1、第十章第十章 陶瓷材料合成與制備陶瓷材料合成與制備 如果說要尋找一種最能體現華夏民族文如果說要尋找一種最能體現華夏民族文明史的物質載體，那么就非陶瓷莫屬了。明史的物質載體，那么就非陶瓷莫屬了。chinaChina中國人早在公元前中國人早在公元前8000-2000年（新石器時代）年（新石器時代）就發明了陶器。就發明了陶器。1.1.陶瓷材料分類及特點陶瓷材料分類及特點 陶瓷的定義：無機非金屬粉末經成型后在低于熔點的高陶瓷的定義：無機非金屬粉末經成型后在低于熔點的高溫下燒結而制成的固體材料。（狹義的，由工藝而來）溫下燒結而制成的固體材料。（狹義的，由工藝而來）“傳統陶瓷傳統陶瓷” 主要以天然的硅酸鹽

2、為原料，因此又被稱主要以天然的硅酸鹽為原料，因此又被稱為為“硅酸鹽材料硅酸鹽材料”。由于陶瓷的化學組成是以離子鍵和共價鍵為主要鍵的無由于陶瓷的化學組成是以離子鍵和共價鍵為主要鍵的無機非金屬化合物，故又稱陶瓷為機非金屬化合物，故又稱陶瓷為“無機非金屬材料無機非金屬材料” 。1.1.陶瓷材料分類及特點陶瓷材料分類及特點 n化學健主要是離子鍵、共價健以及它們的混合鍵；化學健主要是離子鍵、共價健以及它們的混合鍵；n硬而脆、韌性低、抗壓不抗拉、對缺陷敏感；硬而脆、韌性低、抗壓不抗拉、對缺陷敏感；n熔點高，具有優良的耐高溫和化學穩定性；熔點高，具有優良的耐高溫和化學穩定性；n一般自由電子數目少、導熱性和導

3、電性較小；一般自由電子數目少、導熱性和導電性較小；n耐化學腐蝕性好；耐化學腐蝕性好；n耐磨損。耐磨損。1.1.陶瓷材料分類及特點陶瓷材料分類及特點 陶瓷的特點：陶瓷的特點：優點：硬度大，機械強度高，化學穩定性好（耐優點：硬度大，機械強度高，化學穩定性好（耐腐蝕），熔點高，絕緣性能好，抗電強度高腐蝕），熔點高，絕緣性能好，抗電強度高（10kv/mm),導電性能可變（半導體、超導體、導電性能可變（半導體、超導體、絕緣體）及成本低。絕緣體）及成本低。缺點：脆性大，分散性大。缺點：脆性大，分散性大。1.1.陶瓷材料分類及特點陶瓷材料分類及特點 隨著新型材料的發展，陶瓷概念擴展到整個無機非隨著新型材料的

4、發展，陶瓷概念擴展到整個無機非金屬固體材料或無機化合固體材料，除了一般的多金屬固體材料或無機化合固體材料，除了一般的多晶燒結體外，還包括單晶、玻璃、薄膜、纖維、粉晶燒結體外，還包括單晶、玻璃、薄膜、纖維、粉體等，其制備方法也不再局限于常規燒結法，因此體等，其制備方法也不再局限于常規燒結法，因此是是“廣義陶瓷廣義陶瓷”。1.1.陶瓷材料分類及特點陶瓷材料分類及特點 陶瓷研究的發展歷程陶瓷研究的發展歷程陶器陶器 瓷器（瓷器（傳統陶瓷傳統陶瓷） 先進陶瓷先進陶瓷 納米陶瓷納米陶瓷 新石器時代新石器時代 東漢晚期東漢晚期 第二次世界大戰后第二次世界大戰后 20世紀世紀90年代年代1.1.陶瓷材料分類及

5、特點陶瓷材料分類及特點 陶瓷是陶器與瓷器的總稱。陶瓷是陶器與瓷器的總稱。陶瓷材料的發展經歷了三次重大飛躍。陶瓷材料的發展經歷了三次重大飛躍。第一次第一次: :從陶器發展到瓷器從陶器發展到瓷器第二次第二次: :從傳統陶瓷發展到先進陶瓷從傳統陶瓷發展到先進陶瓷第三次第三次: :從先進陶瓷發展到納米陶瓷從先進陶瓷發展到納米陶瓷1.1.陶瓷材料分類及特點陶瓷材料分類及特點 一萬一萬年前，我們的祖先就已能制造并使用陶器。年前，我們的祖先就已能制造并使用陶器。1.1.陶瓷材料分類及特點陶瓷材料分類及特點 1.1.陶瓷材料分類及特點陶瓷材料分類及特點 1.1.陶瓷材料分類及特點陶瓷材料分類及特點 燒成溫度低

6、燒成溫度低(1000-1200)(1000-1200) 吸水率高吸水率高（4-12%4-12%）; ;無釉無釉、有釉有釉強度低強度低; ;能經受溫度急變能經受溫度急變燒成溫度高燒成溫度高(1250 -1450),(1250 -1450),吸水率在吸水率在0.5%0.5%以下以下; ;色白，胎薄有透光性色白，胎薄有透光性; ;胎體上有無色透明釉胎體上有無色透明釉; ;不能經受溫度的急變不能經受溫度的急變; ;質脆易碎質脆易碎陶陶瓷瓷1.1.陶瓷材料分類及特點陶瓷材料分類及特點 陶陶 器器瓷瓷 器器原料原料一般為粘土一般為粘土含鐵量含鐵量 3%瓷土、高鋁質粘土瓷土、高鋁質粘土含鐵量含鐵量 3%溫度

7、溫度1000以下以下1200 以上以上釉釉無釉或低溫釉無釉或低溫釉1200 以上的高溫釉以上的高溫釉1.1.陶瓷材料分類及特點陶瓷材料分類及特點 胎體胎體附著在陶瓷胎體表面的附著在陶瓷胎體表面的玻璃質玻璃質層。層。使陶瓷表面光滑，不透水，易使陶瓷表面光滑，不透水，易清潔，并提高陶瓷的裝飾性。清潔，并提高陶瓷的裝飾性。主要由主要由莫來石晶體、石英晶莫來石晶體、石英晶體體 、玻璃質及少量氣孔組、玻璃質及少量氣孔組成成賦予陶瓷制品以一定的形狀賦予陶瓷制品以一定的形狀和強度等和強度等裝飾層裝飾層釉上彩釉上彩釉下彩釉下彩釉中彩釉中彩釉釉1.1.陶瓷材料分類及特點陶瓷材料分類及特點 幾個有用的名詞：幾個有

8、用的名詞：特種陶瓷特種陶瓷 special ceramics先進陶瓷先進陶瓷 advanced ceramics精細陶瓷精細陶瓷 fine ceramics高性能陶瓷高性能陶瓷 high performance ceramics新型陶瓷新型陶瓷 new ceramics近代陶瓷近代陶瓷 modern ceramics1.1.陶瓷材料分類及特點陶瓷材料分類及特點 結構陶瓷結構陶瓷主要利用其熱、機械、化學功主要利用其熱、機械、化學功能，有耐磨損材料、高強度材料、耐熱材料，能，有耐磨損材料、高強度材料、耐熱材料，硬質材料、耐沖擊材料、低膨脹材料、隔熱硬質材料、耐沖擊材料、低膨脹材料、隔熱材料等結構材

9、料。材料等結構材料。功能陶瓷功能陶瓷利用其電、磁、聲、光、催化、利用其電、磁、聲、光、催化、生物化學等功能，其中最主要的是絕緣材料、生物化學等功能，其中最主要的是絕緣材料、電介質材料、壓電材料、磁性材料、半導體電介質材料、壓電材料、磁性材料、半導體材料和透光性陶瓷等電子材料、具有生物化材料和透光性陶瓷等電子材料、具有生物化學功能的生物醫用材料、抗菌陶瓷材料等。學功能的生物醫用材料、抗菌陶瓷材料等。1.1.陶瓷材料分類及特點陶瓷材料分類及特點 結構陶瓷和功能陶瓷沒有嚴格的界限：結構陶瓷和功能陶瓷沒有嚴格的界限：例如：壓電陶瓷，雖然屬于功能陶瓷，但對其力例如：壓電陶瓷，雖然屬于功能陶瓷，但對其力學

10、性能，如抗壓強度、韌性、硬度、彈性模量等學性能，如抗壓強度、韌性、硬度、彈性模量等有一定的要求。首先必須有足夠的強度，在承受有一定的要求。首先必須有足夠的強度，在承受壓力時不致破壞，才能實現其壓電特性。壓力時不致破壞，才能實現其壓電特性。1.1.陶瓷材料分類及特點陶瓷材料分類及特點 (1) (1) 陶瓷材料的組成與結合鍵陶瓷材料的組成與結合鍵 陶瓷是金屬和非金屬元素組成的化合物。當含有一陶瓷是金屬和非金屬元素組成的化合物。當含有一 種以上的化合物時，其晶體結構可能變得非常復雜。種以上的化合物時，其晶體結構可能變得非常復雜。 陶瓷晶體是以離子鍵和共價鍵為主要結合鍵，一般為陶瓷晶體是以離子鍵和共價

11、鍵為主要結合鍵，一般為 兩種以上的不同鍵合的混合形式。兩種以上的不同鍵合的混合形式。陶瓷材料的結構特點陶瓷材料的結構特點1.1.陶瓷材料分類及特點陶瓷材料分類及特點 陶瓷材料離子鍵和共價鍵的混合比陶瓷材料離子鍵和共價鍵的混合比1.1.陶瓷材料分類及特點陶瓷材料分類及特點 陶瓷材料的顯微結構陶瓷材料的顯微結構n陶瓷材料由晶相、玻璃相、氣相組成。陶瓷材料由晶相、玻璃相、氣相組成。n晶相是陶瓷材料的主要組成相，決定陶瓷材料的物理化晶相是陶瓷材料的主要組成相，決定陶瓷材料的物理化學特性。學特性。n玻璃相是非晶態低熔點固體相，起粘結晶相，填充氣孔，玻璃相是非晶態低熔點固體相，起粘結晶相，填充氣孔，降低燒

12、結溫度等作用。降低燒結溫度等作用。n氣相和氣孔是陶瓷材料在制備過程中不可避免留下的。氣相和氣孔是陶瓷材料在制備過程中不可避免留下的。氣孔率增大，陶瓷材料的致密度降低，強度和硬度下降。氣孔率增大，陶瓷材料的致密度降低，強度和硬度下降。1.1.陶瓷材料分類及特點陶瓷材料分類及特點 1.1.陶瓷材料分類及特點陶瓷材料分類及特點 1.1.陶瓷材料分類及特點陶瓷材料分類及特點 空間技術微電子技術激光技術光纖技術光電子技術超導技術日用領域生物醫學Long-range missileEyes of missile-Windows materials整流罩材料整流罩材料-透明陶瓷、紅外陶瓷透明陶瓷、紅外陶瓷耐

13、高溫、透紅外根據目標紅外源自動跟蹤耐高溫、透紅外根據目標紅外源自動跟蹤1.1.陶瓷材料分類及特點陶瓷材料分類及特點 傳統陶瓷傳統陶瓷以粘土（塑性組分），長石（熔劑組分），以粘土（塑性組分），長石（熔劑組分），石英（惰性組分）等天然礦物為原料，經粉碎、混合、石英（惰性組分）等天然礦物為原料，經粉碎、混合、磨細、成型、干燥、燒成等工序制成的產品。磨細、成型、干燥、燒成等工序制成的產品。 特種陶瓷特種陶瓷以人工合成化合物為原料制備，用于技術以人工合成化合物為原料制備，用于技術和工程領域，如電子信息、能源、機械、化工、動力、和工程領域，如電子信息、能源、機械、化工、動力、生物、航天航空和其它高新技術領

14、域。生物、航天航空和其它高新技術領域。1.1.陶瓷材料分類及特點陶瓷材料分類及特點 陶瓷材料中以陶瓷材料中以共價鍵和離子鍵共價鍵和離子鍵為主要結合鍵。以氧化物和硅為主要結合鍵。以氧化物和硅酸鹽為主，其中硅酸鹽礦物在自然界中分布極為廣泛已知的酸鹽為主，其中硅酸鹽礦物在自然界中分布極為廣泛已知的硅酸鹽礦物有硅酸鹽礦物有600多種，約占已知礦物種的多種，約占已知礦物種的1/4，占地殼巖石，占地殼巖石圈總質量的圈總質量的85%。在硅酸鹽結構中，每個。在硅酸鹽結構中，每個Si原子一般為四個原子一般為四個O原子包圍，構成原子包圍，構成SiO4四面體，即硅氧骨干，它是硅酸鹽的基四面體，即硅氧骨干，它是硅酸鹽

15、的基本構造單位。本構造單位。1.1.陶瓷材料分類及特點陶瓷材料分類及特點 1. 島狀硅氧骨干：硅氧骨干被其它陽離子所隔開，彼此島狀硅氧骨干：硅氧骨干被其它陽離子所隔開，彼此 分離猶如孤島，包括孤立的分離猶如孤島，包括孤立的SiO4單四面體及單四面體及Si2O7雙雙 四面體。四面體。 島狀島狀 1.1.陶瓷材料分類及特點陶瓷材料分類及特點 三方環三方環 四方環四方環 六方環六方環 2. 環狀硅氧骨干：環狀硅氧骨干：SiO4四面體以角頂聯結形成封閉四面體以角頂聯結形成封閉的環，根據的環，根據SiO4四面體環節的數目可以有三環、四四面體環節的數目可以有三環、四環、六環，環還可以重疊起來形成雙環，如六

16、方雙環。環、六環，環還可以重疊起來形成雙環，如六方雙環。 1.1.陶瓷材料分類及特點陶瓷材料分類及特點 單鏈單鏈 雙鏈雙鏈 3、鏈狀硅氧骨干：、鏈狀硅氧骨干：SiO4四面體以角頂聯結成沿一個四面體以角頂聯結成沿一個 方向無限延伸的鏈，其中常見的有單鏈和雙鏈。方向無限延伸的鏈，其中常見的有單鏈和雙鏈。 1.1.陶瓷材料分類及特點陶瓷材料分類及特點 層狀層狀 長石架狀硅氧骨干長石架狀硅氧骨干 4、層狀硅氧骨干：、層狀硅氧骨干：SiO4四面體以角頂相連，形成在兩度空間上四面體以角頂相連，形成在兩度空間上 無限延伸的層。層中每一個無限延伸的層。層中每一個SiO4四面體以三個角頂與相鄰的四面體以三個角頂

17、與相鄰的 SiO4四面體相聯結。與兩個硅相聯結的氧電價飽和，為四面體相聯結。與兩個硅相聯結的氧電價飽和，為“惰惰性性 氧氧”或稱或稱“橋氧橋氧” ，SiO4四面體也可有不同的聯結方式。四面體也可有不同的聯結方式。 1.1.陶瓷材料分類及特點陶瓷材料分類及特點 石英架狀石英架狀 5、架狀硅氧骨干：、架狀硅氧骨干： SiO4四面體四個角頂全部與其相鄰的四面體四個角頂全部與其相鄰的四個四個SiO4四面體共用，每個氧與兩個硅相聯系，形成惰性四面體共用，每個氧與兩個硅相聯系，形成惰性氧，石英（氧，石英（SiO2）族礦物即具此結構。）族礦物即具此結構。 1.1.陶瓷材料分類及特點陶瓷材料分類及特點 陶瓷的

18、相組成及結構陶瓷的相組成及結構晶體相晶體相, ,主晶相主晶相 玻璃相是一種非晶態物質，沒有方向性玻璃相是一種非晶態物質，沒有方向性(即各向同性即各向同性)，沒有顯著的熔點，只有一個軟化的溫度范圍，沒有顯著的熔點，只有一個軟化的溫度范圍， 所以在所以在瓷坯的燒成過程中，玻璃相的數量和軟化范圍，常常瓷坯的燒成過程中，玻璃相的數量和軟化范圍，常常是決定燒成的關鍵。是決定燒成的關鍵。氣孔氣孔2.2.陶瓷材料的顯微結構陶瓷材料的顯微結構 n晶相晶相n晶界晶界n玻璃相玻璃相n氣孔氣孔陶瓷材料顯微結構的常見表征手段：陶瓷材料顯微結構的常見表征手段：金相顯微鏡（金相顯微鏡（OM）掃描電鏡（掃描電鏡（SEM）透

19、射電鏡（透射電鏡（TEM）高分辨電鏡（高分辨電鏡（HREM）2.2.陶瓷材料的顯微結構陶瓷材料的顯微結構 n晶相、玻璃相和氣孔的分布情況晶相、玻璃相和氣孔的分布情況 （形狀、大小、數量等形狀、大小、數量等）n晶粒取向晶粒取向n晶粒均勻度晶粒均勻度n晶界性質晶界性質n雜質分布雜質分布 2.2.陶瓷材料的顯微結構陶瓷材料的顯微結構 n晶相是功能陶瓷材料的基本組成晶相是功能陶瓷材料的基本組成n主晶相的性能就是材料的性能主晶相的性能就是材料的性能n主晶相的大小、數量、均勻程度及晶粒的取向等主晶相的大小、數量、均勻程度及晶粒的取向等是決定材料的性能重要因素是決定材料的性能重要因素2.2.陶瓷材料的顯微結

20、構陶瓷材料的顯微結構 單相多晶陶瓷顯微組織單相多晶陶瓷顯微組織1500燒結燒結ZrO22mol%Y2O3等軸晶等軸晶粒形態粒形態 晶粒形態規則完整，大晶粒形態規則完整，大體上為等軸形。由于燒結體上為等軸形。由于燒結時沒加燒結劑，晶界結合時沒加燒結劑，晶界結合致密，無其它晶界相存在致密，無其它晶界相存在2.2.陶瓷材料的顯微結構陶瓷材料的顯微結構 復相多晶陶瓷顯微組織復相多晶陶瓷顯微組織 ZrO2 t+c復相組織復相組織大晶粒為高溫大晶粒為高溫c相；相；小晶粒為小晶粒為t相相單斜四方立方CCoo11002370ZrO2存在三種晶型存在三種晶型2.2.陶瓷材料的顯微結構陶瓷材料的顯微結構 復合陶瓷

21、顯微組織復合陶瓷顯微組織ZrO2/Al2O3的顯微組織的顯微組織2.2.陶瓷材料的顯微結構陶瓷材料的顯微結構 晶界晶界n晶界是無序的非晶態結構，由于缺陷較多，晶界內晶界是無序的非晶態結構，由于缺陷較多，晶界內的擴散要比晶粒內大得多的擴散要比晶粒內大得多n晶界是物質遷移和空位遷移的重要通道城市交晶界是物質遷移和空位遷移的重要通道城市交通中的街道的作用通中的街道的作用n相鄰晶粒的邊界，是多晶材料的主要組成部份，對相鄰晶粒的邊界，是多晶材料的主要組成部份，對材料的性能有顯著的影響材料的性能有顯著的影響n由于晶界有這樣的特性，可以用擴散的方法把加入由于晶界有這樣的特性，可以用擴散的方法把加入物的離子或

22、氣氛中的離子取道晶界而滲入瓷坯，獲物的離子或氣氛中的離子取道晶界而滲入瓷坯，獲得新的材料或元件，如得新的材料或元件，如晶界層電容器晶界層電容器等等2.2.陶瓷材料的顯微結構陶瓷材料的顯微結構 玻璃相玻璃相n玻璃相是一種低熔物，在達到燒成溫度前即熔融玻璃相是一種低熔物，在達到燒成溫度前即熔融n玻璃相的作用：玻璃相的作用： （1）起粘結作用；）起粘結作用； （2）降低燒結溫度；）降低燒結溫度； （3）阻止多晶轉變和抑制晶粒生長；）阻止多晶轉變和抑制晶粒生長；n玻璃相的來源：玻璃相的來源： （1）混入瓷料中的微量雜質；）混入瓷料中的微量雜質； （2）助燒結）助燒結2.2.陶瓷材料的顯微結構陶瓷材料的

23、顯微結構 ZnOBi2O3陶瓷的組織形態陶瓷的組織形態2.2.陶瓷材料的顯微結構陶瓷材料的顯微結構 Al2O3 陶瓷的玻璃相陶瓷的玻璃相2.2.陶瓷材料的顯微結構陶瓷材料的顯微結構 氣氣 孔孔n陶瓷材料一般含有陶瓷材料一般含有510左右的殘余氣孔左右的殘余氣孔n氣孔是燒結過程中殘留在晶粒中間的，由于它們離氣孔是燒結過程中殘留在晶粒中間的，由于它們離晶界較遠，擴散途徑長而難以排除晶界較遠，擴散途徑長而難以排除n氣孔的存在，對燒結不利，不僅影響材料的機械強氣孔的存在，對燒結不利，不僅影響材料的機械強度，也影響材料的熱學性能、光學性能和介電性能度，也影響材料的熱學性能、光學性能和介電性能等等2.2.

24、陶瓷材料的顯微結構陶瓷材料的顯微結構 2.2.陶瓷材料的顯微結構陶瓷材料的顯微結構 降低材料中氣孔率的方法降低材料中氣孔率的方法n通過某種加入物生成第二相來抑制晶粒的長大，通過某種加入物生成第二相來抑制晶粒的長大，使殘余氣孔從晶界易于排除使殘余氣孔從晶界易于排除n通過氣氛燒結通過氣氛燒結 封閉在氣孔中的氣體如氧通常能通過溶解和封閉在氣孔中的氣體如氧通常能通過溶解和擴散過程，從封閉的氣孔中溢出；擴散過程，從封閉的氣孔中溢出； 但對于氮氣，由于它的溶解度低，不易從封但對于氮氣，由于它的溶解度低，不易從封閉的氣孔逸出；閉的氣孔逸出； 為了使這些氣體易于排除，在氧氣氛或高真為了使這些氣體易于排除，在氧

25、氣氛或高真空中燒結比較有利空中燒結比較有利 2.2.陶瓷材料的顯微結構陶瓷材料的顯微結構 顯微結構對材料性能的影響顯微結構對材料性能的影響n組織結構的均勻性組織結構的均勻性n晶粒大小晶粒大小n晶界晶界n加入物加入物n氣孔率或瓷坯密度氣孔率或瓷坯密度n玻璃相玻璃相2.2.陶瓷材料的顯微結構陶瓷材料的顯微結構 組織結構的均勻性對材料性能的影響組織結構的均勻性對材料性能的影響均勻性的極限是均勻性的極限是n各晶粒化學組成相同各晶粒化學組成相同n各相物理性質相同各相物理性質相同n氣孔率為零氣孔率為零n晶粒大小相近晶粒大小相近陶瓷材料中不均勻性表現在：陶瓷材料中不均勻性表現在：v 陶瓷是多晶體，各晶粒組成

26、在某一陶瓷是多晶體，各晶粒組成在某一范圍內波動，材料性能必然分散，它范圍內波動，材料性能必然分散，它的性能是的性能是多晶粒性能的統計平均多晶粒性能的統計平均v氣孔的存在氣孔的存在v各向異性各向異性v含易揮發物，從晶粒至晶界會形成濃含易揮發物，從晶粒至晶界會形成濃度梯度度梯度v缺陷缺陷2.2.陶瓷材料的顯微結構陶瓷材料的顯微結構 總之，組織結構對材料性能的影響是多方面的。我們總之，組織結構對材料性能的影響是多方面的。我們只有在生產實踐和科學試驗中，不斷總結經驗，才能只有在生產實踐和科學試驗中，不斷總結經驗，才能逐步充實這方由的知識，并使之完善起來，為進一步逐步充實這方由的知識，并使之完善起來，為

27、進一步控制生產提供依據控制生產提供依據2.2.陶瓷材料的顯微結構陶瓷材料的顯微結構 原料的制備及加工原料的制備及加工（預燒、造粒等）（預燒、造粒等）坯體的成型坯體的成型燒成方法燒成方法燒后處理工藝燒后處理工藝（熱處理或化學處理）（熱處理或化學處理）材料性能材料性能提高坯體致密度、提高坯體致密度、減少氣孔及裂紋減少氣孔及裂紋控制晶相含量及晶控制晶相含量及晶粒的大小粒的大小3. 陶瓷材料的制備陶瓷材料的制備原料的預燒原料的預燒n在不同的溫度下，很多原料的結晶狀態或結構不同，在不同的溫度下，很多原料的結晶狀態或結構不同，晶型結構相互轉變時常伴隨體積效應，對燒成有不利晶型結構相互轉變時常伴隨體積效應，

28、對燒成有不利的影響，通常采取將這類原料進行鍛燒的方法解決。的影響，通常采取將這類原料進行鍛燒的方法解決。n通過鍛燒可促進晶型轉化，獲得具有優良電性能的晶通過鍛燒可促進晶型轉化，獲得具有優良電性能的晶型，改變材料結構，改善工藝性能，減少陶瓷樣品最型，改變材料結構，改善工藝性能，減少陶瓷樣品最終燒結時的收縮率，保證產品質量，提高和保證功能終燒結時的收縮率，保證產品質量，提高和保證功能陶瓷材料的性能陶瓷材料的性能 3. 陶瓷材料的制備陶瓷材料的制備原料原料預燒目的預燒目的預燒條件預燒條件Al2O3使使-Al2O3轉化為轉化為-Al2O3，提高原，提高原料純度，改善產料純度，改善產品性能品性能 采用采

29、用H3BO3作添加劑時，預作添加劑時，預燒溫度燒溫度14001450C左右，左右，保溫保溫23h。采用。采用NH4F作添作添加劑時，預燒溫度加劑時，預燒溫度1250C，保溫保溫12h MgO 提高提高MgO的活性，的活性，改善水化性能改善水化性能預燒溫度在預燒溫度在1400C以上以上滑石滑石 破壞滑石的層狀破壞滑石的層狀結構，避免定向結構，避免定向排列，降低收縮，排列，降低收縮，減少瓷件開裂減少瓷件開裂預燒溫度一般在預燒溫度一般在13001500C之間，加礦化劑（如之間，加礦化劑（如蘇州土、硼酸、碳酸鋇等）蘇州土、硼酸、碳酸鋇等）可降低預燒溫度，含可降低預燒溫度，含Fe2O3時，時，可采用還原

30、氣氛可采用還原氣氛 3. 陶瓷材料的制備陶瓷材料的制備3. 陶瓷材料的制備陶瓷材料的制備陶陶瓷瓷制制作作工工藝藝流流程程3. 陶瓷材料的制備陶瓷材料的制備粘粘 土土n粘土是多種微細的礦物的混合體，其礦物的粒徑多數粘土是多種微細的礦物的混合體，其礦物的粒徑多數小于小于2m，主要是由粘土礦物和其他礦物組成的并且，主要是由粘土礦物和其他礦物組成的并且具有一定特性的（其中主要是可塑性）土狀巖石。具有一定特性的（其中主要是可塑性）土狀巖石。 n主要化學組成主要化學組成：SiO2，Al2O3，少量，少量K2O，Na2OnCaO，MgO：為碳酸鹽雜質礦物（方解石，菱鎂礦）：為碳酸鹽雜質礦物（方解石，菱鎂礦）

31、在高溫下分解的產物，起熔劑作用，能降低陶瓷燒成在高溫下分解的產物，起熔劑作用，能降低陶瓷燒成溫度。溫度。n有害雜質有害雜質：Fe2O3，TiO2，燒成時產生膨脹的缺陷，燒成時產生膨脹的缺陷，影響瓷體的電絕緣性，并使瓷體染色。影響瓷體的電絕緣性，并使瓷體染色。3. 陶瓷材料的制備陶瓷材料的制備1. 粘土的可塑性是陶瓷坯泥服從成型的基礎。粘土的可塑性是陶瓷坯泥服從成型的基礎。2. 粘土使注漿泥料與釉料具有懸浮性與穩定性。粘土使注漿泥料與釉料具有懸浮性與穩定性。3. 粘土一般呈細分散顆粒，同時具有結合性。粘土一般呈細分散顆粒，同時具有結合性。4. 粘土是陶瓷坯體燒結時的主體，粘土中的粘土是陶瓷坯體燒

32、結時的主體，粘土中的Al2O3含量和雜含量和雜質含量是決定陶瓷坯體的燒結程度，燒結溫度和軟化溫質含量是決定陶瓷坯體的燒結程度，燒結溫度和軟化溫度的主要因素。度的主要因素。5. 粘土是形成陶器主體結構和瓷器中莫來石晶體的主要來粘土是形成陶器主體結構和瓷器中莫來石晶體的主要來源。源。粘土在陶瓷生產中的作用粘土在陶瓷生產中的作用 3. 陶瓷材料的制備陶瓷材料的制備高嶺土高嶺土(Al2O3 、 SiO2 、 H2O 、 Fe2O3 、TiO2 )高嶺土俗稱瓷土，制造瓷器的主要原料之一。高嶺土俗稱瓷土，制造瓷器的主要原料之一。不能單獨成瓷，用量不能單獨成瓷，用量.3. 陶瓷材料的制備陶瓷材料的制備石英石

33、英主要成分：主要成分：SiO2作用：降低坯收縮，減少干燥和燒成變形；增加瓷的機作用：降低坯收縮，減少干燥和燒成變形；增加瓷的機械強度、白度和透光度。械強度、白度和透光度。 加入量加入量20%30%3. 陶瓷材料的制備陶瓷材料的制備n種類：種類： 自然界中的二氧化硅結晶礦物可以統稱為石英。自然界中的二氧化硅結晶礦物可以統稱為石英。最純的石英晶體統稱為水晶。陶瓷工業中常用的石英類最純的石英晶體統稱為水晶。陶瓷工業中常用的石英類原料和材料有：脈石英、砂巖、石英巖、石英砂、燧石原料和材料有：脈石英、砂巖、石英巖、石英砂、燧石和硅藻土。和硅藻土。n性質：性質：外觀視其種類不同而異，有的呈乳白色，有的呈外

34、觀視其種類不同而異，有的呈乳白色，有的呈半透明灰白狀態，表面具有玻璃光澤或脂肪光澤，莫氏半透明灰白狀態，表面具有玻璃光澤或脂肪光澤，莫氏硬度值為硬度值為7 7，相對密度因晶型而異。石英的主要成分為，相對密度因晶型而異。石英的主要成分為SiOSiO2 2，常含有少量雜質成分，如，常含有少量雜質成分，如AlAl2 2O O3 3，FeFe2 2O O3 3，CaOCaO，MgOMgO，TiOTiO2 2等。等。 石石 英英3. 陶瓷材料的制備陶瓷材料的制備n在燒成前是瘠性原料，可對泥料的可塑性起調節作用，能降低坯體在燒成前是瘠性原料，可對泥料的可塑性起調節作用，能降低坯體的干燥收縮，縮短干燥時間并

35、防止坯體變形。的干燥收縮，縮短干燥時間并防止坯體變形。n在燒成時石英的加熱膨脹可部分地抵消坯體收縮的影響，防止坯體在燒成時石英的加熱膨脹可部分地抵消坯體收縮的影響，防止坯體發生軟化變形等缺陷。發生軟化變形等缺陷。n在瓷器中，合理的石英顆粒能大大提高瓷器坯體的強度。同時，石在瓷器中，合理的石英顆粒能大大提高瓷器坯體的強度。同時，石英也能使瓷坯的透光度和白度得到改善。英也能使瓷坯的透光度和白度得到改善。n在釉料中二氧化硅是生成玻璃質的主要組分，增加釉料中石英含量在釉料中二氧化硅是生成玻璃質的主要組分，增加釉料中石英含量能提高釉的熔融溫度與粘度，并減少釉的膨脹系數，同時它是賦予能提高釉的熔融溫度與粘

36、度，并減少釉的膨脹系數，同時它是賦予釉以高的力學強度，硬度，耐磨性和耐化學侵蝕性的主要因素。釉以高的力學強度，硬度，耐磨性和耐化學侵蝕性的主要因素。石英在陶瓷生產中的作用石英在陶瓷生產中的作用 3. 陶瓷材料的制備陶瓷材料的制備長石長石鉀長石：鉀長石：K2O SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2鈉長石：鈉長石：Na2O SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2作用作用：坯體中和石英作用一樣；坯體中和石英作用一樣；以上，熔以上，熔融成玻璃態，并熔解其他物質，降低成瓷溫度，減少融成玻璃態，并熔解其他物質，降低成瓷溫度，減少氣孔，增加半透明度；在釉中是主要熔劑。加入量氣孔，增加半透明度；在釉

37、中是主要熔劑。加入量10%25%3. 陶瓷材料的制備陶瓷材料的制備長長 石石n長石是地殼上分布廣泛的造巖礦物。它呈架狀硅酸鹽長石是地殼上分布廣泛的造巖礦物。它呈架狀硅酸鹽結構，化學成分為不含水的堿金屬與堿土金屬鋁硅酸結構，化學成分為不含水的堿金屬與堿土金屬鋁硅酸鹽，主要是鉀，鈣，鈉和少量鋇的鋁硅酸鹽，有時含鹽，主要是鉀，鈣，鈉和少量鋇的鋁硅酸鹽，有時含有微量的銫，鍶等金屬離子，晶粒粗大。有微量的銫，鍶等金屬離子，晶粒粗大。n根據架狀硅酸鹽的結構特點，長石主要有四種基本類根據架狀硅酸鹽的結構特點，長石主要有四種基本類型：鈉長石，鉀長石，鈣長石和鋇長石。型：鈉長石，鉀長石，鈣長石和鋇長石。3. 陶

38、瓷材料的制備陶瓷材料的制備n長石在高溫下熔融形成粘稠的玻璃熔體是坯料中堿金屬氧化物長石在高溫下熔融形成粘稠的玻璃熔體是坯料中堿金屬氧化物（K K2 2O O，NaNa2 2O O）的主要來源，能降低陶瓷坯體組分的熔化溫度，）的主要來源，能降低陶瓷坯體組分的熔化溫度，有利于成瓷和降低燒成溫度。有利于成瓷和降低燒成溫度。n熔融后的長石熔體能熔解部分高嶺土分解產物和石英顆粒。液熔融后的長石熔體能熔解部分高嶺土分解產物和石英顆粒。液相中相中AlAl2 2O O3 3和和SiOSiO2 2相互作用，促進莫來石晶體的形成和長大，賦相互作用，促進莫來石晶體的形成和長大，賦予了坯體的力學性能和化學穩定性。予了

39、坯體的力學性能和化學穩定性。n長石熔體能填充于各結晶顆粒之間，有助于坯體致密和減少空長石熔體能填充于各結晶顆粒之間，有助于坯體致密和減少空隙。隙。n在釉料中長石是主要熔劑。在釉料中長石是主要熔劑。n長石作為瘠性原料，在生坯中還可以縮短坯體干燥時間，減少長石作為瘠性原料，在生坯中還可以縮短坯體干燥時間，減少坯體的干燥收縮和變形等。坯體的干燥收縮和變形等。長石的作用長石的作用 3. 陶瓷材料的制備陶瓷材料的制備特種陶瓷原料特種陶瓷原料 （1）化工原料）化工原料n氧化物類：氧化鋁、氧化鋯、氧化鈦、氧化鋅、鉛丹（氧化鉛）、稀氧化物類：氧化鋁、氧化鋯、氧化鈦、氧化鋅、鉛丹（氧化鉛）、稀土類、著色類土類、

40、著色類n各種鹽類：硼化合物（硼酸、硼砂）、碳酸鹽（碳酸鉀、碳酸鈉、碳各種鹽類：硼化合物（硼酸、硼砂）、碳酸鹽（碳酸鉀、碳酸鈉、碳酸鋇）、硫酸鹽（硫酸鈉、硫酸鋇）、硝酸鹽（硝酸鉀、硝酸鈉）酸鋇）、硫酸鹽（硫酸鈉、硫酸鋇）、硝酸鹽（硝酸鉀、硝酸鈉） （2）合成原料）合成原料 n氧化物：莫來石（氧化物：莫來石（3Al2O32SiO2）、堇青石（）、堇青石（Mg2Al3AlSi5O18）n碳化物：碳化硅（碳化物：碳化硅（SiC）、碳化鈦（）、碳化鈦（TiC）、碳化鎢（）、碳化鎢（WC）、石墨）、石墨n氮化物：氮化硅（氮化物：氮化硅（Si3N4）、氮化鋁（）、氮化鋁（AlN）、氮化硼（）、氮化硼（BN）

41、n鈦酸鹽：鈦酸鋇（鈦酸鹽：鈦酸鋇（BaTiO3）3. 陶瓷材料的制備陶瓷材料的制備n坯料是指將陶瓷原料經篩選，破碎等工序后進行配料，坯料是指將陶瓷原料經篩選，破碎等工序后進行配料，再經混合、細磨等工序后得到的具有成型性能的多組再經混合、細磨等工序后得到的具有成型性能的多組分混合物。分混合物。 n坯料的制備過程可大致分為原料處理、配料、混合制坯料的制備過程可大致分為原料處理、配料、混合制備三部分。備三部分。陶瓷坯料的制備陶瓷坯料的制備 3. 陶瓷材料的制備陶瓷材料的制備（1） 原料處理原料處理 na、預燒、預燒對原料進行的預先燒制對原料進行的預先燒制nb、精選、精選對原料進行分離，提純，除去原料

42、中的各種雜質（尤其對原料進行分離，提純，除去原料中的各種雜質（尤其含鐵雜質），使之在化學組成、礦物組成、顆粒尺寸上更符合原料含鐵雜質），使之在化學組成、礦物組成、顆粒尺寸上更符合原料的質量要求的質量要求 。S物理方法：水選、篩選、磁選、超聲波選物理方法：水選、篩選、磁選、超聲波選S化學方法：溶解法、升華法化學方法：溶解法、升華法S物理化學方法：電解法、浮選法物理化學方法：電解法、浮選法 ( 2 ) 配配 料料n根據制品的化學性能要求、生產工藝確定坯料的組成；根據制品的化學性能要求、生產工藝確定坯料的組成；n根據原料的性質選擇合適的原料；根據原料的性質選擇合適的原料；n根據特定的方法（如成分滿足

43、法）確定配方。根據特定的方法（如成分滿足法）確定配方。 3. 陶瓷材料的制備陶瓷材料的制備n(3)(3)混合制備混合制備 na a、粉碎、粉碎 粒度分析、比表面測定和粒度分析、比表面測定和X X射線衍射技術射線衍射技術 影響研磨效果的因素：研磨工藝和設備、研磨時間、強度和研影響研磨效果的因素：研磨工藝和設備、研磨時間、強度和研磨介質。磨介質。nb b、脫水、脫水 注漿料的含水量為注漿料的含水量為303035%35%時才能澆注成型時才能澆注成型 可塑泥料是采用壓濾機脫水至含水量為可塑泥料是采用壓濾機脫水至含水量為202025 25 壓制粉料可分為：壓制粉料可分為： 濕法壓制粉料：含水量濕法壓制粉

44、料：含水量8 81515； 干法壓制粉料：含水量干法壓制粉料：含水量3 37 7 脫水操作：壓濾脫水法脫水操作：壓濾脫水法 、噴霧干燥技術、噴霧干燥技術3. 陶瓷材料的制備陶瓷材料的制備nc c、陳腐與練泥、陳腐與練泥（）陳腐）陳腐 所謂陳腐就是把泥餅置于避光、空氣不流通的室內或密閉容器內，所謂陳腐就是把泥餅置于避光、空氣不流通的室內或密閉容器內，保持一段時間，該工藝也叫困料。因料室內溫度應保持在保持一段時間，該工藝也叫困料。因料室內溫度應保持在2020左左右，相對濕度要求在右，相對濕度要求在80%-90%80%-90%。坯料在困制過程中，在毛細管的作。坯料在困制過程中，在毛細管的作用下，水分

45、分布漸趨均勻。坯料困制時間越長，水分分布就越均用下，水分分布漸趨均勻。坯料困制時間越長，水分分布就越均勻，其成型性也就越好。一般困料時間為勻，其成型性也就越好。一般困料時間為1010天左右。天左右。（）練泥）練泥 經過壓濾得到的泥餅和困料得到的坯料的組織疏松且不均勻，含有經過壓濾得到的泥餅和困料得到的坯料的組織疏松且不均勻，含有大量的氣泡。這樣既降低了坯料的可塑性，難以擠壓成型，通常大量的氣泡。這樣既降低了坯料的可塑性，難以擠壓成型，通常采用真空練泥機多次練泥的方法，排除泥餅中的殘留空氣，提高采用真空練泥機多次練泥的方法，排除泥餅中的殘留空氣，提高泥料的致密度和可塑性，并使泥料組織均勻，改善成

46、形性能，提泥料的致密度和可塑性，并使泥料組織均勻，改善成形性能，提高干燥強度和成瓷后的機械強度。高干燥強度和成瓷后的機械強度。3. 陶瓷材料的制備陶瓷材料的制備n固相法固相法 包括化合或還原包括化合或還原- -化合法。制取硼化物的碳化硼法、化合法。制取硼化物的碳化硼法、熱分解法、自蔓延高溫合成法等。熱分解法、自蔓延高溫合成法等。n氣相法氣相法 包括氣相合成法、氣相熱分解法。包括氣相合成法、氣相熱分解法。n液相法液相法 有直接沉淀法、均勻沉淀法、共沉淀法、醇鹽水解有直接沉淀法、均勻沉淀法、共沉淀法、醇鹽水解法、溶膠法、溶膠- -凝膠法。凝膠法。n機械法機械法 有球磨、振動球磨、攪動球磨、氣流粉碎

47、等。有球磨、振動球磨、攪動球磨、氣流粉碎等。n溶劑蒸發法溶劑蒸發法 有酒精干燥法、冷凍干燥法、熱石油干燥法和有酒精干燥法、冷凍干燥法、熱石油干燥法和噴霧干燥法等。噴霧干燥法等。n氣相法和液相法是制取超細粉的主要方法。氣相法和液相法是制取超細粉的主要方法。特種陶瓷的粉料制備特種陶瓷的粉料制備3. 陶瓷材料的制備陶瓷材料的制備粉體制備方法粉體制備方法n先進陶瓷粉體：先進陶瓷粉體： 通常為通常為0.0540微米粒徑范圍的物料體系。微米粒徑范圍的物料體系。n粉體制備方法：粉體制備方法： 機械粉碎法：（尺寸降低過程）機械粉碎法：（尺寸降低過程） 外力克服內聚力實現表面積增大。外力克服內聚力實現表面積增大

48、。 合成法：（構筑過程）合成法：（構筑過程） 離子、原子、分子經反應、成核離子、原子、分子經反應、成核生長、收集、生長、收集、后處理等獲得微細粉體。后處理等獲得微細粉體。3. 陶瓷材料的制備陶瓷材料的制備機械制粉方法的實質就是利用機械制粉方法的實質就是利用動能動能來破壞材料的內結來破壞材料的內結合合力，使材料分裂產生新的界面。力，使材料分裂產生新的界面。能夠提供動能的方法可以設計出許多種，例如有錘搗、能夠提供動能的方法可以設計出許多種，例如有錘搗、研磨、輥軋、等，其中除研磨外，其他幾種粉碎方法主研磨、輥軋、等，其中除研磨外，其他幾種粉碎方法主要是用于物料破碎及粗粉制備的。要是用于物料破碎及粗粉

49、制備的。機械粉碎加工粉體方法機械粉碎加工粉體方法3. 陶瓷材料的制備陶瓷材料的制備混混 料料 混料的兩種基本形式混料的兩種基本形式： 1）干混）干混 2）濕混）濕混根據計算的結果稱料，多種組分的原料經過一定的根據計算的結果稱料，多種組分的原料經過一定的方法混合均勻的過程稱為混料。（在方法混合均勻的過程稱為混料。（在球磨機球磨機中的混料過中的混料過程可同時實現粉碎和混合的雙重目的。）程可同時實現粉碎和混合的雙重目的。）3. 陶瓷材料的制備陶瓷材料的制備n球磨是最常用的一種粉碎和混合裝置球磨是最常用的一種粉碎和混合裝置n被粉碎的物料和磨球裝在一個圓筒形球磨罐中。被粉碎的物料和磨球裝在一個圓筒形球磨

50、罐中。n球磨罐旋轉時，帶動球撞擊和研磨物料，達到球磨罐旋轉時，帶動球撞擊和研磨物料，達到粉碎的目的。粉碎的目的。n一般來說，磨機轉速越大，粉碎效率越高。但一般來說，磨機轉速越大，粉碎效率越高。但當磨機轉速超過臨界轉速時就失去粉碎作用。當磨機轉速超過臨界轉速時就失去粉碎作用。3. 陶瓷材料的制備陶瓷材料的制備物料顆粒受機械力作用而被粉碎時，還會發生物質物料顆粒受機械力作用而被粉碎時，還會發生物質結構及表面物理化學性質的變化，這種因機械載荷結構及表面物理化學性質的變化，這種因機械載荷作用導致顆粒晶體結構和物理化學性質的變化稱為作用導致顆粒晶體結構和物理化學性質的變化稱為機械力化學。機械力化學。研磨

51、的理論基礎研磨的理論基礎 機械力化學機械力化學3. 陶瓷材料的制備陶瓷材料的制備球磨制粉包括四個基本要素：球磨制粉包括四個基本要素：球磨筒球磨筒磨球（球料比）磨球（球料比）研磨物料研磨物料研磨介質研磨介質3. 陶瓷材料的制備陶瓷材料的制備1.1.動能準則：動能準則： 提高磨球的動能提高磨球的動能2.2.碰撞幾率準則：碰撞幾率準則： 提高磨球的有效碰撞幾率提高磨球的有效碰撞幾率球磨制粉的基本原則球磨制粉的基本原則3. 陶瓷材料的制備陶瓷材料的制備滾筒式滾筒式行星式行星式振動式振動式攪動式攪動式球磨制粉的基本方式球磨制粉的基本方式3. 陶瓷材料的制備陶瓷材料的制備滾筒式球磨滾筒式球磨3. 陶瓷材料

52、的制備陶瓷材料的制備振動球磨振動球磨3. 陶瓷材料的制備陶瓷材料的制備行星球磨行星球磨3. 陶瓷材料的制備陶瓷材料的制備攪動球磨攪動球磨3. 陶瓷材料的制備陶瓷材料的制備助磨劑助磨劑：粉碎中能顯著提高粉碎效率或降低能耗的化學物質。多粉碎中能顯著提高粉碎效率或降低能耗的化學物質。多為表面活性物質。如醇類、胺類、油酸及有機酸的無機為表面活性物質。如醇類、胺類、油酸及有機酸的無機鹽類等。鹽類等。 通過濕潤、吸附通過濕潤、吸附顆粒表面能降低顆粒表面能降低助磨劑進入粒子助磨劑進入粒子微裂縫中產生劈裂作用微裂縫中產生劈裂作用3. 陶瓷材料的制備陶瓷材料的制備n常用助磨劑：常用助磨劑： 液體助磨劑：如醇類（

53、甲醇、丙三醇）、胺液體助磨劑：如醇類（甲醇、丙三醇）、胺類（三乙醇胺、二異丙醇胺）、油酸及有機酸類（三乙醇胺、二異丙醇胺）、油酸及有機酸的無機鹽類（可溶性質素磺酸鈣、環烷酸鈣）的無機鹽類（可溶性質素磺酸鈣、環烷酸鈣） 氣體助磨劑：如丙酮氣體、惰性氣體氣體助磨劑：如丙酮氣體、惰性氣體 固體助磨劑：如六偏磷酸鈉、硬脂酸鈉或鈣、固體助磨劑：如六偏磷酸鈉、硬脂酸鈉或鈣、硬脂酸、滑石粉等。硬脂酸、滑石粉等。3. 陶瓷材料的制備陶瓷材料的制備n助磨劑選擇依據：助磨劑選擇依據： 一般來說，助磨劑與物料的潤濕性愈好，則助磨一般來說，助磨劑與物料的潤濕性愈好，則助磨作用愈大。當細碎酸性物料（如二氧化硅、二氧作用愈大。當細碎酸性物料（如二氧化硅、二氧化鈦、二氧化鈷）時，可選用堿性表面活性物質，化鈦、二氧化鈷）時，可選用堿性表面活性物質，如羧甲基纖維素、三羥乙基胺磷脂等；當細碎堿如羧甲