功能陶瓷材料的合成與制備.pptVIP

第二章 功能陶瓷材料的合成與制備,陶瓷材料的特點(diǎn),陶瓷（Ceramics）是一類無機(jī)非金屬固體材料。陶瓷材料的形態(tài)可以分為單晶、燒結(jié)體、玻璃、復(fù)合體和結(jié)合體，這些形態(tài)各有利弊。例如，單晶具有精密功能，但成型加工困難，成本高，硬而脆。因此，要與樹脂進(jìn)行復(fù)核，再用纖維增強(qiáng)后使用。多晶陶瓷材料往往采用燒結(jié)方式成型。,陶瓷材料的分類,傳統(tǒng)陶瓷,精細(xì)陶瓷,瓷器、耐火材料、水泥、玻璃和研磨材料等,廣泛應(yīng)用在電子、能源諸多領(lǐng)域的耐熱性、機(jī)械強(qiáng)度、耐腐蝕性、絕緣性以及各種電磁優(yōu)越性能的新型陶瓷材料,2.1功能陶瓷概論,一、陶瓷研究的發(fā)展歷程,二、功能陶瓷的定義、范圍和分類,先進(jìn)陶瓷從性能上可分： 結(jié)構(gòu)陶瓷(structural ceramics) 功能陶瓷(functional ceramics) 結(jié)構(gòu)陶瓷：指具有力學(xué)和機(jī)械性能及部分熱學(xué)和化學(xué)功能的先進(jìn)陶瓷（現(xiàn)陶），特別適于高溫下使用的則稱為高溫結(jié)構(gòu)陶瓷。 功能陶瓷：指那些利用電、磁、聲、光、熱、力等直接效應(yīng)及其耦合效應(yīng)所提供的一種或多種性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)某種使用功能的先進(jìn)陶瓷（現(xiàn)陶）。,三、陶瓷的性能與工藝特征,四、功能陶瓷的應(yīng)用和展望1,功能陶瓷的不斷開發(fā)，對科學(xué)技術(shù)的發(fā)展起了巨大促進(jìn)作用，其應(yīng)用領(lǐng)域也隨之更為廣泛。目前主要用于電、磁、聲、光、熱 和化學(xué)等信息的檢測、轉(zhuǎn)換、傳輸、處理和存儲等，并已在電子信息、集成電路、計(jì)算機(jī)、能源工程、超聲換能、人工智能、生物工程等眾多近代領(lǐng)域顯示出廣泛的應(yīng)用前景。,據(jù)功陶組成結(jié)構(gòu)的易調(diào)性、可控性、可制出超高絕緣性、絕緣性、半導(dǎo)體、導(dǎo)電性和超導(dǎo)電性陶瓷；,據(jù)能量轉(zhuǎn)換和耦合特性，可制出壓電、光電、熱電、磁電和鐵電等陶瓷；,據(jù)對外場條件的敏感效應(yīng)，可制出熱敏、氣敏、濕敏、壓敏磁敏光敏等敏感陶瓷。,四、功能陶瓷的應(yīng)用和展望2,功能陶瓷今后在性能方面應(yīng)向高效能、高可靠性、低損耗、多功能、超高功能以及智能化方向發(fā)展。,在設(shè)備技術(shù)方面向著多層、多相、乃至超微細(xì)結(jié)構(gòu)的調(diào)控與復(fù)合、低溫活化燒結(jié)、立體布線、超細(xì)超純、薄膜技術(shù)等方向發(fā)展。,高溫超導(dǎo)氧化物陶瓷的發(fā)現(xiàn)，使功陶的研究形成了全球性的熱點(diǎn)，高溫超導(dǎo)陶瓷的研發(fā)為未來的技術(shù)革命帶來新的曙光。,一些功能陶瓷的應(yīng)用實(shí)例,2.2 功能陶瓷的制備工藝,2.2 .1 原料粉體,一、原料粉體的制備 原料粉體的制備方法,（一）固相法,1.機(jī)械粉磨法 機(jī)械粉磨即球磨。 球磨：就是在一個(gè)圓筒形容器（球磨罐）中，通過球磨介質(zhì)進(jìn)行的研磨。 當(dāng)球磨罐旋轉(zhuǎn)高于臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，將產(chǎn)生離心運(yùn)動，使球磨效率大大降低，臨界轉(zhuǎn)速 c可由下式求得：,在某一轉(zhuǎn)速下可能會發(fā)生滑落狀態(tài)。這取決于球磨罐的大小，填充物的性質(zhì)及數(shù)量。 通常轉(zhuǎn)速：干法為0.70.8 ； 濕法為0.50.65 球狀研磨體通常填充球磨罐的一半，剩余空間用于填充粉料。 干法：加入25（體積）粉料同時(shí)加入約1（質(zhì)量）潤滑劑（如硬脂酸或油酸）。 濕法：填充3040 （體積）粉料，并在液體介質(zhì)（如水、酒精）中加入1 （質(zhì)量）的分散劑，球磨時(shí)間較長，有時(shí)甚至長達(dá)100h。,研磨介質(zhì)： 通常為具有良好耐磨性的瑪瑙（礦物SiO2)。但密度低（2.2g/cm3)。 其它的有瓷球（2.3g/cm3)、氧化鋁球（3.8/cm3)、氧化鋯球（5.6g/cm3)、鋼球（7.7g/cm3)或硬質(zhì)合金（WC-CO15.6g/cm3),后兩種金屬磨介會使粉料中引入大量金屬雜質(zhì)，可通過酸洗除雜。,2.固相反應(yīng)法,固相反應(yīng)法：是將金屬鹽或金屬氧化物按一定比例充分混合、研磨后進(jìn)行煅燒，通過發(fā)生固相反應(yīng)直接制得粉體。 直接化合的固相反應(yīng)通式可表示為：Me+X MeX 式中， Me代表金屬元素；X代表非金屬元素。 目前，用碳化物直接發(fā)生固相反應(yīng)是制取碳化物粉末最主要的工業(yè)方法。常用金屬氧化物代替金屬，此時(shí)反應(yīng)通式變 為： MeO+2X MeX+XO 或在溫度較低時(shí)為： 2MeO+3X 2MeX+XO2 此法制備氮化物時(shí)，有時(shí)用NH3做氮化氣氛代替N2，反應(yīng)式變?yōu)椋?2Me+2NH3 2MeN+3H2 許多情況上式常有碳參加，表示為 2Me+ N2(或NH3)+2C 2MeN+2CO+(H2O +H2 ),兩種固態(tài)化合物粉直接反應(yīng)可生成復(fù)雜化合物粉。 例如： 最常見的BaTiO3就是將TiO2和BaCO3等物質(zhì)的量混合后在10001200 下煅燒，發(fā)生固相反應(yīng) TiO2BaCO3 BaTiO3CO2 合成的BaTiO3再進(jìn)行粉碎。,3.固相熱分解法,該法是利用金屬化合物的熱分解來制備陶瓷粉體。即 A(s) B(s) + C(g) 例如，硫酸鋁銨在空氣中加熱分解生成Al2O3、NH3、SO3和H2O，可獲得性能良好的Al2O3粉體，主要反應(yīng)如下： Al2(NH4)2(SO4)424H2O Al2 (SO4)3(NH4)2 SO4H2O+23H2O Al2 (SO4)3(NH4)2 SO4H2O Al2 (SO4)3 +2NH3+ SO3 +2H2O Al2 (SO4)3 - Al2O3 + 3SO3 - Al2O3 - Al2O3,200 ,500 600,800 900,1300 ,4.自蔓延高溫合成法 （Self-Propagating High-Temperature Synthesis,簡稱SHS）,自蔓延高溫合成；也稱燃燒合成，是一種快速高溫反應(yīng)過程。主要是利用生成化合物時(shí)放出的反應(yīng)熱，使合成反應(yīng)自維持下去直至反應(yīng)結(jié)束，從而在很短時(shí)間里合成出所需材料的一種方法。 特點(diǎn)：是利用外部提供的必要的能量誘發(fā)高放熱化學(xué)反應(yīng)體系局部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)（點(diǎn)燃）形成化學(xué)反應(yīng)前沿（燃燒波），此后化學(xué)反應(yīng)在自身放出熱量的支持下繼續(xù)進(jìn)行，表現(xiàn)為燃燒波蔓延至整個(gè)體系，最后合成所需材料。,SHS的工藝流程圖,前處理,燃燒 合成,后處理,原料 混合物,SHS產(chǎn)品,實(shí)例，TiC的合成：將一般純度的鈦粉和碳粉等原料按比例混合均勻，然后置于燃燒反應(yīng)釜中通電點(diǎn)火燃燒。只需數(shù)秒或數(shù)分鐘，需提供少許能量，可在空氣中進(jìn)行。,5.機(jī)械合金化 (Mechanochemical Synthesis),該法中，高能機(jī)械球磨起重要作用。 高能機(jī)械球磨是通過高能球磨的作用使不同的原料粉體相互作用形成化合物的方法。 將原料粉體在高能機(jī)械球磨機(jī)中經(jīng)機(jī)械力的反復(fù)作用，在球粉球和球粉容器的碰撞過程中，使不同粉體間充分混合，粉末顆粒發(fā)生強(qiáng)烈塑性變形，產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變，顆粒內(nèi)產(chǎn)生大量的缺陷，顯著降低元素的擴(kuò)散激活能，使得組元間在室溫下可顯著地進(jìn)行原子或離子擴(kuò)散；顆粒不斷冷焊、斷裂、組織細(xì)化，形成無數(shù)擴(kuò)散反應(yīng)耦，同時(shí)擴(kuò)散距離也大大縮短，并建立起破裂與冷焊之間的平衡，球磨過程中由于磨介的相互碰撞而產(chǎn)生大量熱，會激活鄰近的粉末，促進(jìn)某些化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，最后產(chǎn)生一個(gè)具有超細(xì)結(jié)構(gòu)的全新相。 球磨機(jī)有：攪拌式、行星式、振動式。 有時(shí)防止產(chǎn)生的新鮮表面被玷污或被氧化，需沖入惰性氣體保護(hù)，鋼球與粉料間的比例一般為（10:1）（20 : 1）。,（二）液相法,沉淀法是在原料溶液中加入適當(dāng)?shù)某恋韯?，使得原料溶液中的陽離子形成各種形式的沉淀物的方法。 沉淀顆粒的大小和形狀可由反應(yīng)條件來控制，然后再經(jīng)過過濾、洗滌、干燥，有時(shí)還需經(jīng)過加工分解等工藝過程得到陶瓷粉體。 可分直接沉淀、共沉淀和均勻沉淀。 直接沉淀：是使溶液中的某一金屬陽離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成沉淀物。 共沉淀法：一般是把化學(xué)原料以溶液狀態(tài)混合，并向溶液中加入適當(dāng)沉淀劑，使溶液中已經(jīng)混合均勻的各個(gè)組分按化學(xué)計(jì)量比共同沉淀出來，或在溶液中先反應(yīng)沉淀出一種中間產(chǎn)物，再把它煅燒分解。該法是制備含有兩種或兩種以上金屬元素的復(fù)合氧化物粉體的重要方法。,1.沉淀法,共沉淀法制備粉體的方法很多，比較成熟的有草酸鹽法和銨鹽法。 銨鹽法是采用氨水、碳酸氫銨或碳酸銨，使得溶液中的金屬離子成為碳酸鹽或氫氧化物沉淀出來。 采用氨水制備鈦酸鋇的主要化學(xué)反應(yīng)式為： TiCl4+BaCl2+6NH3H2O BaTi(OH)6 +6NH4Cl BaTi(OH)6 BaTiO3+3H2O,1200 ,均勻沉淀法： 在共沉淀法中，為了避免直接添加沉淀劑產(chǎn)生局部濃度不均，可在溶液中加入某種物質(zhì)，使之通過溶液中的化學(xué)反應(yīng)，緩慢地生成沉淀劑，在內(nèi)部生成的沉淀劑立即被消耗掉，所以沉淀劑的濃度可始終保持在很低的狀態(tài)，因此沉淀的純度高，這就是均勻沉淀法。 其代表性的試劑是尿素，它的水溶液 在70 左右發(fā)生水解反應(yīng) (NH2)2CO+3H2O 2NH4OH+CO2 生成的氫氧化銨起到沉淀劑的作用，可得金屬氫氧化物或鹽沉淀。,2.溶膠凝膠（Sol-gel)法,溶膠凝膠法：就是將金屬氧化物或氫氧化物的濃溶液變成凝膠，再將凝膠干燥后進(jìn)行煅燒，然后制得氧化物超微細(xì)粉的方法。 該法適于能形成溶膠且溶膠可轉(zhuǎn)化為凝膠的氧化物系。 （Sol-gel)方法的工藝原理 主要包括如下過程： （1）水解和聚合：將低粘度的先軀體均勻混合。該先軀體一般是金屬醇鹽或金屬鹽（有機(jī)或無機(jī)),他們發(fā)生水解和聚合反應(yīng)，可提供最終所需的金屬離子，在某些情況下，先軀體的一個(gè)組分可能就是一種氧化物溶膠。,金屬醇鹽的水解反應(yīng)一般可表示為： 與此同時(shí)，兩種聚合反應(yīng)也幾乎同時(shí)進(jìn)行。,（2）凝膠的形成 有三個(gè)主要步驟：a)單體聚合成初始粒子；b)初始粒子長大；c）粒子聯(lián)結(jié)成鍵，然后形成三維網(wǎng)絡(luò)。 （3）凝膠的干燥 就是除去水分、有機(jī)基團(tuán)和有機(jī)溶劑?？刂颇z的干燥過程是避免超細(xì)粉產(chǎn)生團(tuán)聚的關(guān)鍵。 一般采用抽真空干燥，可降低干燥溫度，得多孔分散且透氣性良好的超細(xì)粉末，稱為氣溶膠。 干燥時(shí)會出現(xiàn)：逐步收縮和硬化；應(yīng)力形成；破碎。 干凝膠實(shí)質(zhì)上是收縮了的或形狀改變了的濕凝膠。有三種模型可描述其結(jié)構(gòu)：塊狀、基本上尺寸相同的粒子聚集體；由原始粒子形成大氣孔粒子聚集體；原始粒子的二次聚集。 （4）煅燒 干凝膠中含有化學(xué)吸附的羥基和烷基團(tuán)，還有物理吸附的有機(jī)溶劑和水，必須通過煅燒來除去。,典型的溶膠凝膠工藝流程,3.溶劑蒸發(fā)法,溶劑蒸發(fā)法：可分噴霧干燥法、冷凍干燥法、酒精干燥法、熱煤油干燥法、噴霧熱分解法等。 1)噴霧干燥法：是將溶液分散成小液滴噴入熱風(fēng)中，使之迅速干燥的方法。 溶液中的水分蒸發(fā)后粉末下落，其中細(xì)粉可進(jìn)行旋風(fēng)分離和用氣體方法收塵（布袋收塵、淋洗等）,2)冷凍干燥法：是將金屬鹽的水溶液噴到低溫有機(jī)液體中，由于快速熱交換作用使溶液液滴瞬時(shí)冷凍成冰鹽共存的小固粒。然后在低溫低壓下使固粒中的溶劑升華、脫水，最后熱分解制得陶瓷粉體。,（三）氣相法,1.氣相化學(xué)反應(yīng)法 也叫化學(xué)氣相沉積法（Chemical Vapor Deposition,簡稱CVD法）是讓一種或幾種氣體在高溫下發(fā)生熱分解或氣體化學(xué)反應(yīng)，從氣相中析出超細(xì)粉體。 從氣相中析出的固體的形態(tài)是隨著反應(yīng)體系的種類、析出條件而變化的，如圖所示。析出物的形態(tài)有下列幾種：在固體表面上生成薄膜、晶須和晶粒，在氣體中生成粒子。,氣相中析出的固體的各種形態(tài),用氣相反應(yīng)合成超微粒子是在平衡常數(shù)大的條件下進(jìn)行的，原料金屬化合物的反應(yīng)率實(shí)質(zhì)可接近100。這時(shí)，氣相單位體積的粒子生成數(shù)N、粒子直徑D、氣相的金屬源濃度C0之間有如下關(guān)系 式中，M：為生成物的分子量（對1mol金屬源）； ：生成物密度 這樣，粒子的大小就由成核數(shù)與金屬源濃度之比決定。而成核速率又與反應(yīng)溫度和反應(yīng)氣體濃度有關(guān)，所以粒子的大小可由反應(yīng)氣體濃度得到控制。為此，CVD制備超細(xì)粉的先決條件是反應(yīng)體系中能均勻生成足夠數(shù)量的晶核。這需反應(yīng)物有足夠高的過飽和度，濃度必須相當(dāng)高，且氣體反應(yīng)產(chǎn)物應(yīng)能及時(shí)被移走；另外，體系平衡常數(shù)要高，某些體系中，可引入少量促進(jìn)晶核生成的物質(zhì)。 例如,引入百分之幾的水蒸氣可大大促進(jìn)反應(yīng) TiCl4O2 TiO2 2Cl2 中TiO2 的形核速率。,2.化學(xué)蒸發(fā)凝聚法,化學(xué)蒸發(fā)凝聚法（CVC)主要是通過有機(jī)高分子熱解獲得陶瓷超細(xì)粉體。 原理：利用高純惰性氣體為載體，攜帶有機(jī)高分子原料。例如，六甲基二硅烷進(jìn)入鉬絲爐，溫度為11001400 ，氣氛的壓力保持在1001000Pa的低氣壓狀態(tài)，在此環(huán)境下原料熱解形成團(tuán)簇進(jìn)一步凝聚成納米級顆粒，最后附著在一個(gè)內(nèi)部充滿液氮的轉(zhuǎn)動的襯底上，經(jīng)刮刀刮下進(jìn)行超細(xì)粉體的收集。,二、原料粉體的處理,1.粉料細(xì)度及其測定方法,沉降分析,比表面測定用BET法（標(biāo)準(zhǔn)N2吸附法）,自然沉降,離心沉降,D:顆粒直徑; :粘度； ：沉降速度； :液固顆粒間密度差；g:重力加速度 和 分別代表時(shí)間t=t和t=t0時(shí)顆粒位置半徑； :角頻率;,d:初始顆粒尺寸； : 密度 ; s:比表面積,先在適當(dāng)溫度（150300 ）下對粉料表面進(jìn)行脫氣，然后于液氮的蒸發(fā)溫度（77K）下，粉料表面吸附N2并測得吸附等溫線。已知每個(gè)N2分子覆蓋的表面積為0.162nm2。從單層吸附N2的總量就可計(jì)算出總的表面積。,實(shí)際生產(chǎn)中，粉料成型前需經(jīng)一個(gè)附加工藝環(huán)節(jié)，即混磨、消除團(tuán)聚和添加摻雜物。 添加摻雜物通常在混磨階段進(jìn)行。 最常用的磨細(xì)法是普通球磨， 其它混磨方式還有碾磨、振動磨和氣流磨。,2.粉料混磨,2.2 .2 成 型,一、粉體成型的添加劑 1. 溶劑：粉體成型使用的溶劑通常為水或有機(jī)溶劑。 除注漿成型外溶劑都溶成液體并作為溶液與粉體結(jié)合在一起。澆注成型中，該溶劑還為漿料提供流動性， 水常用于軋膜成型和擠出成型。 有機(jī)溶劑常用于流延成型。 常用有機(jī)溶劑有醇類（甲醇、乙醇和異丙醇）、酮類（丙酮、丁酮）、氯化烴氮（三氯乙烯）、甲苯、二甲苯、環(huán)已酮，以及兩種溶液的混合物。,2.添加劑 除溶劑外，在準(zhǔn)備用于成型的粉體中加入少量（1）添加劑，能改善粉體成型特性，從而提高壞體的堆積均勻性。 添加劑通常為有機(jī)高分子，可分四大類： 粘合劑、增塑劑、分散劑、潤滑劑,1）粘合劑（binder),粘合劑主要在顆粒間起橋鏈作用，用量很小。此時(shí)，幫助粉料成粒，獲得干壓成型的造粒料，并會增坯強(qiáng)度。 當(dāng)用量大時(shí)，起增塑劑作用（如注漿成型）。 在大多數(shù)成型法中，首要的添加物是黏合劑，許多有機(jī)物都能用作粘合劑，一部分能溶于水，另一部分可溶于有機(jī)溶劑。 合成的黏合劑包含聚乙烯(PVA)、聚丙烯(PAA)和聚環(huán)氧乙烷(PEO)等。二纖維素衍生物是一類天然的粘合劑，由改性的葡萄糖結(jié)構(gòu)的環(huán)狀單元構(gòu)成該聚合物分子。 當(dāng)溶劑和黏合劑種類選定后，需考慮黏合劑對溶劑的流變學(xué)影響。有機(jī)黏合劑會增大粘度，并改變其流動特征，甚至可能變?yōu)槟z狀態(tài)。,在流延成型和注射成型中黏合劑用量很大。而在流延成型中漿料還要有足夠低的粘度，以便有流動性，需要使用低粘度的黏合劑，因此廣泛采用低粘度等級的聚乙烯或聚丙烯。 對注射成型，黏合劑并不是溶解在液體中，而是直接混入粉體中，主要在成型中起到控制混合物塑性流動的作用。 黏合劑與其它成型添加物一樣，必須在燒結(jié)前能夠排除（分解或揮發(fā)）。,增塑劑可在固態(tài)或準(zhǔn)固態(tài)下軟化黏合劑，從而增加壞體的柔韌性（如在流延成型的坯帶）。其選用應(yīng)遵循粘合劑的選用原則，通常是低分子量的有機(jī)物。 在干性狀態(tài)下中，黏合劑與增塑劑均勻混合成單一物質(zhì)，增塑劑處于黏合劑的聚合鏈段之間，從而影響到鏈段的排列，并減弱相鄰鏈段之間的范德華結(jié)合力，這就起到軟化黏合劑的作用并減弱結(jié)合強(qiáng)度。 常用的有：水、亞乙基二醇、甘油、鄰苯二甲酸二丁酯等。 對于黏合劑作為溶劑的成型工藝中（流延成型），增塑劑必須溶解于黏合劑的相同液體中。,2）增塑劑（plasticizer),3）分散劑（dispersant),分散劑也稱抗絮凝劑（deflocculant),通過增加粉料顆粒間的排斥而穩(wěn)定漿料，從而影響漿料的粘度。通過靜電排斥或空間位阻排斥來穩(wěn)定漿料。 當(dāng)水作為溶劑時(shí)，可選無機(jī)分散劑（碳酸鈉、硼酸鈉等）和水溶性有機(jī)分散劑（聚丙烯酸鈉、檸檬酸鈉等）；對于水中靜電穩(wěn)定，可通過改變pH值或添加電解質(zhì)作為分散劑。 無論是水還是有機(jī)液體用作溶劑，分散劑都必須與黏合劑相溶。分散劑可改變黏合劑溶液的粘度，也會導(dǎo)致黏合劑的凝膠化或沉淀。,4）潤滑劑（lubricant),潤滑劑的作用在于減少粉料之間以及粉料與模具之間的摩擦力，從而均勻化粉料顆粒的堆積，并提高堆積密度。 潤滑劑在模壓、擠壓和注射成型中用于減少顆粒之間以及顆粒與模具之間的摩擦力。通常屬最后考慮的添加劑。 當(dāng)在模壓成型中使用造粒粉體時(shí)，潤滑劑一般在造粒之前與其它添加劑一起加入，也可在造粒后單獨(dú)加入粉粒之中。 常用的是硬脂酸鹽和蠟狀物質(zhì)。,5）其它添加物,在軋膜和流延成型中還會使用表面活性劑（或稱濕潤劑），其吸附在粉粒表面，并減小液體的表面張力，從而改善顆粒表面的濕潤性，使表面有更好的分散性。 加入分散劑或表面活性劑后球磨的漿料，會產(chǎn)生許多氣泡，需加入消泡劑來消除氣泡。 不同的成型方法采用不同的添加劑組合： 模壓成型使用黏合劑和潤滑劑； 等靜壓成型僅使用黏合劑； 軋膜成型用黏合劑和分散劑； 流延成型用黏合劑、增塑劑和分散劑； 擠出成型用黏合劑和潤滑劑； 注漿成型用黏合劑、增塑劑和潤滑劑,二、成型方法,（A）模壓成型,模壓成型是最常用的成型方法，是將陶瓷粉料放在鋼模模腔中，在一定的載荷（一般為40100MPa）下壓制成型，即壓制成坯體。,造粒：干壓法成型前，為增加粉料的可塑性和結(jié)合性，要對粉料進(jìn)行造粒處理。 步驟：將黏合劑配制成濃度510(質(zhì)量)的膠水，然后與陶瓷粉料按一定比例混合膠水用量為粉料干重的415 (質(zhì)量)，然后預(yù)壓成塊，最后經(jīng)粉碎、過篩得到具有一定大小的顆粒。,（一）壓制成型,模壓成型三個(gè)過程：,模具裝料 粉體壓實(shí) 坯體脫模,1）模具裝料 ：必須事先采用噴霧技術(shù)從漿料中制備粉體，從而獲得一定的顆粒大小、形狀及粒度分布，一般大于50m并具有較窄粒度分布的球形粉粒具有較好的流動性。另外，粉粒本身較大的堆積密度、粉粒之間以及粉粒與模具之間較小的摩擦力有利于獲得良好的模具裝料效果。 通常粉料經(jīng)過造粒后包含有聚乙烯醇黏合劑和聚乙二醇增塑劑以及硬脂酸鋅潤滑劑。,2）粉體壓實(shí),初期：粉粒的滑移和重排； 后期：通過顆粒的破碎而使小氣孔減少。對于含黏合劑的造粒粉體，壓實(shí)時(shí)的塑性變形也導(dǎo)致小氣孔的減少。還存在彈性壓縮，這往往會在坯體脫模時(shí)引起缺陷的形成。 經(jīng)驗(yàn)公式 Pln1/(1-) 式中，P施加的壓力； 坯體的相對密度； 和依賴于粉體性質(zhì)及其初始密度的常數(shù)。,3）坯體脫模,應(yīng)變恢復(fù)：當(dāng)外加壓力釋放后，坯體內(nèi)儲存的彈性能引起坯體膨脹，稱其為應(yīng)變恢復(fù)。 粉體的有機(jī)添加物較多和外應(yīng)力較大時(shí)一般會有較明顯的應(yīng)變恢復(fù)。盡管少量的應(yīng)變恢復(fù)有利于坯體從模具上分離，但過量則會導(dǎo)致缺陷。由于坯體與模具壁之間存在的摩擦力通常需施加外力才能脫模。添加適當(dāng)潤滑劑會有助于脫模的操作。,模壓成型特點(diǎn),1）操作簡單、效率高、 成本低 2）適用于形狀簡單、尺寸較小的部件 3）在干壓成型中，坯體密度不很均。,（B）等靜壓成型,冷等靜壓成型分為三種： 干袋法、濕袋法、均衡壓制法。,干袋法等靜壓成型示意,加壓橡皮模是固定在壓力油缸缸體內(nèi)的。粉料裝入成型橡皮模后，一起放入加壓橡皮模內(nèi)，或?qū)⒎哿蠌纳厦嫱ㄟ^進(jìn)料斗，送進(jìn)加壓橡皮模中，壓力施加在厚橡皮模具與剛性模芯之間，壓力釋放后坯體就可從模具中取出。,干袋法等靜壓成型操作示意,濕袋法等靜壓成型,濕袋法等靜壓成型：是將粉料裝入塑性模具內(nèi)，直接浸入高壓容器缸體中，與液體相接觸，然后加壓，壓力釋放后打開模具就可得到坯體。,粉末冷等靜壓成型的基本規(guī)律,（1）粉末壓制過程中的組織結(jié)構(gòu)變化： 壓制起始階段，粉末顆粒發(fā)生位移，如移位、分離、滑動、轉(zhuǎn)動等，此時(shí)顆粒一般仍處點(diǎn)接觸狀態(tài)。 隨壓力加大，接觸處產(chǎn)生變形，顆粒間孔隙逐漸減少，顆粒進(jìn)一步變形，接觸面增大，粉末的顆粒特性逐漸消逝。 最終，顆粒間基本上處于面接觸，整個(gè)粉末體呈現(xiàn)以體積彈性壓縮為主的變形特征。,（2）粉末成型壓坯密度與壓制壓力的關(guān)系,坯件密度與壓力不成直線關(guān)系，對脆性材料粉末而言，大致分四個(gè)階段： 一階段，隨壓力增加，密度增加很快，因粉末顆粒的位移，填充了顆粒間孔隙。 二階段，壓力提高而密度變化很小，因在第一階段孔隙已基本填滿。 三階段，隨壓力增加密度隨之上升，因粉末產(chǎn)生變形。 四階段，壓力繼續(xù)增加，密度基本上不再提高，因粉末顆粒變形到一定程度，出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象。,（3）坯件密度的分布,等靜壓成型，密度分布是均勻的，因各向受力相等。 鋼模壓制粉末時(shí)，坯件密度分布是不均勻的。單向加壓，接近壓頭上部密度最高，底部密度最低；雙向加壓，上下兩端密度最高，中間低。,原因：主要是由于粉末與鋼模間的摩擦造成的。外加壓力，一部分是使粉末位移、變形，從而使坯件密度增加的內(nèi)摩擦力；另一部分是克服粉末與模具內(nèi)壁之間的摩擦力，即壓力損失。距外加壓力越遠(yuǎn)壓力損失越大，壓力傳遞越困難。,濕袋法等靜壓成型工藝,工藝流程是：,模具組裝,粉末填充,包套密封,包套外表清洗,模具裝入高壓缸內(nèi),壓制,取出包套模,脫模,坯件檢驗(yàn),粉末填充,力求粉料充填密度高，均勻一致。 需造粒。 充填過程中，顆粒較大的粉末易在較小的顆粒表面上滾動，多集中于模腔的邊緣部位，致使模腔內(nèi)粉末粒度產(chǎn)生偏析，導(dǎo)致壓縮比不均，壓坯尺寸形狀很難控制。,包套密封與除氣,壓制操作,三個(gè)步驟：加壓、保壓、泄壓 加壓：開始壓力上升很慢，包套受力后，粉料隨壓力增加產(chǎn)生位移，逐漸壓縮，當(dāng)壓力上升到一定值后，粉末被壓實(shí)硬化，此時(shí)壓力上升很快，直至達(dá)所需成型壓力為止。 保壓：對于壁厚、尺寸大的坯件，保壓可增加顆粒的塑性變形，從而提高坯件密度（一般可提高23），同時(shí)使坯體內(nèi)外密度均勻一致。保壓時(shí)間一般05min。 泄壓：是減壓過程。若泄壓速度控制不當(dāng)，將導(dǎo)致坯體開裂。,坯體開裂原因有三點(diǎn)： 1)壓坯的彈性后效：包套中粉料加壓成坯體后，在泄壓過程中，由于內(nèi)應(yīng)力的作用，會導(dǎo)致坯件體積的彈性脹大，即稱之為彈性后效。 2)塑性包套的彈性回復(fù)：塑性包套在升壓過程中，隨粉末的壓縮，處于壓縮或拉伸狀態(tài)，從而儲有一定彈性能，其大小與包套壁厚薄和彈性變形成正比。這種彈性能是導(dǎo)致壓坯開裂的主要?jiǎng)恿χ弧?在泄壓中，隨壓力降低儲存在包套中的彈性能必然被釋放出來，使包套從緊貼著坯件被壓縮的狀態(tài)，逐漸恢復(fù)到原始狀態(tài)，坯體在彈性后效作用下膨脹，被壓縮在坯體內(nèi)部的氣體也同時(shí)逸出到坯表面。在這三者力的作用下，包套與壓坯發(fā)生分離，坯件內(nèi)剛性芯模也發(fā)生分離。,3)壓坯中的氣體膨脹：如果坯件厚、尺寸大、在壓制前沒有除氣，則在加壓成型期間，隨粉末顆粒的壓縮，在粉末顆粒間的氣體壓力逐漸增加。泄壓時(shí)，坯件中氣壓由表及里逐漸與外界壓力達(dá)平衡，從而形成氣體從坯內(nèi)的孔隙向表面遷移的趨勢。,（二）可塑成型,可塑成型工藝原理 可塑泥團(tuán)是由固、液、氣三相組成的塑性黏性系統(tǒng)，由粉料、黏合劑、增塑劑和溶劑組成。可塑泥團(tuán)與漿料的差別在于固液比不同。可塑泥團(tuán)含水一般為1926，而漿料含水量高達(dá)3035。 泥團(tuán)顆粒間作用力：a.吸力，主要有范德華力、靜電引力和毛細(xì)管力（主要來源）。作用范圍2nm。 b.斥力，在水介質(zhì)中作用范圍20nm。當(dāng)水含量較高時(shí)，顆粒相距較遠(yuǎn)，斥力為主。水較低時(shí)，顆粒接近，吸力為主，稱為泥團(tuán)。,可塑性：是指團(tuán)料在外力作用下產(chǎn)生應(yīng)變，去除外力后保留這種變形的能力。 如果一個(gè)泥團(tuán)在外力作用下極易變形，外力去除后又基本保留這種變形，這種泥團(tuán)就具有良好的可塑性。,（A）擠出成型,擠出成型也稱擠塑成型，它是利用液壓機(jī)推動活塞，將已塑化的泥團(tuán)從擠壓嘴擠出，由于擠壓嘴的內(nèi)通道向出口逐漸縮小，從而形成很大的擠壓力，使泥團(tuán)致密并成型為棒狀或管狀坯件。,錐角大?。?坯件直徑d10mm時(shí)，錐角以1213為宜。擠壓更大坯件時(shí)，可增至2030。 坯件直徑與擠壓筒直徑之比（d/D）一般取1/(1.62)。從擠壓嘴出來后經(jīng)過一定長度的定型段l（l/d=22.5）。,（B）軋膜成型,軋膜成型是一種帶式成型，工藝特點(diǎn)介于注漿與擠出成型之間。 成型料呈黏塑態(tài)，工藝過程是將陶瓷粉料和有機(jī)粘結(jié)劑混煉得到這種黏塑體，將黏塑體置于兩個(gè)軋輥之間進(jìn)行軋制。通過調(diào)節(jié)軋輥間距，使坯體達(dá)到所需厚度。適于成型厚度為1mm以下的薄片。,（三）膠態(tài)成型,注漿成型（Slip Casting)：是在粉末中加入適量的水以及少量的分散劑使陶瓷粉料形成穩(wěn)定分散的濃懸浮液（漿料），加入的分散劑就可使陶瓷顆粒不會沉降。將懸浮液注到多孔石膏模具（內(nèi)表面拋光）中，模具的多孔特性會產(chǎn)生毛細(xì)吸引力（0.10.2MPa），使得漿料中水分被石膏模具壁吸收，并在模具壁上形成固態(tài)凝聚坯體。經(jīng)一定時(shí)間后，當(dāng)形成足夠厚的坯體時(shí)，就可將多余漿料倒出，并將坯體和模具一起干燥，干燥后收縮坯體往往易與模具互相分離，之后脫模，就可得到具有一定強(qiáng)度的坯體，也叫空心注漿。,（A)注漿成型,注漿成型示意,（B）注射成型,注射成型（Injection Molding)是將陶瓷粉料與熱塑性材料（如石蠟）混合后，得到具有熔融流動性的混合料，然后在注射機(jī)上于一定的壓力和溫度下把熔化的含蠟的混合料注滿金屬模具中，熔化的石蠟迅速冷凝后脫模取出坯體（數(shù)十秒），再經(jīng)500600 脫脂，既可得到致密度高于60的素坯。 漿料常用添加劑有熱塑性樹脂、增塑劑、潤滑劑、輔助劑等,注射成型機(jī),注射成型工藝,主要三個(gè)環(huán)節(jié)： 1）熱塑性材料與陶瓷粉料混合成熱熔體，然后注射進(jìn)入相對冷的模具中； 2）混合熱熔體在模具中冷凝固化； 3）將成型后的坯體頂出脫模。 成型后坯體中的有機(jī)物必須加以排除，通常采用燒掉方法。,（C）流延成型,流延成型（Tape Casting)有多種形式，常用的有刮刀流延成型（Doctor Blade Process)。 刮刀流延成型工藝中，所用漿料由粉末和溶劑制得。為改善粉料的分散性常加添加劑。當(dāng)體系達(dá)良好的分散狀態(tài)和團(tuán)聚消除后再加黏結(jié)劑，這樣獲得的漿料可不含氣泡。制得合適漿料后，再將漿料置于刮刀前方的儲漿槽內(nèi)，其底部的載體薄膜可沿刮刀拉伸。漿料通過刮刀形成薄層并粘結(jié)在薄膜載體上。隨后薄膜漿料通過加熱而干燥，后纏繞成卷。漿料也可直接由循環(huán)的不銹鋼帶輸送。,所謂干燥：就是固體物料受熱后，蒸發(fā)出所含水分的過程。 目的有三點(diǎn)：1.提高坯體強(qiáng)度。2.加速生產(chǎn)周期，節(jié)省燃料。3.使坯體有足夠的吸抽能力。 實(shí)踐證明，干燥后的生坯強(qiáng)度隨著水分的降低而提高，當(dāng)坯體的水分降低到12時(shí)，就有足夠的強(qiáng)度和吸附釉層的能力。 干燥過程：是個(gè)復(fù)雜過程，既有熱量的傳遞又有水分的擴(kuò)散。以對流干燥為例，外界熱氣體以對流的方式把熱量傳給坯體表面，并以傳導(dǎo)方式向坯體內(nèi)部傳熱。表面受熱后，水分蒸發(fā)向外擴(kuò)散，隨著表面水分的蒸發(fā)擴(kuò)散，坯體內(nèi)部的水分源源不斷的向表面擴(kuò)散補(bǔ)充。再由表面向外蒸發(fā)擴(kuò)散，如此周而復(fù)始，最后達(dá)干燥要求。,2.2 .3 坯體的干燥,一、干燥機(jī)理,（一）坯體中水分類型：自由水、吸附水和化合水。 自由水：又稱機(jī)械結(jié)合水或非結(jié)合水，是指存在于物料表面的潤濕水分，孔隙中的及粗毛細(xì)管(直徑大于10-4mm)中的水分。與物料結(jié)合力很弱，屬機(jī)械混合，干燥時(shí)易除去。在其排除階段，物料顆粒將彼此靠攏，產(chǎn)生收縮，干速不易過快。 吸附水：又稱物理化學(xué)結(jié)合水，指存在于物料的細(xì)毛細(xì)管(直徑小于10-4mm)中，膠體顆粒表面及纖維皮壁所含的水分。呈物理化學(xué)狀態(tài)結(jié)合(吸附、滲透與結(jié)構(gòu)水)。干燥時(shí)較難除去。 化合水：指化學(xué)結(jié)合水(又稱結(jié)構(gòu)水),是與物料呈現(xiàn)化學(xué)狀態(tài)結(jié)合的水，即物料礦物分子組成內(nèi)的水分。在干燥過程中不能除去。 因化合水是以O(shè)H-、H3O+或H+等形式存在于化合物或礦物中的水。即指包含在原料礦物的分子結(jié)構(gòu)內(nèi)的水分，如結(jié)晶水、結(jié)構(gòu)水等?；纤诰Ц裰姓加幸欢ǖ奈恢?，需加熱到相當(dāng)高的溫度才能排除，并伴有因晶格變化或破壞所引起的熱效應(yīng)。,（二）干燥過程,（1）干燥階段： 1/預(yù)熱階段 從物料或坯體進(jìn)入干燥器，單位時(shí)間內(nèi)由干燥熱源傳給他們表面的熱量與他們表面水分蒸發(fā)所消耗的熱量剛好達(dá)平衡狀態(tài)的過程為預(yù)熱階段。 2/等速干燥階段 是物料在干燥過程中速率恒定的階段。 干燥速度（蒸發(fā)速度）與坯體的水分多少無關(guān)，與坯體表面和周圍介質(zhì)的水蒸氣濃度差、分壓差或溫度差有關(guān)，其差值越大，干速越快還與坯體表面的空氣流動速度有關(guān)，適當(dāng)增大坯體表面的氣流速度、有利于提高干燥速度。,3/減(降)速干燥階段 物料在干燥過程中干燥速度不斷下降。當(dāng)物料內(nèi)部水分向表面擴(kuò)散的速度小于物料表面水分汽化速率時(shí)，干燥速率下降，當(dāng)表面變干后，表面溫度升高，熱量向內(nèi)部傳遞，蒸發(fā)表面就逐漸內(nèi)移，由于水分減少，內(nèi)擴(kuò)散阻力顯著增加，故后期干燥速率大幅度下降。 此階段，干速由物料結(jié)構(gòu)、厚度決定。且蒸發(fā)速度和熱能的消耗大為降低，坯體表面溫度逐漸升高。 4/平衡階段 當(dāng)坯體干燥到表面水分達(dá)平衡水分時(shí)，干燥速度為零。 平衡水分是指坯體在一定溫度和濕度的環(huán)境中，通過散濕或吸濕、達(dá)到與周圍環(huán)境平衡時(shí)的水分。,(2)合理的干燥制度,等速干燥中，坯體收縮最大，故應(yīng)緩慢進(jìn)行，否則產(chǎn)生變形和開裂的干燥缺陷。減速干燥階段，坯體表面蒸發(fā)速度大于內(nèi)部擴(kuò)散速度，故干燥速度為擴(kuò)散速度所控制，可提高溫度來加快擴(kuò)散。 合理的干燥制度必須具備生產(chǎn)周期短和廢品損失低這兩個(gè)必要條件。 干燥速度是干燥過程中，單位時(shí)間單位面積物體上所蒸發(fā)的水量，單位是(kg/m2h)。,（3）干燥過程中坯體的收縮與開裂,沒被干燥的坯體可視為由連續(xù)的水膜包圍著的固體顆粒所組成，顆粒被水膜相互分開，隨自由水的排出，顆粒開始靠近使坯體產(chǎn)生收縮。自由水不斷排出直至坯體中的各顆粒接近到相互接觸后，坯體基本上就不再收縮（相當(dāng)于等速干燥階段）。繼續(xù)進(jìn)行，壞體中相互接連的各顆粒間的孔隙內(nèi)的水開始排出，此時(shí)固體顆粒不再顯著靠近，收縮很小，孔隙逐漸被空氣所占。體內(nèi)水分的內(nèi)擴(kuò)散阻力增大，干速隨之降低，相當(dāng)于進(jìn)入降速干燥階段。,二、干燥方法,據(jù)熱源的方式不同分：熱空氣干燥和電熱干燥兩大類。 A.熱空氣干燥：是利用熱空氣或熱煙氣的對流傳熱，將熱量傳給坯體，并將坯體中蒸發(fā)出來的水蒸氣帶走的干燥方法。 該法據(jù)設(shè)備及干燥方式的不同，有室式干燥和鏈?zhǔn)礁稍铩?（1）室式干燥是將待干燥的坯體放入設(shè)有產(chǎn)品框架格和加熱設(shè)備的“小屋”中進(jìn)行干燥。加熱設(shè)備一般為暖氣和熱風(fēng)。 是將室內(nèi)空氣和坯體通過加熱后，提高了坯體水分的向外擴(kuò)散速度，使坯體逐漸達(dá)到干燥程度的要求。將坯體表面水分汽化并通過氣層膜向外屆擴(kuò)散過程的速度稱為水分的外擴(kuò)散速度。溫度為5070 。,（2）鏈?zhǔn)礁稍?是在一個(gè)有進(jìn)口和出口的“大屋”子內(nèi)，用金屬做成框架，在框架內(nèi)裝有鏈輸與鏈條，鏈條上帶有吊籃。 （3）快速干燥 是通過加熱爐加熱空氣進(jìn)行迅速干燥。關(guān)鍵在于加快熱空氣速度的同時(shí)又要均勻地進(jìn)行干燥。,B.電熱干燥,工頻電干燥 將工頻電通過濕坯體，把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽古黧w水分蒸發(fā)借以達(dá)到干燥目的的一種干燥方式。 高頻電干燥 就是把未干燥的坯體放在高頻電場中，坯體內(nèi)的某些導(dǎo)電物體由于產(chǎn)生渦流狀短路電流使物體發(fā)熱而進(jìn)行干燥。 微波干燥：通過微波加熱來干燥物體的方法。由于微波的頻率很高，電場變化很快，因此介質(zhì)內(nèi)分子運(yùn)動的速度也很快，由于摩擦而產(chǎn)生的熱量也大。 遠(yuǎn)紅外干燥：利用遠(yuǎn)紅外輻射元件發(fā)出的遠(yuǎn)紅外線被加熱物體所吸收，直接轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏_(dá)到加熱干燥。 原理：當(dāng)紅外線照射到坯體表面時(shí)，一部分進(jìn)入坯體被坯體吸收，一部分則被反射，還有一部分透過坯體繼續(xù)傳播。當(dāng)組成坯體分子的固有頻率與被吸收的紅外線頻率一致時(shí)，就會引起共振，坯體分子激烈地振動，導(dǎo)致溫度迅速升高，坯體所含水分隨加熱被迅速排出。,三、干燥參數(shù)的確定,（一）干燥速度 影響干燥速度的主要因素： （1）坯體的干燥敏感性 主要是指坯體的收縮性。 （2）坯體的形狀、大小和厚薄 （3）臨界水分:是由等速干燥階段過渡到降速干燥階段的臨界點(diǎn)，也是坯體干燥時(shí)發(fā)生收縮和基本不發(fā)生收縮的水分臨界點(diǎn)。 （4）干燥方法 （5）干燥介質(zhì)的性質(zhì) （6）干燥的均勻程度 此外，坯體的初始溫度、干燥氣的結(jié)構(gòu)等對干速也有影響。,（二）干燥介質(zhì)的濕度和溫度,控制溫度首先考慮到坯體能否均勻受熱，同時(shí)還要兼顧到熱效率，以及介質(zhì)溫度受到的某些制約因素的限制。 某些干燥過程中，若濕度不加以控制，往往不能實(shí)現(xiàn)預(yù)定的干燥制度，如室式或鏈?zhǔn)礁稍锲髦?，若干燥介質(zhì)的濕度小，水分沒排出和補(bǔ)充，那么雖干燥器在使用初期能保證干制的實(shí)現(xiàn)，但雖水分不斷蒸發(fā)，室內(nèi)介質(zhì)濕度不斷增大，一定時(shí)間后，只有延長干時(shí)才能達(dá)干燥制度的要求。 （三）空氣的流速和流量 采用大風(fēng)量干燥時(shí)吹風(fēng)的方式一定要將高速熱風(fēng)均勻地吹到坯體表面，才能提高干速。快速干燥中，要保證熱風(fēng)在每秒中達(dá)到5m以上的風(fēng)速下，才能較快地達(dá)到干燥目的，同時(shí)還要保證有足夠的風(fēng)量。,四、坯體干燥與燒結(jié)的收縮率,干燥收縮：陶瓷坯體在干燥過程中，由于自由水分的揮發(fā)，其長度和體積逐漸產(chǎn)生收縮稱干燥收縮。 燒成收縮：在燒成過程中壞體內(nèi)產(chǎn)生一系列物理化學(xué)變化和易熔物質(zhì)生成玻璃相填充于顆粒之間，使坯體產(chǎn)生的收縮稱燒成收縮。 收縮率：指坯體經(jīng)干燥或燒結(jié)后，其長度的變化值與原試樣長度之比的百分?jǐn)?shù)。 干燥收縮率 燒成收縮率 總收縮率, 2.2.4 燒結(jié),燒結(jié)：實(shí)質(zhì)是粉體坯塊在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境或氣氛下受熱，通過一系列物理化學(xué)變化，使粉體顆粒間發(fā)生質(zhì)的變化，由顆粒聚集體變成晶粒結(jié)合體，由多孔體變成致密體，使坯塊強(qiáng)度和密度迅速增加，其它物理、力學(xué)性能也得到明顯改善。 熱力學(xué)觀點(diǎn)，燒結(jié)是系統(tǒng)總能量降低的過程。由于粉體原料比表面積大，表面自由能高，且在粉體內(nèi)部存在各種晶體缺陷，因此比塊狀物體具有高得多的能量。降低系統(tǒng)能量水平的趨勢構(gòu)成燒結(jié)過程的驅(qū)動力。通過燒結(jié)，使總能量降低，系統(tǒng)由介穩(wěn)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)。此過程中，溫度起到克服能壘的作用。,液（固）相燒結(jié),液相燒結(jié)： 燒結(jié)助劑或添加劑可在陶瓷的燒結(jié)過程中形成少量液相5%10%(體積)。液相的出現(xiàn)大大加快了燒結(jié)速度，使制品的致密度迅速提高。,液相燒結(jié)致密化過程可分三個(gè)階段： 1段為液相生成與顆粒重排，由于液相本身的黏性流動使顆粒重新分布并排列得更加致密。 2段為溶解與析出，細(xì)小的顆粒和粗顆粒表面突起部分在液相中溶解，并在粗顆粒表面上析出。致密化程度減慢。 3段為固相燒結(jié)，經(jīng)前兩個(gè)階段的顆粒重排、溶解與析出，使固體顆粒結(jié)合形成骨架，剩余液相填充于骨架的間隙。 固相燒結(jié)：實(shí)質(zhì)是顆粒與顆粒接觸面積增大，并發(fā)生晶粒長大與顆粒熔并，促使制品進(jìn)一步致密化的過程。,一、燒結(jié)方法,有常壓、熱壓、熱等靜壓燒結(jié)方法，微波燒結(jié)法、活化燒結(jié)和真空燒結(jié)。 1/常壓燒結(jié)是指坯件在常壓下進(jìn)行的燒結(jié)。有時(shí)也施有外加氣壓，但并不是以氣壓作為燒結(jié)的驅(qū)動力，只是為了在高溫范圍內(nèi)抑制坯件化合物的分解和組成元素的揮發(fā)。傳統(tǒng)陶瓷多在隧道窯中進(jìn)行燒結(jié)。特種陶瓷主要在電爐中進(jìn)行，包括電阻爐、感應(yīng)爐等。 一般燒結(jié)過程包括三個(gè)階段：升溫、保溫和降溫。 升溫階段：坯體中水分和黏合劑在此階段要排除，水分的蒸發(fā)在100200 間，黏合劑的揮發(fā)在450 以前完成。開始階段，坯件受熱體積膨脹，開始收縮。所以，溫度600 以下時(shí)，升溫速度要小一些，一般為（50100 ）/h。隨溫度再升高，坯件收縮，顆粒間更緊密，燒結(jié)反應(yīng)開始，氣孔率下降，晶粒形成。 保溫階段：坯體更加致密，并要形成晶粒，晶粒還要長大。 降溫階段：對大多數(shù)陶瓷，隨爐冷。,2/熱壓燒結(jié),是將粉料或坯件裝在熱壓模具（金屬或高強(qiáng)石墨）中，置于熱壓高溫?zé)Y(jié)爐中加熱，當(dāng)升到預(yù)定溫度（正常燒結(jié)溫度或稍低）時(shí)，對粉料或坯件施加以一定壓力（為金屬模壓成型壓力的1/101/3），短時(shí)間內(nèi)粉末被燒成致密、均勻、晶粒細(xì)小的制品。該法是成型與燒結(jié)同時(shí)進(jìn)行的一種方法。,熱壓燒結(jié)的加熱方式,有電阻直熱式、電阻間熱式和感應(yīng)加熱式三種。,3/熱等靜壓燒結(jié),熱等靜壓燒結(jié)（HIP）也稱等靜熱壓燒結(jié)，是在高溫高壓下燒結(jié)的方法，其等靜壓由高壓氣體提供，是利用常溫等靜壓和高溫?zé)Y(jié)相結(jié)合的新技術(shù)。解決了普通熱壓燒結(jié)中缺乏橫向壓力和密度不均的問題，可使致密度達(dá)100。,熱等靜壓工藝5種不同方式,（1）先升壓后升溫方式 將封于包套內(nèi)的坯件放入等靜壓設(shè)備，抽真空、洗爐、灌氣、升壓至設(shè)備最高壓力，升溫至設(shè)定溫度、保溫保壓、最后降溫瀉壓得制品。 （2）先升溫后升壓方式 將封有坯件的包套置于等靜壓設(shè)備中，抽真空、洗爐、灌氣、升溫至包套軟化后再加壓，繼續(xù)升至設(shè)定溫度，借助軟化的玻璃包套向坯件傳遞壓力和溫度，保溫保壓，使陶瓷粉末成型為結(jié)晶體，然后降溫瀉壓。 （3）同時(shí)升溫升壓方式 先裝爐、洗爐、灌氣、升溫同時(shí)加壓，保溫保壓，降溫瀉壓。 （4）熱裝料方式 又稱預(yù)熱法，是將制品預(yù)先在一臺普通加熱爐內(nèi)加熱到一定溫度，再將其移到等靜熱壓爐內(nèi)，待經(jīng)等靜熱壓燒結(jié)后出爐冷卻。同時(shí)，將另一預(yù)熱制品移入等靜熱壓機(jī)內(nèi)形成半連續(xù)作業(yè)。 （5）冷壓加熱等靜熱壓燒結(jié) 是把已經(jīng)過冷壓燒結(jié)后的預(yù)成型坯件再進(jìn)行等靜熱壓燒結(jié)。,4/微波燒結(jié),微波是指波長在1mm1m之間的電磁波，頻率為0.3300GHz。 微波燒結(jié)：是利用在微波電磁場中材料的介質(zhì)損耗（電介質(zhì)在電場的作用下，把部分電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苁菇橘|(zhì)發(fā)熱），使陶瓷加熱至燒結(jié)溫度而實(shí)現(xiàn)致密化的快速燒結(jié)的新技術(shù)。 材料和微波的相互作用可分四類：透過、反射、吸收、部分吸收。只后兩種情況下，物質(zhì)才能用微波加熱。,陶瓷材料的微波加熱原理：微波與材料的相互作用是通過材料內(nèi)部偶極子的產(chǎn)生和取向或原有偶極子的取向后即通過材料的極化過程進(jìn)行的。這種極化過程需要從微波中吸收能量，最終以熱量的形式耗損。材料吸收微波引起的升溫主要是由于分子極化和晶格極化，也就是說，在分子和晶格尺度的極化反轉(zhuǎn)越容易，該材料就越容易吸收微波場能而升溫。,微波加熱過程中，處于微波電磁場中的陶瓷制品加熱難易與材料對微波吸收能力大小有關(guān)，其吸收功率計(jì)算公式為： P:單位體積的微波吸收功率; f：微波頻率; ：真空介電常數(shù)； ：介質(zhì)的介電常數(shù)； ：介質(zhì)損耗角正切； E: 材料內(nèi)部電場強(qiáng)度。 可見，當(dāng)頻率一定，試樣對微波吸收性主要依賴介質(zhì)自身的 、 及場強(qiáng)E。,影響微波加熱效果的因素首先是微波加熱裝置的輸出功率和耦合頻率，其次是材料的內(nèi)部本征狀態(tài)。 所用頻率一般被限定為915MHz和2450MHz，微波裝置的輸出功率一般為5005000W。 在指定加熱裝置上，材料的微波吸收能力，與材料的介電常數(shù)的介電損耗有關(guān)，真空介電常數(shù)為1，水的介電常數(shù)約為80，而多數(shù)陶瓷類材料的室溫介電損耗一般比較小，所以，對無機(jī)陶瓷類材料的加熱一般采用比家用微波爐功率更大的微波源。,微波燒結(jié)設(shè)備是有特殊微波源發(fā)生器的微波加熱器。 現(xiàn)有的微波源發(fā)生器有三種：調(diào)速電子管式、固體發(fā)生器式、磁控電子管式。由于輸出功率較低，頻率穩(wěn)定，成本低及操作方便等優(yōu)點(diǎn)。 其中磁控電子管式被廣泛用于陶瓷材料加熱過程的研究。,5/活化燒結(jié)和真空燒結(jié),（1）活化燒結(jié)：也稱為反應(yīng)燒結(jié)或強(qiáng)化燒結(jié)，是采用有利于燒結(jié)進(jìn)行的物理或化學(xué)方法促進(jìn)燒結(jié)過程，提高制品性能的燒結(jié)方法。 原理：在燒結(jié)前或燒結(jié)過程中，采用某些物理方法（如超聲波、電磁場、加壓、熱等靜壓、真空射線輻射等）或化學(xué)方法（如氧化還原反應(yīng)、氧化物、鹵化物和氫化物離解為基礎(chǔ)的化學(xué)反應(yīng)及氣氛燒結(jié)等），使反應(yīng)物的原子或分子處于高能態(tài)，利用高能態(tài)容易釋放能量變?yōu)榈湍軕B(tài)的不穩(wěn)定性作為活化燒結(jié)的輔助驅(qū)動力。 （2）真空燒結(jié)：是指在真空中進(jìn)行燒結(jié)。一般用于碳化物、氮化物陶瓷燒結(jié)。,二、燒結(jié)的影響因素,1.溫度及保溫時(shí)間 一般，提高燒結(jié)溫度，延長保溫時(shí)間，會不同程度地