第三章 陶瓷材料制备与烧结过程

第一节 粉体成型原理
2.注浆成型对泥浆的工艺性能的要求
制备出的泥浆应能够满足下列基本要 流动性好，稳定性好， 求：流动性好，稳定性好，适当的触变性 含水量少，滤过性好，坯体强度高， ，含水量少，滤过性好，坯体强度高， 脱 模容易，不含气泡。 模容易，不含气泡。
第二节 粉体制备技术
第二节 粉体制备技术
第三章 陶瓷材料制备与烧结过程
粉末冶金（ Metallurgy）与陶瓷(Ceramic) (Ceramic)的 粉末冶金（Powder Metallurgy）与陶瓷(Ceramic)的 主要制备工艺过程包括粉末制备、成型和烧结。其生产工 主要制备工艺过程包括粉末制备、成型和烧结。 艺过程可简单地表示为： 艺过程可简单地表示为：粉末制备坯料制备成型干燥烧结 后处理热压或热等静压烧结成品
第一节 粉体成型原理
3）电解质的作用 向泥浆中加入电解质是改善其流动性和 稳定性的有效方法。 稳定性的有效方法。 4）泥浆的pH值 泥浆的pH值 pH pH 值影响其解离程度 ， 又会引起胶粒 电位发生变化， ζ- 电位发生变化 ， 导致改变胶粒表面的吸 力与斥力的平衡， 力与斥力的平衡，最终使这类氧化物胶溶或 絮凝。 絮凝。
粉料的流动性(Flowing 5. 粉料的流动性(Flowing Property)
粉料虽然由固体小颗粒组成， 粉料虽然由固体小颗粒组成，但由于其分散 度较高，具有一定的流动性。当堆积到一定高度 度较高，具有一定的流动性。 粉料会向四周流动，始终保持为圆锥体（ 后，粉料会向四周流动，始终保持为圆锥体（图 其自然安息角（偏角） 保持不变。 3-2），其自然安息角（偏角）α保持不变。
第二节 粉体制备技术
合成法(Synthetic 二、 合成法(Synthetic)
1. 原料合成的目的和作用 2. 合成方法
（1）金属粉末的合成方法 还原法(Reduction 1）还原法(Reduction Method) 还原法的基本原理就是所使用的还原剂对氧的亲 和力比相应金属对氧的亲和力大， 和力比相应金属对氧的亲和力大，因而能够夺取金属 氧化物中的氧而使金属被还原出来。 氧化物中的氧而使金属被还原出来。 雾化法(Atomization 2）雾化法(Atomization Method) 雾化法生产金属和合金粉末就是利用高压气体（ 雾化法生产金属和合金粉末就是利用高压气体（ 空气、惰性气体）或高压液体（通常是水） 空气、惰性气体）或高压液体（通常是水）通过喷嘴 作用于金属液流使其迅速地碎化成粉末。 作用于金属液流使其迅速地碎化成粉末。 电解法(Electrolysis Method) 3）电解法(Electrolysis Method) 电解法既可以在水溶液中进行， 电解法既可以在水溶液中进行，也可以在熔盐状 态下进行。 态下进行。
第一节 粉体成型原理
3. 对压制用粉料的工艺性能要求
由于压制成型时粉料颗粒必须能充满 模型的各个角落， 模型的各个角落 ， 因此要求粉料具有良好 的流动性。 为了得到较高的素坯密度， 的流动性 。 为了得到较高的素坯密度 ， 粉 料中包含的气体越少越好， 料中包含的气体越少越好 ， 粉料的堆积密 度越高越好。 度越高越好。
第一节 粉体成型原理
二、 压制成型原理
压制成型是基于较大的压力， 压制成型是基于较大的压力，将粉状坯料 在模型中压成块状坯体的。 在模型中压成块状坯体的。
1. 压制成型过程中坯体的变化
（1）密度的变化 （2）强度的变化 （3）坯体中压力的分布 图 3-3 为单面加压是坯体内部压力分布情 况。
第一节 粉体成型原理
第一节 粉体成型原理
三、 可塑泥团的成型原理
1. 可塑泥团的流变特性 (Rheological Behavior)
图3－5为粘土泥团的应力－应变曲线。 为粘土泥团的应力－应变曲线。 表示了粘土的含水量与其应力－ 图 3 － 6 表示了粘土的含水量与其应力 － 应 曲线的关系。 变－曲线的关系。
第一节 粉体成型原理
第一节 粉体成型原理
3. 对可塑坯料的工艺性能要求
可塑性好， 含水量适当 ， 干燥强度高 ， 可塑性好 ， 含水量适当， 干燥强度高， 收缩率小，颗粒细度适当，空气含量低。 收缩率小，颗粒细度适当，空气含量低。
第一节 粉体成型原理
泥浆/ 四、 泥浆/粉浆的成型原理
1. 泥浆的流变特性
（1）泥浆的流动曲线 为一些陶瓷原料泥浆的流动曲线。 图3-8为一些陶瓷原料泥浆的流动曲线。 （2）影响泥浆流变性能的因素 1）泥浆的浓度 为不同浓度的可塑泥浆的流动曲线。 图3-9为不同浓度的可塑泥浆的流动曲线。 2）固相的颗粒大小 一定浓度的泥浆中，固相颗粒越细、 一定浓度的泥浆中，固相颗粒越细、颗粒间 平均距离越小，吸引力增大， 平均距离越小，吸引力增大，位移时所需克服的 阻力增大，流动性减少。 阻力增大，流动性减少。
第二节 粉体制备技术
<2> 溶 剂 蒸 发 法 (Solvent Vaporization Process) a.冰冻干燥法 a.冰冻干燥法 b.喷雾干燥法 b.喷雾干燥法 c.喷雾热分解法 c.喷雾热分解法 ② 熔液法 <1>等离子体喷射法 典型的等离子喷管如图 11所示 典型的等离子喷管如图3-11所示 <2>激光法 图3-12为激光法制超微粉工艺原理图。 12为激光法制超微粉工艺原理图。 为激光法制超微粉工艺原理图 3）气相法制备粉末 蒸发－ ① 蒸发－凝聚法 ② 气相化学反应法
粉末制备 坯料制备 成型 干燥 烧结 后处理 成品
热压或热等静压烧结
本章将讨论粉末冶金与陶瓷的成型原理、 本章将讨论粉末冶金与陶瓷的成型原理、粉体制备技 粉末冶金的成型工艺和陶瓷材料的成型工艺， 术、粉末冶金的成型工艺和陶瓷材料的成型工艺，最后介 绍快速成型工艺。 绍快速成型工艺。
陶瓷制品的生产
陶瓷制品的生产都要经过三个阶段：坯料制 陶瓷制品的生产都要经过三个阶段： 成型、 备、成型、烧结
第一节 粉体成型原理
2. 颗粒的形态与拱桥效应
人们一般用针状、多面体状、柱状、 人们一般用针状、多面体状、柱状、球状等 来描述颗粒的形态。 来描述颗粒的形态。 粉料自由堆积的空隙率往往比理论计算值大 得多，就是因为实际粉料不是球形， 得多，就是因为实际粉料不是球形，加上表面粗 糙图表，以及附着和凝聚的作用， 糙图表，以及附着和凝聚的作用，结果颗粒互相 交错咬合，形成拱桥型空间，增大了空隙率。 交错咬合，形成拱桥型空间，增大了空隙率。这 种现象称为拱桥效应（ 种现象称为拱桥效应（见图3-1）。
第一节 粉体成型原理
4. 粉 料 的 堆 积 （ 填 充 ） 特 性 (Packing Property)
单一颗粒（即纯粗颗粒或细颗粒） 单一颗粒（即纯粗颗粒或细颗粒）堆积时的 空隙率约40% 。 若用二种粒度（如平均粒径比为 空隙率约40% 若用二种粒度（ 40 10: 配合则其堆积密度增大； 10:1）配合则其堆积密度增大；而采用三级粒度 的颗粒配合则可得到更大的堆积密度的结构与性能特点 陶瓷材料是多相多 晶材料， 晶材料 ， 陶瓷结构中同 时存在 晶体相 玻璃相 气相 各组成相的结构、 各组成相的结构 、 数量、 形态、 数量 、 形态 、 大小及分 布决定了陶瓷的性能。 布决定了陶瓷的性能。
第一节 粉体成型原理
第一节 粉体成型原理
一、 粉料的基本物理性能
1. 粒 度 (Particle Size) 和 粒 度 分 布 (Particle Size Distribution)
粒度是指粉料的颗粒大小， 粒度是指粉料的颗粒大小 ， 通常以颗粒半 或直径d 表示。 径 r 或直径 d 表示 。 粒度分布是指多分散体系中 各种不同大小颗粒所占的百分比。 各种不同大小颗粒所占的百分比。
坯料制备 通过机械或物理或化学方法制备粉料，在制备坯料时， 要控制坯料粉的粒度、形状、纯度及脱水脱气，以及配料比 例和混料均匀等质量要求。按不同的成型工艺要求，坯料可 以是粉料、浆料或可塑泥团。
成型 将坯料用一定工具或模具制成一定形状、 尺寸、密度和强度的制品坯型（亦称生坯）。 烧结 生坯经初步干燥后，进行涂釉烧结或直接 烧结。高温烧结时，陶瓷内部会发生一系列物 理化学变化及相变，如体积减小，密度增加， 强度、硬度提高，晶粒发生相变等，使陶瓷制 品达到所要求的物理性能和力学性能。
粉碎(Porphyrization) (Porphyrization)与机械合金化 一 、 粉碎 (Porphyrization) 与机械合金化 Alloying)方法 (Mechanical Alloying)方法
粉碎的过程是由机械能转变为粉料表面能的能量转 化过程。 机械粉碎法因其设备定型化， 产量大， 化过程 。 机械粉碎法因其设备定型化 ， 产量大 ， 容易 操作等特点，被广泛地应用于粉末生产中。 操作等特点，被广泛地应用于粉末生产中。 在相同的工艺条件下， 在相同的工艺条件下 ， 添加少量的助磨剂往往可 10） 使粉碎效率成倍地提高（ 使粉碎效率成倍地提高（图3-10）。
第二节 粉体制备技术
（2）化合物粉末的合成方法 固相法(Solid Process)制备 1）固相法(Solid Reaction Process)制备 粉末 固相法就是以固态物质为初始原料来制备 粉末的方法。 粉末的方法。 ① 化合反应法 ② 热分解反应法 ③ 氧化物还原法 2）液相法制备粉末 液相法分为溶液法和熔液法两大类。 液相法分为溶液法和熔液法两大类。 ① 溶液法 生成沉淀法(Precipitation <1>生成沉淀法(Precipitation Method) a. 直接沉淀法 b. 均匀沉淀法 c. 共沉淀法
影响坯体密度(Density) (Density)的因素 2. 影响坯体密度(Density)的因素
（1）成型压力 压制过程中， 压制过程中，施加于粉料上的压力主要消耗在以下 二方面： 二方面： 克服粉料的阻力P 称为净压力。 1）克服粉料的阻力P1，称为净压力。 克服粉料颗粒对模壁摩擦所消耗的力P 2 ） 克服粉料颗粒对模壁摩擦所消耗的力 P2 ， 称为 消耗压力。 消耗压力。 压制过程中的总压力P=P +P2 即成型压力。 P=P1 压制过程中的总压力P=P1+P2，即成型压力。 为加压方式和压力分布关系图。 （2）加压方式 图3-4为加压方式和压力分布关系图。 （3）加压速度 （4）添加剂的选用