《先进陶瓷材料及进展》 第2章 陶瓷的制备工艺

第二章 陶瓷的制备工艺
红色石英砂
高纯石英砂
2.2 传统陶瓷的制备工艺
第二章 陶瓷的制备工艺
石英砂
外墙保温石英砂
2.2 传统陶瓷的制备工艺
第二章 陶瓷的制备工艺
石英岩
隐晶质石英
2.2 传统陶瓷的制备工艺
第二章 陶瓷的制备工艺
石英化学组成为 SiO2 ，一般脉石英和石英 岩 SiO2 含量较高，达 95%~99% ；砂岩含 SiO290%~95% ；硅藻土含 SiO2 较低。为 80%~90%。 石英中杂质成分有Al2O3、Fe2O3、TiO2、 CaO、MgO等。
然，须保持空气流通而使蒸发的水分随时离开坯
体表面。这一阶段体积收缩与排除水分量成比例，
排除的水分越多，则坯体体积收缩越大。
2.1 陶瓷的基本制备工艺
第二章 陶瓷的制备工艺
第二阶段的干燥主要是排除颗粒间隔中的水分， 其特点是干燥速度呈现下降趋势，坯体在继续收 缩时已出现气孔，由于水分的输送主要通过毛细 管进行，干燥时水分在坯体内蒸发，水蒸气要克 服较大的扩散阻力才能进入周围空气中，而且微
2.2 传统陶瓷的制备工艺
第二章 陶瓷的制备工艺
石英具有很强耐酸性，除氢氟酸外，一切
酸类对它都不产生作用。
当石英和碱性物质接触时，反应生成可溶 性硅酸盐，高温中与碱金属氧化物作用生 成硅酸盐与玻璃态物质。 表2-2是我国主要产地石英化学组成。
2.2 传统陶瓷的制备工艺
第二章 陶瓷的制备工艺
2.1 陶瓷的基本制备工艺
第二章 陶瓷的制备工艺
薄膜成型。有多种薄膜成型技术和方法被用来制 备陶瓷薄膜。例如轧膜法，丝网印刷法。 反应成型。是通过多孔坯体同气相或液相发生化 学反应，使坯体质量增加、孔隙减小，并烧结成 具有一定强度和精确尺寸的产品，用这种方法可 使成型和烧结同时完成。
2.1 陶瓷的基本制备工艺
第二章 陶瓷的制备工艺
表2-1 长石类矿物的化学组成及性质(续1)
相对密 度
2.56 2.61~2.6 4
名称
钾长 石 钠长 石
化学式
K2O·Al2O3·6SiO2 Na2O·Al2O3·6SiO2
硬度
6 6~6.5
熔点 /℃
1180~ 1220 1100
外观色 泽
肉红、浅 黄、灰白 无色、灰 白
2.2 传统陶瓷的制备工艺
独的矿物体。
2.2 传统陶瓷的制备工艺
第二章 陶瓷的制备工艺
石英主要类型有：脉石英、石英砂、硅质 砂岩、石英岩、隐晶质石英、无定型石英 等。 石英外观视其种类不同而异，有的呈乳白 色，有的呈灰色，半透明状态。
2.2 传统陶瓷的制备工艺
第二章 陶瓷的制备工艺
脉石英
硅质砂岩
2.2 传统陶瓷的制备工艺
外观色泽
无色、白、 灰白
2.2 传统陶瓷的制备工艺
第二章 陶瓷的制备工艺
钙长石
钡长石
2.2 传统陶瓷的制备工艺
第二章 陶瓷的制备工艺
4 种长石在自然界中以前三种居多，钡长石
较少见。这几种基本类型长石，由于其结构
相似，彼此可以混合形成固溶体，它们之间
的互相混溶有一定规律。
2.2 传统陶瓷的制备工艺
第二章 陶瓷的制备工艺
非塑性原料。二氧化硅（ SiO2 ）排在首位，它 质硬、化学稳定性高、难熔、能降低坯料的粘度 或可塑性。烧成时部分石英溶解在长石熔体中， 能提高液相的粘度，防止坯料高温变形，冷却后
在瓷坯中起骨架作用。另一重要大类是含碱及碱
土金属离子的原料，陶瓷泥料中的这些组分就由
相应原料引入，它们对烧成性能起决定性作用。
表2-2 我国几种主要石英原料化学组成（%）（续3）
原料名称
江苏苏州石 英 浙江湖州石 英
SiO2 98.34 97.93
Al2O3 0.76 0.50
Fe2O3 0.29 0.78
CaO 0.23 0.45
MgO — 0.32
I.L 0.42 0.19
2.2 传统陶瓷的制备工艺
第二章 陶瓷的制备工艺
2.1 陶瓷的基本制备工艺
第二章 陶瓷的制备工艺
一
原料的制备
天然原料。开发出来以后，一般需要加工，即 通过筛选、风选、淘洗、研磨以及磁选等，分 离出适当颗粒度的所需矿物组分。 人工合成原料。如生产电工陶瓷、磁性陶瓷等
特殊陶瓷制品所用的原料。
2.1 陶瓷的基本制备工艺
第二章 陶瓷的制备工艺
第二章 陶瓷的制备工艺
2.1 陶瓷的基本制备工艺
第二章 陶瓷的制备工艺
烧烧结中、后期可最终排除气体，使 孔隙消失，得到充分致密的烧结体。
2.1 陶瓷的基本制备工艺
第二章 陶瓷的制备工艺
烧结方法有多种，除粉末在室温下加压成 型后再进行烧结的传统方法外，还有热等 静压、水热烧结、热挤压烧结、电火花烧 结、爆炸烧结、等离子体烧结、自蔓延高
2.1 陶瓷的基本制备工艺
第二章 陶瓷的制备工艺
在烧结过程中可能会包含有某些化学反应的 作用，但烧结并不依靠化学反应的发生。它
可以在不发生任何化学反应的情况下，简单
地将固体粉料进行加热转变成坚实的致密烧
结体，如氧化物陶瓷和粉末冶金制品的烧结
就是如此，这是烧结区别于固相反应的一个
重要方面。
2.1 陶瓷的基本制备工艺
泥料，然后通过手工、挤
压或机械加工成型。
注浆成型。是将浆料浇注 到石膏模中成型。
2.1 陶瓷的基本制备工艺
第二章 陶瓷的制备工艺
压制成型。在粉料中加入少 量水或塑化剂，然后在金属 模具中加较高压力成型。
模 具
压片机
2.1 陶瓷的基本制备工艺
第二章 陶瓷的制备工艺
除上述几种方法外，还有：
注射成型。将粉末和有机粘结剂混合，用注射 成型机将混合料在130~300℃下注射入金属模 内，冷却后粘结剂固化。 爆炸成型。是利用炸药爆炸后在瞬间产生的巨 大冲击压力作用在粉末体上，使粉体压坯获得 接近理论值的密度和很高的强度。
细的毛细管中的蒸气压也较低。
2.1 陶瓷的基本制备工艺
第二章 陶瓷的制备工艺
这些因素都使得干燥速度下降。实际中，干燥
只进行到第二阶段即结束，此时坯体已具有一
定的机械强度，可以被运输及修坯和施釉等。
第三阶段主要是排除毛细孔中残余的水分及坯 体原料中的结合水，这需要采用较高的干燥温 度，仅靠延长干燥时间是不够的。
第二章 陶瓷的制备工艺
三
坯料的干燥
通常，成型后坯体的 强度不高，常含有较 高的水分。为便于运
输和适应后续工序，
必须进行干燥处理。
2.1 陶瓷的基本制备工艺
第二章 陶瓷的制备工艺
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ干燥可分为三个阶段：
干燥的初始阶段，水分能不受阻碍地进入周围空 气中，干燥速度保持恒定而与坯体的表面积成比 例，大小则由当时空气中的湿度和温度决定。当
2.1 陶瓷的基本制备工艺 合成原料
第二章 陶瓷的制备工艺
陶瓷在发展过程中对原料的要求越来越高，对 某些制品人们希望采用均一而纯净的原料。天 然矿物原料不能满足要求；某些新型陶瓷材料 所用原料自然界几乎没有或完全没有。化学工 业提供了大量的这方面的原料。
2.1 陶瓷的基本制备工艺
第二章 陶瓷的制备工艺
第二章 陶瓷的 制备工艺
2.0 教学基本要求
第二章 陶瓷的制备工艺
教学基本要求
了解陶瓷的基本制备工艺。 掌握传统陶瓷的制备工艺。
掌握先进陶瓷的制备工艺。
2.1 陶瓷的基本制备工艺
第二章 陶瓷的制备工艺
四大步骤
原料的制备。 坯料的成型。 坯料的干燥。
制品的烧成或烧结。
通常还把表面加工作为最后一道工序。
表2-2 我国几种主要石英原料化学组成（%）（续4） 原料名称
温合成等方法。这些方法各有优缺点。
2.2 传统陶瓷的制备工艺
第二章 陶瓷的制备工艺
一
陶瓷原料
长石。长石是一种碱金属（K、Na）或碱土
金属（ Ca 、 Ba ）的无水铝硅酸盐。长石的
主要类型有 4 种，见表 2-1 。各类长石理论
组成、相对密度、莫氏硬度、理论熔点以及
外观色泽参见表2-1。
2.2 传统陶瓷的制备工艺
二
坯料的成型
成型的目的是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。 按照不同的制备过程，坯料可以是可塑泥料、 粉料或泥浆，以适应不同的成型方法。
2.1 陶瓷的基本制备工艺
第二章 陶瓷的制备工艺
主要的成型方法有三种
可塑成型。是在坯料中加
入水或塑化剂，制成塑性
第二章 陶瓷的制备工艺
长石在陶瓷生产中的作用
常温时起减黏作用。高温时起助熔作用。
有助于坯体致密和减少空隙，有助于瓷坯的 机械性能和电气性能提高，并改善瓷透明度 和敲击时的声响。 长石在釉料中是主要熔剂。
2.2 传统陶瓷的制备工艺
第二章 陶瓷的制备工艺
石英。又称硅石，是天然二氧化硅矿物的 统称。石英化学组成为 SiO2 ，是自然界中 构成地壳的主要成分。 SiO2 在自然界的存 在形式有两种：一种以硅酸盐矿物状态存 在，另一部分则以独立状态存在，成为单
界面进一步发育长大，气孔逐渐缩小和变
形，最终转变成孤立闭气孔。同时，颗粒
粒界开始移动，粒子长大，气孔逐渐迁移
到粒界上消失，烧结体致密度增高，如图
（d）所示。
2.1 陶瓷的基本制备工艺
第二章 陶瓷的制备工艺
（a ）
(b)
(c)
(d)
图 2.1
粉状成型体的烧结过程示意图
2.1 陶瓷的基本制备工艺 烧结过程可分为初期、中 期、后期三阶段。 烧结初期使成型体中颗粒 重排，空隙变形缩小，但 总表面积没有减小，并不 能最终填满空隙。
山东太安 石英 内蒙包头 石英 河南铁门 石英 SiO2 99.48 98.08 98.84 Al2O3 0.36 0.84 0.48 Fe2O3 0.10 0.34 0.19 CaO — 0.19 微量 MgO — — 微量 I.L 0.03 — —
2.2 传统陶瓷的制备工艺
第二章 陶瓷的制备工艺
弱塑性原料。有叶蜡石 （ Al2O3•4SiO2•H2O ） 和 滑石 （ 3MgO•4SiO2•H2O ）， 具有层状结构特征， 与水结合时具有弱的可塑性。陶瓷中常讲到减 塑剂及助熔剂，前者对可塑性有影响，后者则 对烧成过程起作用。石英砂和粘土烧熟料是典
型的减塑剂，长石是典型的助熔剂。
2.1 陶瓷的基本制备工艺
第二章 陶瓷的制备工艺
钾长石
钠长石
2.2 传统陶瓷的制备工艺
第二章 陶瓷的制备工艺
表2-1 长石类矿物的化学组成及性质(续2,完)
名称
钙长 石 钡长 石
化学式
CaO·Al2O3·2SiO2 BaO·Al2O3·2SiO2
相对 密度
2.70~ 2.76 3.37
硬度
6~6.5 >6
熔点 /℃
1550 1715
2.1 陶瓷的基本制备工艺
第二章 陶瓷的制备工艺
四
烧结或烧成
坯体经过成型及干燥过程后，颗粒间只有很小 的附着力，因而强度相当低，要使颗粒间相互 结合以获得较高的强度，通常是使坯体经一定 高温烧成。
2.1 陶瓷的基本制备工艺
第二章 陶瓷的制备工艺
在烧成过程中 往往包含多种 物理变化、化 学变化和物理 化学变化。
2.1 陶瓷的基本制备工艺
第二章 陶瓷的制备工艺
伴随烧结发生的主要变化是颗粒间接触界面扩
大并逐渐形成晶界；气孔从连通逐渐变成孤立
状态并缩小，最后大部分甚至全部从坯体中排
除，使成型体的致密度和强度增加，成为具有
一定性能和几何外形的整体。
烧结可发生在固体之间，也可在液相参与下进
行。前者称为固相烧结，后者称为液相烧结。
天然原料
可塑性原料。主要成分是高岭土、伊利石、蒙
脱石等，多为细颗粒的含水铝硅酸盐，具有层
状晶体结构。用水混合时，有很好可塑性，起
塑化和粘合作用，赋予坯料以塑性或注浆成型
能力，并保证干坯的强度及烧成后的使用性能，
如机械强度、热稳定性和化学稳定性等。
2.1 陶瓷的基本制备工艺
第二章 陶瓷的制备工艺
表2-2 我国几种主要石英原料化学组成（%）（续1）
原料名称
辽宁大石 桥石英 河北古冶 燧石 SiO2 99.28 99.08 Al2O3 0.18 0.52 Fe2O3 0.21 0.25 CaO 0.03 — MgO — — I.L — —
2.2 传统陶瓷的制备工艺
第二章 陶瓷的制备工艺
表2-2 我国几种主要石英原料化学组成（%）（续2） 原料名 称
第二章 陶瓷的制备工艺
烧结过程可以用图2-1来说明。
（a）表示烧结前成型体中颗粒的堆积情况。
（ a ）→（ b ）表明随烧结温度提高和时间的 延长，开始产生颗粒间的键合和重排过程。 （b）→（c）阶段开始有明显传质过程。
2.1 陶瓷的基本制备工艺
第二章 陶瓷的制备工艺
（c）→（d）表明，随着传质继续，颗粒