功能陶瓷材料物理PPT课件.ppt

《材料物理导论》 第 7 章 §1 功能陶瓷材料的制备方法 §2 陶瓷的烧结机制 §3 功能陶瓷的改性方法 （自学为主） 一、同价元素取代： 取代元素的离子半径应与被取代离子的离子半径接近，以保证晶格结构的类型不发生变化。 由于不同离子的半径总是不同的，所以同价元素取代后总会使点阵结构发生某种程度的畸变，从而造成陶瓷性能的变化。 本页 -P54 自学 * 功能陶瓷材料物理 前 言 材料可以分成三大类，金属、陶瓷、有机高分子。 金属材料的基本特征是：由金属元素原子构成，原子之间的结合是金属键，含有许多自由电子。 有机高分子材料的基本特征是：主要由碳、氧、氢、硅等非金属元素原子构成，原子之间的结合主要是共价键，一般没有自由电子。 陶瓷材料的基本特征：分子一般是由金属元素和非金属元素原子形成的化合物分子，原子间的结合主要是离子键，很多性质介于金属与高分子材料之间。一般人们概念中的陶瓷是日常用的瓦罐、水缸、沙锅、瓷碗、浴缸、洗脸盆、瓷砖等。广义来说，陶瓷材料是指其制备过程要经过高温处理的材料，例如：玻璃、水泥、陶瓷器材、耐火材料、珐琅、研磨材料和功能陶瓷等。即所谓的窑制品（ceramics）。 功能陶瓷： 在近几十年来人们从使用功能角度把陶瓷分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类。 结构陶瓷：指主要具有机械、热功能的陶瓷。 功能陶瓷：指具有电、磁、光等各种非力学方面功能的陶瓷。 在当今世界，功能陶瓷的发展比结构陶瓷快得多，两者产值之比约为3：1。功能陶瓷主要用于新发展起来的先进行业，如：计算机、通信、电视、广播、家用电器、自动化、交通、医疗、空间技术、能源等行业。 一、陶瓷材料制备的一般工艺及要求 大多数陶瓷材料的制备工艺步骤基本相似，一般包括以下步骤： 配料→混合→预烧→粉碎→成型→排塑→烧结→ →后处理（极化、磁化等） 1、配料： 根据配方（化学反应的配比）和生产需要的数量计算出各种原料所需的质量。 用天平称取各原料。 为使后面的化学反应顺利进行，原料的颗粒尽量小些（不要超过2?m，最好为纳米粉），纯度要高。 对于配料中用量多的原料，最好先清除其中的有害杂质。 2、混合： 通常使用转动球磨机或振动球磨机进行，有用干法的，也有用湿法的，所用的球大多是玛瑙球。 用球磨法不但可以混合，同时还可以使原料颗粒进一步被粉碎。 球磨要足够长时间以使各成分原料均匀混合，最大限度地彼此接触，以利于后面的化学反应。 当然，混合也可以采用其它方法，只要达到各原料的均匀混合就行。 3、预烧： 混合好的料进行预烧，目的是让各成分间进行化学反应，生成目标化合物。 不同的化学反应有不同的条件（温度、压力、气氛等）要弄清这些条件。 如果无法知道这些条件，必须借助一系列分析手段来确定预烧条件，例如可以用差热分析法（DTA）和热重分析法（TGA）来判断特定的化学反应是否进行。 4、粉碎、成型： 将预烧后的材料粉碎是为了成型。成型是按使用要求将材料做成某种特定形状的坯体。成型根据不同要求可以采用模压、轧膜等方式。为便于成型，成型前通常要在粉碎的料中加入某种粘合剂。 ? 常用粘合剂的配方及重量比为：聚乙烯醇15%，甘油7%，酒精3%，蒸馏水75%；在90℃下搅拌溶化。 ? 对模压、粘合剂一般是料粉重量的5%，而对轧膜，则粘合剂要达料粉重量的15～20%。 5、排塑： 去除成型坯体中的水分、粘合剂的过程称排塑或排胶，一般采取加温办法。 在粘合剂中，聚乙烯醇的挥发温度最高（200～500℃），为使排塑彻底，要达到合适的排塑温度，并保温一定时间。 在排塑的升降温中，速度不要太快，一般小于100℃/h. 6、烧结： 这一过程是晶体结构形成和扩大的过程，可称为晶化过程。 在预烧后粉碎成型的坯体中，已经存在着许多细小的晶粒，在一定的高温下，通过原子的扩散运动实现材料的晶化过程： 一方面，在晶粒内部自由能较高的区域和晶界处生成新的晶核，不断长大； 另一方面，由于晶粒表面张力的作用，一部分晶粒依靠“吞噬”另一部分晶粒而长大，这种长大常通过晶界的移动实现。 由于晶粒长大是借助原子扩散来实现的。因此，烧结温度越高，保温时间越长，晶粒就生长得越大。烧结温度、升降温速率、保温时间、烧结气氛对陶瓷