陶瓷制备以及加工工艺学习.ppt
《陶瓷制备以及加工工艺学习.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《陶瓷制备以及加工工艺学习.ppt(102页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、第7章 陶瓷制备与加工工艺,李保强 ,2019/9/29,7.1 陶瓷原料,粘土(clay)是一种颜色多样、细分散的多种含水铝硅酸盐矿物的混合体,其矿物粒径一般小于2 m,主要由粘土矿物以及其它一些杂质矿物组成。,(二)粘土的组成,粘土的性能取决于粘土的组成,包括粘土的矿物组成、化学组成和颗粒组成。,1、粘土的化学组成,主要化学成分为SiO2、A12O3和结晶水(H2O)。,风化残积型粘土矿床一般SiO2含量高,而A12O3含量低。,含有少量的碱金属氧化物K2O、Na2O,碱土金属氧化物CaO、MgO,以及着色氧化物Fe2O3、TiO2等。,2019/9/29,化学组成在一定程度上反映其工艺性
2、质。 (1)SiO2 :若以石英状态存在的SiO2多时,粘土可塑性降低,但是干 燥后烧成收缩小。 (2)Al2O3 :含量多,耐火度增高,难烧结。 (3)Fe2O31 ,TiO2 0.5 :瓷制品呈白色,含量过高,颜色变深,还影响电绝缘性。 (4)CaO、MgO、K2O、Na2O:降低烧结温度,缩小烧结范围。 (5) H2O、有机质:可提高可塑性,但收缩大。,2019/9/29,2.粘土的矿物组成,粘土很少由单一矿物组成,而是多种微细矿物的混合体。因此,粘土所含各种微细矿物的种类和数量是决定其工艺性能的主要因素。,粘土矿物主要为高岭石类(包括高岭石、多水高岭石等)、蒙脱石类(包括蒙脱石、叶蜡石
3、等)和伊利石类(也称水云母)等等。,高岭石,叶腊石,伊利石,2019/9/29,a高岭石类(Kaolinite) 高岭石族矿物包括高岭石、地开石、珍珠陶土和多水高岭石等。高岭石是粘土中常见的粘土矿物,主要由高岭石组成的粘土称为高岭土。,b蒙脱石类 蒙脱石(Montmorillonite)也是一种常见的粘土矿物,以蒙脱石为主要组成矿物的粘土称为膨润土(bentonite),一般呈白色、灰白色、粉红色或淡黄色,被杂质污染时呈现其它颜色。,c 伊利石类 伊利石是白云母经强烈的化学风化作用而转变为蒙脱石或高岭石过程中的中间产物。组成成分与白云母相似,但比正常的白云母多SiO2和H2O而少K2O。与高岭
4、石比较,伊利石含K2O较多而含H2O较少。,2019/9/29,(三)粘土的工艺性质,1.可塑性 可塑性是指粘土粉碎后用适量的水调和、混练后捏成泥团,在一定外力的作用下可以任意改变其形状而不发生开裂,除去外力后,仍能保持受力时的形状的性能。 粘土中含有的不同大小颗粒的体积百分比含量。1um的细颗粒愈多,则可塑性愈强,干燥收缩大,干后强度高, 而且烧结温度低,(比表面积大,表面能高)片状比杆状堆积面积大,塑性大,强度高。 2.结合性 粘土的结合性是指粘土能结合非塑性原料形成良好的可塑泥团、有一定干燥强度的能力。 3.离子交换性 粘土颗粒带有电荷,其来源是其表面层的断键和晶格内部被取代的离子,因此
5、必须吸附其它异号离子来补偿其电价,粘土的这种性质称为离子交换性。 4.触变性 粘土泥浆或可塑泥团受到振动或搅拌时,粘度会降低而流动性增加,静置后又能逐渐恢复原状。反之,相同的泥料放置一段时间后,在维持原有水分的情况下会增加粘度,出现变稠和固化现象。上述情况可以重复无数次。粘土的上述性质统称为触变性,也称为稠化性。,2019/9/29,5.膨胀性 膨胀性是指粘土吸水后体积增大的现象。这是由于粘土在吸附力、渗透力、毛细管力的作用,水分进入粘土晶层之间、或者胶团之间所致,因此可分为内膨胀性与外膨胀性两种。 6.收缩 粘土泥料干燥时,因包围在粘土颗粒间的水分蒸发、颗粒相互靠拢而引起的体积收缩,称为干燥
6、收缩。粘土泥料煅烧时,由于发生一系列的物理化学变化(如脱水作用、分解作用、莫来石的生成、易熔杂质的熔化,以及熔化物充满质点间空隙等等),因而使粘土再度产生的收缩,称为烧成收缩。这两种收缩构成粘土泥料的总收缩。 7.烧结性能 通指粘土在烧结过程中所表现出的各种物理化学变化及性能。 8.耐火度 耐火度是耐火材料的重要技术指标之一,它表征材料无荷重时抵抗高温作用而不熔化的性能。,2019/9/29,(四)粘土在陶瓷生产中的作用,1.粘土的可塑性是陶瓷坯泥赖以成型的基础。 2.粘土使注浆泥料与釉料具有悬浮性与稳定性。 3.粘土一般呈细分散颗粒,同时具有结合性。 4.粘土是陶瓷坯体烧结时的主体。 5.粘
7、土是形成陶器主体结构和瓷器中莫来石晶体的主要来源。,2019/9/29,第二节 石英类原料,(一)石英矿石的类型,二氧化硅(SiO2)在地壳中的丰度约为60。含二氧化硅的矿物种类很多,部分以硅酸盐化合物的状态存在,构成各种矿物、岩石。另一部分则以独立状态存在,成为单独的矿物实体,其中结晶态二氧化硅统称为石英。由于经历的地质作用及成矿条件不同,石英呈现多种状态,并有不同的纯度。 a.水晶 b.脉石英 c.砂岩 d.石英岩 e.石英砂,2019/9/29,石英,水晶结晶良好的 石英,水晶结晶良好的石英,2019/9/29,(二)石英的性质,石英的主要化学成分为SiO2,但是常含有少量的Al2O3、
8、Fe2O3、CaO、MgO、TiO2等杂质成分。 二氧化硅在常压下有七种结晶态和一个玻璃态。它们是-石英、-石英;-鳞石英、-鳞石英、-鳞石英;-方石英、-方石英。 石英具有很强耐酸侵蚀能力(氢氟酸除外),但与碱性物质接触时能起反应而生成可溶性的硅酸盐。高温下,石英易与碱金属氧化物作用生成硅酸盐与玻璃态物质。 石英材料的熔融温度范围取决于二氧化硅的形态和杂质的含量。,2019/9/29,(三)石英的晶型转化,石英的晶型转化类型有两种: (1)高温型的缓慢转化 (2)低温型的快速转化,石英晶型转化图释,2019/9/29,(四)石英在陶瓷生产中的作用,1. 石英是瘠性原料,可对泥料的可塑性起调节
9、作用。 2. 在陶瓷烧成时 ,石英影响陶瓷坏体的体积收缩。 3. 在瓷器中,石英对坯体的力学强度有着很大的影响 。 4. 石英对陶瓷釉料的性能有很大影响。,2019/9/29,第五节 新型陶瓷原料,(一)氧化物原料 1.氧化铝(Al2O3) a.氧化铝的晶型转变,氧化铝的晶型转变示意图,2019/9/29,b.Al2O3原料的制备 制取氧化铝的方法是澳大利亚的化学家拜耳(Karl Joseph Bayer)于18891892年发明的。,制取工业Al2O3的原料为铝土矿,主要步骤为:烧结、溶出、脱硅、分解和煅烧 。,氧化铝粉体,2019/9/29,2.氧化镁(MgO) MgO属立方晶系NaCl型
10、结构,熔点2800,密度3. 58 g/cm3。 MgO化学活性强,易溶于酸,水化能力大,因此制造MgO陶瓷时必须考 虑原料的这种特性。 MgO在空气中容易吸潮水化生成Mg(OH)2,在制造及使用过程中部必须注意。,2019/9/29,3.氧化铍(BeO) 氧化铍(BeO)晶体为无色,属六方晶系,晶体很稳定,很致密,且无晶形转变。 BeO具有与金属相近的导热系数,约为309.34W(mK),是Al2O3的1520倍。BeO具有好的高温电绝缘性能,BeO热膨胀系数不大。 因此,利用BeO制备的BeO陶瓷可用来作散热器件、熔炼稀有金属和高纯金属Be、Pt、V等的坩埚、磁流体发电通道的冷壁材料、高温
11、比体积电阻高的绝缘材料。 但是,BeO有剧毒,操作时必须注意防护,经烧结的BeO陶瓷是无毒 。,2019/9/29,4.氧化锆(ZrO2) a. ZrO2的性质与晶型转变,2019/9/29,b. ZrO2粉末的制备 氯化、热分解法 反应式如下: ZrO2SiO2 + 4C + 4Cl2 = ZrCl4 + SiCl4 + 4CO 碱金属氯化物分解法 其反应式如下: ZrO2SiO2 + 4NaOH = Na2ZrO3 + Na2SiO3 +2H2O ZrO2SiO2 + Na2CO3 = Na2ZrSiO5 + CO2 ZrO2SiO2 + 2Na2CO3 = Na2ZrO3 + Na2Si
12、O3 + 2CO2,2019/9/29,(二)碳化物类原料,1.碳化硅 a.SiC的晶型与性质 SiC为共价键化合物,属金刚石型结构,有多种变体。 SiC 具有稳定的晶体结构和化学特性,以及非常高的硬度 等性能。 b.SiC原料的合成 合成SiC的方法有二氧化硅碳热还原法、碳硅直接合成法、气相沉积法、聚合物热分解法等。,2019/9/29,2.碳化硼 a. 碳化硼(B4C)为六方晶系,其晶胞中碳原子构成的链位于立体对角线上,同时碳原子处于充分活动的状态。 具有高导热、高硬度和高耐磨性,其硬度仅次于金刚石和立方BN还具有高的抗酸性与抗碱性。 b. B4C粉末的合成 B4C原料粉末的主要合成方法有
13、:硼碳元素直接合成法、硼酐碳热还原法、镁热法、BN+碳还原法、BCl3的固相碳化和气相沉积。,2019/9/29,(三)氮化物原料,1.氮化硅 氮化硅(Si3N4)是共价键化合物,它有两种晶型,即- Si3N4和- Si3N4 ,两者均属六方晶系。 Si3N4的化学稳定性很好。 氮化硅具有优良的抗氧化性能。 在常压下, Si3N4没有熔点,而是于1870左右直接分解。 主要采用:硅的直接氮化法(固-气);二氧化硅还原法(固-气);热分解法(液相界面反应法);气相合成法(气-气)等方法制备。,2019/9/29,Si3N4粉末的制备方法,2019/9/29,2.氮化铝 氮化铝(AlN)是共价键化
14、合物,属于六方晶系,纤维锌矿型结构,白色或灰白色,密度3.26g/cm3,无熔点,在2450下升华分解,为一种高温耐火材料,热硬度很高,即使在分解温度前也不软化变形。 AlN粉末主要是通过反应法合成。,2019/9/29,粉体(Powder),就是大量固体粒子的集合系。它表示物质的一种存在状态,既不同于气体、液体,也不完全同于固体。 粒径是粉体最重要的物理性能,对粉体的比表面积、可压缩性、流动性和工艺性能有重要影响。 粉体的制备方法一般可分为粉碎法和合成法两种。,7.2 粉体的制备与合成,2019/9/29,一、粉体颗粒 粉体颗粒指在物质的结构不发生改变的情况下,分散或细化得到的固态基 本颗粒
15、。 一次颗粒指没有堆积、絮联等结构的最小单元的颗粒。 二次颗粒指存在有在一定程度上团聚了的颗粒。 团聚一次颗粒之间由于各种力的作用而聚集在一起称为二次颗粒的现象。,团聚的原因: (1)分子间的范德华引力; (2)颗粒间的静电引力; (3)吸附水分产生的毛细管力; (4)颗粒间的磁引力; (5)颗粒表面不平滑引起的机械纠缠力。,7.2.1 粉体的物理性能及其表征,1. 粉体的粒度与粒度分布,2019/9/29,粒度颗粒在空间范围所占大小的线性尺寸。 粒度的表示方法:体积直径,Stokes直径等。 体积直径某种颗粒所具有的体积用同样体积的球来与之相当,这种球的直径,就代表该颗粒的大小,即体积直径。
16、 斯托克斯径也称为等沉降速度相当径,斯托克斯假设:当速度达到极限值时,在无限大范围的粘性流体中沉降的球体颗粒的阻力,完全由流体的粘滞力所致。这时可用下式表示沉降速度与球径的关系: 由此式确定的颗粒直径即为斯托克斯直径。,二、粉体颗粒的粒度,2019/9/29,三、粉体颗粒的粒度分布,粒度分布:分为频率分布和累积分布,常见的表达形式有粒度分布曲线、平均粒径、标准偏差、分布宽度等。 频率分布表示与各个粒径相对应的粒子占全部颗粒的百分含量。 累积分布表示小于或大于某一粒径的粒子占全部颗粒的百分含量,累积分布是频率分布的积分形式。 粒度分布曲线:包括累积分布曲线和频率分布曲线。,2019/9/29,粒
17、度分布曲线,频率分布曲线,累积分布曲线,2019/9/29,四、粉体颗粒的测试方法及原理,2019/9/29,续表,2019/9/29,五、 颗粒形状、表面积和扫描技术,获取颗粒形貌的主要目的是获取颗粒反应活性的信息,要准确知道颗粒尺寸、颗粒尺寸分布、总的表面积和颗粒的体积分布等变量。还可以根据颗粒尺寸分布状况来判断烧成过程种收缩的影响因素,判断细颗粒的含量对烧成收缩的影响等。 有关的图象处理计数软件很多,如Kontron MOP和Leitz ASM,LEICA等。 描述粒径分布的方式:一是将获得的数据拟合成标准的函数分布(标准分布、对数标准分布);另一种方法是利用绘图来表示有关结果。,201
18、9/9/29,7.2.3 粉体颗粒的化学表征,一、 粉体化学成分确定 (1) 分析化学方法 (2) X射线荧光技术(X-ray fluorescence technique)(XRF) (3) 质谱(mass spectroscopy)(MS) (4) 中子激活分析(neutron activation analysis) (5) 电子微探针(electron probe microanalyzer)(EPMA) (6) 离子微探针(ion probe microanalyer)(IPMA) 上面所介绍的探针技术在样品内的穿透深度大约是1 m。,2019/9/29,二、表面化学成分,(1) X
19、射线质子发射谱(X-ray photoemission spectroscopy)(XPS)或化学分析电子(electron spectroscopy for chemical analysis)(ESCA) (2) 俄歇电子谱(Auger electron spectroscopy)(AES) (3) 二次离子质谱(secondary-ion mass spectrometry )(SIMS) (4) 扫描俄歇电子显微镜(scanning Auger microscopy)(SAM) (5)红外或拉曼光谱 表面分析要求电子束或离子束在样品内的传统深度小于200nm。,2019/9/29,2.
20、2.4 粉体颗粒晶态的表征,1. X射线衍射法(X-Ray Diffraction,XRD) 基本原理是利用X射线在晶体中的衍射现象必须满足布拉格(Bragg)公式: n=2dsin 具体的X射线衍射方法有劳厄法、转晶法、粉末法、衍射仪法等,其中常用于纳米陶瓷的方法为粉末法和衍射仪法。 2. 电子衍射法(E1ectron Diffraction) 电子衍射法与X射线法原理相同,遵循劳厄方程或布拉格方程所规定的衍射条件和几何关系。 电子衍射法包括以下几种:选区电子衍射、微束电于衍射、高分辨电子衍射、高分散性电子衍射、会聚束电子衍射等。,2019/9/29,7.3 机械法制备粉体,7.3.1 机械
21、冲击式粉碎(破碎),一、鄂式破碎机,(a) 简单摆动型 (b)复杂摆动摆动型 (c)综合摆动型,1-定颚;2-动颚;3-推动板;4-连杆;5-偏心轴;6-悬挂轴,主要用于块状料的前级处理。 设备结构简单,操作方便,产量高。,2019/9/29,二、圆锥破碎机,按用途可分为粗碎(旋回破碎机)和细碎(菌形破碎机)两种 按结构又可分为悬挂式和托轴式两种。,圆锥破碎机的优点是: 产能力大,破碎比大, 单位电耗低。 缺点是:构造复杂,投资费用大,检修维护较困难。,1-动锥;2-定锥;3-破碎后的物料;4-破碎腔,2019/9/29,三、锤式破碎机,锤式破碎机的主要工作部件为带有锤子的转子。通过高速转动的
22、锤子对物料的冲击作用进行粉碎。由于各种脆性物料的抗冲击性差,因此,在作用原理上这种破碎机是较合理的。 锤式破碎机的优点是生产能力高,破碎比大,电耗低,机械结构简单,紧凑轻便,投资费用少,管理方便。 缺点是:粉碎坚硬物料时锤子和篦条磨损较大,金属消耗较大,检修时间较长,需均匀喂料,粉碎粘湿物料时生产能力降低明显,甚至因堵塞而停机。为避免堵塞,被粉碎物料的含水量应不超过10%15。,2019/9/29,7.3.2 球磨粉碎,1-电动机;2-离合器操纵杆;3-减速器;4-摩擦离合器;5-大齿圈;6-筒身;7-加料口;8-端盖;9-旋塞阀;10-卸料管;11-主轴头;12-轴承座;13-机座;14-衬
23、板;15-研磨,当筒体旋转时带动研磨体旋转,靠离心力和摩擦力的作用,将磨球带到一定高度。当离心力小于其自身重量时,研磨体下落,冲击下部研体及筒壁,而介于其间的粉料便受到冲击和研磨。 球磨机对粉料的作用可以分成两个部分。一是研磨体之间和研磨体与筒体之间的研磨作用;二是研磨体下落时的冲击作用。 进料粒度为6mm,球磨细度为1.50.075 mm。,2019/9/29,影响粉碎效率因素,球磨机的转速; 研磨体的比重、大小及形状; 球磨方式(球磨方式有湿法和干法两种); 装料方式; 球磨机直径; 球磨机内衬的材质。,一般情况下用不同大小的瓷球研磨普通陶瓷坯料时,料:球:水的比例约为1: (1.52.0
24、): (0.81.2)。目前生产中趋向于增多磨球,减少水分,从而提高研磨效率的方法。,2019/9/29,7.3.3 行星式研磨,行星式研磨有以下显著特点: (1)进料粒度:980 m左右;出料粒度:小于74 m (最小粒 度可达0.5m)。 (2)球磨罐转速快(不为罐体尺寸所限制),球磨效率高。公转:37250 r/min,自转78527 r/min。 (3)结构紧凑,操作方便。密封取样,安全可靠,噪声低,无污染,无损耗。,2019/9/29,7.3.4 振动粉碎,粉碎原理:振动粉碎是利用研磨体在磨机内作高频振动而将物料粉碎的。 进料粒度一般在2mm以下,出料粒度小于60m (干磨最细粒度可
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 陶瓷 制备 以及 加工 工艺 学习
链接地址:https://www.31doc.com/p-3845722.html