陶瓷材料及制备工艺PPT课件
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其中wt%表示添加雜質量占主配方的重量百分 比。由於在含鉛壓電陶瓷的製備過程中，鉛有 揮發，根據經驗，需多加鉛1.5wt%。當採用 的原料和純度為表2.5所列時，計算該壓電陶瓷 坯體的配料比。
表2.5 製備某壓電陶瓷採用的原料及純度
名 稱 鉛 丹 碳酸鍶 二氧化鋯 二氧化鈦 三氧化二鐵 三氧化二鉻
分子式 Pb3O4 SrCO3
ZrO2
純度% 98
97
99.5
TiO2 99
Fe2O3 98.9
Cr2O3 99
表2.6 由給定的化學計量式算出的每摩爾坯 料中各氧化物的重量及總量
摩爾數 摩爾質量 重量（g） 1mol坯料重（g）
PbO 0.95 223.20 212.04
SrO
ZrO2
0.05
0.5
成
燃料以電、氣、油為主
以外觀效果和強度為主 性 能
以材料性能和使用效能為主，如耐磨、 耐腐蝕、耐高溫、以及各種敏感特性
加 一般不需加工 工
常需切割、打孔、研磨和拋光
用 炊具、餐具、建築、陳設 主要用於航太、能源、冶金、交通、電
途品
子、信息家用電器業
表2.2 陶瓷按化學成分的分類及有代表性陶瓷材料
陶瓷類別
2.粒徑減小使材料的蒸汽壓上升
ln(P/P∞)=2Mγ/(RTCD)
P和P∞分別表示超細粒子和塊狀物質的蒸氣 壓；M為摩爾質量；R為摩爾氣體常量；Tc為 熱力學溫度。
表2.3 氧化錫粉體的表面能、比表面積、 表面原子百分數與粒徑的關係
粒 原子 表面 表面 q 徑 總數 原子 能Es nm 個 % (J/mol
圖2.2 CVD方法原理及氣相沉積產物示意圖
粉體的粒子學特性
粉體的粒子學特性包括粉體粒徑、粒徑分佈、 粒子形狀、密度、微孔分佈、流動性、堆積密 度等。
1.粒徑減小使材料的熔點降低
T 2T LD
T為塊狀物質的熔點(T∞)與超細粒子的熔點之差； γ為固液界面的表面張力；ρ為密度；L∞為塊狀物質 的熔化潛熱；D為粒子直徑。
)
2 2
105 .3
5 4× 10 40 8.16× 14
3
104 .1
10 3× 10 20 4.08× 7.
4
104 6
100 3× 10 2 4.08× 0.
Q為表7面能Es與總能量10之3 比值8
100 3× 10 0.2 4.08× 0.
0
10
102 1
碎設備有球磨、振動磨、攪拌磨、行星磨、氣 流磨等機械。
物理氣相沉積(PVD)法也屬於製粉的物理方 法。
2. 粉體的化學製備方法
(1)液相法
鹽溶 添 沉 加 澱 液 劑 鹽 氫 或 或 熱 氫 分 粉 解 氧 溶劑蒸發
A.化學共沉澱法 B.溶膠－凝膠法 C.噴霧熱分解法
(2)氣相法
比表 面積 (M2/g
) 452
181
90.3
9.03
0.903
粉體性能表徵
1. 粉體的粒度
2. 比表面積和等比表面積當量粒徑DBET
DBET
a
.S
a為形狀係數，當粉體為等軸狀時，a=6； ρ為粉體密度。比表面積S
表2.4 陶瓷粉料的表徵內容及所用儀器
3. 粉體的粒度分佈
圖2.3 粉體粒度頻率分佈曲線圖
103.62 123.22
5.18 61.61
318.78
TiO2 0.5 79.88 39.95
表2.7 由給定的化學計量式和實際原料的 純度計算出各原料稱量百分比
原
料 Pb3O4 SrCO3 ZrO2 TiO2 Fe2O3 Cr2O3 合計
稱 量 百 分 比 66.82 2.24 18.29 11.91 0.28 0.47 100.01
n
D f diDi i 1
式中，n為粒度間隔的數目；fdi 為顆粒在該粒 度間隔的個數；Di為這一間隔內的平均粒徑。
2-3 配料及成形的原理與工藝
配方的計算方法主要有兩種
(1)已知化學計量的配料計算 (2)根據化學成分的配料計算
例1已知某壓電陶瓷的化學計量式為
Pb0.95Sr0.05(Zr0.50Ti0.50)O3+0.5wt%Cr2O3+0.3wt% Fe2O3
混料
混料中一般應注意以下兩個問題：
1.加料程序 2.混料磨介的使用
塑化與造粒
塑化（plastification）就是指利用塑化劑， 使原料坯料具有可塑性，而可塑性是指坯 料在外力的作用下發生無裂紋的變形。塑 化劑一般有兩類：一類是無機塑化劑另一 類是有機塑化劑。
2-2 粉體的製備與表徵
粉體品質對陶瓷性能的影響
粉體是指大量固體顆粒的集合體。
粉體的特性對陶瓷材料的性能有很大的影響。 如粉體的粒徑、形狀、團聚狀態、化學組成、 結晶學性質、表面狀態等對製品的性能是至關 重要的。
粉末顆粒形狀、尺寸分佈及相結構對陶瓷的性 能也有著顯著的影響。
粉體的製備方法
1. 粉體的物理製備方法 傳統陶瓷原料多採用機械粉碎方法製備。粉
圖2.1 陶瓷的分類
表2.1 特種陶瓷與傳統陶瓷的主要區別
區
傳統陶瓷
別
點
原 料
天然礦物原料
特種陶瓷
人工精製合成原料（包括氧化物和非氧 化物）
成 注漿、可塑成型為主 型
壓製、熱壓鑄、注射、軋膜、流延、等 靜壓成型等為主
溫度一般在1350C以下，結構陶瓷常需1600C左右高溫燒成
燒 燃料以煤、油、氣為主 功能陶瓷需據要求精確控制燒成溫度
第二章 陶瓷材料及其製備工藝
2.1 概 述 2.2 粉體的製備與表徵 2.3 配料及成形的原理與工藝 2.4 燒結原理及工藝 2.5 陶瓷燒結後處理與加工
2-1 概 述
陶瓷材料是由離子鍵或共價鍵結合的含有 金屬和非金屬元素的複雜化合物和固溶體。
陶瓷材料是硬而脆的高熔點材料，具有低 的導電性和導熱性、良好的化學穩定性和 熱穩定性，以及較高的壓縮強度。
有代表性的主要陶瓷材料
氧
化
物
Al2O3 、 SiO2 、 MgO 、 BeO 、 ZrO2 、 TiO2 、 V2O5 、 MgAl2O4 、 3Al2O3·2SiO2、BaTiO3、CaTiO3、PZT、PbTiO3
碳 化 物 SiC、TiC、WC、B4C 氮 化 物 Si3N4、TiN、BN、AlN、C3N4
硼 化 物 TiB2、ZrB2
陶瓷材料的特性與化學鍵
陶瓷，其化學鍵是離子鍵和共價鍵。這種 化學鍵有很強的方向性和很高的結合能。 陶瓷材料很難產生塑性變形，脆性大，裂 紋敏感性強，這對陶瓷（特別是結構陶瓷） 的應用產生嚴重的影響。
陶瓷材料製備工藝特點
陶瓷材料製備是採用粉末冶金工藝，材料 的製備與製品工藝一體化 。
表2.5 製備某壓電陶瓷採用的原料及純度
名 稱 鉛 丹 碳酸鍶 二氧化鋯 二氧化鈦 三氧化二鐵 三氧化二鉻
分子式 Pb3O4 SrCO3
ZrO2
純度% 98
97
99.5
TiO2 99
Fe2O3 98.9
Cr2O3 99
表2.6 由給定的化學計量式算出的每摩爾坯 料中各氧化物的重量及總量
摩爾數 摩爾質量 重量（g） 1mol坯料重（g）
PbO 0.95 223.20 212.04
SrO
ZrO2
0.05
0.5
成
燃料以電、氣、油為主
以外觀效果和強度為主 性 能
以材料性能和使用效能為主，如耐磨、 耐腐蝕、耐高溫、以及各種敏感特性
加 一般不需加工 工
常需切割、打孔、研磨和拋光
用 炊具、餐具、建築、陳設 主要用於航太、能源、冶金、交通、電
途品
子、信息家用電器業
表2.2 陶瓷按化學成分的分類及有代表性陶瓷材料
陶瓷類別
2.粒徑減小使材料的蒸汽壓上升
ln(P/P∞)=2Mγ/(RTCD)
P和P∞分別表示超細粒子和塊狀物質的蒸氣 壓；M為摩爾質量；R為摩爾氣體常量；Tc為 熱力學溫度。
表2.3 氧化錫粉體的表面能、比表面積、 表面原子百分數與粒徑的關係
粒 原子 表面 表面 q 徑 總數 原子 能Es nm 個 % (J/mol
圖2.2 CVD方法原理及氣相沉積產物示意圖
粉體的粒子學特性
粉體的粒子學特性包括粉體粒徑、粒徑分佈、 粒子形狀、密度、微孔分佈、流動性、堆積密 度等。
1.粒徑減小使材料的熔點降低
T 2T LD
T為塊狀物質的熔點(T∞)與超細粒子的熔點之差； γ為固液界面的表面張力；ρ為密度；L∞為塊狀物質 的熔化潛熱；D為粒子直徑。
)
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5 4× 10 40 8.16× 14
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104 .1
10 3× 10 20 4.08× 7.
4
104 6
100 3× 10 2 4.08× 0.
Q為表7面能Es與總能量10之3 比值8
100 3× 10 0.2 4.08× 0.
0
10
102 1
碎設備有球磨、振動磨、攪拌磨、行星磨、氣 流磨等機械。
物理氣相沉積(PVD)法也屬於製粉的物理方 法。
2. 粉體的化學製備方法
(1)液相法
鹽溶 添 沉 加 澱 液 劑 鹽 氫 或 或 熱 氫 分 粉 解 氧 溶劑蒸發
A.化學共沉澱法 B.溶膠－凝膠法 C.噴霧熱分解法
(2)氣相法
比表 面積 (M2/g
) 452
181
90.3
9.03
0.903
粉體性能表徵
1. 粉體的粒度
2. 比表面積和等比表面積當量粒徑DBET
DBET
a
.S
a為形狀係數，當粉體為等軸狀時，a=6； ρ為粉體密度。比表面積S
表2.4 陶瓷粉料的表徵內容及所用儀器
3. 粉體的粒度分佈
圖2.3 粉體粒度頻率分佈曲線圖
103.62 123.22
5.18 61.61
318.78
TiO2 0.5 79.88 39.95
表2.7 由給定的化學計量式和實際原料的 純度計算出各原料稱量百分比
原
料 Pb3O4 SrCO3 ZrO2 TiO2 Fe2O3 Cr2O3 合計
稱 量 百 分 比 66.82 2.24 18.29 11.91 0.28 0.47 100.01
n
D f diDi i 1
式中，n為粒度間隔的數目；fdi 為顆粒在該粒 度間隔的個數；Di為這一間隔內的平均粒徑。
2-3 配料及成形的原理與工藝
配方的計算方法主要有兩種
(1)已知化學計量的配料計算 (2)根據化學成分的配料計算
例1已知某壓電陶瓷的化學計量式為
Pb0.95Sr0.05(Zr0.50Ti0.50)O3+0.5wt%Cr2O3+0.3wt% Fe2O3
混料
混料中一般應注意以下兩個問題：
1.加料程序 2.混料磨介的使用
塑化與造粒
塑化（plastification）就是指利用塑化劑， 使原料坯料具有可塑性，而可塑性是指坯 料在外力的作用下發生無裂紋的變形。塑 化劑一般有兩類：一類是無機塑化劑另一 類是有機塑化劑。
2-2 粉體的製備與表徵
粉體品質對陶瓷性能的影響
粉體是指大量固體顆粒的集合體。
粉體的特性對陶瓷材料的性能有很大的影響。 如粉體的粒徑、形狀、團聚狀態、化學組成、 結晶學性質、表面狀態等對製品的性能是至關 重要的。
粉末顆粒形狀、尺寸分佈及相結構對陶瓷的性 能也有著顯著的影響。
粉體的製備方法
1. 粉體的物理製備方法 傳統陶瓷原料多採用機械粉碎方法製備。粉
圖2.1 陶瓷的分類
表2.1 特種陶瓷與傳統陶瓷的主要區別
區
傳統陶瓷
別
點
原 料
天然礦物原料
特種陶瓷
人工精製合成原料（包括氧化物和非氧 化物）
成 注漿、可塑成型為主 型
壓製、熱壓鑄、注射、軋膜、流延、等 靜壓成型等為主
溫度一般在1350C以下，結構陶瓷常需1600C左右高溫燒成
燒 燃料以煤、油、氣為主 功能陶瓷需據要求精確控制燒成溫度
第二章 陶瓷材料及其製備工藝
2.1 概 述 2.2 粉體的製備與表徵 2.3 配料及成形的原理與工藝 2.4 燒結原理及工藝 2.5 陶瓷燒結後處理與加工
2-1 概 述
陶瓷材料是由離子鍵或共價鍵結合的含有 金屬和非金屬元素的複雜化合物和固溶體。
陶瓷材料是硬而脆的高熔點材料，具有低 的導電性和導熱性、良好的化學穩定性和 熱穩定性，以及較高的壓縮強度。
有代表性的主要陶瓷材料
氧
化
物
Al2O3 、 SiO2 、 MgO 、 BeO 、 ZrO2 、 TiO2 、 V2O5 、 MgAl2O4 、 3Al2O3·2SiO2、BaTiO3、CaTiO3、PZT、PbTiO3
碳 化 物 SiC、TiC、WC、B4C 氮 化 物 Si3N4、TiN、BN、AlN、C3N4
硼 化 物 TiB2、ZrB2
陶瓷材料的特性與化學鍵
陶瓷，其化學鍵是離子鍵和共價鍵。這種 化學鍵有很強的方向性和很高的結合能。 陶瓷材料很難產生塑性變形，脆性大，裂 紋敏感性強，這對陶瓷（特別是結構陶瓷） 的應用產生嚴重的影響。
陶瓷材料製備工藝特點
陶瓷材料製備是採用粉末冶金工藝，材料 的製備與製品工藝一體化 。