陶瓷材料及制备工艺

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1、第二章陶瓷材料及其製備工藝2.1概　述2.2粉體的製備與表徵2.3配料及成形的原理與工藝2.4燒結原理及工藝2.5陶瓷燒結後處理與加工2-1概述陶瓷材料是由離子鍵或共價鍵結合的含有金屬和非金屬元素的複雜化合物和固溶體。陶瓷材料是硬而脆的高熔點材料，具有低的導電性和導熱性、良好的化學穩定性和熱穩定性，以及較高的壓縮強度。圖2.1陶瓷的分類表2.1特種陶瓷與傳統陶瓷的主要區別區別點傳　統　陶　瓷特　種　陶　瓷原料天然礦物原料人工精製合成原料（包括氧化物和非氧化物）成型注漿、可塑成型為主壓製、熱壓鑄、注射、軋膜、流延、等靜壓成型等為主燒成溫度一般在1350C以下，燃料以煤、油、氣為主結構陶瓷

2、常需1600C左右高溫燒成功能陶瓷需據要求精確控制燒成溫度燃料以電、氣、油為主性能以外觀效果和強度為主以材料性能和使用效能為主，如耐磨、耐腐蝕、耐高溫、以及各種敏感特性加工一般不需加工常需切割、打孔、研磨和拋光用途炊具、餐具、建築、陳設品主要用於航太、能源、冶金、交通、電子、信息家用電器業表2.2陶瓷按化學成分的分類及有代表性陶瓷材料陶瓷類別有代表性的主要陶瓷材料氧化物Al2O3、SiO2、MgO、BeO、ZrO2、TiO2、V2O5、MgAl2O4、3Al2O3·2SiO2、BaTiO3、CaTiO3、PZT、PbTiO3碳化物SiC、TiC、WC、B4C氮化物Si3N4、TiN、BN

3、、AlN、C3N4硼化物TiB2、ZrB2陶瓷材料的特性與化學鍵陶瓷，其化學鍵是離子鍵和共價鍵。這種化學鍵有很強的方向性和很高的結合能。陶瓷材料很難產生塑性變形，脆性大，裂紋敏感性強，這對陶瓷（特別是結構陶瓷）的應用產生嚴重的影響。陶瓷材料製備工藝特點陶瓷材料製備是採用粉末冶金工藝，材料的製備與製品工藝一體化。2-2粉體的製備與表徵粉體品質對陶瓷性能的影響粉體是指大量固體顆粒的集合體。粉體的特性對陶瓷材料的性能有很大的影響。如粉體的粒徑、形狀、團聚狀態、化學組成、結晶學性質、表面狀態等對製品的性能是至關重要的。粉末顆粒形狀、尺寸分佈及相結構對陶瓷的性能也有著顯著的影響。粉體的製備方法1.粉

4、體的物理製備方法傳統陶瓷原料多採用機械粉碎方法製備。粉碎設備有球磨、振動磨、攪拌磨、行星磨、氣流磨等機械。物理氣相沉積(PVD)法也屬於製粉的物理方法。2.粉體的化學製備方法(1)液相法A.化學共沉澱法B.溶膠－凝膠法C.噴霧熱分解法(2)氣相法圖2.2CVD方法原理及氣相沉積產物示意圖粉體的粒子學特性粉體的粒子學特性包括粉體粒徑、粒徑分佈、粒子形狀、密度、微孔分佈、流動性、堆積密度等。1.粒徑減小使材料的熔點降低T為塊狀物質的熔點(T∞)與超細粒子的熔點之差；γ為固液界面的表面張力；ρ為密度；L∞為塊狀物質的熔化潛熱；D為粒子直徑。2.粒徑減小使材料的蒸汽壓上升ln(P/P∞)=2Mγ

5、/(RTCD)P和P∞分別表示超細粒子和塊狀物質的蒸氣壓；M為摩爾質量；R為摩爾氣體常量；Tc為熱力學溫度。表2.3氧化錫粉體的表面能、比表面積、　　表面原子百分數與粒徑的關係粒徑nm原子總數個表面原子%表面能Es(J/mol)q比表面積(M2/g)22.5×102802.04×10535.345254×103408.16×10414.1181103×104204.08×1047.690.31003×10724.08×1030.89.0310003×10100.24.08×1020.10.903Q為表面能Es與總能量之比值粉體性能表徵1.粉體的粒度2.比表面積和等比表面積當量粒徑DBET

6、a為形狀係數，當粉體為等軸狀時，a=6；ρ為粉體密度。比表面積S表2.4陶瓷粉料的表徵內容及所用儀器3.粉體的粒度分佈圖2.3粉體粒度頻率分佈曲線圖式中，n為粒度間隔的數目；fdi為顆粒在該粒度間隔的個數；Di為這一間隔內的平均粒徑。2-3配料及成形的原理與工藝配方的計算方法主要有兩種(1)已知化學計量的配料計算(2)根據化學成分的配料計算例1已知某壓電陶瓷的化學計量式為Pb0.95Sr0.05(Zr0.50Ti0.50)O3+0.5wt%Cr2O3+0.3wt%Fe2O3其中wt%表示添加雜質量占主配方的重量百分比。由於在含鉛壓電陶瓷的製備過程中，鉛有揮發，根據經驗，需多加鉛1.5wt%

7、。當採用的原料和純度為表2.5所列時，計算該壓電陶瓷坯體的配料比。表2.5製備某壓電陶瓷採用的原料及純度名　稱鉛　丹碳酸鍶二氧化鋯二氧化鈦三氧化二鐵三氧化二鉻分子式Pb3O4SrCO3ZrO2TiO2Fe2O3Cr2O3純度%989799.59998.999表2.6由給定的化學計量式算出的每摩爾坯料中各氧化物的重量及總量PbOSrOZrO2TiO2摩爾數0.950.050.50.5摩爾質量223.20103.62123