第三篇 陶瓷材料及其制备工艺

成型
陶瓷粉体、坯料进一步加工成坯体的这一过程 称为成形。 1.干压成形 1.
干净压成型示意图
1.粉体造粒；2.模具充填；3.单轴向加压；4.脱模
2.等静压成型 2.
等静压成型系统构造图
3.热压铸成型 4. 塑性成形
棒(a)和管材(b)的挤制成形示意图
5.流延法成型 5.流延法成型
(a)刮刀工艺
3.长石类原料 长石是陶瓷生产中的主要熔剂性原料，一般用作坯料、釉 料、色料熔剂等的基本成分，用量较大，是日用陶瓷的三大原 料之一。自然界中长石的种类很多，归纳起来都是由以下四种 长石组合而成： 钠长石(Ab) 钾长石(Or) 钙长石(An) 钡长石(Cn) Na[AlSi3O8]或Na2O·Al2O3·6SiO2 K[AlSi3O8]或K2O·Al2O3·6SiO2 Ca[Al2Si2O8]或Ca O·Al2O3·2SiO2 Ba[Al2Si2O8]或BaO·Al2O3·2SiO2
第三篇 陶瓷材料及其制备工艺
一、概述 二、陶瓷原料 三、粉体的制备 四、配料及成形的原理与工艺 配料及成形的原理与工艺 五、烧结原理与工艺 六、陶瓷烧结后处理与加工
陶瓷的制备工艺过程： 陶瓷的制备工艺过程：
粉末制备
坯料制备
成形
干燥
烧结
后处理
成品
热压或热等静压烧结
一、概述
1. 陶瓷的概念
传统上，“陶瓷”是指所有以粘土为主要原料与其它天然矿物原料 经过粉碎、混炼、成形、烧结等过程而制成的各种制品。 传统陶瓷包括常见的日用陶瓷制品和建筑陶瓷、电瓷等。 广义上， “陶瓷”是用陶瓷生产方法制造的无机非金属固体材料 和制品的通称。
三、粉体的制备
粉体制备方法： 粉体制备方法：
粉碎法： 杂质多， 粉碎法：机械粉碎，气流粉碎；杂质多，1μm以 杂质多 上； 合成法： 纯度、 合成法：固相法、液相法和气相法；纯度、粒度 纯度 可控，均匀性好，颗粒微细。 可控，均匀性好，颗粒微细。
粉碎法
机械粉碎法： 机械粉碎法：
冲击式粉碎、球磨粉碎 行星式研磨、振动粉碎等
二、陶瓷原料
粘土类原料 石英类原料 长石类原料 其他矿物原料
（瓷石，叶腊石，高铝质矿物原料， 瓷石，叶腊石，高铝质矿物原料， 碱土硅酸盐类原料，碳酸盐类） 碱土硅酸盐类原料，碳酸盐类）
新型陶瓷原料（氧化物原料，碳化物类原料，氮化物原料） 氧化物原料，碳化物类原料，氮化物原料）
1.粘土类原料 粘土很少由单一矿物组成，而是多种微细矿物的混合体。 粘土矿物主要为高岭石类（包括高岭石、多水高岭石 等）、蒙脱石类（包括蒙脱石、叶蜡石等）和伊利石类（也 称水云母）等等。
热压烧结
2.热压烧结 热压烧结 包括一般 热压烧结指 １０～ （在１０～ 重排与致密化 重排与致密化 设备与模具费用 的烧制。 的烧制。 热等静压烧 复杂制品生产 轴承、反射镜及 轴承、 亦可采用此种烧 优点： 优点：压力有助 缩短烧结 小 密度接近
热等静压烧结
高温等静压工艺设备系统简图
放电等离子体烧结
2. 陶瓷的分类 (1) 按陶瓷概念和用途来分类：
陶瓷
普通陶瓷
特种陶瓷
日用陶瓷 (包括艺术 陈列陶瓷)
源自文库
建筑卫 生陶瓷
化工陶瓷
化学瓷
电瓷 及其它 结构陶瓷 功能陶瓷 工业用陶瓷
结构陶瓷主要是用于耐磨损、高强度、耐热、耐热 冲击、硬质、高刚性、低热膨胀性和隔热等结构陶瓷 材料；
不同形状的特种结构陶瓷件
(一) 概念
陶瓷的烧结类型可以分 固相烧结、液相烧结。
Tm A
陶瓷的烧结过程一般分 为五个阶段：
(1)低温阶段（室温至 300℃左右） (2)中温阶段（亦称分解 氧化阶段，300 °至950°C） (3)高温阶段（950°C至烧 成温度） (4)保温阶段 (5)冷却阶段
Tm B T3 T2 T1
烧结过程示意相图
(3)气相法
CVD方法原理及气象沉淀产物示意图
四、配料及成型的原理与工艺
配料：方法两种
(1)已知化学计量的配料计算 (2)根据化学成分的配料计算
混料：方法两种 干混和湿混 注意加料程序和混料磨介的使用 和
塑化 就是指利用塑化剂，使原料坯料具有可 塑性，而可塑性是指坯料在外力的作用下发 生无裂纹的变形。塑化剂一般有两类：一类 是无机塑化剂、另一类是有机塑化剂。 造粒 就是在较细的原料中加入塑化剂，制成 粒度较粗、具有一定假颗粒度级配、流动性 较好的粒子。造粒方法可以分为一般造粒法、 加压造粒法、喷雾造粒法、冷冻干燥法等。
高温倒焰窑结构示意图
梭式窑结构示意图
2.连续式窑
连续式窑炉按制品的输送方式可分为隧道窑、
高温推板窑和辊道窑。
高温隧道窑
六、陶瓷烧结后处理加工
常见的后续加工处理方式主要有表面施釉、 机械加工及表面表面金属化。 施釉
(1)提高瓷件的机械强度与耐热冲击性能； (2)防止工件表面的低压放电； (3)使瓷件的防潮功能提高。
日用陶瓷－餐具
建筑陶瓷－地砖
电瓷
传统陶瓷的主要原料：取之于自然界的硅酸盐矿物(如粘土、 硅酸盐矿物(如粘土、 硅酸盐矿物 长石、石英等) 长石、石英等)，所以传统陶瓷可归属于硅酸盐类材料和制品。 因此，陶瓷工业可与玻璃、水泥、搪瓷、耐火材料等工业 同属“硅酸盐工业”的范畴。
粘土矿物－高岭石
钾长石
石英
1-动锥2-定锥 3-破碎后的物料4-破碎腔
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
气流粉碎： 气流粉碎：
扁平式气流粉碎机
管道式气流粉碎机
合成法
（1）固相法 1.烧结法： A(S)+B(S)→C(S)十D(G) 2.热分解反应基本形式(S代表固相，G代表气相)： Sl→S2十G1 3.化合反应法：A(s)+B(s)→C(s)+D(g) 4.氧化还原法或还原碳化、还原氮化 如：3SiO2+6C+2N2 → Si3N4+6CO （2）液相法 盐溶液→盐晶体或氢氧化物→粉末 A.化学共沉淀法 B.溶胶凝胶法 C.喷雾热分解法
机械加工
可以使陶瓷制品适应尺寸公差的要求，也可以改 善陶瓷制品表面的光洁度或去除表面的缺陷。方法 有磨削、激光和超声波加工等。
金属化 为了满足电性能的需要或实现陶瓷与金属的封 接，需要在陶瓷表面牢固地镀上一层金属薄膜，常 見的陶瓷金属化方法有被银法、电镀法等。陶瓷与 金属的封接形式包括玻璃釉封接、金属焊接封接、 活化金层封接、激光焊接、固相封接等。
烧结系统大致由四个部分组成：真空烧结腔（图中6），加压系统（图 中3），测温系统（图中7）和控制反馈系统。图中1示意石墨模具，2代表 用于电流传导的石墨板，4是石墨模具中的压头，5是烧结样品。
微波烧结
微波烧结系统
微波烧结陶瓷装置示意图
（三）烧结设备 1.间歇式窑炉
按其功能新颖性可分为电炉、高温倒焰窑、 梭式窑和钟罩窑。
(b)带式浅注工艺 流延法成型示意图
五、烧结原理与工艺
(一) 概念
烧结是指多孔状陶瓷坯体在高温条件下，表面积减 烧结 小、孔隙率降低、机械性能提高的致密化过程。
陶瓷烧结示意图
(a)颗粒间的松散接触；(b)颗粒间形成颈部； (c)晶界向小晶粒方向移动并逐渐消失，晶粒逐渐长大； (d)颗粒互相堆积形成多晶聚合体
氧化锆陶瓷
A超声波雾化器用 压电陶瓷晶片
金属陶瓷阀门
这些氧化物陶瓷、压电陶瓷、金属陶瓷等的生产过程基本上 还是原料处理、成形、烧结这种传统的陶瓷生产方法，但原料 原料处理、成形、烧结这种传统的陶瓷生产方法 原料处理 已不再使用或很少使用粘土等传统陶瓷原料，而已扩大到化工原 化工原 料和合成矿物，甚至是非硅酸盐、非氧化物原料， 料和合成矿物，甚至是非硅酸盐、非氧化物原料，组成范围也 延伸到无机非金属材料的范围中，并且出现了许多新的工艺 延伸到无机非金属材料的范围中，并且出现了许多新的工艺。
高岭石
叶腊石
伊利石
2.石英类原料 二氧化硅（SiO2）在地壳中的丰度约为60％。含SiO2的矿 物种类很多，部分以硅酸盐化合物的状态存在，构成各种矿 物、岩石。另一部分则以独立状态存在，成为单独的矿物实 体，其中结晶态二氧化硅统称为石英。 a.水晶 b.脉石英 c.砂岩 d.石英岩 e.石英砂
石英 水晶
功能陶瓷中包括电磁功能、光学功能和生物-化学 功能等陶瓷制品和材料，此外还有核能陶瓷和其它功能 材料等。
电子绝缘件
氧化锆陶瓷光学导管
4. 陶瓷在现代化建设中的作用
首先，陶瓷是人民日常生活中听不可缺少的日用品，几千年来 一直是人类用以生活的主要餐具、茶具和容器。 其次，陶瓷又是制造美术陈设器皿的最耐久最富于装饰性的材 料，在我国外贸中占有一定的地位。 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。
（二）几种常用烧结方法
１）热压烧结 ２）热等静压 ３）放电等离子体烧结 ４）微波烧结 ５）反应烧结 ６）爆炸烧结
帮助理解
常压烧结： 常压烧结：常压 热压烧结： 热压烧结：加压 热等静压烧结： 热等静压烧结：高温恒压 气氛烧结： 气氛烧结：防氧化、加气 反应烧结： 反应烧结：加入气相或者液相以 获得一 定强度和精度