陶瓷粉体制备

SiC制备基本反应： SiO2＋3C → SiC＋2CO
分步反应： SiO2＋C → SiO（气）＋CO SiO＋2C → SiC＋CO SiO＋C → Si（气）＋CO Si＋C → SiC
用于碳化硅生产的阿奇逊电炉 (a)炉役开始前；(b)炉役结束后
随着SiC生成电阻越来越大，炉芯区域温度达 2700～2800℃，SiC分解， SiC＝Si+C SiC＋2SiO2=3SiO+CO SiC＋SiO＝2Si＋CO 分解生成的Si及SiO蒸气向低温区扩散与C反应生成 SiC 将SiC结晶块挑选出来，经过复杂的粉碎过程获得各种粒度的SiC粉料
TaC Ta2O5+炭黑 Mo2C Mo+炭黑，MoO3+炭黑
炉内气氛 H2，CO, CnHm 真空 H2，CO, CnHm 真空 H2，CO, CnHm H2，CO, CnHm H2，CO, CnHm 真空 H2，CO, CnHm 真空 H2，CO, CnHm 真空 H2，CO, CnHm 真空
温度范围 2200－2300℃ 1600－1800℃ 1800－2300℃ 1700－1900℃ 1900－2300℃ 1100－1200℃ 1400－1500℃ 1200－1300℃ 1900－2000℃ 1600－1700℃ 1400－1600℃ 1200－300℃ 2000－2100℃ 1600－1700℃ 1200－1400℃
Mo+炭黑 WC
W+炭黑，WO3+炭黑 W+炭黑 Si+C SiC SiO2+C
H2，CO, CnHmH2，CO, ຫໍສະໝຸດ nHm1100－1300℃
1400－1600℃ 1200－1400℃
1500－1700℃
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Cr3C2
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AlB12具有高熔点、低比重、高硬度和耐磨性等特点，有 希望用作装甲材料。装甲材料要求高的弹性模量、压溃强度及 断裂前能承受大的拉应力的能力，单相材料很难同时符合这些 要求。因此，开发Al2O3/AlB12复相陶瓷比AlB12更有意义。
13Al+6B2O3= 6Al2O3+ AlB12
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2000℃以下合成主要为β 2200℃以上合成主要为α
β
2000－2400℃ 不可逆转变
α
未 反 应 层
β
α
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先进陶瓷粉料的制备 固相法制备粉料
Si3N4粉末的制备
在N2的存在下，通过SiO2与C粉的还原－氮化，可以制备Si3N4粉末，其基本反 应如下： 3SiO2＋6C＋4N2→ 2Si3N4＋6CO （1600℃）
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气流粉碎机
也称气流磨，可以得到粉料的最小颗粒尺寸为0.1~0.5μm
原理：利用压缩机产生的压缩空气， 通过喷嘴 在空间形成高速气流，使分体在这种气流中互 相碰撞达到破碎的目的。
获得的粉料粒度均匀，粉碎效率高，能保证粉 料的纯度，气体也可以选择氮气及惰性气体。
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先进陶瓷粉料的制备 固相法制备粉料
1500℃以上时，SiO2表面开始蒸发，蒸汽吸附在C 颗粒表面，并与C生成SiC：SiO2＋3C＝SiC＋2CO
进一步的反应受到C与Si原子通过SiC扩散的控制
SiC的生成导致配料热导率的升高，炉芯 附近的温度达到2700－2800℃ SiC分解： SiC＋2SiO2=3SiO（气）+CO SiC＋SiO＝2Si（气）＋CO
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陶瓷粉料的制备 先进陶瓷的粉料制备方法
一、固相法制备粉料
固相原料
配料
混合
粉体
粉碎
合成
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先进陶瓷粉料的制备 固相法制备粉料
混合物需在一定温度下，经过固相反应到尽可能完全后，才能获得所需物相， 为了使合成进行得足够充分，经常采用压块合成和粉末合成。 压块合成：将混合物的粉料加压压制成块状，再进行合成。由于原料之间接触 比较紧密，再加上压力的作用，可以使合成进行得比较充分，且可以在较低温 度下进行。
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先进陶瓷粉料的制备 液相法制备粉料
金属盐溶液 盐或氢氧化物 氧化物粉末
沉淀法（包括共沉淀法） AlCl3水溶液Al(OH)3 Al2O3+H2O（滴入氨水） YCl3+ZrCl4水溶液 YZr(OH)7 YSZ＋ H2O（滴入氨水）
溶胶－凝胶法 Al + HCOOH + CH3COOH + H2O (HO)Al(HCOO)(CH3COO) + H2 Si(OC2H5)4 + H2O Si(OC2H5)4-m(OH)m + C2H5 OH (HO)Al(HCOO)(CH3COO) + Si(OC2H5)3OH (Al-O-Si)n
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先进陶瓷粉料的制备 固相法制备粉料
Al2(NH4)2(SO4)4· 2O Al2 (SO4)3· 4)2SO4· 2O+23H2O （约200℃） 24H (NH H
Al2 (SO4)3· 4)2SO4· 2O Al2 (SO4)3 + 2NH3+SO3+2H2O（500～600℃） (NH H
合成法：气相或液相变成固相陶瓷颗粒，成本高生产量小。
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陶瓷粉料的制备 常规的制备方法 机械破碎法制备粉料
颚式破碎机
碎料
回旋破碎机
轧辊破碎机
空气 碎料
轮碾机
破碎物 碎料
冲击板
锤 高压空气
高压空气
旋风分离器 破碎物 金属丝网 破碎物
陶瓷粉料的制备 常规的制备方法
建筑用砖瓦：采用低品质粘土制造，十分广泛的地方性工业。 传统陶瓷：天然原材料有比较严格的控制，要求对原材料进行精选，这 些工业一般集中在有较高质量的原材料产地。 先进工程陶瓷：着眼于制造高性能、高附加值的特殊产品，用于航空、 航天、新能源、原子能、信息产业等具有特殊性能要求的场合，使用化学提 纯甚至用化学的方法来制备原料。 第一种是用细颗粒陶瓷原料加上粘结剂制成泥浆，成型，然后高温烧结 成所需的制品。 第二种基本工艺方法是将原料熔融成液体、然后在冷却和固化时成型， 例如制备玻璃制品。 机械破碎法：粗颗粒变成细颗粒，成本低生产量大。
水热法 金属盐在高温高压水中水解获得超细氧化物 溶剂蒸发法（喷雾冷冻／喷雾干燥／喷雾热分解） 利用有机溶剂的易燃特点
粉末合成法：将混合物粉末直接进行合成反应。
二次粉末合成：一次合成后过筛，再进行温度稍高一些的二次合成反应。
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先进陶瓷粉料的制备 固相法制备粉料 A(S)+B(S)→C(S)+D(g)
两种或者两种以上的固态粉末，经混合后在一定的热力学条件和气氛下 反应而成为复合粉末。 （1）BaTiO3粉末合成 BaCO3+TiO2 → BaTiO3+CO2 在1100 ℃～1150℃之间保温2～4h， BaTiO3含量最大。 加热温度高于1150℃，则会出现对钦酸钡性能有害的Ba2TiO4相。 继续升高温度至1250℃时， BaTiO3含量又将继续增加。 至1350℃可获得100％的BaTiO3 ，但这时已经发生BaTiO3陶瓷的烧结。 严格控制温度在1100℃～1150℃之间，得到性能优异的钛酸钡陶瓷粉料。 （2）尖晶石粉末与莫来石粉末的合成 尖晶石：Al2O3+MgO → MgAl2O4 莫来石：3Al2O3+2SiO2 → 3Al2O3· 2SiO2
Al2 (SO4)3 Al2O3+3SO3（800～900℃） Al2O3 Al2O3 （1300℃）
可以获得高纯
900℃5h
1300℃2h 的Al2O3，
粒度小于1μm
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先进陶瓷粉料的制备 固相法制备粉料
Cr+炭黑，Cr2O3+炭黑
H ，CO, C H
NPU 1400－1600℃
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NPU
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NPU
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NPU
如果自蔓延合成反应在固相和气相混杂系统中进行称为“气体渗透合成” Si在N2中燃烧生成Si3N4： 3Si+2N2＝Si3N4
Ti在N2中燃烧生成TiN： 2Ti+2N2＝2TiN
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NPU
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NPU
碳化物 TiC ZrC HfC VC NbC
组分 Ti（TiH2）+炭黑；TiO2+炭黑 TiO2+炭黑 Zr（Zr H2）+炭黑；ZrO2+炭黑 ZrO2+炭黑 Hf+炭黑，Hf+炭黑 V+炭黑；V2O5+炭黑 Nb+炭黑 Nb2O5+炭黑 Ta+炭黑
NPU
先进陶瓷粉料的制备 固相法制备粉料
自蔓延燃烧技术是利用反应物之 间高化学反应热的自加热和自传 导作用来合成材料的一种技术。
Fe2O3 + Al Fe + Al2O3
点火电极 已反应区 燃烧区 预热区 未反应区
放出大量热/3000K
Al2O3 过渡层
基材
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铝粉和B2O3粉料在刚玉罐中球磨混合1h，经真空干燥后， 压坯，置入充满氩气的反应器中，进行燃烧合成。反应器内压 力可在500Pa～0.1Mpa之间调节，用钨丝通电点火。热电偶插 入试样心部测温。球磨后得到粉料。
Al2O3
AlB12
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破碎物
锤式破碎机
球磨机
气滚粉碎机
盘式粉碎机
NPU
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陶瓷粉料的制备 常规的制备方法 球磨机
球磨机功能：破碎及混料
高效率球磨的 条件：
球磨机临界转速(最大转速)： （1） N 35 / D D>1.25m 转速过高球被甩在罐子内壁，不能起到撞击作用 （2） N 40 / D D<1.25m 转速过低则粉碎效率太低 磨球直径：D（磨筒直径）／24＞d（磨球最大直径）＞90do（原料粒度） 水与电解质加入量：料／水＝1／（1.16～1.2），加入AlCl3等电解质 装载量：总装料占磨筒空间4／5。 原料：磨球：水=1:（1.2~1.5）:(1.0~1.2) 重量比
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先进陶瓷粉料的制备 固相法制备粉料
许多碳化物陶瓷材料的原料可以直接用固态反应法制备。使用 硅粉与碳粉直接反应可以在1000—1400℃制备SiC，反应式： Si + C = SiC
该方法可制备C/SiC、C/C-SiC复合材料，用于先进的航空航天耐热 构件或飞机、高速列车、高级跑车等刹车系统。优点在于： 第一，这种采用硅碳复合材料的刹车盘比铸铁材料的刹车盘重量轻50 ％左右。第二，陶瓷刹车盘的摩擦系数比铸铁刹车盘高25％左右，大 大提高了制动效率。第三，在高温下陶瓷刹车盘的摩擦系数和刚度几 乎不受影响。
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先进陶瓷粉料的制备 固相法制备粉料
自蔓延法有以下优点： 1、工艺简单
2、消耗外部能量少
3、可在真空或者控制气氛下进行，得到高纯产品 4、材料烧成与合成可同时完成 例如
合成TiC，将钛粉及炭粉等原料按比例混合均匀，然后置 于装置中，通电点火，整个过程只要几秒或者几分。
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