陶瓷材料制備.ppt

陶瓷材料的制備CERAMIC 非金屬材料一般指無機非金屬陶瓷材料 主要包括晶體 陶瓷 玻璃 水泥和耐火材料等 陶瓷材料有廣義和狹義之分 廣義陶瓷即指無機非金屬陶瓷材料 狹義陶瓷包括傳統(tǒng)陶瓷和精細陶瓷 一 陶瓷 ceramics 基本概念 傳統(tǒng)陶瓷 以粘土 塑性組分 長石 熔劑組分 石英 惰性組分 等天然礦物為原料 經(jīng)粉碎 混合 磨細 成型 干燥 燒成等工序制成的產(chǎn)品 現(xiàn)代 特種 陶瓷 以人工合成化合物為原料制備 用于技術(shù)和工程領(lǐng)域 如電子信息 能源 機械 化工 動力 生物 航天航空和其它高新技術(shù)領(lǐng)域 2 陶瓷材料的分類 傳統(tǒng)陶瓷 現(xiàn)代陶瓷 現(xiàn)代陶瓷的分類 結(jié)構(gòu)陶瓷 主要利用其熱 機械 化學(xué)等功能 有耐磨損材料 高強度材料 耐熱材料 硬質(zhì)材料 耐沖擊材料 低膨脹材料 隔熱材料等結(jié)構(gòu)材料 功能陶瓷 利用其電 磁 聲 光 催化 生物化學(xué)等功能 其中最主要的是絕緣材料 電介質(zhì)材料 壓電材料 磁性材料 半導(dǎo)體材料和透光性陶瓷等電子材料 具有生物化學(xué)功能的生物醫(yī)用材料 抗菌陶瓷材料等 3 陶瓷材料的特點 陶瓷材料的結(jié)構(gòu)特點眾所周知 金屬材料 純金屬或合金 的化學(xué)健大都是金屬健 是由金屬正高于和充滿其間的電子云所組成 金屬鍵沒有方向性 因此金屬有很好的塑性變形性能 而作為非金屬化合物的陶瓷來講 其化學(xué)鍵是離子健和共價鍵 這種化學(xué)性有很強的方向性和很高的結(jié)合能 因此 陶瓷材料很難產(chǎn)生塑性變形 脆性大 裂紋敏感性強 這就是陶瓷材料的致命弱點 傳統(tǒng)陶瓷和特種陶瓷的主要區(qū)別 4 陶瓷材料性能介紹 力學(xué)性能陶瓷材料是工程材料中剛度最好 硬度最高的材料 其硬度大多在1500HV以上 陶瓷的抗壓強度較高 但抗拉強度較低 塑性和韌性很差 熱性能陶瓷材料一般具有高的熔點 大多在2000 以上 且在高溫下具有極好的化學(xué)穩(wěn)定性 陶瓷的導(dǎo)熱性低于金屬材料 陶瓷還是良好的隔熱材料 同時陶瓷的線膨脹系數(shù)比金屬低 當溫度發(fā)生變化時 陶瓷具有良好的尺寸穩(wěn)定性 電性能大多數(shù)陶瓷具有良好的電絕緣性 因此大量用于制作各種電壓 1kV 110kV 的絕緣器件 鐵電陶瓷 鈦酸鋇BaTiO3 具有較高的介電常數(shù) 可用于制作電容器 鐵電陶瓷在外電場的作用下 還能改變形狀 將電能轉(zhuǎn)換為機械能 具有壓電材料的特性 可用作擴音機 電唱機 超聲波儀 聲納 醫(yī)療用聲譜儀等 少數(shù)陶瓷還具有半導(dǎo)體的特性 可作整流器 化學(xué)性能陶瓷材料在高溫下不易氧化 并對酸 堿 鹽具有良好的抗腐蝕能力 光學(xué)性能陶瓷材料還有獨特的光學(xué)性能 可用作固體激光器材料 光導(dǎo)纖維材料 光儲存器等 透明陶瓷可用于高壓鈉燈管等 磁性陶瓷 鐵氧體如 MgFe2O4 CuFe2O4 Fe3O4 在錄音磁帶 唱片 變壓器鐵芯 大型計算機記憶元件方面的應(yīng)用有著廣泛的前途 5 燒成 4 干燥 3 釉制備及施釉 2 成型 1 陶瓷坯料的制備 二 陶瓷材料的制備工藝 2 1 陶瓷坯料的制備 坯料是指將陶瓷原料經(jīng)篩選 破碎等工序后進行配料 再經(jīng)混合 細磨等工序后得到的具有成型性能的多組分混合物 坯料的制備過程可大致分為原料處理 配料 混合制備三部分 陶瓷坯料的制備 1 原料處理a 預(yù)燒 對原料進行的預(yù)先燒制b 精選 對原料進行分離 提純 除去原料中的各種雜質(zhì) 尤其含鐵雜質(zhì) 使之在化學(xué)組成 礦物組成 顆粒尺寸上更符合原料的質(zhì)量要求 物理方法 水選 篩選 磁選 超聲波選化學(xué)方法 溶解法 升華法物理化學(xué)方法 電解法 浮選法 2 配料根據(jù)制品的化學(xué)性能要求 生產(chǎn)工藝確定坯料的組成 根據(jù)原料的性質(zhì)選擇合適的原料 根據(jù)特定的方法 如成分滿足法 確定配方 3 混合制備a 粉碎粒度分析 比表面測定和X射線衍射技術(shù)影響研磨效果的因素 研磨工藝和設(shè)備 研磨時間 強度和研磨介質(zhì) b 脫水注漿料的含水量為30 35 時才能澆注成型可塑泥料是采用壓濾機脫水至含水量為20 25 壓制粉料可分為 濕法壓制粉料 含水量8 15 干法壓制粉料 含水量3 7 脫水操作 壓濾脫水法 噴霧干燥技術(shù) 4 陳腐與練泥 a 陳腐所謂陳腐就是把泥餅置于避光 空氣不流通的室內(nèi)或密閉容器內(nèi) 保持一段時間 該工藝也叫困料 因料室內(nèi)溫度應(yīng)保持在20 左右 相對濕度要求在80 90 坯料在困制過程中 在毛細管的作用下 水分分布漸趨均勻 坯料困制時間越長 水分分布就越均勻 其成型性也就越好 一般困料時間為10天左右 b 練泥經(jīng)過壓濾得到的泥餅和困料得到的坯料的組織疏松且不均勻 含有大量的氣泡 這樣既降低了坯料的可塑性 難以擠壓成型 通常采用真空練泥機多次練泥的方法 排除泥餅中的殘留空氣 提高泥料的致密度和可塑性 并使泥料組織均勻 改善成形性能 提高干燥強度和成瓷后的機械強度 特種陶瓷的粉料制備 固相法通過從固相到固相的變化 來制造粉體 其中包括化合或還原 化合法 制取硼化物的碳化硼法 熱分解法 自蔓延高溫合成法等 氣相法直接利用氣體或通過各種手段將物質(zhì)變成氣體 使之在氣體狀態(tài)下發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng) 最后在冷卻過程中凝聚長大形成納米顆粒 包括氣相合成法 氣相熱分解法 液相法共同點是均以相溶液為出發(fā)點 通過各種方法使溶質(zhì)和溶液分離 溶質(zhì)形成一定大小和形狀的顆粒 得到所需粉末的前軀體 熱解后得到粉體 其中有直接沉淀法 共沉淀法 醇鹽水解法 溶膠 凝膠法 機械法有球磨 振動球磨 攪動球磨 氣流粉碎等 溶劑蒸發(fā)法有酒精干燥法 冷凍干燥法 熱石油干燥法和噴霧干燥法等 氣相法和液相法是制取超細粉的主要方法 蔓延高溫合成法原理自蔓延高溫合成 self propagationhigh temperaturesynthesis 簡稱SHS 又稱為燃燒合成 combustionsynthesis 技術(shù) 是利用反應(yīng)物之間高的化學(xué)反應(yīng)熱的自加熱和自傳導(dǎo)作用來合成材料的一種技術(shù) 當反應(yīng)物一旦被引燃 便會自動向尚未反應(yīng)的區(qū)域傳播 直至反應(yīng)完全 是制備無機化合物高溫材料的一種新方法 特點燃燒引發(fā)的反應(yīng)或燃燒波的蔓延相當快 一般為0 1 20 0cm s 最高可達25 0cm s 燃燒波的溫度或反應(yīng)溫度通常都在2100 3500K以上 最高可達5000K SHS以自蔓延方式實現(xiàn)粉末間的反應(yīng) 與制備材料的傳統(tǒng)工藝比較 工序減少 流程縮短 工藝簡單 一經(jīng)引燃啟動過程后就不需要對其進一步提供任何能量 由于燃燒波通過試樣時產(chǎn)生的高溫 可將易揮發(fā)雜質(zhì)排除 使產(chǎn)品純度高 氣相合成法原理氣在等離子體高溫反應(yīng)器中 通過物理冷凝或化學(xué)氣相反應(yīng)過程 直接制取粒徑小于100um超細粉體的一種氣相沉積制粉法 常用的是等離子化學(xué)氣相合成法制粉 特點 高溫 溫度可達3000一20000K 氣氛 中性 氧化性或還原性 可任意選擇和控制 采用低沸點反應(yīng)物 易于提純 因此所得產(chǎn)品純度很高 粒度可控并容易獲得粒度分布很窄的球形粉末 可獲得介穩(wěn)相和低溫相結(jié)構(gòu)的粉末產(chǎn)品 過程連續(xù) 可實現(xiàn)自動化工業(yè)生產(chǎn) 機械法 球磨原理球磨機粉碎物料時筒體內(nèi)裝有物料 研磨體和水 它是依靠研磨體 球石 對原料的摩擦 撞擊作用及原料與球磨機筒壁的摩擦作用而進行粉碎的 瀉落式運動狀態(tài) 拋落式運動狀態(tài) 離心式運動狀態(tài) 機械法 振動球磨原理碰撞 擠壓及研磨 產(chǎn)品粒度可細至數(shù)微米 特點 適應(yīng)性強 可用于干磨也可用于濕磨 可以粉碎各種軟的及硬的物料 可以得到較細的產(chǎn)品 干法可將最大粒徑為1 2mm的物料磨至2um 濕法可粉磨至5 0 1um 機械法 攪拌法 原理 筒體內(nèi)填充一定的磨礦介質(zhì) 螺旋攪拌器作緩慢旋轉(zhuǎn) 磨礦介質(zhì)和物料在筒體內(nèi)作整體的多維循環(huán)運動和自轉(zhuǎn)運動 物料在磨礦介質(zhì)重量壓力與旋回轉(zhuǎn)共同產(chǎn)生的摩擦 擠壓 剪切和沖擊力的作用下 被有效地粉碎 可用于干法和濕法工藝 在干法工藝中常與空氣分級機構(gòu)成閉路流程 產(chǎn)品粒度可小于3um 濕法工藝多采用開路流程 產(chǎn)量較高 產(chǎn)品粒度一般小于5 6um 氣流粉碎法原理氣流粉碎是利用氣流的能量進行粉碎的 特點經(jīng)氣流粉碎后的物料平均粒度細 粒度分布較窄 顆粒表面光滑 顆粒形狀規(guī)整 純度高 活性大 分散性好 可粉碎低熔點和熱敏性材料及生物活性制品 因為氣流粉碎機以壓縮空氣為動力 壓縮氣體在噴嘴處的絕熱膨脹會使系統(tǒng)溫度降低 溶劑蒸發(fā)法原理將溶劑中的水蒸發(fā)逸出 使溶液處于過飽和狀態(tài) 從而使晶體生長有足夠驅(qū)動力的晶體生長法 溶液蒸發(fā)法將溶液制成小滴后進行快速蒸發(fā)得到粉體的方法 為了在溶劑蒸發(fā)過程中保持溶液的均勻性 使液滴內(nèi)組分偏析最小 必須將溶液分散成極微小的液滴 而且應(yīng)迅速進行蒸發(fā) 粉碎的目的和意義 粉碎的目的 在于減小固體物料的尺寸 使之變成顆粒體 或稱粉體 其意義在于 有利于不同組分的分離 選礦及除去原料中的雜質(zhì) 粉碎使固體物料顆?；?將具有某些流體性質(zhì) 而具有良好的流動性 因而有利于物料的輸送及給料控制 減少固體顆粒尺寸 提高分散度 因而使之容易和流體或氣體作用 有利于均勻混合 促進制品的均質(zhì)化 2 2 成型 陶瓷制品的成形 就是將坯料制成具有一定形狀和規(guī)格的坯體 并使坯料具有所要的機械強度和一定的致密度 普通成型方法主要有注漿成型 塑制成型與壓制成型三種工藝 具體選擇何種工藝需要依據(jù)最終產(chǎn)品的性質(zhì) 形狀和尺寸 1 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藝裝備運動造成的壓力 剪力或擠壓力等外力 對具有可塑性坯料進行加工 迫使材料在外力作用下發(fā)生可塑變形而制成坯體的方法 可塑成型方法有旋壓成形 滾壓成形 塑壓成形 注塑成形和軋膜成形等集中類型 旋壓成型原理旋壓是一種綜合了鍛造 擠壓 拉伸 彎曲 環(huán)軋 橫軋和滾擠等工藝特點的少無切削加工的先進工藝 將金屬筒坯 平板毛坯或預(yù)制坯用尾頂頂緊在旋壓機芯模上 由主軸帶動芯棒和坯料旋轉(zhuǎn) 同時旋壓輪從毛坯一側(cè)將材料擠壓在旋轉(zhuǎn)的芯模上 使材料產(chǎn)生逐點連續(xù)的塑性變形 從而獲得各種母線形狀的空心旋轉(zhuǎn)體零件 旋壓工藝的加工原理如圖2 1 滾壓成型原理滾壓成型工藝主要是靠材料的塑性移動滾壓加工成各種形狀復(fù)雜的軸桿 閥門芯和特殊緊固件等產(chǎn)品 滾壓變形是線接觸 連續(xù)逐步地進行 所需變形力較小 一個行程可生產(chǎn)一個或幾個工件 塑壓成型原理塑壓成型是將含水量20 左右的可塑坯料 置于特殊的模型內(nèi) 用金屬或石膏模頭加壓而成型粗坯的一種方法 這種成型方法已成功地用于壓制魚盤等異型產(chǎn)品 注塑成型工藝流程 塑件的注塑成型工藝過程主要包括填充 保壓 冷卻 脫模等4個階段 這4個階段直接決定著制品的成型質(zhì)量 而且這4個階段是一個完整的連續(xù)過程 b 注漿成形法注漿成形法是指將具有流動性的液態(tài)泥漿注入多孔模型內(nèi) 石膏模 多孔樹脂模等 借助模型的吸水的能力 泥漿脫水 硬化 經(jīng)脫模獲得一定形狀的坯體的過程 注漿成形法的適應(yīng)性較強 能得到各種結(jié)構(gòu) 形狀的坯體 根據(jù)成形壓力的大小和方式不同 分為基本注漿法 強化注漿法 熱壓鑄成形法和流延法等 熱壓鑄成型原理其基本原理是利用石蠟受熱熔化和遇冷凝固的特點 將無可塑性的瘠性陶瓷粉料與熱石蠟液均勻混合形成可流動的漿料 在一定壓力下注入金屬模具中成型 冷卻待蠟漿凝固后脫模取出成型好的坯體 坯體經(jīng)適當修整 埋入吸附劑中加熱進行脫蠟處理 然后再脫蠟坯體燒結(jié)成最終制品 流延成型工藝過程 將陶瓷粉末與分散劑 有機粘結(jié)劑 塑性劑在有機溶劑中混合 形成均勻穩(wěn)定的懸浮漿料 成型時漿料從料斗下部留至基帶上 通過基帶和刮刀的相對運動形成素坯 在表面張力的作用下形成光滑的上表面 坯膜的厚度有刮刀控制 待溶劑蒸發(fā) 有機結(jié)合劑在陶瓷顆粒形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 形成具有一定強度和柔韌性的素坯 干燥的素坯與基帶剝離后卷軸 經(jīng)過燒結(jié)得到成品 c 壓制成形法壓制成形是將含有一定水分的粒狀粉料填充到模具中 使其在壓力下成為具有一定形狀和強度的陶瓷坯體的成形方法 根據(jù)粉料中含水量的多少可分為 干壓成形 水含量小于7 半干壓成形 水含量7 15 特殊的壓制成形方法 如等靜壓法 水含量可低于3 干壓成型法原理高純度粉體屬于瘠性材料 用傳統(tǒng)工藝無法使之成型 首先 通過加入一定量的表面活性劑 改變粉體表面性質(zhì) 包括改變顆粒表面吸附性能 改變粉體顆粒形狀 從而減少超細粉的團聚效應(yīng) 使之均勻分布 加入潤滑劑減少顆粒之間及顆粒與模具表面的摩擦 加入黏合劑增強粉料的粘結(jié)強度 將粉體進行上述預(yù)處理后裝入模具 用壓機或?qū)Ｓ酶蓧撼尚蜋C以一定壓力和壓制方式使粉料成為致密坯體 半干壓成型原理在配料中加入較少水分 7 9 拌勻并在較高的壓力下壓制或搗打成型 制品尺寸準確 機械強度高 成形設(shè)備 多為摩擦螺旋壓力機或液壓機 壓制機理 較大的壓力 將粉末狀坯料在模具內(nèi)壓制成形 主要工藝參數(shù) 成形壓力 加壓速度 2 等靜壓成形法 將粉末裝在合適的模具中 將裝壓模放在一定的傳壓介質(zhì)內(nèi) 使其各個方向均勻受壓而成形的方法叫等靜壓 傳遞壓力的介質(zhì)有液體 氣體 固體 理論基礎(chǔ) 根據(jù)帕斯卡原理關(guān)于液體傳遞壓強的規(guī)律 加在密閉液體上的壓強 能夠大小不變的被液體向各個方向傳遞 3 微機控制無模具成形方法 無模制造成形技術(shù)實際上由兩部分構(gòu)成 一是用于計算機圖形處理和象素信息輸出的計算機軟件系統(tǒng) 二是用于接收計算機輸出指令并將數(shù)字命令轉(zhuǎn)換成實際的陶瓷成形單元的外圍輸出設(shè)備和技術(shù) 相關(guān)的外用輸出設(shè)備及技術(shù)是實現(xiàn)無模制造的關(guān)鍵 針對不同的材料體系和不同的輸出方法 已逐漸形成了各具特色的無模制造方法 微機控制無模具成形方法 無模制造過程 4 原位凝固成形方法 利用原位凝固劑催化漿料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生原位凝固的一種方法 傳統(tǒng)方法 密度不均勻 容易分層 產(chǎn)生缺陷等原位凝固注模成形法基本上克服了上述方法中的缺陷 該方法可成形大尺寸復(fù)雜形狀的部件 其坯體密度高且均勻 具有足夠的脫模強度 實現(xiàn)了凝固時間的可控性 2 3 釉制備及施釉 釉是指覆蓋在陶瓷坯體表面上的一層很薄的均勻的玻璃態(tài)物質(zhì) 陶瓷坯體表面的釉層 從外觀來說 使陶瓷具有平滑而光澤的表面 增加了陶瓷的美觀 從機械性能來說 正確配合的釉層可以增加陶瓷的強度與表面硬度 同時還可以使陶瓷的電絕緣性能 抗化學(xué)侵蝕性能有所提高 平滑而光澤的表面 不僅增加美觀 而且就日用瓷來說 為飲用器皿的洗滌清潔提供了方便條件 1 釉的分類 2 釉組成 1 玻璃形成劑 形成玻璃的主要氧化物在釉層中以多面體的形式相互結(jié)合為連續(xù)網(wǎng)絡(luò) 又稱為網(wǎng)絡(luò)形成劑 2 助熔劑 在釉料熔化過程中能促進高溫化學(xué)反應(yīng) 加速高熔點晶體 如SiO2 結(jié)構(gòu)鍵的斷裂和生成低共熔點的化合物 同時還起調(diào)整釉層物理化學(xué)性質(zhì)的作用 3 乳濁劑 它是保證釉層有足夠覆蓋能力的成分 也就是保證燒成時熔體析出的晶體 氣體或分散粒子出現(xiàn)折射率的差別 引起光線散射產(chǎn)生乳濁的化合物 4 著色劑 使釉層吸收可見光波 從而呈現(xiàn)不同顏色 5 其他輔助劑 為了提高釉面質(zhì)量 改善釉層物化性能 控制釉漿性能 如懸浮性 與坯體的粘附性 等而加入 3 釉層的形成 釉料在加熱過程中將發(fā)生一系列復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng) 如脫水 固相反應(yīng) 碳酸鹽和硫酸鹽分解 部分原料熔化并生成共熔體 熔融物相互溶解 部分原料揮發(fā)和坯釉間的相互反應(yīng)等 在反應(yīng)的同時 釉料開始燒結(jié) 熔化并在坯體上鋪展為光滑釉面 2 4 干燥 排除坯體中水分的工藝過程稱為 干燥 干燥的目的 除去坯體中所含的一部分水分 使坯體具有一定的強度 提高坯體吸附釉層能力 縮短燒成周期 提高窯爐的周轉(zhuǎn)率 降低燃料消耗 1 熱空氣干燥法熱源及加熱原理以熱空氣為熱源 熱空氣通過對流傳熱將熱量傳給坯體 熱量由表及里傳遞 水分由里及表擴散 應(yīng)用范圍與特點熱量傳遞方向與水分擴散方向相反 干燥效率低 設(shè)備簡單 熱源易得便于控制 適合傳統(tǒng)陶瓷小件產(chǎn)品的干燥 干燥方法 2 共頻電干燥法熱源及加熱原理熱源為共頻電流 當共頻電流通過濕坯 坯內(nèi)產(chǎn)生的熱量使水分蒸發(fā) 應(yīng)用范圍與特點坯體內(nèi)外同時加熱 受熱均勻 熱濕擴散方向一致 干燥效率高 熱損耗少 設(shè)備簡單且易控制 適合大件厚坯制品干燥 干燥方法 3 微波干燥法熱源及加熱原理以高頻率長波長的電磁波為熱源 通過微波輻射坯體使其內(nèi)部極性水分子劇烈運動并摩擦生熱使水分排除 應(yīng)用范圍與特點坯體內(nèi)外同時加熱 快速加熱均勻 熱濕擴散方向一致 干燥效率和質(zhì)量高 設(shè)備體小輕巧 易自控 但費用高 電耗大 需避免微波輻射損害 他的使用范圍較廣 干燥方法 4 紅外干燥法熱源及加熱原理使用短波長的遠紅外線做熱源 當坯體吸收紅外線后改變并加劇坯內(nèi)水分子的振動和轉(zhuǎn)動 坯體溫度升高 水分排除 應(yīng)用范圍與特點其主要特點與微波干燥類似 不同的是設(shè)備造價低 干燥方法 2 5 燒成 概念 將陶瓷坯體加熱至高溫 經(jīng)過一系列的物理化學(xué)變化 如膨脹 收縮 氣體的產(chǎn)生 液相的出現(xiàn) 舊晶相的消失 新晶相的析出等 冷卻至室溫后 坯體的礦物組成與顯微結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化 外形尺寸得以固定 強度得以提高 最終獲得某種特定使用性能 如機械強度 致密度 絕緣 耐熱等 陶瓷制品 這一工藝過程稱為燒成 冷卻階段 燒成溫度 室溫 中溫階段 300 950 低溫階段 室溫 300 坯體水分蒸發(fā)期 氧化分解及晶型轉(zhuǎn)化期 玻化成瓷期 高溫階段 950 最高燒成溫度 急冷階段 緩冷階段 燒成過程中的物理化學(xué)變化 粉料粒度 鹽類選擇及煅燒條件 添加劑 燒結(jié)溫度及保溫時間 成型壓力 氣氛 影響因素 燒成過程的影響因素 1 成型壓力成型壓力對基體的體積密度 吸水率和顯氣孔率都有影響 隨著成型壓力增大 集體體積密度增大而吸水率 顯氣孔率降低 在壓力增大的開始階段 三者的變化幅度顯著 隨后變化平緩 2 粉料粒度在相同的成型壓力下 粒度大的粉體壓坯密度大 粒度小的粉體燒結(jié)密度大 同一粒度粉體 壓坯密度和燒結(jié)敏度均隨壓力的增大而增大 所以粉體粒度對坯體的致密度有影響 3 添加劑通常添加劑的作用有解凝 或稱稀釋 減水 緩凝 促凝 可塑 塑化 懸浮等 具體的應(yīng)用應(yīng)根據(jù)陶瓷坯 釉漿的性能和工藝需要來選用 常見的陶瓷添加劑包括減水劑 增塑劑 絮凝劑 懸浮劑 粘合劑 坯體增強劑等 4 燒結(jié)溫度燒結(jié)溫度與致密性有密切的關(guān)系 燒結(jié)溫度過低 經(jīng)歷生長緩慢 晶界移動速率慢 驅(qū)動力小 直接導(dǎo)致晶粒發(fā)育不完整 氣孔較多 晶界模糊 但是溫度過高 會造成晶界移動速率大 驅(qū)動力大 直接造成晶界移動速率大于氣孔移動速率 5 保溫時間適當?shù)谋乜梢耘懦龤饪?促進致密化 但過長的保溫時間非但不會促進致密 反而由于晶粒異常長大而使致密度下降 坯體變形 有的材料彈性模量與抗壓強度等力學(xué)性能也會下降 6 煅燒溫度不同煅燒條件下的陶瓷表現(xiàn)出的燒結(jié)性能不一樣 煅燒溫度越高尤其是高于析晶溫度時 越不利于致密化 7 氣氛氣氛會影響陶瓷坯體在高溫下的物化反應(yīng)速度 體積變化 晶粒尺寸與氣孔大小等 尤其對陶瓷坯的顏色 透光度和釉面質(zhì)量的影響 更顯突出 三 陶瓷基復(fù)合材料的制備 1 陶瓷基復(fù)合材料的簡介現(xiàn)代陶瓷材料具有耐高溫 耐磨損 耐腐蝕及重量輕等許多優(yōu)良的性能 但是 陶瓷材料同時也具有致命的缺點 即脆性 這一弱點正是目前陶瓷材料的使用受到很大限制的主要原因 因此 陶瓷材料的韌性化問題便成了近年來陶瓷工作者們研究的一個重點問題 現(xiàn)在這方面的研究已取得了初步進展 探索出了若干種韌化陶瓷的途徑 其中 往陶瓷材料中加入起增韌作用的第二相而制成陶瓷基復(fù)合材料即是一種重要方法 1 基體陶瓷基復(fù)合材料的基體為陶瓷 這是一種包括范圍很廣的材料 屬于無機化合物而不是單質(zhì) 所以它的結(jié)構(gòu)遠比金屬合金復(fù)雜得多 現(xiàn)代陶瓷材料的研究 最早是從對硅酸鹽材料的研究開始的 隨后又逐步擴大到了其他的無機非金屬材料 目前被人們研究最多的是碳化硅 氮化硅 氧化鋁等 它們普遍具有耐高溫 耐腐蝕 高強度 重量輕和價格低等優(yōu)點 陶瓷基基復(fù)合材料的基體與增強體 陶瓷基復(fù)合材料中的增強體 通常也稱為增韌體 從幾何尺寸上增強體可分為纖維 長 短纖維 晶須和顆粒三類 2 增強體 a 纖維 在陶瓷基復(fù)合材料中使用得較為普遍的是碳纖維 玻璃纖維 硼纖維等 將玻璃小球熔化 然后通過1mm左右直徑的小孔把它們拉出來 另外 纏繞纖維的心軸的轉(zhuǎn)動速度決定纖維的直徑 通常為10 m的數(shù)量級 b 晶須 晶須為具有一定長徑比 直徑0 3 1 m 長0 100 m 的小單晶體 晶須的特點是沒有微裂紋 位錯 孔洞和表面損傷等一類缺陷 因此其強度接近理論強度 由于晶須具有最佳的熱性能 低密度和高楊氏模量 從而引起了人們對其特別的關(guān)注 在陶瓷基復(fù)合材料中使用得較為普遍的是SiC A12O3及Si3N4晶須 1 纖維增強陶瓷基復(fù)合材料在陶瓷材料中 加入第二相纖維制成復(fù)合材料是改善陶瓷材料韌性的重要手段 按纖維排布方式的不同 又可將其分為單向排布長纖維復(fù)合材料和多向排布纖維復(fù)合材料 陶瓷基基復(fù)合材料的種類 單向排布纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料的顯著特點是它具有各向異性 即沿纖維長度方向上的縱向性能要大大優(yōu)于其橫向性能 在實際構(gòu)件中 主要是使用其縱向性能 在單向排布纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料中 當裂紋擴展遇到纖維時會受阻 這時 如果要使裂紋進一步擴展就必須提高外加應(yīng)力 這一過程的示意圖如下 單向排布纖維陶瓷基復(fù)合材料 多向排布纖維陶瓷基復(fù)合材料 單向排布纖維增韌陶瓷只是在纖維排列方向上的縱向性能較為優(yōu)越 而其橫向性能顯著低于縱向性能 所以只適用于單軸應(yīng)力的場合 而許多陶瓷構(gòu)件則要求在二維及三維方向上均具有優(yōu)良的性能 這就要進一步研究多向排布纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料 二維多向排布纖維增韌復(fù)合材料的纖維的排布方式有兩種 一種是將纖維編織成纖維布 浸漬漿料后 根據(jù)需要的厚度將單層或若干層進行熱壓燒結(jié)成型 如下圖所示 這種材料在纖維排布平面的二維方向上性能優(yōu)越 而在垂直于纖維排布面方向上的性能較差 一般應(yīng)用在對二維方向上有較高性能要求的構(gòu)件上 另一種是纖維分層單向排布 層間纖維成一定角度 如下圖所示 三維多向編織纖維增韌陶瓷是為了滿足某些情況的性能要求而設(shè)計的 這種材料最初是從宇航用三向C C復(fù)合材料開始的 現(xiàn)已發(fā)展到三向石英 石英等陶瓷復(fù)合材料 下圖為三向正交C C纖維編織結(jié)構(gòu)示意圖 它是按直角坐標將多束纖維分層交替編織而成 由于每束纖維呈直線伸展 不存在相互交纏和繞曲 因而使纖維可以充分發(fā)揮最大的結(jié)構(gòu)強度 這種三維多向編織結(jié)構(gòu)還可以通過調(diào)節(jié)纖維束的根數(shù)和股數(shù) 相鄰束間的間距 織物的體積密度以及纖維的總體積分數(shù)等參數(shù)進行設(shè)計以滿足性能要求 長纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料雖然性能優(yōu)越 但它的制備工藝復(fù)雜 而且纖維在基體中不易分布均勻 因此 近年來又發(fā)展了短纖維 晶須及顆粒增韌陶瓷基復(fù)合材料 2 晶須和顆粒增強陶瓷基復(fù)合材料 由于晶須的尺寸很小 從宏觀上看與粉末一樣 因此在制備復(fù)合材料時 只需將晶須分散后與基體粉末混合均勻 然后對混好的粉末進行熱壓燒結(jié) 即可制得致密的晶須增韌陶瓷基復(fù)合材料 目前常用的是SiC Si3N4 Al2O3晶須 常用的基體則為Al2O3 ZrO2 SiO2 Si3N4及莫來石等 晶須增韌陶瓷基復(fù)合材料的性能與基體和晶須的選擇 晶須的含量及分布等因素有關(guān) 由于晶須具有較大的長徑比 因此 當其含量較高時 因其橋架效應(yīng)而使致密化變得因難 從而引起了密度的下降并導(dǎo)致性能的下降 為了克服這一弱點 可采用顆粒來代替晶須制成復(fù)合材料 這種復(fù)合材料在原料的混合均勻化及燒結(jié)致密化方面均比晶須增強陶瓷基復(fù)合材料要容易 當所用的顆粒為SiC TiC時 基體材料采用最多的是Al2O3 Si3N4 目前 這些復(fù)合材料已廣泛用來制造刀具 晶須與顆粒對陶瓷材料的增韌均有一定作用 且各有利弊 晶須的增強增韌效果好 但含量高時會使致密度下降 顆?？煽朔ы毜囊蝗觞c 但其增強增韌效果卻不如晶須 纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的制備 纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的性能取決于多種因素 如基體 纖維及二者之間的結(jié)合等 從基體方面看 與氣孔的尺寸及數(shù)量 裂紋的大小以及一些其它缺陷有關(guān) 從纖維方面來看 則與纖維中的雜質(zhì) 纖維的氧化程度 損傷及其他固有缺陷有關(guān) 從基體與纖維的結(jié)合情況上看 則與界面及結(jié)合效果 纖維在基體中的取向 以及載體與纖維的熱膨脹系數(shù)差有關(guān) 正因為有如此多的影響因素 所以在實際中針對不同的材料的制作方法也會不同 成型技術(shù)的不斷研究與改進 正是為了能獲得性能更為優(yōu)良的材料 1 泥漿燒鑄法這種方法是在陶瓷泥漿中分散纖維 然后澆鑄在石膏模型中 這種方法比較古老 不受制品形狀的限制 但對提高產(chǎn)品性能的效果顯著 成本低 工藝簡單 適合于短纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的制作 目前采用的纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的成型主法主要有以下幾種 2 熱壓燒結(jié)法將特長纖維切短 3mm 然后分散并與基體粉末混合 再用熱壓燒結(jié)的方法即可制得高性能的復(fù)合材料 這種方法中 纖維與基體之間的結(jié)合較好 是目前采用較多的方法 這種短纖維增強體在與基體粉末混合時取向是無序的 但在冷壓成型及熱壓燒結(jié)的過程中 短纖維由于在基體壓實與致密化過程中沿壓力方向轉(zhuǎn)動 所以導(dǎo)致了在最終制得的復(fù)合材料中 短纖維沿加壓面而擇優(yōu)取向 這也就產(chǎn)生了材料性能上一定程度的各向異性 3 浸漬法這種方法適用于長纖維 首先把纖維編織成所需形狀 然后用陶瓷泥漿浸漬 干燥后進行焙燒 浸漬法的優(yōu)點是纖維取向可自由調(diào)節(jié) 如單向排布及多向排布等 浸漬法的缺點則是不能制造大尺寸的制品 而且所得制品的致密度較低 晶須與顆粒增韌陶瓷基復(fù)合材料的加工與制備 晶須與顆粒的尺寸均很小 只是幾何形狀上有些區(qū)別 用它們進行增韌的陶瓷基復(fù)合材料的制造工藝是基本相同的 這種復(fù)合材料的制備工藝比長纖維復(fù)合材料簡便得多 只需將晶須或顆粒分散后并與基體粉末混合均勻 再用熱壓燒結(jié)的方法即可制得高性能的復(fù)合材料 與陶瓷材料相似 晶須與顆粒增韌陶瓷基復(fù)合材料的制造工藝也可大致分為以下幾個步驟 這一過程看似簡單 實則包含著相當復(fù)雜的內(nèi)容 即使坯體由超細粉 微米級 原料組成 其產(chǎn)品質(zhì)量也不易控制 所以隨著現(xiàn)代科技對材料提出的要求的不斷提高 這方面的研究還必持進一步深入 把幾種原料粉末混合配成坯料的方法可分為干法和濕法兩種 現(xiàn)今新型陶瓷領(lǐng)域混合處理加工的微米級 超微米級粉末方法由于效率和可靠性的原因大多采用濕法 1 配料高性能的陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)具有均質(zhì) 孔隙少的微觀組織 為了得到這樣品質(zhì)的材料 必須首先嚴格挑選原料 濕法主要采用水作溶劑 但在氮化硅 碳化尼等非氧化物系的原料混合時 為防止原料的氧化則使用有機溶劑 原料混合時的裝置一般為專用球磨機 為了防止球磨機運行過程中因球和內(nèi)襯