3.无机非金属材料的制备

骨灰质瓷 磷石灰，含大 量Ca(PO4)2 骨灰20-60 长石8-22 高岭土25-45 石英9-20 白度高、透光 性好，光泽柔 和、吸水率小 但热稳定性较 差，瓷质较脆
日用滑石质瓷 日用滑石 3MgO.4SiO2.H2O 滑石约73 长石约12 高岭土约11 粘土约4 白度、色调、吸水 率、机械强度、热 稳定性等均已达到 或超过一般日用陶 瓷的水平 高级日用瓷， 一般电工陶瓷
熔物形成玻璃相，增液相粘度，减少制品变形
还与粘土中的Al2O3形成莫来石；残余石英构成 坯体的骨架。
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（3）长石：助熔剂原料，如钾长石（K2O.Al2O3.6SiO2）烧 结时促进玻璃相的形成。高温下具有一定粘度， 起到高温热塑性作用和胶结作用。冷却后的长 石熔体构成了陶瓷的玻璃基质，增加了透明度，
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7、结构陶瓷 指具有力学性能及部分热学和化学功能的高技术陶瓷。 特别适合于在高温下应用的则称高温结构陶瓷。 高温结构陶瓷：氧化物系统 非氧化物系统 氧化物和非氧化物复合系统 它们主要体系：Si-O-N-C-B-Me 系元素构成
（ Me：碱金属、碱土金属和稀土）
目前研究最多的是：Si3N4 、SiC和 ZrO2
提高釉面光泽和使用性能。
（4）外加剂：如腐植酸钠、水玻璃、石膏等。 2 、坯料的成型：将坯料加工成一定形状和尺寸的半成品， 使坯料具有必要的机械强度和一定的致密度。 （1）可塑成型：在坯料中加入水或塑化剂，捏制成可塑泥料，
经手工、挤压或机械加工成型。
普通陶瓷常用。
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（2）注浆成型：将浆料浇铸到石膏模中成型，常用于制造形 状复杂、精度要求不高的建筑陶瓷等。 （3）压制成型：在粉料中加入少量水分或塑化剂，在金属模 具中加较高压力成型。主要用于特种陶瓷或 金属陶瓷。
（2）机械法
液相法（1）沉淀法：利用生成沉淀的液相反应来进行 a.直接沉淀法 （2）水解法： a. 醇盐水解法 b. 金属盐水解法
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b.共沉淀法
c.均匀沉淀法
（3）溶胶-凝胶法（Sol-gel 法）将金属氧化物或氢氧化物 浓的溶胶转变为凝胶，再将凝胶干燥后
进行煅烧，然后制备氧化物的方法。
如：ZrO2超微粉，采用此法制备后，其成型 体可在1500℃烧成（温度降低200℃）
长石20-30 石英25-35 粘土40-50
性能 瓷质洁白半透明， 同长石质瓷， 特点 断面呈贝壳状， 但透明度、外 观色调好 不透气，吸水率 低，坚硬强度高， 化学稳定性高 主要 应用
餐具、茶具陈设 餐具、茶具， 高级餐具、茶 陶瓷，装饰美术 工艺美术制品 具，高级工艺 瓷一般工业制品 美术瓷器
100 nm ~ 300 nm 80 nm ~ 200 nm Average 210 nm 250 nm ~ 850 nm 500 nm ~ 1 m
References
[7] [19] [20-22] [23] [24]
Methane CVD Camphor Pentane
Kerosene
Hydrotherma l pyrolysis Hydrotherma l Chemical Chemical Sugar Dry ice (CO2) A new polymer
第一节、陶瓷的概念:
传统陶瓷：陶器和瓷器（狭义：用火烧成的制品）。 泛指整个硅酸盐矿物（含SiO2的化合物）， 其代表性结构：高岭石结构 Al2(Si2O5)(OH)4， 原料配制、坯料成型、窑炉烧成。（含粉末冶金制品）
近代陶瓷：经高温处理工艺所合成的无机非金属材料。
现代工程材料三大支柱
a.金属材料
存储性、半导性、热电性等。
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4、功能陶瓷制备过程中应具备的技术要素：
（1）原材料：高纯、超细、粒度分布均匀。 （2）化学组成：可以精确调整和控制。 （3）精密加工：精密可靠，而且尺寸和形状可根据需要进 行设计。
（4）烧结：可根据需要进行温度、湿度、气氛和压力控制。
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5 、功能陶瓷超微细粉料的制备 固相法：把金属氧化物或其盐按照配方充分混合、后研磨 进行煅烧。 粉碎方法：（1）化学法 a. 氧化还原法 b. 固体热解法 c. 固相反应法
碳球的 (a) SEM 像和 (b) TEM 像（插图一个碳球心部的SAED照片）
（4）溶剂蒸发法：把金属盐混合溶液化成很小的液滴，
使盐迅速呈微细颗粒，并且均匀析出。
如：喷雾干燥法，冷冻干燥法等。
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气相法（1）蒸发凝聚法：将原料汽化并急冷，即获得超 微细粉（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。 （2）气相反应法 a.气相合成法 b.气相氧化法 c.气相热分解法 优点： a. 容易精制提纯、生成物纯度高，不 需粉碎，粒径分布均匀；
b. 生成颗粒弥散性好；
c. 容易控制气氛
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6 、较常见的功能陶瓷包括
（1）高温超导陶瓷，如Ba-La-Cu-O超导体。
（2）敏感陶瓷，如热敏陶瓷，湿敏陶瓷。 （3）压电陶瓷 ， 如BaTiO3陶瓷。 （4）半导体陶瓷， 如TiO2、SiO2等金属氧化物压坯烧 结的陶瓷。 （5）磁性陶瓷，如铁氧体陶瓷。
（3）激光合成法
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以激光气相合成SiC纳米陶瓷粉为例：
CVD法：SiH 4+CH 4 +H 2 (CH 3) 2 SiCl 2+H 2 Si(CH 3) 4 Si(OC 2 H 5) 4
PVD法：SiH 4 +CH4 CH 3 SiCl 3(or SiCl4+CH4) LICVD法：SiH4+CH4 (or C2H2)
器件。所用釉料主要是高温长石釉。 d.化工陶瓷：生化制药食品工业用的重要材料。要求坯料 中钾、钠含量尽量少。
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第四节、特种陶瓷 1 、名称
先进陶瓷（Advanced Ceramics)
精细陶瓷 (Fine Ceramics)
工程陶瓷 (Engineering Ceramics)
新型陶瓷 (New Ceramics) 近代陶瓷 (Modern Ceramics) 高技术陶瓷 (High Technology Ceramics) 高性能陶瓷 (High Performance Ceramics)
b.陶瓷材料
c.高聚物
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第二节、陶瓷的分类 陶瓷材料分两大类： ( 除玻璃、水泥、砖瓦及耐火材料外) 1 、传统陶瓷（普通陶瓷） 主要指粘土制品。天然的硅酸盐矿物为原料，经 制坯、成型、烧结制成的产品。 日用陶瓷 建筑陶瓷 电器绝缘陶瓷 化工陶瓷 多孔陶瓷等
包括
2 、特种陶瓷
以高纯度的化工原料和合成矿物为原料，沿用传统的工艺 流程制备的陶瓷。
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第三节、传统陶瓷的制备
生产工艺流程：原料配制、坯料成型、制品烧成
1 、原料配制（主要原料：粘土、石英、长石） （1）粘土：高岭土结构（Al2O3.2SiO2.2H2O)为基础的矿 物（多种含水的铝硅酸盐的混合体）。加水混合 有好的可塑性，在坯料中起塑化和粘接作用，并 保证干坯强度和烧结后使用性能。是烧成时莫来 石的主要成分来源。 （2）石英：是无水的SiO2或硅酸盐。在烧成中与长石等易
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8、结构陶瓷超微粉的结构特点 粉粒大小 筛目，附着力大， >100 m——粉粒；10-0.1 m——微粒；1-100 nm——纳米微粒 尺寸介于原子、分子和胶态之间的纳米微粒特点： （1）非常大的比表面积。 表面的原子数在构成微粒的原子总数中所占的比率越大。 （2）很高的比表面自由能。 （3）小体积效应。 热学、电学、光学性质和大块物质有很大不同。
第二部分 非金属材料的制备
非金属材料的分类
按照制备方法分
天然材料 人造材料 按照化学组成分 无机非金属材料
有机高分子材料
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第一章 无机非金属材料的制备
包括： 陶瓷、水泥、玻璃 传统无机非金属材料 耐火材料 搪瓷、砖瓦、琉璃 铸石 碳素材料 非金属矿等 先进陶瓷材料 先进炭材料
先进无机非金属材料
SiH 2 Cl 2 +C 2 H 4 (C 2 H 5O) 2 Si(CH 3) 2
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第五节 碳材料的制备
1. 一种热解碳球的制备、 微结构与电池性能
相关碳结构
石墨烯
碳 原 子 数 30~1000 ， 碳 层面具有悬键； 为减少悬键数石墨烯碎 片会卷起形成弯曲结 构，边缘六元环有收缩 成五元环趋势； 应 变 能 增 加 ， 消 除 悬 键，总能量降低。
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2、特种陶瓷分类
功能陶瓷：以电、磁、光、声、热力、化学和生物学信
息的检测、转换、耦合、传输及存储功能为 主要特征，这类介质材料通常具有一种或多
种功能。
结构陶瓷：指在应用时主要利用其力学性能的材料。
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3、功能陶瓷的分类
a.机械材料：耐磨损、高比强度、高硬度、抗冲击、高精
度尺寸自润滑性等。
b.热学材料：耐热、导热、隔热、蓄热与散热、热膨胀 等。 c.化学材料：耐腐蚀性、耐气候性、催化性、离子交换性、 反应性、化学敏感性等。 d.光学材料：发光性、光变换性、感光性、分光性、光敏 感性等。 e.电气材料：磁性、接介电性、压电性、绝缘性、导电性、
该法设备设施简单，较经济，便于工业化生产，因此发展很快， 成为许多氧化物陶瓷超细粉的一个主要来源。
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（2）溶胶-凝胶法（Sol-gel) 将所需组成的前驱体配置成混合溶液，再经凝胶化和热处 理（把金属氧化物或氢氧化物的凝胶干燥后煅烧）。
此法广泛用于Al2O3、ZrO2等氧化物粉末制备，由于胶体 混合时可使反应物质获得最直接的接触，使反应物达到最 彻底的均匀化，制得的原料性能均匀，具有非常窄的颗粒 分布，团聚性小，同时此法易在制备过程中控制粉末颗粒 尺度。
富勒烯
C36, C60, C70, C180的结构示意图
球形碳的分类
Inagaki
(carbon layers) (nanometric texture)
(1) concentric (2) radial (3) random arrangement
Serp et. al.
(sizes)
(1) carbon onions well-G 2-20nm (2) nano-sized spheres less-G 50nm-1m (3) carbon beads 1- several microns
由于成型的坯体含水较多，强度不高，为适应后面工序如修
坯、施釉等的需要，须进行干燥。 3 、制品的烧成或烧结
4 、普通陶瓷的分类和应用
日用陶瓷
分类
（1）日用陶瓷（见下页表）
普通工业陶瓷
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类型 主要 成分 原料 配比 %
长石质瓷 长石
绢云母质瓷 绢云母 K2O.3Al2O3.6 SiO2.2H2O 绢云母30-50 高岭土30-50 石英9-20 其它矿物5-10
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（2）普通工业陶瓷 按用途分：建筑陶瓷、卫生陶瓷、电器绝缘陶瓷和化工陶瓷。 a.建筑陶瓷
粗陶器：以难熔粘土为主要原料。瓦、盆罐等
精陶器：以瓷土或高岭土等为主要原料。釉面砖、化学 工业用品等。 b.卫生陶瓷：用于卫生设施的带釉陶瓷制品。以高岭土为 主要原料。
c.电器绝缘陶瓷：作为隔电、机械支持及连接用瓷质绝缘
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9 、结构陶瓷超微粉料的制备方法
（1）化学共沉积法：在含有多种可溶性阳离子的盐溶液中 加入沉淀剂（OH- 、 CO32- 、C2O42-
SO42-等）形成不溶性的氢氧化物、碳酸
盐或草酸盐的沉淀，将溶剂和溶液中原 有的阳离子滤出，沉淀物经热分解后即 可制得高纯度超微粉料。 例如：Zr 、Y的盐类溶液和NH4OH粉等氢氧化物共沉淀。
Summary of the synthesis methods of carbon spheres
Synthesis methods Carbon sources
Catalysts
Metallic iron Cobalt Metal oxide Ferrocene Fe(CO)5
Sphere diameters
Fe, Ni
No
600 nm ~ 900 nm
250 nm ~ 5m
[25]
[26]
Li
No
300 nm ~ 780 nm
500 nm ~ 2m
[27]
[28]
CVD
Toluene
No
60 nm ~ 1m
[2Biblioteka Baidu]
碳球制备
工艺参数
四氢呋喃 , 970~1000 C, 5~240 min
石墨化：2100 C、2900 C, 20~120min