第二章陶瓷材料及其製備工藝2.1概述2.2粉體的製備與表徵2.3配料及成形的原理與工藝2.4燒結原理及工藝2.5陶瓷燒結後處理與加工12-1 概 述陶瓷材料是由離子鍵或共價鍵結合的含有金屬和非金屬元素的複雜化合物和固溶體。 陶瓷材料是硬而脆的高熔點材料，具有低的導電性和導熱性、良好的化學穩定性和熱穩定性，以及較高的壓縮強度。 2圖2.1陶瓷的分類 3表2.1特種陶瓷與傳統陶瓷的主要區別 區別點傳統陶瓷特種陶瓷原料天然礦物原料人工精製合成原料（包括氧化物和非氧化物）成型注漿、可塑成型為主壓製、熱壓鑄、注射、軋膜、流延、等靜壓成型等為主燒成溫度一般在1350C以下，燃料以煤、油、氣為主結構陶瓷常需1600C左右高溫燒成功能陶瓷需據要求精確控制燒成溫度燃料以電、氣、油為主性能以外觀效果和強度為主以材料性能和使用效能為主，如耐磨、耐腐蝕、耐高溫、以及各種敏感特性加工一般不需加工常需切割、打孔、研磨和拋光用途炊具、餐具、建築、陳設品主要用於航太、能源、冶金、交通、電子、信息家用電器業4表2.2陶瓷按化學成分的分類及有代表性陶瓷材料 陶 瓷 類 別有代表性的主要陶瓷材料氧化物Al2O3、SiO2、MgO、BeO、ZrO2、TiO2、V2O5、MgAl2O4、3Al2O32SiO2、BaTiO3、CaTiO3、PZT、PbTiO3碳化物SiC、TiC、WC、B4C氮化物Si3N4、TiN、BN、AlN、C3N4硼化物TiB2、ZrB25陶瓷材料的特性與化學鍵陶瓷，其化學鍵是離子鍵和共價鍵。這種化學鍵有很強的方向性和很高的結合能。陶瓷材料很難產生塑性變形，脆性大，裂紋敏感性強，這對陶瓷（特別是結構陶瓷）的應用產生嚴重的影響。 6陶瓷材料製備工藝特點陶瓷材料製備是採用粉末冶金工藝，材料的製備與製品工藝一體化 。72-2 粉體的製備與表徵粉體品質對陶瓷性能的影響粉體是指大量固體顆粒的集合體。粉體的特性對陶瓷材料的性能有很大的影響。如粉體的粒徑、形狀、團聚狀態、化學組成、結晶學性質、表面狀態等對製品的性能是至關重要的。粉末顆粒形狀、尺寸分佈及相結構對陶瓷的性能也有著顯著的影響。 8粉體的製備方法 1. 粉體的物理製備方法 傳統陶瓷原料多採用機械粉碎方法製備。粉碎設備有球磨、振動磨、攪拌磨、行星磨、氣流磨等機械。物理氣相沉積(PVD)法也屬於製粉的物理方法。 2. 粉體的化學製備方法 l(1)液相法 9lA.化學共沉澱法 lB.溶膠凝膠法 lC.噴霧熱分解法 10l(2)氣相法 圖2.2CVD方法原理及氣相沉積產物示意圖11粉體的粒子學特性 粉體的粒子學特性包括粉體粒徑、粒徑分佈、粒子形狀、密度、微孔分佈、流動性、堆積密度等。 l1.粒徑減小使材料的熔點降低 lT為塊狀物質的熔點(T)與超細粒子的熔點之差；為固液界面的表面張力；為密度；L為塊狀物質的熔化潛熱；D為粒子直徑。 12l2.粒徑減小使材料的蒸汽壓上升 lln(P/P)=2M/(RTCD) lP和P分別表示超細粒子和塊狀物質的蒸氣壓；M為摩爾質量；R為摩爾氣體常量；Tc為熱力學溫度。 13表2.3氧化錫粉體的表面能、比表面積、表面原子百分數與粒徑的關係粒徑nm原子總數個表面原子%表面能Es(J/mol)q比表面積(M2/g)22.5102802.0410535.345254103408.1610414.1181103104204.081047.690.3100310724.081030.89.031000310100.24.081020.10.903Q為表面能Es與總能量之比值14粉體性能表徵 1. 粉體的粒度2. 比表面積和等比表面積當量粒徑DBET a為形狀係數，當粉體為等軸狀時，a=6；為粉體密度。比表面積S15表2.4陶瓷粉料的表徵內容及所用儀器 163. 粉體的粒度分佈 圖2.3粉體粒度頻率分佈曲線圖 17式中，n為粒度間隔的數目；fdi 為顆粒在該粒度間隔的個數；Di為這一間隔內的平均粒徑。182-3 配料及成形的原理與工藝配方的計算方法主要有兩種 l(1)已知化學計量的配料計算 l(2)根據化學成分的配料計算 19例1已知某壓電陶瓷的化學計量式為Pb0.95Sr0.05(Zr0.50Ti0.50)O3+0.5wt%Cr2O3+0.3wt%Fe2O3其中wt%表示添加雜質量占主配方的重量百分比。由於在含鉛壓電陶瓷的製備過程中，鉛有揮發，根據經驗，需多加鉛1.5wt%。當採用的原料和純度為表2.5所列時，計算該壓電陶瓷坯體的配料比。20表2.5製備某壓電陶瓷採用的原料及純度 名稱鉛丹碳酸鍶二氧化鋯二氧化鈦三氧化二鐵三氧化二鉻分子式Pb3O4SrCO3ZrO2TiO2Fe2O3Cr2O3純度%989799.59998.99921表2.6由給定的化學計量式算出的每摩爾坯料中各氧化物的重量及總量22表2.7由給定的化學計量式和實際原料的純度計算出各原料稱量百分比原料 Pb3O4SrCO3ZrO2TiO2Fe2O3Cr2O3合計稱 量 百 分 比 66.822.2418.2911.910.280.47100.0123混料混料中一般應注意以下兩個問題： l1.加料程序 l2.混料磨介的使用 24塑化與造粒塑化（plastification）就是指利用塑化劑，使原料坯料具有可塑性，而可塑性是指坯料在外力的作用下發生無裂紋的變形。塑化劑一般有兩類：一類是無機塑化劑另一類是有機塑化劑。 造粒就是在較細的原料中加入塑化劑，製成粒度較粗、具有一定假顆粒度級配、流動性較好的粒子，因而造粒有時又叫糰粒。造粒方法可以分為一般造粒法、加壓造粒法、噴霧造粒法、冷凍乾燥法等。 25成形陶瓷粉體、坯料（泥料）進一步加工成坯體的這一過程稱為成形。 l1.乾壓成形 圖2.4乾壓成形過程示意圖1.粉體造粒；2.模具充填；3.單軸向加壓；4.脫模262. 等靜壓成形 圖2.5等靜壓成形系統構造圖273. 熱壓鑄成形 4. 塑性成形 圖2.6棒(a)和管材(b)的擠製成形示意圖28圖2.7軋膜成形示意圖295. 流延法（帶式）成形 (a)刮刀工藝(b)帶式淺注工藝圖2.8流延法成形示意圖(a)刮刀工藝；(b)帶式澆注工藝302-4 燒結原理及工藝燒結是陶瓷坯體在高溫下的緻密化過程和現象的總稱。 31燒結過程分析圖2.9陶瓷燒結示意圖(a)顆粒間的鬆散接觸；(b)顆粒之間形成頸部；(c)晶界向小晶粒方向移動並逐漸消失，晶粒逐漸長大；(d)顆粒互相堆積形成多晶聚合體32陶瓷的燒結類型可以分為氣相燒結、固相燒結、液相燒結三類。 陶瓷的燒結過程一般分為五個階段：l(1)低溫階段（室溫至300左右） l(2)中溫階段（亦稱分解氧化階段，300 至950C） l(3)高溫階段（950C至燒成溫度） l(4)保溫階段 l(5)冷卻階段 33影響燒結的幾個因素燒結速度和燒結的充分程度與燒結時間、粉體顆粒半徑等氣泡和晶界、雜質及添加劑、燒結氣氛等，也會對燒結產生影響。添加劑可以分為燒結促進劑、燒結阻滯劑、反應接觸劑或礦化劑等幾類。 燒結氣氛可分為氧化性氣氛、中性氣氛、還原性氣氛。 34常壓燒結常壓燒結是指在大氣中燒結，即不抽真空、不加壓力、也不加任何保護氣氛在電阻爐中進行燒結，因而常壓燒結又稱為無壓燒結。 35熱壓燒結熱壓(HP)燒結是指在給素坯加熱的同時進行加壓，以增大粉體顆粒間的接觸應力，加大緻密化的動力，使顆粒通過塑性流動進行重新排列，改善堆積狀況。 36熱等靜壓燒結熱等靜壓(HIP)燒結工藝是將粉體素坯或將裝入包套的粉料放入高壓容器中，在高溫和勻衡壓力的作用下，將其燒結為緻密的陶瓷體。37氣氛燒結防止製品在燒結過程中氧化，保證製品的成分、結構和性能，需在爐膛內通入一定量的某種氣體。這種在特定氣氛下進行的燒結稱為“氣氛燒結”。 38反應燒結反應燒結是通過多孔坯體同氣相或液相發生化學反應，使坯體質量增加，孔隙減少，並燒結成具有一定強度和尺寸精度的成品的一種燒結工藝。 392-5 陶瓷燒結後處理與加工常見的後續加工處理方式主要有表面施釉、機械加工及表面金屬化。 40陶瓷表面的施釉按照功能的差別，可以將釉分為裝飾釉、粘合釉、光潔釉等。釉的功能比較多，除了一些直觀效果外，還有：l(1)提高瓷件的機械強度與耐熱衝擊性能；l(2)防止工件表面的低壓放電；l(3)使瓷件的防潮功能提高。 施釉工藝包括釉漿製備、塗釉、燒釉三個過程。 41陶瓷燒結後的機械加工對陶瓷進行機械加工的目的，可以使陶瓷製件適應尺寸公差的要求，也可以改善陶瓷製件表面的光潔度或去除表面的缺陷。常用的加工手段有磨削加工、激光加工、超聲波加工等。 物理加工方法還有熱鍛、熱擠和熱軋、離子束加工等。 學加工方法，如化學刻蝕、放電加工等。 42陶瓷的金屬化和封接為了滿足電性能的需要或實現陶瓷與金屬的封接，需要在陶瓷表面牢固地塗敷或蒸鍍一層金屬薄膜，該過程就叫做陶瓷的金屬化。常見的塗敷式陶瓷金屬化方法有被銀法、電鍍法和絲網印刷法等。陶瓷與金屬的封接形式主要有對封、壓封和穿封等。封接方式包括玻璃釉封接、金屬焊接封接、活化金屬封接、激光焊接、固相封接等。 43