第7章信息功能陶瓷制備原理及工藝ppt課件

1、壓電陶瓷為什么要預(yù)極化？壓電陶瓷為什么要預(yù)極化？壓電陶瓷為什么要預(yù)極化？壓電陶瓷為什么要預(yù)極化？答：（答：（1對(duì)于鐵電陶瓷來(lái)說(shuō)，各個(gè)晶粒都有較強(qiáng)對(duì)于鐵電陶瓷來(lái)說(shuō)，各個(gè)晶粒都有較強(qiáng)的壓電效應(yīng)。但由于晶粒和電疇分布無(wú)一定規(guī)的壓電效應(yīng)。但由于晶粒和電疇分布無(wú)一定規(guī)則，各方向幾率相同，使宏觀極化強(qiáng)度則，各方向幾率相同，使宏觀極化強(qiáng)度P=0，因而不顯示壓電效應(yīng)，故必須經(jīng)過(guò)人工預(yù)極化因而不顯示壓電效應(yīng)，故必須經(jīng)過(guò)人工預(yù)極化處理，使處理，使P0，才能對(duì)外顯示壓電效應(yīng)。，才能對(duì)外顯示壓電效應(yīng)。 （2壓電陶瓷的預(yù)極化方式：直流電場(chǎng)壓電陶瓷的預(yù)極化方式：直流電場(chǎng)+升升溫矯頑場(chǎng)溫矯頑場(chǎng)Ec減?。?。但溫度升高，材料的

2、絕減?。?。但溫度升高，材料的絕緣電阻下降，因此容易擊穿。所以溫度不能過(guò)緣電阻下降，因此容易擊穿。所以溫度不能過(guò)高。高。第七章第七章 電介質(zhì)陶瓷制備原理及工藝電介質(zhì)陶瓷制備原理及工藝 一、電介質(zhì)瓷料制備原理二、制造工藝控制三、納米晶材料的軟化學(xué)制備技術(shù)一、電介質(zhì)瓷料制備原理一、電介質(zhì)瓷料制備原理1.1 電介質(zhì)瓷原料電介質(zhì)瓷原料1.2 原料的顆粒度與粉碎原料的顆粒度與粉碎1.3 顆粒表面能與粉料的顆粒表面能與粉料的活化活化1.4 粉料粒度的測(cè)定粉料粒度的測(cè)定1.5 低介裝置瓷瓷料制備低介裝置瓷瓷料制備l 電介質(zhì)陶瓷的優(yōu)良特性主要決定于：晶相結(jié)構(gòu)、制備工藝l 例如：ZnO壓敏半導(dǎo)瓷l 主晶相性能方面

3、：六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，本征特性為半導(dǎo)性。l 制備工藝方面：ZnO壓敏半導(dǎo)瓷對(duì)外加電壓有一定的響應(yīng)，其機(jī)理主要是晶界效應(yīng)，而晶界在很大程度上由制備工藝決定。例如生燒使晶粒過(guò)小，主晶相合成不完全；過(guò)燒產(chǎn)生二次晶使個(gè)別晶粒粗大，它們均使ZnO壓敏半導(dǎo)瓷壓敏性能變壞。l 一般陶瓷工藝的主要流程：原料準(zhǔn)備坯體成型燒結(jié)瓷件加工1.1 電介質(zhì)瓷原料電介質(zhì)瓷原料1.1.1 原料分類原料分類天然礦物原料硬質(zhì)原礦，軟質(zhì)原礦）天然礦物原料硬質(zhì)原礦，軟質(zhì)原礦）人工合成、提純?cè)匣ぴ希娮蛹?jí)原料）人工合成、提純?cè)匣ぴ希娮蛹?jí)原料） 化工原料：電介質(zhì)常用原料，一般采用化學(xué)化工原料：電介質(zhì)常用原料，一般采用化學(xué) 組成

4、分級(jí)。組成分級(jí)。 工業(yè)純工業(yè)純IR） Industrial Reagent 98.0% 化學(xué)純化學(xué)純CP） Chemical Purity 99.0% 分析純分析純AR） Analytical Reagent 99.5% 光譜純光譜純GR） Guarateend Reagent 99.9% 電子級(jí)原料電子級(jí)原料 公用公用 1.1.2 原料的評(píng)價(jià)化學(xué)成份構(gòu)造顆粒度形貌1.1.3 原料的選擇（1保證產(chǎn)品性能前提下，盡量選擇低純度原料；（2各種雜質(zhì)及種類對(duì)產(chǎn)品的影響要具體分析。利：能對(duì)影響產(chǎn)品的不利因素進(jìn)行克制，能與產(chǎn)品的某成份形成共熔物或固溶體從而促進(jìn)燒結(jié)，降低燒結(jié)溫度，使瓷件致密。害：產(chǎn)生各種不

5、必要的晶相及晶格缺陷，影響產(chǎn)品性能。在實(shí)驗(yàn)研究中，對(duì)功能陶瓷主晶相原料一般采用化學(xué)純CP99%）或電子級(jí)粉料，而摻雜也稱小料原料則應(yīng)采用光譜純GR99.9%）。1.2 原料的顆粒度與粉碎原料的顆粒度與粉碎1.2.1 對(duì)粒度的要求對(duì)粒度的要求要求：愈細(xì)愈好，在要求：愈細(xì)愈好，在10m以下稱細(xì)粉）。以下稱細(xì)粉）。細(xì)粒的優(yōu)點(diǎn)：細(xì)粒的優(yōu)點(diǎn)：有利于各組份混合均勻，使其在高溫時(shí)反應(yīng)物的生有利于各組份混合均勻，使其在高溫時(shí)反應(yīng)物的生成也均勻，不偏離配方混合階段）。成也均勻，不偏離配方混合階段）。細(xì)粒有利于提高粉料的填充系數(shù)和造粒質(zhì)量，從而細(xì)粒有利于提高粉料的填充系數(shù)和造粒質(zhì)量，從而提高坯體的成型密度成型階段

6、）。提高坯體的成型密度成型階段）。提高粉料活性，降低燒成溫度燒結(jié)階段）。提高粉料活性，降低燒成溫度燒結(jié)階段）。1.2.2 原料的粉碎方法及原理粉碎方法：用機(jī)械裝置對(duì)原料進(jìn)行撞擊、碾壓、磨擦使原料破碎圓滑。粉碎原理：機(jī)械能轉(zhuǎn)換為粉料的表面能和缺陷能，能量轉(zhuǎn)換過(guò)程。粉碎要求：效率高，避免混入雜質(zhì)。粉碎在短期內(nèi)達(dá)到預(yù)定的細(xì)度或說(shuō)達(dá)到某一細(xì)度所消耗的能量少，時(shí)間短。盡量減少粉碎機(jī)械裝置的雜質(zhì)引入。1.2.3 球磨工藝臥式拋落）臥式拋落） 立式瀉落）立式瀉落）滾筒式球磨機(jī)滾筒式球磨機(jī)（1球磨工藝原理滾筒式球磨機(jī)對(duì)粉料作的功：磨球自由落體撞擊功。球球，球內(nèi)襯之間的滾動(dòng)、碾壓、磨擦功。（2影響球磨效率的主要

7、因素轉(zhuǎn)速n角速度）工廠生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出的經(jīng)驗(yàn)公式為： D磨機(jī)內(nèi)直徑）1.25m大型球磨機(jī)那么 轉(zhuǎn)/分筒體直徑D）常用滾筒式球磨機(jī)的直徑一般在1m2m之間。磨球形狀球形）Dn350l 磨球與內(nèi)襯的質(zhì)料l 常用的研磨體材料：氧化鋁、氧化鋯、瑪瑙SiO2）、氧化鋯增韌氧化鋁、鋼球等材料。l 某些研磨體的性能材質(zhì)材質(zhì) 主要成份主要成份 密度密度(g/cm3) 莫氏硬度莫氏硬度 磨耗量磨耗量 氧化鋁磨體 Al2O3 87%96% 3.43.65 9 氧化鋯磨體 ZrO2 95% 5.95最惡劣條件1/10萬(wàn) 瑪瑙磨體 SiO2 2.37.5ZTA磨體 Al2O3/ZrO2= 4/1 4.2最惡劣條件1.

8、5/10萬(wàn) 筒體的選擇：小規(guī)模生產(chǎn)或?qū)嶒?yàn)研究使用塑料瓶或罐；大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)使用大型鋼鐵筒體其內(nèi)層襯上與原料相同的瓷料或聚氨酯橡膠及塑料等有機(jī)物，以防引入鋼鐵雜質(zhì)。球磨時(shí)間一般為2448小時(shí)，時(shí)間長(zhǎng)雜質(zhì)混入較多。原料、磨球和水的經(jīng)驗(yàn)配比原料 /磨球 / 水 = 1 / 1 / （0.61） 體積比，一般為：1 / 1 / 1 。（3球磨工藝優(yōu)缺點(diǎn)球磨工藝優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單，混合料均勻，粒形好圓形）。優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單，混合料均勻，粒形好圓形）。缺陷：研磨體在有限高度拋落或?yàn)a落，產(chǎn)生撞擊力缺陷：研磨體在有限高度拋落或?yàn)a落，產(chǎn)生撞擊力和磨剝力，作用強(qiáng)度較弱；筒體轉(zhuǎn)速受臨界轉(zhuǎn)速和磨剝力，作用強(qiáng)度較弱；

9、筒體轉(zhuǎn)速受臨界轉(zhuǎn)速限制，即碾磨能力也受到限制；不起粉碎作用的限制，即碾磨能力也受到限制；不起粉碎作用的惰性區(qū)較廣，間歇作業(yè)。惰性區(qū)較廣，間歇作業(yè)。（4各種球磨機(jī)的粉碎程度粗磨：5010m細(xì)磨：102m超細(xì)磨：2m1.2.4 振磨工藝振磨機(jī)振磨機(jī) （1影響振磨效率的主要因素 球質(zhì)量 為垂直線加速度 為料斗與下落磨球相互作用力。aF（效率）撞擊作用力)(gamFmv 振動(dòng)頻率提高，單位時(shí)間研磨次數(shù)增多，加強(qiáng)了滾動(dòng)磨擦。f振動(dòng)頻率A振動(dòng)幅度l 粉料對(duì)振幅與振動(dòng)頻率的要求：l 較粗的粉料進(jìn)行粉碎時(shí)需要較大沖擊力，因此要求振幅大，同時(shí)粉碎前期粉料較粗，因而前期振幅要大以提高效率。l 較細(xì)粉料的粉碎需要大

10、量滾碾磨擦，因而希望振動(dòng)頻率高些，破碎后期一般粉料較細(xì)，因而破碎后期振動(dòng)頻率要高以提高效率。l 振動(dòng)幅度加大，磨球的上拋高度加大，加強(qiáng)了磨球下落的沖擊力。（2振磨工藝優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：粉料在單位時(shí)間內(nèi)受研磨體的沖擊與研磨作用次數(shù)極大，其作用次數(shù)成千倍于球磨機(jī)，因此粉碎效率很高。粉碎粒度細(xì)，混入雜質(zhì)較少。一方面粉碎是靠疲勞破壞而粉碎，另一方面由于研磨效率高，所用時(shí)間短，因此減少了混入雜質(zhì)的可能性。缺陷：粒形較差，呈棱角，混合效果及均勻度較球磨差。振動(dòng)噪音大，機(jī)械零件易疲勞而損壞，裝料尺寸應(yīng)小于250m60目篩）。（3振磨機(jī)的粉碎程度當(dāng)進(jìn)料尺寸小于250m，則成品料平均細(xì)度可達(dá)25m。球磨與振磨比較其粉

11、碎粒度超細(xì)磨內(nèi)部離子能量表面能：表面離子高于體內(nèi)離子所具有的那部分能量。 例如，將一塊晶體分為兩半，必須作功W，同時(shí)晶體增加了兩個(gè)表面，這兩個(gè)表面的面積設(shè)為A，由于W是為增加表面能而支付的，于是有： 表面能(比表面能)，W增加A面積外力作的功，A外力作功所增加的表面積。 比表面能、表面能、表面自由能、表面張力的概念具有一致性。在自然界中，不論是液體還是固體，表面總能量總是趨于降低，介穩(wěn)狀態(tài)向穩(wěn)定狀態(tài)過(guò)渡。一定重量的固體，粉碎得越細(xì)，總的表面積A越大，體系之總表面能 W =A越大。這樣的系統(tǒng)能量較高，系統(tǒng)不穩(wěn)定，只要條件許可，如外力作用，將自發(fā)趨向于使小晶粒長(zhǎng)成粗晶粒，從而降低表面自由能。 AW

12、dAdW比表面能看成就是表面張力1.3.3 比表面與等效粒徑（1比表面二種表達(dá)方式：體積和重量比表面： (體積比表面) (重量比表面) 其中 A：粉料的總表面積， V：粉料的總體積， ：粉料的比重。VAAv0VAgAAg0（2比表面與粒度的關(guān)系粉料體積一定則顆粒越小比表面越大。 設(shè)粉粒粒形為立方體，各邊長(zhǎng)為1cm，表面積為6cm2，體積為1cm3。當(dāng)邊長(zhǎng)減少到原長(zhǎng)的十分之一，即10-1cm時(shí)，粉粒數(shù)便增加到 1 0 3 個(gè) 。 總 面 積 增 加 到 6 1 0 c m 2 ，（0.10.1）6103= 610cm2，即增加十倍，相應(yīng)比表面也增加到610cm-1，增加了十倍。粉料體系粒度每降低

13、一個(gè)數(shù)量級(jí)，則粉料體系比表面就增加一個(gè)數(shù)量級(jí)。（3等效粒徑與比表面之間的關(guān)系工藝中常用的為等效粒徑或者平均直徑，我們常說(shuō)的某一粉體系統(tǒng)的粒徑一般指平均值。設(shè)粉粒為球形，r為球半徑，d為球直徑，為粉料的比重，那么： 球面積 A = 4r2 = d2 球體積 重量比表面 體積比表面63433drVdVAAg60drrrVAAV63344320l 近似求得粉料的等效粒徑與比表面體積或重量的關(guān)系式：l 或 l 實(shí)際粉粒并非圓球狀故用平均直徑 代替d。dVAd06gAd061.3.4 固體中質(zhì)點(diǎn)的活性與位置的關(guān)系質(zhì)點(diǎn)的活性：固體中某一質(zhì)點(diǎn)，掙脫原有結(jié)構(gòu)給予它束縛力的可能性。留意：粉料的活性指整個(gè)粉體系統(tǒng)

14、而言，質(zhì)點(diǎn)的活性則對(duì)單個(gè)粒子而言。固體中處于不同位置上的離子所受束縛力有： 內(nèi)離子內(nèi)角離子內(nèi)棱離子表面離子 外棱離子外角離子固體中質(zhì)點(diǎn)的活性正相反： 內(nèi)離子內(nèi)角離子內(nèi)棱離子表面離子 外棱離子2）粘土的性質(zhì)粘土的性質(zhì)可塑性可塑性 在外力的作用下產(chǎn)生形變，但不開裂，當(dāng)在外力的作用下產(chǎn)生形變，但不開裂，當(dāng)外力去掉后，仍能保持其形狀不變?？伤苄缘耐饬θサ艉?，仍能保持其形狀不變?？伤苄缘拇笮≈饕Q于固相與液相的性質(zhì)和數(shù)量。大小主要取決于固相與液相的性質(zhì)和數(shù)量。 可塑性能根據(jù)可塑指數(shù)或可塑指標(biāo)分為：可塑性能根據(jù)可塑指數(shù)或可塑指標(biāo)分為： 強(qiáng)塑性粘土強(qiáng)塑性粘土 可塑指數(shù)可塑指數(shù) 15 可塑指標(biāo)可塑指標(biāo) 3.

15、6 中塑性粘土中塑性粘土 可塑指數(shù)可塑指數(shù) 715 可塑指標(biāo)可塑指標(biāo) 2.53.6 弱塑性粘土弱塑性粘土 可塑指數(shù)可塑指數(shù) 17 可塑指標(biāo)可塑指標(biāo) 2.5 非塑性粘土非塑性粘土 可塑指數(shù)可塑指數(shù) 90%），燒），燒結(jié)尚未完成。結(jié)尚未完成。固相反應(yīng)與溫度密切相關(guān)；粉料愈細(xì)反應(yīng)速度愈快；固相反應(yīng)與溫度密切相關(guān)；粉料愈細(xì)反應(yīng)速度愈快；粉末間接觸面積越大越好；升高溫度較之延長(zhǎng)反粉末間接觸面積越大越好；升高溫度較之延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間更有效；少量熔點(diǎn)較低的物質(zhì)加入反應(yīng)物應(yīng)時(shí)間更有效；少量熔點(diǎn)較低的物質(zhì)加入反應(yīng)物中，可起類似于熔劑作用，促使其它原料固相反中，可起類似于熔劑作用，促使其它原料固相反應(yīng)加速進(jìn)行。應(yīng)加速

16、進(jìn)行。2.6 燒結(jié)燒結(jié)體的構(gòu)成：晶粒、晶界、氣孔等l 燒結(jié)過(guò)程的劃分：早、中、后期l 燒結(jié)推動(dòng)力：致密化與瓶頸形成的推動(dòng)力l 物質(zhì)由曲率半徑較小處向曲率半徑較大處傳遞，同一顆粒內(nèi)物質(zhì)傳遞結(jié)果導(dǎo)致所謂的顆?！扒蚧保徊煌w粒接觸時(shí)，物質(zhì)將由小顆粒向大顆粒傳遞，促使顆?！按只?。l 晶體生長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力：材料的界面能l 在細(xì)粉體或成型體中晶粒生長(zhǎng)的機(jī)理被認(rèn)為是顆粒間的擴(kuò)散或晶界移動(dòng)，燒結(jié)后期接近致密的材料中，晶粒通過(guò)晶界向其曲率中心小顆粒向大顆粒挪動(dòng)，晶粒生長(zhǎng)。l 二面角形成后的顆粒間構(gòu)型變化l 晶粒長(zhǎng)大與二次再結(jié)晶現(xiàn)象l 為了避免非連續(xù)成長(zhǎng)，通常希望顆粒均勻、坯件密度均勻。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)：球磨時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，球

17、磨中加入鐵屑以及預(yù)燒溫度過(guò)高、燒結(jié)升溫速度過(guò)快等，容易產(chǎn)生非連續(xù)的結(jié)晶長(zhǎng)大。l 氣孔與致密化的關(guān)系l 氣孔生長(zhǎng)與晶粒生長(zhǎng)及致密化有關(guān)，受到顆粒尺寸差別及氣孔壓應(yīng)力的雙重影響；盡管如此，表面張力仍是最基本的推動(dòng)力。實(shí)際粉料成型體的致密化過(guò)程較為復(fù)雜，主要由于存在氣孔的尺寸分布、團(tuán)聚體的存在、燒結(jié)溫度的影響等。l 燒結(jié)過(guò)程的控制l 預(yù)燒l 燒結(jié)制度l 相變l 氣氛和燒結(jié)助劑l 窯爐設(shè)計(jì)l LTCC低溫共燒陶瓷 ）技術(shù)簡(jiǎn)介l LTCC生料帶制備、帶通濾波器三維布局及LTCC鐵氧體電感器三、納米晶材料的軟化學(xué)制備技術(shù)三、納米晶材料的軟化學(xué)制備技術(shù)3.1 沉淀法沉淀法3.2 水熱與溶劑熱合成法水熱與溶劑

18、熱合成法3.3 溶膠凝膠合成法溶膠凝膠合成法3.1 沉淀法沉淀法基本原理：基本原理： 在包含一種或多種陽(yáng)離子的可溶性溶液中，在包含一種或多種陽(yáng)離子的可溶性溶液中，加入沉淀劑如加入沉淀劑如OH，CO32等后，或是在一等后，或是在一定條件下由溶液內(nèi)部均勻緩慢地產(chǎn)生沉淀，或在定條件下由溶液內(nèi)部均勻緩慢地產(chǎn)生沉淀，或在一定條件下使鹽類從溶液中析出，生成不溶性的一定條件下使鹽類從溶液中析出，生成不溶性的氫氧化物、碳酸鹽、草酸鹽或有機(jī)酸鹽等沉淀，氫氧化物、碳酸鹽、草酸鹽或有機(jī)酸鹽等沉淀，并將溶劑和溶液中原有陰離子洗去，上述沉淀經(jīng)并將溶劑和溶液中原有陰離子洗去，上述沉淀經(jīng)熱分解或脫水即得所需產(chǎn)品。熱分解或脫水即得所需產(chǎn)品。存在問(wèn)題：存在問(wèn)題： 當(dāng)組分之間的沉淀產(chǎn)生的濃度及沉淀速度存當(dāng)組分之間的沉淀產(chǎn)生的濃度及沉淀速度存在差異時(shí)，溶液原始的原子水平的均勻性可能會(huì)在差異時(shí)，溶液原始的原子水平的均勻性可能會(huì)部分地失去；另外，許多金屬不容易發(fā)生沉淀反部分地失去；另外，許多金屬不容易發(fā)生沉淀反應(yīng)。因此，限制了該方法的應(yīng)用。應(yīng)。因此，限制了該方法的應(yīng)用。l 實(shí)例：l 重金屬離子工業(yè)廢液的處理3.2 水熱與溶劑熱合成法水熱與溶劑熱合成法 在一定溫度在一定溫度100