《先进陶瓷材料及进展》 第二章 陶瓷的制备工艺.ppt

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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 模 具 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。 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。 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。 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。 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。 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，而且微细的毛细管中的蒸气压也较低。 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。 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。 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。 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。 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。 （c）→（d）表明，随着传质继续，颗粒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。 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。 烧