－凝聚 气相扩散
材料部位 晶界 晶界
整体晶粒 晶粒表面 晶粒表面 晶粒表面 晶粒表面
接触部位 颈部 颈部 颈部 颈部 颈部 颈部 颈部
相关参数 晶格扩散率,Dl 晶界扩散率,Db 粘度,η 表面扩散率,Ds 晶格扩散率,Dl 蒸汽压差,Δ p 气相扩散率,Dg
t2 (r2 / r1)nt1
如果颗粒尺寸从1 m减小到0.01 m，则烧结时间降低106到108数量级。 同时，小的颗粒尺寸可以使烧结体的密度提高，同时降低烧结温度、减少烧结 时间。
5章陶瓷材料
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
7.2 习
题
1．解释名词 超导、硬磁材料、形状记忆效应 2．综合分析题 1) 什么是功能材料?按性能通常分为哪几类 2) 磁功能材料分为哪几类?各有何应用? 3) 光功能材料分为哪几类?各有何应用?
纤维增强复合材料的复合原则是： 1)纤维增强相是主要承载体，应有高的强度和模量，且高 于基体材料； 2)基体相起粘接剂作用，应对纤维相有润湿性，基体相应 有一定塑性和韧性； 3)两者结合强度应适当高； 4)基体与增强相的热膨胀系数不能相差过大； 5)纤维相必须有合理的含量、尺寸和分布； 6)两者间不能发生有害的化学反应。
• 本章重点：在了解复合材料复合机制和原则基础上， 弄清复合材料比组成材料性能优越的原因，掌握常用 复合材料的性能，了解其应用。
习题
1．名词解释 纤维复合材料、玻璃钢、增韧陶瓷、硬质合金 2．填空题 1) 复合材料由(基体材料)相和(增强)相构成，(增强)相的(形状 )、 (数量)、(分布)及(制备过程)等对复合材料的性能有重要影响。 2) 结构复合材料是用于(结构零件 )的复合材料，最常用的是(纤维 增强聚合物基复合材料)。 3) 常用的纤维增强相有(陶瓷 )、(玻璃 )、( )、( )和( )。 4) 纤维增强相是复合材料中的( 主要承载体)，因此其(强度)和(模 量)要高于基体材料。 5) 颗粒复合材料中基体相和颗粒相的作用分别是(承受载荷)和(阻 碍分子链或位错运动 )。
硼化物陶瓷包括硼化铬、硼化钼、硼化钛、硼化钨和硼化锆等， 具有高硬度，较好的耐化学浸蚀能力，熔点1800℃一2500 ℃ ，使用 温度1400 ℃ ，用于高温轴承、内燃机喷嘴，各种高温器件、处理熔 融非铁金属的器件等。 氮化物陶瓷中的氮化硅陶瓷是键能高而稳定的共价键晶体，硬度 高而摩擦系数低，有自润滑作用，是优良的耐磨减摩材料；氮化硅 的耐热温度比氧化铝低，而抗氧化温度高于碳化物和硼化物，1200 ℃以下具有较高的机械性能和化学稳定性，且热膨胀系数小、抗热 冲击，可作优良的高温结构材料，耐各种无机酸(氢氟酸除外)和碱 溶液浸蚀，是优良的耐腐蚀材料。 本章的重点是掌握特种陶瓷的性能特点、改善性能途径和应用。
7.2 习
题
1．解释名词 超导、硬磁材料、形状记忆效应 2．综合分析题 1) 什么是功能材料?按性能通常分为哪几类 2) 磁功能材料分为哪几类?各有何应用? 3) 光功能材料分为哪几类?各有何应用?
纤维增强复合材料的复合原则是： 1)纤维增强相是主要承载体，应有高的强度和模量，且高 于基体材料； 2)基体相起粘接剂作用，应对纤维相有润湿性，基体相应 有一定塑性和韧性； 3)两者结合强度应适当高； 4)基体与增强相的热膨胀系数不能相差过大； 5)纤维相必须有合理的含量、尺寸和分布； 6)两者间不能发生有害的化学反应。
• 本章重点：在了解复合材料复合机制和原则基础上， 弄清复合材料比组成材料性能优越的原因，掌握常用 复合材料的性能，了解其应用。
习题
1．名词解释 纤维复合材料、玻璃钢、增韧陶瓷、硬质合金 2．填空题 1) 复合材料由(基体材料)相和(增强)相构成，(增强)相的(形状 )、 (数量)、(分布)及(制备过程)等对复合材料的性能有重要影响。 2) 结构复合材料是用于(结构零件 )的复合材料，最常用的是(纤维 增强聚合物基复合材料)。 3) 常用的纤维增强相有(陶瓷 )、(玻璃 )、( )、( )和( )。 4) 纤维增强相是复合材料中的( 主要承载体)，因此其(强度)和(模 量)要高于基体材料。 5) 颗粒复合材料中基体相和颗粒相的作用分别是(承受载荷)和(阻 碍分子链或位错运动 )。
硼化物陶瓷包括硼化铬、硼化钼、硼化钛、硼化钨和硼化锆等， 具有高硬度，较好的耐化学浸蚀能力，熔点1800℃一2500 ℃ ，使用 温度1400 ℃ ，用于高温轴承、内燃机喷嘴，各种高温器件、处理熔 融非铁金属的器件等。 氮化物陶瓷中的氮化硅陶瓷是键能高而稳定的共价键晶体，硬度 高而摩擦系数低，有自润滑作用，是优良的耐磨减摩材料；氮化硅 的耐热温度比氧化铝低，而抗氧化温度高于碳化物和硼化物，1200 ℃以下具有较高的机械性能和化学稳定性，且热膨胀系数小、抗热 冲击，可作优良的高温结构材料，耐各种无机酸(氢氟酸除外)和碱 溶液浸蚀，是优良的耐腐蚀材料。 本章的重点是掌握特种陶瓷的性能特点、改善性能途径和应用。
《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
第5章烧结-资料
烧结温度
• 起始烧结温度：粉末颗粒形成冶金结合的最低温度。
• 低温烧结阶段。0.25，温度低于最低烧结温度，主要发生回 复、吸附气体和水分的挥发、成形剂的分解和排除
• 中温烧结阶段。 0.4~0.55，温度已超过最低烧结温度，形成 烧结颈，同时还发生颗粒表面氧化物还原和颗粒内再结晶
• 高温烧结阶段。 0.5~0.85，烧结颈长大、晶界迁移、颗粒合 并、烧结体收缩、孔隙封闭和球化等
影响烧结过程的因素
• 颗粒间的接触面积或接触 状态
• 物质迁移过程的激活能 • 参与物质迁移过程的原子
数目 • 物质迁移的方式或途径
• 结晶构造与异晶转变 • 粉末活性 • 外来物质 • 压制压力
5.5 多元烧结－－混合粉末
• 多元烧结：由几种组分（元素或化合物）粉末，在烧结过程中不 出现液相的烧结过程。
• 提高均匀化的措施：提高扩散速速 添加少量预合金粉末
无限互溶系的混合烧结－－影响因素
• 烧结温度 • 烧结时间 • 粉末粒度 • 压坯密度 • 粉末原料 • 杂质
有限互溶系的混合烧结
• 有限互溶的混合烧结---产生两相或多相组织 密度、孔隙度、均匀化
• 均匀化：合金元素完全溶解在合金中、或达最大溶解度 • 检测均匀化的方法：X衍射法、金相分析、成分分析 • 均匀化速率取决于…?
• 溶解－再折出机构
• 固架烧结机构
5.6 液相烧结—烧结合金的组织
• 液相烧结合金的组织，即固相颗粒的形状及分布状态，取决于固相物质的结 晶学特征、液相的润湿性或二面角的大小。
5.6 液相烧结
• 粘结功： •
W sLsLSL W sLL(1co)s
当 s L SL 液相粘结
• 影响液相烧结的因素： • 温度与时间的影响 • 表面活性物质的影响 • 粉末表面状态的影响 • 气氛的影响
(陶瓷科学与工艺学)第五章1成型-压制成型
在卸压时，对减压速度加以控制能防止因受压发生弹性形变的颗粒迅 速反弹，从而产生层裂。
2.3.3加压制度对坯体质量的影响
5、添加剂的选用 （1）减少粉料颗粒间及粉料与模壁之间的摩擦，这种添加物又称润滑剂； （2）增加粉料颗粒之间的粘结作用，这类添加物又称粘合剂； （3）促进粉料颗粒吸附、湿润或变形，通常采用表面活性物质。
第二节 成型与成型前后工艺的关系
5.2.1 成型对粉体的要求 d)颗粒的大小、形状---粉料的拱桥效应(或称桥接) 球形颗粒有利于提高流动性和松装密度。 颗粒粒度分布窄的高于粒度分布宽的松装密度。
等径球体堆积形式及孔隙率 粉料自由堆积的空隙率往往比理论计算值大得多，就是因为实际粉料不是球形，加上表面 粗糙图表，以及附着和凝聚的作用，结果颗粒互相交错咬合，形成拱桥型空间，增大了空 隙率。这种现象称为拱桥效应
第四节 冷等静压成型
5.4.3 等静压成型的缺陷和控制
1)填充不均匀而形成的颈部，这和粉料流动性差有关；
2)粉料填充不均匀或装料的橡胶袋无支撑而导致的不规则表面 3) 湿式等静压中因模具橡胶袋太硬或因粉料压缩性太大而形成的“象脚”形； 4)湿式等静压中因橡胶模具无支撑而形成的“香蕉”行； 5)成型中轴向弹性回弹形成的压缩裂纹，硬粉料更是如此； 6)由于压缩裂纹而形成分层，这来源于不合适的或过厚的橡胶材料或较弱的坯块； 7)不规则表面形状：与密封橡胶袋材料不合适或太厚，坯体强度低或小的角半径有关； 由于不充分的弹性而形成的轴向裂纹。
(陶瓷科学与工艺学)第五章1成型-压 制成型
5 陶瓷坯体的成形
课后习题
1.列举陶瓷坯体的基本成型方法。 2.试分析注浆成型过程中影响泥浆流动性和稳定性因素有哪些？ 3.干压成型中，怎样的粉体有利于获得高密度的成型坯体？ 4.简述干压制成型过程中坯体易于出现层裂的原因。 5.弹性后效定义 6.简述成型对烧结有哪些影响？ 7.简述干燥过程的不同阶段及影响因素。
2.3.3加压制度对坯体质量的影响
5、添加剂的选用 （1）减少粉料颗粒间及粉料与模壁之间的摩擦，这种添加物又称润滑剂； （2）增加粉料颗粒之间的粘结作用，这类添加物又称粘合剂； （3）促进粉料颗粒吸附、湿润或变形，通常采用表面活性物质。
第二节 成型与成型前后工艺的关系
5.2.1 成型对粉体的要求 d)颗粒的大小、形状---粉料的拱桥效应(或称桥接) 球形颗粒有利于提高流动性和松装密度。 颗粒粒度分布窄的高于粒度分布宽的松装密度。
等径球体堆积形式及孔隙率 粉料自由堆积的空隙率往往比理论计算值大得多，就是因为实际粉料不是球形，加上表面 粗糙图表，以及附着和凝聚的作用，结果颗粒互相交错咬合，形成拱桥型空间，增大了空 隙率。这种现象称为拱桥效应
第四节 冷等静压成型
5.4.3 等静压成型的缺陷和控制
1)填充不均匀而形成的颈部，这和粉料流动性差有关；
2)粉料填充不均匀或装料的橡胶袋无支撑而导致的不规则表面 3) 湿式等静压中因模具橡胶袋太硬或因粉料压缩性太大而形成的“象脚”形； 4)湿式等静压中因橡胶模具无支撑而形成的“香蕉”行； 5)成型中轴向弹性回弹形成的压缩裂纹，硬粉料更是如此； 6)由于压缩裂纹而形成分层，这来源于不合适的或过厚的橡胶材料或较弱的坯块； 7)不规则表面形状：与密封橡胶袋材料不合适或太厚，坯体强度低或小的角半径有关； 由于不充分的弹性而形成的轴向裂纹。
(陶瓷科学与工艺学)第五章1成型-压 制成型
5 陶瓷坯体的成形
课后习题
1.列举陶瓷坯体的基本成型方法。 2.试分析注浆成型过程中影响泥浆流动性和稳定性因素有哪些？ 3.干压成型中，怎样的粉体有利于获得高密度的成型坯体？ 4.简述干压制成型过程中坯体易于出现层裂的原因。 5.弹性后效定义 6.简述成型对烧结有哪些影响？ 7.简述干燥过程的不同阶段及影响因素。
最新第5章-功能陶瓷的合成与制备精品文档
溶剂蒸发法：把金属盐混合溶液化成很小的液滴，使 盐迅速呈超微细颗粒并且均匀析出，如喷雾干燥法、 冷冻干燥法。
❖气相法
蒸发凝聚法：将原料加热气化并急冷，即获超细粉（ 粒径为5~100nm），适于制备单一或复合氧化物，碳 化物或金属的超微细粉。使金属在惰性气体中蒸发凝聚，通过调节气压以控制生成的颗粒尺寸。
5.2 高温超导陶瓷
超导现象
超导现象是由荷兰 理 学 家 麦 林 ·翁 纳 斯 (Kamerlingh·Onnes) 于 1991 年 首 先 发 现 的。
普通金属在导电过程中，由于自身电阻的存在，在传 送电流的同时也要消耗一部分的电能，科学家也一直 在寻找完全没有电阻的物质。
翁纳斯在研究金属汞的电阻 和温度的关系时发现，在温 度低于4.2K时，汞的电阻突 然消失，如右图所示，说明 此时金属汞进入了一个新的 物态，翁纳斯将这一新的物 态称为超导态，把电阻突然 消失为零电阻的现象为超导 现象，把具有超导性质的物 体称为超导体。4.2K称为临 界温度(Tc)。
1. 多层复相功能陶瓷共烧的反应动力学，如异质界面 的交叉扩散；
2. 铁电、压电陶瓷与元件的老化、劣化、疲劳和断裂 、失效机理； 3. 功能陶瓷的晶界、界面及尺寸效应；
4. 薄膜与界面的介电响应、膜材料的表面改性；
5. 铁电陶瓷微结构与相变；
6. 溅射金属内电极多层器件制备技术中的缺陷化学问 题等等。
❖温度超过临界温度Tc时，超导体由超导态转变为常 态，反之，则相反。这也是超导电子学的重要物理基 础。
2. 超导体的分类
超导体的分类目前还没有一个统一的标准，一般可这样分类：
❖从材料来区分，可分成三大类： 元素超导体 合金或化合物超导体 氧化物超导体即超导陶瓷 ❖从低温处理方法来分，可分为为四类： 液氦温区超导体（4.2K以下） 液氢温区超导体（20K以下） 液氮温区超导体（77K以下） 常温超导体
❖气相法
蒸发凝聚法：将原料加热气化并急冷，即获超细粉（ 粒径为5~100nm），适于制备单一或复合氧化物，碳 化物或金属的超微细粉。使金属在惰性气体中蒸发凝聚，通过调节气压以控制生成的颗粒尺寸。
5.2 高温超导陶瓷
超导现象
超导现象是由荷兰 理 学 家 麦 林 ·翁 纳 斯 (Kamerlingh·Onnes) 于 1991 年 首 先 发 现 的。
普通金属在导电过程中，由于自身电阻的存在，在传 送电流的同时也要消耗一部分的电能，科学家也一直 在寻找完全没有电阻的物质。
翁纳斯在研究金属汞的电阻 和温度的关系时发现，在温 度低于4.2K时，汞的电阻突 然消失，如右图所示，说明 此时金属汞进入了一个新的 物态，翁纳斯将这一新的物 态称为超导态，把电阻突然 消失为零电阻的现象为超导 现象，把具有超导性质的物 体称为超导体。4.2K称为临 界温度(Tc)。
1. 多层复相功能陶瓷共烧的反应动力学，如异质界面 的交叉扩散；
2. 铁电、压电陶瓷与元件的老化、劣化、疲劳和断裂 、失效机理； 3. 功能陶瓷的晶界、界面及尺寸效应；
4. 薄膜与界面的介电响应、膜材料的表面改性；
5. 铁电陶瓷微结构与相变；
6. 溅射金属内电极多层器件制备技术中的缺陷化学问 题等等。
❖温度超过临界温度Tc时，超导体由超导态转变为常 态，反之，则相反。这也是超导电子学的重要物理基 础。
2. 超导体的分类
超导体的分类目前还没有一个统一的标准，一般可这样分类：
❖从材料来区分，可分成三大类： 元素超导体 合金或化合物超导体 氧化物超导体即超导陶瓷 ❖从低温处理方法来分，可分为为四类： 液氦温区超导体（4.2K以下） 液氢温区超导体（20K以下） 液氮温区超导体（77K以下） 常温超导体
陶瓷材料
（5）用途不同。先进陶瓷因为优异的力、光、电、磁性能等， 被广泛应用于石油、化工、电子、航空航天、核动力、军 事、纺织、生物和汽车等诸多工业领域，传统陶瓷一般仅 限于日用和建筑使用。
6.2 先进陶瓷材料的分类
根据性能和应用不同，先进陶瓷材料可以分为结构陶 瓷、功能陶瓷和陶瓷涂层材料等。 结构陶瓷：在工程结构上使用的陶瓷称为结构陶瓷， 具有高温下强度和硬度高、蠕变小、抗氧化、耐腐蚀、耐 磨损、耐烧蚀等优越性能。 功能陶瓷：利用陶瓷具有的物理性能（电、磁、光、 压电、热释电等）制造的陶瓷材料称为功能陶瓷，也称为 电子陶瓷，它具有的物理性能差异很大。 陶瓷涂层材料：在生产中，几乎所有部件都可以用涂 层的办法来满足其对耐高温、耐化学腐蚀的要求，即加工 成陶瓷涂层材料。
在远古的石器时代，人类的祖先用天然的石头做成刀、 斧、针和武器。
在人类学会用火之后，人们用粘土加上水，合成泥， 捏成各种器皿的形状，然后在火中焙烧，得到了十分坚硬 的陶器。据考古学家分析，距今大约1万年前，就有陶器出 现。这是人类最早、最伟大的文明创造。恩格斯把陶器的 出现称为新石器时代开始的标志。
先进陶瓷与传统陶瓷的差别
（3）制备工艺不同。先进陶瓷必须加入添加剂才能进行干法 或湿法成型，烧结温度较高（1200 ℃ -2200℃），且需加 工后处理；而普通陶瓷烧结温度较低（900℃-1400℃）。 （4）品种不同。先进陶瓷除烧结体外，还有单晶、薄膜、纤 维、复合物；而传统陶瓷主要是天然硅酸盐矿物原体的烧 结体。
电瓷：主要由粘土、长石、石英（或铝氧原料）等 硅酸盐原料混合配制，经加工成形，在较高温度下 烧制而获得的无机绝缘材料。 序 分类 材料类别 主要适用范围
1
压制硅质瓷 低压绝缘子
硅质 低压绝缘子、一般高压绝缘子或 2 硅质瓷 瓷套 电瓷 3 高强硅质瓷 高压绝缘子或瓷套
第三章 陶瓷材料的烧结
d
dt
3 2r
1 1
fr
2
ln
1
1
d
其中：η是作用力超过屈服值f时液体的粘度，r为原始颗粒半径，γ液-气表 面张力。f值愈大，烧结速率愈低。当屈服值f=0时，(d)式即变为(c)式，此 时为粘性流动。r↓、η↓、γ↑→有利于烧结，t↑→易于烧结。
烧成的含义包括的范围广，一般发生在多相系统中，而烧结只是
烧成过程中的一个重要部分。
2、烧结和熔融
烧结是在远低于固态物质的熔融温度下进行的，泰曼烧结温度（TS） 和熔融温度（TM）的关系规律： ✓ 金属粉末：TS =（0.3~0.4）TM ✓ 盐类： TS =0.5TM ✓ 硅酸盐： TS =（0.8~0.9）TM 熔融时全部组元都转变为液相，而烧结时至少有一组元处于固相。
液相烧结：烧结过程中出现液相。
Illustration of various types of sintering
§ 3.2 特种陶瓷烧结概论
一、特种陶瓷烧结原理
1、烧结过程和现象 烧结过程中，主要发生晶粒和气孔尺寸及其形状变化：
烧结过程大致分为烧结前期、烧结中期和烧结后期三个阶段：
点接触
烧结前期 烧结中期
3、烧结和固相反应
•相同之处：两个过程在低于材料熔点或熔融温度之下进行的，并 且在过程中自始自终都至少有一相是固态。 •不同之处：固相反应必须至少有两组元参加，如A和B，发生化学 反应，最后生成化合物C。而烧结可以只有单组元，或者两组元参 加，且两组元并不一定发生化学反应。
4、固相烧结和液相烧结
固相烧结：整体上在固相情况 下发生的致密化；
➢ 塑性流动
在高温下坯体中液相含量降低，而固相含量增加，这是烧结传质 不能看成是牛顿型流体，而是属于塑性流动的流体，过程的推动 力仍然是表面能。为了尽可能达到致密烧结，应选择尽可能小的 颗粒、粘度和较大的表面能。
陶瓷工艺学--08级复习资料
第一章陶瓷原料7．粘土的工艺性质有哪些？1.可塑性可塑性是指粘土粉碎后用适量的水调和、混练后捏成泥团，在一定外力的作用下可以任意改变其形状而不发生开裂，除去外力后，仍能保持受力时的形状的性能。
2.结合性粘土的结合性是指粘土能结合非塑性原料形成良好的可塑泥团、有一定干燥强度的能力。
3.离子交换性粘土颗粒带有电荷，其来源是其表面层的断键和晶格内部被取代的离子，因此必须吸附其它异号离子来补偿其电价，粘土的这种性质称为离子交换性。
4.触变性粘土泥浆或可塑泥团受到振动或搅拌时，粘度会降低而流动性增加，静置后又能逐渐恢复原状。
反之，相同的泥料放置一段时间后，在维持原有水分的情况下会增加粘度，出现变稠和固化现象。
上述情况可以重复无数次。
粘土的上述性质统称为触变性，也称为稠化性。
5.膨胀性膨胀性是指粘土吸水后体积增大的现象。
这是由于粘土在吸附力、渗透力、毛细管力的作用，水分进入粘土晶层之间、或者胶团之间所致，因此可分为内膨胀性与外膨胀性两种。
6.收缩粘土泥料干燥时，因包围在粘土颗粒间的水分蒸发、颗粒相互靠拢而引起的体积收缩，称为干燥收缩。
粘土泥料煅烧时，由于发生一系列的物理化学变化(如脱水作用、分解作用、莫来石的生成、易熔杂质的熔化，以及熔化物充满质点间空隙等等)，因而使粘土再度产生的收缩，称为烧成收缩。
这两种收缩构成粘土泥料的总收缩。
7.烧结性能通指粘土在烧结过程中所表现出的各种物理化学变化及性能。
8.耐火度耐火度是耐火材料的重要技术指标之一，它表征材料无荷重时抵抗高温作用而不熔化的性能。
8．粘土在陶瓷生产中的作用1.粘土的可塑性是陶瓷坯泥赖以成型的基础。
2.粘土使注浆泥料与釉料具有悬浮性与稳定性。
3.粘土一般呈细分散颗粒，同时具有结合性。
4.粘土是陶瓷坯体烧结时的主体。
5.粘土是形成陶器主体结构和瓷器中莫来石晶体的主要来源14．滑石在普通日用陶瓷生产中的作用滑石在普通日用陶瓷生产中一般作为熔剂使用，在细陶瓷坯体中加入少量滑石，可降低烧成温度。
第五章功能陶瓷的合成与制备
第五章功能陶瓷的合成与制备功能陶瓷是一类具有特殊功能的陶瓷材料，具有特殊的物理、化学、电磁或光学性能，在各个领域具有广泛的应用。
本章将介绍功能陶瓷的合成与制备方法。
一、功能陶瓷的合成方法功能陶瓷的合成方法主要包括传统的烧结法和新型的凝胶法、溶胶-凝胶法、物理方法等。
1.烧结法烧结法是最传统的功能陶瓷制备方法之一、其主要步骤包括粉体制备、成型和烧结。
首先需要选择合适的陶瓷原料，通过球磨、干燥等步骤制备成适当大小的粉体。
然后将粉体按照需求进行成型，如压制、注射成型等。
最后，通过高温烧结过程使粉体颗粒结合成陶瓷制品。
2.凝胶法凝胶法是一种较新的功能陶瓷制备方法，主要通过溶液中的凝胶形成陶瓷材料。
凝胶形成主要有溶胶-凝胶法、共沉淀法等。
其中，溶胶-凝胶法是最常用的凝胶方法之一、该方法首先将金属盐或金属有机化合物溶解在有机溶剂中，形成溶胶。
然后，在溶胶中加入适量的凝胶剂，通过搅拌或调整pH值等控制凝胶的形成。
最后，将凝胶进行热处理，形成陶瓷材料。
3.物理方法物理方法是一类特殊的功能陶瓷制备方法，主要包括等离子体喷涂、激光制备和电沉积等。
等离子体喷涂是一种将陶瓷颗粒喷涂到基体上形成陶瓷涂层的方法。
激光制备是通过激光加工方法制备功能陶瓷器件的一种途径。
电沉积是一种通过电解物质的方法在电极上制备陶瓷的方法。
二、功能陶瓷的制备方法功能陶瓷的制备方法主要包括充填法、浸渍法和溶胶-凝胶法等。
1.充填法充填法是一种将陶瓷颗粒填充在基体孔隙中的方法，主要适用于多孔基体的制备。
该方法首先将陶瓷粉体与适量的粘结剂混合均匀，然后将混合物充填到基体孔隙中。
最后，通过烧结等处理，固化陶瓷颗粒，形成功能陶瓷材料。
2.浸渍法浸渍法是一种利用溶液浸渍基体材料并在其表面形成陶瓷薄层的方法。
该方法首先将陶瓷粉体悬浮于适量的溶液中，然后将基体浸渍于该溶液中，使陶瓷颗粒被吸附在基体表面。
最后，通过热处理等方法，将陶瓷薄层固化在基体上。
3.溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法在陶瓷材料的制备中也起到了重要作用。
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（2）保温时间对产品性能的影响
1―介电强度；2―抗折强度
保温时间对电瓷机电性能的影响曲线
结论：①使物理化学变化更趋完全，使坯体具有足够液相 量和适当的晶粒尺寸；②使组织结构趋于均一。
（3）烧成气氛对产品性能的影响
气氛对Al2O3陶瓷烧结的影响曲线
1―C+H2；2―H2；3―Ar；4―空气；4―水蒸气
优点： １）提高烧结驱动力。 ２）可制备具有控制的微观结构和优化性能 的陶瓷复合材料
5.4.1 液相烧结的阶段
(a)液相烧结不同阶段的示意图(O:熔化;Ⅰ:重排;Ⅱ:溶解-沉淀;及Ⅲ:气孔排除)。 (b)在不同温度下，氧化铝-玻璃体系中，实际致密化作为烧结时间的函数所示
意的不同LPS阶段
三元相图表示由SSS、LPS、粘滞复相烧结(VCS)以及粘滞玻璃相 烧结(VGS)时的相的体积分数关系。箭头表示初始密度为60％时，各 相体积分数变化方向。在IPS烧结区域ABCS．表示出此烧结机理的不 同分阶段Ⅰ：重排，Ⅱ：溶解-沉淀，Ⅲ：气孔排除
2 3
V x / 4r
4
烧结的驱动力主要来源于由于颗粒表面曲率的变化而造成的体积压力差、空 位浓度差和蒸汽压差。对于图中的模型示意图，体积压力差ΔP为：
空位浓度差为：
2 1 1 s P Pa Pr s a r x r
, Vm s Cv Cv RTr
三、气孔排除
在烧结中期，相互连续的气孔通道开始收缩，形成封闭的气孔， 根据材料体系的不同，密度范围从0.9至0.95。实际上，LPS烧结比 SSS烧结可以在较低的密度发生这种气孔封闭。气孔封闭后，LPS烧 结进入最后阶段。封闭气孔通常包含来源于烧结气氛和液态蒸汽的气 体物质。
二、溶解-沉淀（disolvation – precipitation）
浓度
(a)LPS烧结溶解-沉淀阶段的两晶粒接触示意图．物质迁移的三个 路径，1：溶质的外扩散(□)，2和4：溶解物组分(○和△)向晶粒 接触区域流动，以及3：在接触区域的溶解-再沉淀。 (b)三个组分液相所对应浓度梯度作为r的函数，其中rc是接触半径， h是液相膜厚度
5.2.1 烧结类型 液相烧结: 烧结过程有液相存在的烧结。
固相烧结: 坯体在固态情况下达到致密化的烧结过程。
温 度
T3 T2 T1
过渡液 相烧结
液相烧结
固相烧结
A
x1 组分
B
烧结过程示意相图
(a)固相烧结和(b)液相烧结样品显微结构
5.2.2 烧结驱动力
烧结的驱动力就是总界面能的减少。粉末坯体的
1、 烧结的定义和烧结的方法 2、 烧结的类型 3、烧结的驱动力 4、烧结参数及其对产品性能的影响
材 料 参 数
颗粒尺寸大小
粉体结块和团聚 颗粒形状 颗粒尺寸分布
本节思考题
1、在陶瓷烧结过程中，原料颗粒尺寸愈小愈 好对否？
2、烧结材料参数是如何影响陶瓷产品性能的？
二、影响陶瓷材料烧结的工艺参数
材料部位
晶界 晶界 整体晶粒 晶粒表面 晶粒表面 晶粒表面 晶粒表面
接触部位
颈部 颈部 颈部 颈部 颈部 颈部 颈部
相关参数
晶格扩散率,Dl 晶界扩散率,Db 粘度,η 表面扩散率,Ds 晶格扩散率,Dl 蒸汽压差,Δp 气相扩散率,Dg
5.3.2 晶粒过渡生长现象
晶粒的异常长大是指在长大速度较慢的细晶基体内有少部分区域快 速长大形成粗大晶粒的现象。
烧结与熔融： 烧结是在远低于固态物质的熔融温度下进行的。 烧结与熔融这两个过程都是由原子热振动而引起的，但熔融时 全部组元都转变为液相，而烧结是在低于主要组分的熔点下进 行的。 烧结与固相反应： 这两个过程均在低于材料熔点或熔融温 度之下进行的。并且在过程的自始至终都至少有一相是固态。
固相烧结一般可分为三个阶段：初始阶段，主要表现为颗粒形状 改变；中间阶段，主要表现为气孔形状改变；最终阶段，主要表现为 气孔尺寸减小。
（3）烧成气氛对产品性能的影响
① 气氛对陶瓷坯体过烧膨胀的影响：
氧化气氛和还原气氛对过烧膨胀量的影响有大有小，关键看坯体组成。
② 气氛对坯体的收缩和烧结的影响
氧化气氛和还原气氛对坯体收缩的影响有大有小，关键看坯体组成。
③ 气氛对坯的颜色和透光度以及釉层质量的影响
a. 影响铁和钛的价态； b. 使SiO2和CO还原； c. 形成氮化合物。
第五章 陶瓷材料的烧结
5.1 概述
烧结（sintering）：是一种利用热能使粉末坯体
致密化的技术。其具体的定义是指多孔状陶瓷坯体在
高温条件下，表面积减小、孔隙率降低、机械性能提 高的致密化过程。
烧结的方法：
普通热烧结 电炉热压烧结
等离子体烧结
微波烧结 自蔓延烧结
5.2 烧结参数及其对烧结性影响
5.4.2 液相烧结过程的致密化机理
一、颗粒重排（Particles Re-arrangement） 在LPS烧结过程中，颗粒间的液相膜起润滑作用。颗粒重排向减少气
孔的方向进行，同时减小系统的表面自由能。当坯体的密度增加时，由于 周围颗粒的紧密接触，颗粒进一步重排的阻力增加，直至形成紧密堆积结 构。
G.C.Kuczynski (库津斯基)提出的双球模型 中 心 距 不 变 中 心 距 缩 短
x 2 / 2r
A 2 x3 / r V x 4 / 2 r
x / 4r
2
x 2 / 2r
A x3 / r V x 4 / 2 r
A x / 2r
在烧结过程中发生异常长大与以下主要因素有关：
① 材料中含有杂质或者第二相夹杂物 ② 材料中存在高的各向异性的界面能，例如固/液界面 能或者是薄膜的表面能等 ③ 材料内存在高的化学不平衡性。
5.4 液相烧结过程与机理
液相烧结（Liquid Phase Sintering，简写为LPS）是指在烧结包含多种 粉末的坯体中，烧结温度至少高于其中的一种粉末的熔融温度，从而在烧 结过程中而出现液相的烧结过程。
4、其它成型方法
纸带成型、滚压成型、印刷成型、喷涂成型和爆炸成型等。
是什么成型方法？
傣族慢轮制陶技艺
陶瓷材料工艺学的主线
陶瓷原料 原料加工
坯体成型
配料计算
陶瓷烧结
陶瓷修饰
陶瓷材料工艺学 之
第五章 陶瓷材料的烧结
本章学习的主要内容和要求
5.1 概述（了解烧结的过程与分类）
5.2 烧结参数及其对烧结性能的影响（掌握，是重点） 5.3 固相烧结过程及机理（了解） 5.4 液相烧结过程与机理（了解） 5.5 特色烧结方法（理解特色烧结方法的原理））
细小颗粒在液体和固体介质中承受吸引力和排斥力形成结块和团聚体示意图
（3）颗粒形状对烧结的影响
颗粒形状和液相体积含量对颗粒之间作用力的影响 只有在大量液相存在的情况下，才能使这些具有一定棱角形状的 陶瓷粉体之间形成较高的结合强度。
（4）颗粒尺寸分布对烧结的影响
颗粒尺寸分布对最终烧结样品密度的影响可以通过分析有关的动力
高温快冷可避免泛黄、釉面析晶，提高光泽；低 温慢冷可减少应力，避免开裂等。
影响陶瓷材料烧结的工艺参数:
（1）烧成温度 （2）保温时间
（3）烧成气氛
（4）升温与降温速率
本节小结
1、 烧结的定义和烧结的方法 2、 烧结的类型 3、烧结的驱动力 4、烧结参数及其对产品性能的影响
材 料 参 数 颗粒尺寸大小 粉体结块和团聚 颗粒形状 颗粒尺寸分布 工 艺 参 数 烧成温度 保温时间 烧结气氛 升温和降温速率
（1）烧成温度对产品性能的影响
烧成温度：是指陶瓷坯体烧成时获得最优性质时的相应温度，即 操作时的止火温度。
（a）1240℃
（b）1280℃
组成为Pb0.95Sr0.05(Zr0.58Ti0.47)+GeO 20.5%
1―介电强度；2―抗折强度
烧成温度对压电陶瓷机电性能的影响曲线
结论：烧结温度的确定主要取决于配方组成、 坯料细度和对产品的性能要求。
总界面能可表示为γA（γ为界面能，A为总的比表面 积）。那么总界面能的减少为：
A A A
其中，界面能的变化（Δγ）是因为样品的致密化， 比表面积的变化是由于晶粒的长大。对于固相烧结， Δγ主要是固/固界面取代固/气界面。
在烧结驱动力的作用下烧结过程中的基本现象
5.2.3 烧结参数
t 2 (r2 / r1 ) n t1
如果颗粒尺寸从1 m减小到0.01 m，则烧结时间降低106到108数量 级。同时，小的颗粒尺寸可以使烧结体的密度提高，可降低烧结温度、 减少烧结时间。
（2）粉体结块和团聚对烧结的影响
结块：是指一小部分质量的颗粒通过表面力和/或固体桥接作用结合 在一起；团聚：是指颗粒经过牢固结合和/或严重反应形成的粗大颗粒。 结块和团聚形成的粗大颗粒都是通过表面力结合。
宋代（约1000年）
明清代
元代（约700年）
《世博和鼎》
世博会纪念品
瓷器的作用-征服世界的经济工具
西方学者汉斯.布罗埃尔（1972年）在其 著作中说：“中国凭借着在丝绸、瓷器等方 面无与匹敌的制造业和出口，与任何国家贸 易都是顺差”。
中外学术界公认明代中国已具有占全球财 富总量的1/3的经济实力。
陶瓷材料工艺学 之
第五章 陶瓷材料的烧结
陶瓷材料工艺学的主线
陶瓷原料 原料加工
坯体成型
配料计算
陶瓷烧结
陶瓷修饰
坯体成型的内容回顾
1、注浆成型
常压注浆成型、加压注浆成型。坯料含水量：30~40%
2、可塑成型
造粒成型、流延成型、轧膜成型和注射成型。坯料含水量：18~26%
3、干压成型
科研实验研究常用的方法，设备简单。坯料含水量：6~8%