陶瓷材料制备

• 众所周知，金属材料(纯金属或合金)的化学健大都是 金属健，是由金属正高于和充满其间的电子云所组成， 金属键没有方向性．因此金属有很好的塑性变形性能。 而作为非金属化合物的陶瓷来讲，其化学键是离子健和 共价键。这种化学性有很强的方向性和很高的结合能。 因此，陶瓷材料很难产生塑性变形．脆性大，裂纹敏感 性强。这就是陶瓷材料的致命弱点。
湿法压制粉料：含水量8％～15％； 干法压制粉料：含水量3％～7％
脱水操作：压滤脱水法 、喷雾干燥技术
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（4）、陈腐与练泥
（a）陈腐
所谓陈腐就是把泥饼置于避光、空气不流通的室内或密 闭容器内，保持一段时间，该工艺也叫困料。因料室内温 度应保持在20℃左右，相对湿度要求在80%-90%。坯料 在困制过程中，在毛细管的作用下，水分分布渐趋均匀。 坯料困制时间越长，水分分布就越均匀，其成型性也就越 好。一般困料时间为10天左右。
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）普通成型方法
a.可塑成型 可塑成型是利用模具或刀具等工艺装备运动造成的
压力、剪力或挤压力等外力，对具有可塑性坯料进 行加工，迫使材料在外力作用下发生可塑变形而制 成坯体的方法。 可塑成型方法有旋压成形，滚压成形，塑压成形、 注塑成形和轧膜成形等集中类型。
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（b）练泥
经过压滤得到的泥饼和困料得到的坯料的组织疏松且不 均匀，含有大量的气泡。这样既降低了坯料的可塑性，难 以挤压成型，通常采用真空练泥机多次练泥的方法，排除 泥饼中的残留空气，提高泥料的致密度和可塑性，并使泥 料组织均匀，改善成形性能，提高干燥强度和成瓷后的机 械强度。
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液相法 共同点是均以相溶液为出发点，通过各种方法使 溶质和溶液分离，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。其中有直接沉 淀法、共沉淀法、醇盐水解法、溶胶-凝胶法。
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机械法 有球磨、振动球磨、搅动球磨、气流粉碎等。 溶剂蒸发法 有酒精干燥法、冷冻干燥法、热石油干燥
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特种陶瓷的粉料制备
固相法 通过从固相到固相的变化，来制造粉体。其中包括化 合或还原-化合法。制取硼化物的碳化硼法、热分解法、自蔓 延高温合成法等。
气相法 直接利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。包括气相合成法、气相热分解法。
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电性能 大多数陶瓷具有良好的电绝缘性，因此大量用于制作
各种电压（1kV~110kV）的绝缘器件。铁电陶瓷（钛 酸钡BaTiO3）具有较高的介电常数，可用于制作电容器， 铁电陶瓷在外电场的作用下，还能改变形状，将电能转 换为机械能（具有压电材料的特性），可用作扩音机、 电唱机、超声波仪、声纳、医疗用声谱仪等。少数陶瓷 还具有半导体的特性，可作整流器。 化学性能 陶瓷材料在高温下不易氧化，并对酸、碱、盐具有良 好的抗腐蚀能力。
陶瓷材料的制备 CERAMIC
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一、陶瓷 (ceramics)基本概念
非金属材料一般指无机非金属陶瓷材料，主要包括晶体、 陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。
陶瓷材料有广义和狭义之分，广义陶瓷即指无机非金属 陶瓷材料，狭义陶瓷包括传统陶瓷和精细陶瓷。
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2.陶瓷材料的分类
传统陶瓷——以粘土（塑性组分），长石（熔剂组分）， 石英（惰性组分）等天然矿物为原料，经粉碎、混合、 磨细、成型、干燥、烧成等工序制成的产品。
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粉碎的目的和意义
• 粉碎的目的 ：在于减小固体物料的尺寸，使 之变成颗粒体（或称粉体）。
• 其意义在于： • 有利于不同组分的分离，选矿及除去原料中的
杂质；
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●粉碎使固体物料颗粒化，将具有某些流体性质， 而具有良好的流动性，因而有利于物料的输送及给 料控制；
功能陶瓷——利用其电、磁、声、光、催化、 生物化学等功能，其中最主要的是绝缘材料、 电介质材料、压电材料、磁性材料、半导体 材料和透光性陶瓷等电子材料、具有生物化 学功能的生物医用材料、抗菌陶瓷材料等。
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结构陶瓷 氧化物陶瓷 氧化铝陶瓷 氧化锆陶瓷 氧化铍陶瓷 非氧化物陶瓷 氮化物陶瓷 碳化物陶瓷
法和喷雾干燥法等。 气相法和液相法是制取超细粉的主要方法。
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蔓延高温合成法
原理 自蔓延高温合成（self–propagation high– temperature synthesis，简称SHS），又称为燃烧合成 （combustion synthesis）技术，是利用反应物之间高 的化学反应热的自加热和自传导作用来合成材料的一种技 术，当反应物一旦被引燃，便会自动向尚未反应的区域传 播，直至反应完全，是制备无机化合物高温材料的一种新 方法。
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机械法--搅拌法
原理:筒体内填充一定的磨矿介质，螺旋搅 拌器作缓慢旋转，磨矿介质和物料在筒体 内作整体的多维循环运动和自转运动，物 料在磨矿介质重量压力与旋回转共同产生 的摩擦、挤压、剪切和冲击力的作用下， 被有效地粉碎。可用于干法和湿法工艺， 在干法工艺中常与空气分级机构成闭路流 程，产品粒度可小于3um。湿法工艺多采 用开路流程，产量较高，产品粒度一般小 于5～6um。
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功能陶瓷 装置瓷 高铝瓷 镁质瓷
电容器陶瓷 非铁电电容器陶瓷 反铁电电容器陶瓷 铁电电容器陶瓷
压电陶瓷 磁性瓷 导电陶瓷和超导陶瓷 其他功能陶瓷
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半导体陶瓷 正温度系数热敏陶瓷 负温度系数热敏陶瓷 压敏半导体陶瓷 气敏半导体陶瓷 温敏半导体陶瓷 光敏半导体陶瓷
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3、陶瓷材料的特点
• 陶瓷材料的结构特点
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机械法--球磨 原理 球磨机粉碎物料时筒体内装有物料、研磨体 和水。它是依靠研磨体（球石）对原料的摩擦、撞 击作用及原料与球磨机筒壁的摩擦作用而进行粉碎 的。
• 泻落式 • 运动状态
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• 抛落式 • 离心式 • 运动状态 • 运动状态
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机械法--振动球磨 原理 碰撞、挤压及研磨，产品粒度可细至数微米。 特点：适应性强，可用于干磨也可用于湿磨；可以粉碎各 种软的及硬的物料；可以得到较细的产品，干法可将最 大粒径 为1-2mm的物料磨至2um，湿法可粉磨至5-0.1um；
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特点 燃烧引发的反应或燃烧波的蔓延相当快，一般为0.1～
20.0cm／s，最高可达25.0cm／s，燃烧波的温度或反应温 度通常都在2100～3500K以上，最高可达5000K。 SHS以 自蔓延方式实现粉末间的反应，与制备材料的传统工艺比较， 工序减少，流程缩短，工艺简单，一经引燃启动过程后就不 需要对其进一步提供任何能量。由于燃烧波通过试样时产生 的高温，可将易挥发杂质排除，使产品纯度高。
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气相合成法
原理 气在等离子体高温反应器中，通过物理冷凝或化学气相
反应过程，直接制取粒径小于100um超细粉体的一种气相 沉积制粉法。常用的是等离子化学气相合成法制粉。
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特点 :①高温，温度可达3000一20000K;②气氛(中性、氧
化性或还原性)可任意选择和控制;③采用低沸点反应物， 易于提纯，因此所得产品纯度很高;④粒度可控并容易获得 粒度分布很窄的球形粉末;⑤可获得介稳相和低温相结构的 粉末产品;⑥过程连续，可实现自动化工业生产。
●减少固体颗粒尺寸，提高分散度，因而使之容易 和流体或气体作用，有利于均匀混合，促进制品的 均质化；
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2.2、成 型
陶瓷制品的成形，就是将坯料制成具有一定形 状和规格的坯体，并使坯料具有所要的机械强 度和一定的致密度。
普通成型方法主要有注浆成型、塑制成型与压 制成型三种工艺。具体选择何种工艺需要依据 最终产品的性质，形状和尺寸。
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光学性能
陶瓷材料还有独特的光学性能，可用作固体激 光器材料、光导纤维材料、光储存器等，透明陶 瓷可用于高压钠灯管等。磁性陶瓷（铁氧体如： MgFe2O4、CuFe2O4、Fe3O4）在录音磁带、 唱片、变压器铁芯、大型计算机记忆元件方面的 应用有着广泛的前途。
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二、陶瓷材料的制备工艺
5. 烧成 4. 干燥 3. 釉制备及施釉 2. 成型 1.陶瓷坯料的制备
旋压成型 原理 旋压是一种综合了锻造、挤压、拉伸、弯曲、环轧、 横轧和滚挤等工艺特点的少无切削加工的先进工艺，将金 属筒坯、平板毛坯或预制坯用尾顶顶紧在旋压机芯模上， 由主轴带动芯棒和坯料旋转，同时旋压轮从毛坯一侧将材 料挤压在旋转的芯模上，使材料产生逐点连续的塑性变形， 从而获得各种母线形状的空心旋转体零件。旋压工艺的加 工原理如图2-1
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溶剂蒸发法 原理 将溶剂中的水蒸发逸出,使溶液处于过饱和状态,从而 使晶体生长有足够驱动力的晶体生长法。溶液蒸发法将溶 液制成小滴后进行快速蒸发得到粉体的方法，为了在溶剂 蒸发过程中保持溶液的均匀性，使液滴内组分偏析最小， 必须将溶液分散成极微小的液滴，而且应迅速进行蒸发。
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气流粉碎法 原理 气流粉碎是利用气流的能量进行粉碎的。 特点 经气流粉碎后的物料平均粒度细，粒度分布较窄， 颗粒表面光滑，颗粒形状规整，纯度高，活性大，分散性 好;可粉碎低熔点和热敏性材料及生物活性制品(因为气流 粉碎机以压缩空气为动力，压缩气体在喷嘴处的绝热膨胀 会使系统温度降低)。
（尤其含铁杂质），使之在化学组成、矿物组成、颗粒尺寸上 更符合原料的质量要求 。
物理方法：水选、筛选、磁选、超声波选 化学方法：溶解法、升华法 物理化学方法：电解法、浮选法
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(2) 配 料 根据制品的化学性能要求、生产工艺确定坯料
的组成； 根据原料的性质选择合适的原料； 根据特定的方法（如成分满足法）确定配方。
现代（特种）陶瓷——以人工合成化合物为原料制备， 用于技术和工程领域，如电子信息、能源、机械、化工、 动力、生物、航天航空和其它高新技术领域。
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传统陶瓷
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现代陶瓷
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现代陶瓷的分类
结构陶瓷——主要利用其热、机械、化学等 功能，有耐磨损材料、高强度材料、耐热材 料，硬质材料、耐冲击材料、低膨胀材料、 隔热材料等结构材料。
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(3)混合制备
a、粉碎
粒度分析、比表面测定和X射线衍射技术 影响研磨效果的因素：研磨工艺和设备、研磨时间、
强度和研磨介质。
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b、脱水 注浆料的含水量为30～35%时才能浇注成型 可塑泥料是采用压滤机脱水至含水量为20～25 ％ 压制粉料可分为：
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滚压成型 原理 滚压成型工艺主要是靠材料的塑性移动滚压加工成各 种形状复杂的轴杆、阀门芯和特殊紧固件等产品。滚压变形 是线接触，连续逐步地进行，所需变形力较小，一个行程可 生产一个或几个工件
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塑压成型 原理 塑压成型是将含水量20%左右的可塑坯料，置于特 殊的模型内，用金属或石膏模头加压而成型粗坯的一种方 法。这种成型方法已成功地用于压制鱼盘等异型产品。
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传统陶瓷和特种陶瓷的主要区别
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4.陶瓷材料性能介绍
力学性能 陶瓷材料是工程材料中刚度最好、硬度最高的材料，
其硬度大多在1500HV以上。陶瓷的抗压强度较高，但 抗拉强度较低，塑性和韧性很差。
热性能 陶瓷材料一般具有高的熔点（大多在2000℃以上），
且在高温下具有极好的化学稳定性；陶瓷的导热性低于 金属材料，陶瓷还是良好的隔热材料。同时陶瓷的线膨 胀系数比金属低，当温度发生变化时，陶瓷具有良好的 尺寸稳定性。
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2.1、陶瓷坯料的制备
坯料是指将陶瓷原料经筛选、破碎等工序后进 行配料，再经混合、细磨等工序后得到的具有 成型性能的多组分混合物。
坯料的制备过程可大致分为原料处理、配料、 混合制备三部分。
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陶瓷坯料的制备
（1） 原料处理 a、预烧——对原料进行的预先烧制 b、精选——对原料进行分离，提纯，除去原料中的各种杂质