兰州大学学考研第十三章陶瓷加工与应用介绍.doc

第十三章 陶瓷加工与应用 为什么学习陶瓷的加工和应用 对工程师而言，了解陶瓷材料的力学特性和热学特性，例如，硬度、脆性和高熔点，是如何影响陶瓷的加工和应用的是十分重要的。例如，陶瓷工件一般不能用通常的金属成型技术（见11章）进行加工。正如这一章将要讨论的，陶瓷材料经常通过粉末加压成型，然后进行烧结（热处理）。 学习目的 经过认真学习本章后，应该具备下述能力： 能够描述玻璃陶瓷的生产过程。 说出两种类型的陶土产品，对每种类型给出两个例子。 说出耐火陶瓷和磨料陶瓷必须满足的三个重要要求。 描述加水后水泥的硬化机理。 说出并简述在玻璃工件生产中使用的四种成型方法。 简述并解释对玻璃工件进行热回火的步骤。 简述陶土基陶瓷制品在干燥和加工过程发生的变化。 简述并用图表示粉末颗粒聚合体的烧结过程。 13.1 引言 前面对材料特性的讨论已经说明，金属和陶瓷的物理特性有着巨大的差异，因此它们被用在完全不同的应用类型中。在这一方面，它们和金属以及聚合物趋向于互相补充。绝大多数陶瓷可以被包含在应用-分类图中。应用-分类图包括以下几组材料：玻璃、结构陶土制品、白瓷、耐火材料、磨料、水泥和必威体育精装版发展的先进陶瓷。图13.1是这几种类型材料的分类图，本章将对它们分别进行讨论。 陶瓷的种类和应用 13.2 玻璃和玻璃陶瓷 玻璃是人们熟悉的一组陶瓷，容器、玻璃窗、透镜和玻璃纤维是其典型的应用。正如前面所提到的，它们是含有其他氧化物的非晶硅酸盐。这些氧化物，最著名的是CaO, Na2O, K2O和Al2O3，它们将影响玻璃的特性。一种典型的钠钙玻璃含有大约70wt% SiO2，其它成分主要是Na2O和CaO。表13.1是几种普通玻璃材料的成分。这组材料最主要的两个资本可能是其透光性和相对简单生产方法。 绝大多数无机玻璃可以通过适当的高温热处理从非晶状态转变成晶态，这个过程称为析晶，这种制品是一种细晶多晶材料称为玻璃陶瓷。为了诱导析晶或者晶化过程的开始必须加入成核剂，常常是二氧化钛。陶瓷玻璃的理想特性包括：热膨胀系数低，所以玻璃陶瓷不发生热震；力学强度高，热导率高，一些玻璃陶瓷可以制成透明的，其他可以是不透明的。这类材料最有吸引力的一点是易加工性，普通的玻璃成型技术就可以用来大批量生产近无孔器皿。 商业上生产的玻璃陶瓷主要有以下品牌：Pyroceram、Corning玻璃、Cercor和Vision。这类材料的常用用途是炉具和餐具，这主要是因为由于它们强度高，优异的抗热震性和高的热导率。它们也可以用作电绝缘材料和印刷电路板的基板以及建筑物的包覆层、热交换器和再生换热器中。表13.1中列出了一种典型的玻璃陶瓷，421页的电镜照片是一种商业材料的显微组织示意图。 表13.1 一些普通商业玻璃的成分和特性 玻璃类型 成分(wt%) 特性和应用 SiO2 Na2O CaO Al2O3 B2O3 其它 熔融石英 99.5 熔点高，热膨胀系数低 (抗热震) 96%硅石 (维克玻璃） 96 4 抗热震，化学稳定 实验室器皿 硼硅酸盐 (派勒克司) 81 3.5 2.5 13 抗热震，化学稳定 炉用器皿 容器 (钠钙玻璃) 74 16 5 1 4MgO 熔点低，容易加工，耐久 玻璃纤维 55 16 15 10 4MgO 容易拉成纤维-玻璃-树脂复合材料 光学玻璃 54 1 37PbO, 8K2O 密度高，折射率高 光学透镜 玻璃陶瓷 (Pyroceram) 43.5 14 30 5.5 6.5TiO2, 0.5As2O3 易生产，强度高，抗热震，炉用器具 13.3 粘土制品 使用最广泛的一种陶瓷原材料粘陶土。这种价值低廉的粘土在自然界分布很广，大量存在，通常不经过任何质量加工，直接开采使用。粘土被广泛应用的另一个原因是加入粘土后，粘土制品成型容易。将粘土和水以适当的比例混合，形成一种非常容易成型的可塑物质。成型后的工件经过干燥，去除部分水分后，在高温进行烧结，改善其力学强度。 绝大多数粘土制品可以归于以下两类：结构粘土制品和白瓷。结构粘土制品包括：建筑砖、瓷砖、和下水管道等那些结构完整性很重要的应用。白瓷是经过高温烧结后变成白色，白瓷包括：瓷器、陶器、餐具、高龄瓷和卫生瓷器。除了粘土外，许多产品还含有非塑性成分，这些非塑性成分将影响干燥和烧结过程中发生的变化，以及最终工件的特性。（见13.9） 13.4 耐火材料 另一类数以吨计大量使用的重要陶瓷是耐火陶瓷。这类材料的突出特性包括：高温不熔化、不分解，在严酷的环境中保持化学稳定、不活跃。此外，绝热能力也是一个重要的考虑。在市场上耐火材料有各种形态，但是最常见的是耐火砖。其典型的应用包括：金属精炼炉、玻璃生产炉、冶金热处理炉和能源生产炉的衬料。 耐火陶瓷的性