结构陶瓷和功能陶瓷制备技术
热压烧结法制造陶瓷技术
热压烧结法制造陶瓷技术热压烧结法是一种常用的陶瓷制造技术，通过将陶瓷粉末在高温高压下进行烧结，使其形成致密的结构和良好的力学性能。
本文将详细介绍热压烧结法的原理、工艺流程以及在陶瓷制造中的应用。
一、热压烧结法的原理热压烧结法是利用高温下的扩散作用和陶瓷粉末的塑性变形，使粉末颗粒之间发生结合，形成致密的陶瓷体。
在高温下，粉末颗粒表面的氧化膜被破坏，使颗粒之间发生固相扩散，形成晶界，从而提高陶瓷的致密性和力学性能。
二、热压烧结法的工艺流程1. 原料制备：选择适宜的陶瓷粉末作为原料，进行粉末的筛分和混合，保证原料的均匀性和稳定性。
2. 预成型：将混合好的粉末放入模具中，进行压制，形成所需的初型。
3. 热压烧结：将初型放入高温高压的烧结装置中，进行热压烧结处理。
在此过程中，需要控制好烧结温度、压力和时间，以确保陶瓷体的致密性和力学性能。
4. 后处理：待烧结完成后，还需要进行后处理，如研磨、抛光等工艺，以提高陶瓷的表面光滑度和精度。
三、热压烧结法在陶瓷制造中的应用热压烧结法广泛应用于陶瓷制造的各个领域，如电子陶瓷、结构陶瓷、功能陶瓷等。
1. 电子陶瓷：热压烧结法可以制备出具有良好电气性能的陶瓷材料，用于电子元器件的制造，如电容器、压电器件等。
2. 结构陶瓷：热压烧结法可以制备出高硬度、高强度的陶瓷材料，用于制造刀具、轴承等机械零件，具有良好的耐磨性和耐腐蚀性。
3. 功能陶瓷：热压烧结法可以制备出具有特殊功能的陶瓷材料，如氧化铝陶瓷用于高温热障涂层，氧化锆陶瓷用于人工关节等医疗器械。
四、热压烧结法的优势和不足热压烧结法具有以下优势：1. 可以制备出高密度的陶瓷材料，具有良好的力学性能和耐磨性。
2. 工艺稳定，可重复性好，能够生产大批量的陶瓷制品。
3. 可以制备出复杂形状的陶瓷制品，满足不同应用的需求。
然而，热压烧结法也存在一些不足之处：1. 设备成本较高，需要较大的投资。
2. 对原料的要求较高，需要选择适合的粉末和添加剂。
1功能陶瓷的生产工艺过程
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方法：采用车削、铣削、磨削等机 械加工方法
应用：广泛应用于功能陶瓷器件的 制造和维修中
表面涂层
定义：在功能 陶瓷表面涂覆 一层薄膜材料， 以提高其耐腐 蚀、抗氧化、
绝缘等性能
涂层材料：金 属氧化物、氮 化物、碳化物
等
涂层方法：物 理气相沉积、 化学气相沉积、 电镀、喷涂等
作用：保护内 部材料不受环 境影响，提高 材料的使用寿
预烧结
预烧结：将原料 进行初步烧结， 使其具有一定的 强度和稳定性， 以便进行后续加 工。
粉碎：将预烧结 后的原料进行破 碎，以便进一步 加工。
混合：将破碎后 的原料与其他添 加剂进行混合， 以获得所需的物 理性能和化学成 分。
造粒：将混合后 的原料制成颗粒 状，以便进行成 型和烧成。
成型工艺
干压成型
航空航天领域：功能陶瓷在航空航天领域中用于制造涡轮发动机、燃烧室、 喷嘴等高温部件，具有优良的耐高温性能和稳定性。
电子信息领域：功能陶瓷在电子信息领域中用于制造电子元件、集成电路、 通信设备等，具有高绝缘性、低介电损耗、高稳定性等优点。
能源环保领域：功能陶瓷在能源环保领域中用于制造燃料电池、太阳能电 池、环境监测设备等，具有高效能、低成本、环保等优点。
表面涂层：在材料 表面涂覆一层具有 优异性能的薄膜
表面合金化：通过 化学或电化学方法 在材料表面形成具 有所需性能的合金 层
表面微结构化：通 过刻蚀或光刻技术 在材料表面形成微 米或纳米尺度的结 构，以改善其性能
功能陶瓷的应用领域
电子工业
电子工业：功能 陶瓷在电子工业 中广泛应用于电 子元件、集成电 路、电子封装等 领域，如电阻器、 电容器、电感器
现代陶瓷技术的3个主要领域及应用
现代陶瓷技术的3个主要领域及应用现代技术陶瓷的3个主要领域及应用陶瓷材料一般分为传统陶瓷和现代技术陶瓷两大类。
传统陶瓷是指用天然硅酸盐粉末(如黏土、高岭土等)为原料生产的产品。
因为原料的成分混杂和产品的性能波动大,仅用于餐具、日用容器、工艺品以及普通建筑材料(如地砖、水泥等),而不适用于工业用途。
现代技术陶瓷是根据所要求的产品性能,通过严格的成份和生产工艺控制而制造出来的高性能材料,主要用于高温和腐蚀介质环境,是现代材料科学发展最活跃的领域之一。
下面对现代技术陶瓷3个主要领域:结构陶瓷、陶瓷基复合材料和功能陶瓷作一简单介绍。
一、结构陶瓷同金属材料相比,陶瓷的最大优点是优异的高温机械性能、耐化学腐蚀、耐高温氧化、耐磨损、比重小(约为金属的1/3),因而在许多场合逐渐取代昂贵的超高合金钢或被应用到金属材料根本无法胜任的场合,如发动机气缸套、轴瓦、密封圈、陶瓷切削刀具等。
结构陶瓷可分为三大类:氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷和玻璃陶瓷。
1、氧化物陶瓷主要包括氧化铝、氧化锆、莫来石和钛酸铝。
氧化物陶瓷最突出优点是不存在氧化问题,原料价格低廉,生产工艺简单。
氧化铝和氧化锆具有优异的室温机械性能,高硬度和耐化学腐蚀性,主要缺点是在1000℃以上高温蠕变速率高,机械性能显著降低。
氧化铝和氧化锆主要应用于陶瓷切削刀具、陶瓷磨料球、高温炉管、密封圈和玻璃熔化池内衬等。
莫来石室温强度属中等水平,但它在1400℃仍能保持这一强度水平,并且高温蠕变速率极低,因此被认为是陶瓷发动机的主要候选材料之一。
上述三种氧化物也可制成泡沫或纤维状用于高温保温材料。
钛酸铝陶瓷体内存在广泛的微裂纹,因而具有极低的热膨胀系数和热传导率。
它的主要缺点是强度低,无法单独作为受力元件,所以一般用它加工内衬用作保温、耐热冲击元件,并已在陶瓷发动机上得到应用。
2、非氧化物陶瓷主要包括碳化硅、氮化硅和赛龙(SIALON)。
同氧化物陶瓷不同,非氧化物陶瓷原子间主要是以共价键结合在一起,因而具有较高的硬度、模量、蠕变抗力,并且能把这些性能的大部分保持到高温,这是氧化物陶瓷无法比拟的。
陶瓷材料结构及性能分类新结构陶瓷材料科学基础
二、陶瓷材料的分类
1、按化学成分分类 可将陶瓷材料分为氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、 氮化物陶瓷及其它化合物陶瓷。
玻璃幕 墙 导电玻 璃
2、按使用的原材料分类
可将陶瓷材料分为普通陶瓷和特种陶瓷。
普通陶瓷以天然的岩石、 矿石、黏土等材料作原 料。 特种陶瓷采用人工合成 的材料作原料。 3、按性能和用途分类 可将陶瓷材料分为结构 陶瓷和功能陶瓷两类。
玻璃相结构特点：硅氧四面体组成不规则的空间 网, 形成玻璃的骨架。 玻璃相成分：氧化硅和其它氧化物
(三)、气相
气相是陶瓷内部残留的孔洞；成因复杂，影 响因素多。 陶瓷根据气孔率分致密陶瓷、无开孔陶瓷 和多孔陶瓷。 气孔对陶瓷的性能不利（多孔陶瓷除外） 气孔率：普通陶瓷5%～10％ 特种陶瓷5％以下 金属陶瓷低于0.5％。
（2） 硅酸盐化合物的几种类型
按照连接方式划分，硅酸盐化合物可以分为以下几 种类型： ①孤立状硅酸盐 ②复合状硅酸盐 ③环状或链状硅酸盐 ④层状硅酸盐 ⑤立体网络状硅酸盐
①孤立状硅酸盐（岛状结构单元）
其单元体(SiO44－） 互相独立，不发生相 互连接。 化学组成一般可以表 示为2RO· 2。 SiO 其中RO表示金属氧化 物如MgO、CaO、 FeO等。 具有这类结构的有橄 榄石和石榴石等。
AX化合物的特征是：A和X原子或离子 是高度有序的，属于这类结构的有： （1）CsCl型 （2）NaCl型 （3） ZnS闪锌矿型 （4）纤维锌矿型
（以下分别介绍）
（1）CsCl型 这种化合物的结构见图3-2。A原子（或离 子）位于8个X原子的中心，X原子（或离子） 也处于8个A原子的中心。但应该注意的是， 这种结构并不是体心立方的。确切的说，它 是简单立方的，它相当于把简单立方的A原 子和X原子晶格相对平移a/2，到达彼此的 中心位置而形成。
功能陶瓷及应用知识点总结
功能陶瓷及应用知识点总结一、功能陶瓷的概念及分类功能陶瓷是指具有特定功能的陶瓷材料，主要包括结构陶瓷、功能陶瓷、生物陶瓷、环境陶瓷和陶瓷复合材料等。
根据功能的不同，功能陶瓷可以分为：1. 结构陶瓷：主要用于承受结构应力和外力作用的陶瓷材料，包括砖瓦、建筑陶瓷、化工陶瓷等。
其特点是硬度高，抗压、抗弯和抗冲击性能好。
2. 功能陶瓷：主要指具有特定功能的陶瓷材料，如氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、氧化锆陶瓷等。
其特点是具有一定的电、磁、热、光、声等功能。
3. 生物陶瓷：主要用于医疗领域，如氧化锆陶瓷、生物活性玻璃陶瓷等。
其特点是无毒、无刺激、无放射性，能与生物体组织相容。
4. 环境陶瓷：主要用于环境保护和治理，如陶瓷过滤器、陶瓷填料等。
其特点是耐高温、耐腐蚀，具有吸附、过滤、分离等功能。
5. 陶瓷复合材料：由两种或两种以上的材料经过一定的工艺加工成的复合陶瓷材料，如陶瓷金属复合材料、陶瓷陶瓷复合材料等。
其特点是具有两种或两种以上材料的优点，具有良好的综合性能。
二、功能陶瓷的制备工艺及应用1. 制备工艺（1）粉体制备：包括干法制备和湿法制备两种方式。
干法制备通过研磨、干燥、筛分等步骤获得所需的粉末。
湿法制备则是通过溶胶-凝胶法、水热法、水热合成法等将所需的原料转化成溶液、凝胶状物质，再通过干燥、热处理等步骤制备成粉末。
（2）成型工艺：包括模压成型、注射成型、挤压成型、等静压成型等方式。
（3）烧结工艺：包括氧化烧结、还原烧结、热处理等方式。
2. 应用（1）氧化铝陶瓷：主要用于电气绝缘、耐磨、耐腐蚀、高温、高压等领域，如磨具、瓦楞板、电阻片、耐火材料等。
（2）氮化硅陶瓷：主要用于磨具、轴承、喷嘴、耐火材料等领域，具有高硬度、高耐磨、高耐腐蚀、高温稳定性好的特点。
（3）氧化锆陶瓷：主要用于生物医学领域，如牙科修复、人工关节、医疗器械等，具有生物相容性好、抗摩擦、抗磨损、抗腐蚀等特点。
（4）生物活性陶瓷：主要用于骨科和牙科领域，如骨修复材料、牙科种植体、骨接合材料等，具有促进骨组织生长、良好的生物相容性、无毒、无刺激等特点。
第二章常见功能陶瓷的制备-精品文档
（3）微区化学成分控制：人为控制化学不均匀性，例如利用“壳心”结构 ，阻止晶粒生长的第二相或者多相混合热压等。如X7R材料的电容温度调制。
（4）液相烧结技术：BaTiO3中加入过量钛，形成第二相液相促进烧结。 在SrTiO3系统中，加入助烧结剂（SiO2、Al2O3）或利用化学式量偏离。
＜1.5
应用于MLCC的介质陶瓷
（1）BaTiO3系统
（2）铅系驰豫型铁电体材料。典型的代表是Pb1-xLax(Ti1-yZry)1-x/4O3（简称 PLZT），PMW系列以及PNN-PMW-PT系列。由于是含Pb系统，因此其居 里温度可以比之BaTiO3系统高。该系统中大量的Pb可能诱导内电极中的 Ag+离子发生迁移，导致MLCC性能不稳定。而且，Pb的存在会对环境造 成很大危害。因此该系统正逐步为无公害系统所替代。
Temp.Cap. Change (%)
ε value up to
BaTiO3 Content
(%)
Other dopants
Grain size (μ m)
NP0(COG) -55-125 ±30ppm
100
Z5U
-10-85
-56-22,
14000
Y5V
-30-85
-82-22,
18000
X7R
BaTiO3 xH 2 BaTiO3x xH 2O
OO 1/ 2O2 (g) VO 2e' 开发Ni-MLCC的关键：与Ni电极共烧的BaTiO3基抗还原介质材料的研究。
两性稀土离子掺杂：A位模型和B位模型
抗老化技术： （1）再氧化处理（re-oxidation treatment） （2）同时掺杂施主和受主离子 （3）掺杂两性稀土离子（主要是Y3+，Dy3+，Ho3+，Er3+）
国内外有关陶瓷的研究综述
国内外有关陶瓷的研究综述国内外对陶瓷的研究综述导言陶瓷作为一种重要的材料，在人类历史上起着不可忽视的作用。
从古至今，陶瓷一直是人类生活中不可替代的一部分，无论是生活用品还是艺术品都离不开陶瓷的存在。
随着科技的发展，人们对陶瓷材料的研究也越来越深入。
本文将从国内外的角度对陶瓷的研究进行综述，探讨陶瓷在不同领域中的应用和技术进展。
一、陶瓷的定义和分类陶瓷是一种无机非金属材料，由粘土、石英和长石等天然矿物质制成。
根据材料的组成和特性，可以将陶瓷分为多个类别，如结构陶瓷、功能陶瓷和装饰陶瓷等。
1. 结构陶瓷结构陶瓷是指用于支撑、承载或隔热等结构应用的陶瓷材料。
这种陶瓷具有高强度、硬度和耐磨损性，广泛应用于航空航天、汽车工业和高速列车等领域。
近年来，新型结构陶瓷材料的研究呈现出多样化的发展趋势，如纳米陶瓷和多孔陶瓷等。
2. 功能陶瓷功能陶瓷是指具有特定性能和功能的陶瓷材料，如磁性陶瓷、电介质陶瓷和敏感陶瓷等。
这些陶瓷能够在磁场、电场或热场中表现出特定的响应和效应，被广泛应用于电子器件、传感器和储能设备等领域。
3. 装饰陶瓷装饰陶瓷是指用于装饰和艺术品制作的陶瓷材料，如瓷砖、陶艺和瓷器等。
这些陶瓷通常以其美观的外观和精美的工艺而闻名，代表着一定时期和地区的文化和艺术水平。
二、陶瓷的制备技术陶瓷的制备技术是陶瓷研究的核心内容之一。
随着科学技术的进步，陶瓷的制备技术也得到了不断发展和改进。
1. 传统制备技术传统的陶瓷制备技术主要包括手工制作和传统窑炉烧制。
这些技术虽然历史悠久，但制作过程繁琐，生产效率低下。
2. 现代制备技术随着现代科技的发展，陶瓷的制备技术得到了革命性的改变。
如现代陶瓷材料的制备常常采用机械成型、注浆成型和胶结烧结等自动化和半自动化的工艺，大大提高了陶瓷制作的效率和质量。
三、陶瓷的应用领域陶瓷作为一种多功能材料，其应用领域广泛。
无论是在传统行业中还是在现代技术领域，陶瓷都发挥着重要的作用。
1. 材料工程领域陶瓷在材料工程方面的应用主要体现在结构陶瓷和功能陶瓷的领域。
陶瓷的制备工艺
排塑
排除黏合剂，为烧成创造条件 使坯体获得一定的机械强度 避免粘合剂在烧成时的还原作用
4、烧结原理及工艺
烧结是指多孔状陶瓷胚体在高温条件件下，表面积减小、孔隙率 降低、机械性能提高的致密化过程。
保温阶段 升温阶段
冷却阶段
影响烧结的因素
粉料粒度
气氛
成型压力
影响因素 盐类选 择及煅 烧条件 添加剂
烧结温度
烧结方法：
反应烧结（加入气相或液相以获得一定强度和 精度） 热压烧结（加压） 常压烧结（常压） 热等静压（高温恒压） 气氛烧结（防氧化，加气） 放电等离子体烧结 微波烧结 爆炸烧结
5、陶瓷的加工
所谓的加工是指将一定的能量供给具有某些性能 的材料，使形状、尺寸、表面光洁度、物性等达到一 定要求的过程。 常见的加工处理方式主要有表面施釉、机械加工 及表面金属化。 施釉：提高瓷件的机械强度与耐热冲击性能，防 止工件表面的低压放电，使瓷件的防潮功能提高。 机械加工：可以使陶瓷制品适应尺寸公差的要求， 也可以改善陶瓷制品表面的光洁度或去除表面的缺陷。 方法有磨削，激光和超声波加工等
配料
已知化学计量的配料计算 配料 根据化学成分的配料计算
干混 混料 湿混 注意加料程序和混料磨介的使用
2、成型
陶瓷粉体、坯料进一步加工成坯体的这一过程称为成型
成型分为：干压成型、等静压成型、热压铸成型、塑性成型等
干压成型最常用：其工艺过程控制相对简单、容易掌控(需要进 行塑化、造粒处理)
3.干燥与排塑
固相法：通过固相到固相的变化来制造粉体。如：固 相反应法、热分解法、火花放电法、溶出法等。 液相法：共同点是以均相溶液为出发点，通过各种方 法使溶质与溶剂分离，溶质形成一定大小和形状的颗 粒，得到所需粉末的前躯体，热解后得到粉体。如： 水热法、沉淀法、水解法、喷雾法、沉淀法、乳液法、 蒸发溶剂热解法等。 气相法：直接用气体或通过各种手段将物质变成气体， 使之在气体状态下发生物理化学反应，最后在冷却过 程中凝聚长大形成纳米颗粒。如；溅射法、化学气相 反应法、气体中蒸发法、化学气相凝聚法等。
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因此可以通过调配 ZrP2O7的含量精确控制材料的孔隙率。
THANK YOU
3g黄原胶
→
Mg(NO3)2
2g刺槐
80℃ 分别 溶解
→
→
充 分 混 合
0.05mol Al(NO3)2 0.1mol
加 热 大 力 搅 拌
→
→
冷 却
→
50 ℃ 真 凝 胶 →空 干 燥
80 0 →℃ 煅 烧
尖 晶 →石 粉 末
多糖外凝胶法制备MgA1204粉体的工艺流程图
氮化硅陶瓷材料
高比强、高比模、耐高温、抗氧化和耐磨损以及抗热震等优良的综合性能.
孔材料的抗弯强度σ与孔隙率ρ 的关系可以用式表示
0 exБайду номын сангаас()
σ 0为材料孔隙率为 0 时的抗弯强度，β 为材料的结构因子对于多孔材料，材 料的抗弯强度随着孔隙率的增大呈指数递减。
氮化硅基多孔陶瓷的制备技术
主要包括部分烧结法、挥发物 ( 有机物、碳粉 ) 造孔法、注模成型以及反应烧结 法自蔓延烧结法等.
(d) (e)ZrP2O7结合 Si3N4多孔陶瓷的烧结过程中，ZrP2O7
的固相烧结(结晶)起到了主要作用。
采用 ZrP2O7作为结合剂，利用无压烧结技术，可以实现在较低烧结温度下制备具有高孔隙率、
高强度、低介电常数且孔隙率与介电常数可控的、以 α-Si3N4为主相的 Si3N4基多孔陶瓷。所制备 的磷酸盐结合氮化硅基多孔陶瓷材料的孔隙率为 30% ~ 50%。孔隙率随 ZrP2O7含量的增大而减小，
磷酸盐结合氮化硅基多孔陶瓷的制备
利用 ZrO2与 H3PO4在较低温度下
反应生成的 ZrP2O7作为氮化硅
陶瓷的粘结剂，借助于无压烧结 技术在较低的温度烧结。
(a) 所示晶格条纹进行分析，计算其晶面间距并与 PCPDF 卡片进行比对，主要是 α-Si3N4相。 (b) 证明了 Si3N4颗粒表面存在 SiO2-P2O5相，SiO2 促进了反应初始阶段 H3PO4与 Si3N4颗粒之间的结合， 使得 ZrP2O7可以在 250℃反应生成的同时与 Si3N4 颗粒相结合。
电子绝缘件
氧化锆光学陶瓷导管
高温光学功能陶瓷材料MgAI2O4超微细粉体的制备
溶解时黄原胶由有序的双螺旋体结构变为无规线团 黄原胶侧链上的酞基与槐豆胶侧链上的羟基，黄原胶与槐豆胶可以充分绞 合在一起 硝酸铝与硝酸镁溶液均匀地包络于多糖形成的凝胶三维网络格子中
250 mlH2 O 100 mlH2 O
氮化硅材料还具有相对较低的密度和低的介电常数、介电损耗等优良的介 电性能.
氮化硅基多孔陶瓷的力学和介电性能
根据 Bruggeman 等效介质理论，介电常数和孔隙率的关系可以用下式表示
1 p 0 ε0表示孔隙率为 0 时材料的介电常数，ε表示气孔体积分数为 p 时的介电常数， 提高气孔率可以有效地降低材料的介电常数。
陶瓷的定义
陶瓷材料的定义几经变迁，不断延伸：
传统上： 陶瓷－指 陶器和瓷 器的统称。
发展延伸： 陶瓷－凡是 经原料配制、 坯料成型、 窖炉烧成工 艺制成的产 品。
现代： 陶瓷－所 有无机非 金属材料， 不仅包括 多晶体， 还包括单 晶体。
陶瓷的分类
根据概念和用途不同，可分为两大类：
普通陶瓷：即传统陶瓷(天然硅酸盐矿物)，是指粘土为主要原料与其他天然矿物原料
经过粉碎混炼、成型、烧结等过程而制成的各种制品。
结构陶瓷：主要用于耐磨损、高强度、耐高温、耐冲击、硬质及高刚
特种陶瓷 性等场合。 功能陶瓷：主要包括电磁功能、光电功能、生物功能、核功能及其 他功能陶瓷材料。
不同形状的特种陶瓷结构件