第八章陶瓷材料2.ppt
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1、陶瓷 (ceramics),陶瓷 (ceramics),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。,陶瓷 (ceramics),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。 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。,陶瓷材料ceramics,先进陶瓷(Advanced ceramics) 精细
2、陶瓷(Fine ceramics) 工程陶瓷(Engineering ceramics) 新型陶瓷(New ceramics) 近代陶瓷(Modern ceramics) 高技术陶瓷(High Technology ceramics) 高性能陶瓷(High Performance ceramics) 特种陶瓷(Special ceramics),特种陶瓷的名称,特种陶瓷和传统陶瓷的主要区别,特种陶瓷的分类,结构陶瓷主要利用其热、机械、化学功能,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。 功能陶瓷利用其电、磁、声、光、催化、生物化学等功能,其中最主
3、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。,无机非金属材料的基本属性,化学健主要是离子键、共价健以及它们的混合键; 硬而脆、韧性低、抗压不抗拉、对缺陷敏感; 熔点高,具有优良的耐高温和化学稳定性; 一般自由电子数目少、导热性和导电性较小; 耐化学腐蚀性好; 耐磨损。,(1) 陶瓷材料的组成与结合键 陶瓷是金属和非金属元素组成的化合物。当含有一种以上的化合物时,其晶体结构可能变得非常复杂。陶瓷晶体是以离子键和共价键为主要结合键,一般为两种以上的不同键合的混合形式。,陶瓷材料的结构特点,陶瓷材料离子键和共价键的
4、混合比,(2)陶瓷材料的显微结构 陶瓷材料由晶相、玻璃相、气相组成。 晶相是陶瓷材料的主要组成相,决定陶瓷材料的物理化学特性。 玻璃相是非晶态低熔点固体相,起粘结晶相,填充气孔,降低烧结温度等作用。 气相和气孔是陶瓷材料在制备过程中不可避免留下的。气孔率增大,陶瓷材料的致密度降低,强度和硬度下降。,陶瓷材料的结构特点,粘 土,粘土是多种微细的矿物的混合体,其矿物的粒径多数小于2m,主要是由粘土矿物和其他矿物组成的并且具有一定特性的(其中主要是可塑性)土状岩石。 主要化学组成:SiO2,Al2O3,少量K2O,Na2O CaO,MgO:为碳酸盐杂质矿物(方解石,菱镁矿)在高温下分解的产物,起熔剂
5、作用,能降低陶瓷烧成温度。 有害杂质:Fe2O3,TiO2,烧成时产生膨胀的缺陷,影响瓷体的电绝缘性,并使瓷体染色。,粘土矿多具有层状结构,其结构基础是数层硅氧四面体组成的(Si2O5)n层和一层铝氧八面体组成的AlO(OH)2层构成一单元层。,粘土的可塑性是陶瓷坯泥服从成型的基础。 粘土使注浆泥料与釉料具有悬浮性与稳定性。 粘土一般呈细分散颗粒,同时具有结合性。 粘土是陶瓷坯体烧结时的主体,粘土中的Al2O3含量和杂质含量是决定陶瓷坯体的烧结程度,烧结温度和软化温度的主要因素。 粘土是形成陶器主体结构和瓷器中莫来石晶体的主要来源。,粘土在陶瓷生产中的作用,长 石,长石是地壳上分布广泛的造岩矿
6、物。它呈架状硅酸盐结构,化学成分为不含水的碱金属与碱土金属铝硅酸盐,主要是钾,钙,钠和少量钡的铝硅酸盐,有时含有微量的铯,锶等金属离子,晶粒粗大。 根据架状硅酸盐的结构特点,长石主要有四种基本类型:钠长石,钾长石,钙长石和钡长石。,长石在高温下熔融形成粘稠的玻璃熔体是坯料中碱金属氧化物(K2O,Na2O)的主要来源,能降低陶瓷坯体组分的熔化温度,有利于成瓷和降低烧成温度。 熔融后的长石熔体能熔解部分高岭土分解产物和石英颗粒。液相中Al2O3和SiO2相互作用,促进莫来石晶体的形成和长大,赋予了坯体的力学性能和化学稳定性。 长石熔体能填充于各结晶颗粒之间,有助于坯体致密和减少空隙。 在釉料中长石
7、是主要熔剂。 长石作为瘠性原料,在生坯中还可以缩短坯体干燥时间,减少坯体的干燥收缩和变形等。,长石的作用,种类: 自然界中的二氧化硅结晶矿物可以统称为石英。最纯的石英晶体统称为水晶。陶瓷工业中常用的石英类原料和材料有:脉石英、砂岩、石英岩、石英砂、燧石和硅藻土。 性质:外观视其种类不同而异,有的呈乳白色,有的呈半透明灰白状态,表面具有玻璃光泽或脂肪光泽,莫氏硬度值为7,相对密度因晶型而异。石英的主要成分为SiO2,常含有少量杂质成分,如Al2O3,Fe2O3,CaO,MgO,TiO2等。,石 英,在烧成前是瘠性原料,可对泥料的可塑性起调节作用,能降低坯体的干燥收缩,缩短干燥时间并防止坯体变形。
8、 在烧成时石英的加热膨胀可部分地抵消坯体收缩的影响,防止坯体发生软化变形等缺陷。 在瓷器中,合理的石英颗粒能大大提高瓷器坯体的强度。同时,石英也能使瓷坯的透光度和白度得到改善。 在釉料中二氧化硅是生成玻璃质的主要组分,增加釉料中石英含量能提高釉的熔融温度与粘度,并减少釉的膨胀系数,同时它是赋予釉以高的力学强度,硬度,耐磨性和耐化学侵蚀性的主要因素。,石英在陶瓷生产中的作用,特种陶瓷原料,(1)化工原料 氧化物类:氧化铝、氧化锆、氧化钛、氧化锌、铅丹(氧化铅)、稀土类、着色类 各种盐类:硼化合物(硼酸、硼砂)、碳酸盐(碳酸钾、碳酸钠、碳酸钡)、硫酸盐(硫酸钠、硫酸钡)、硝酸盐(硝酸钾、硝酸钠)
9、(2)合成原料 氧化物:莫来石(3Al2O32SiO2)、堇青石(Mg2Al3AlSi5O18) 碳化物:碳化硅(SiC)、碳化钛(TiC)、碳化钨(WC)、石墨 氮化物:氮化硅(Si3N4)、氮化铝(AlN)、氮化硼(BN) 钛酸盐:钛酸钡(BaTiO3),陶瓷材料的制备工艺,1、陶瓷坯料的制备 2、成型 3、釉制备及施釉 4、干燥 5、烧成,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。,1、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
10、离,提纯,除去原料中的各种杂质(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 ( 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。,陶瓷坯料的制备,(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。 b、脱水 注浆料的含水量为3035%时才能浇注成型 可塑泥料是采用压滤机脱水至含水量为2025 压制粉料可分
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