【大學(xué)】陶瓷材料的設(shè)計(jì)與高溫制備

1、陶瓷材料的設(shè)計(jì)與高溫制備.陶陶 瓷瓷 陶瓷（陶瓷（ceramics）是我們?nèi)粘Ｉ罱佑|較多，在）是我們?nèi)粘Ｉ罱佑|較多，在國民經(jīng)濟(jì)中有許多重要應(yīng)用的無機(jī)非金屬材料之一。國民經(jīng)濟(jì)中有許多重要應(yīng)用的無機(jī)非金屬材料之一。 傳統(tǒng)概念的陶瓷是指所有一粘土為主要原料，傳統(tǒng)概念的陶瓷是指所有一粘土為主要原料，并與其他礦物原料經(jīng)過破碎混和成型燒成等過程而并與其他礦物原料經(jīng)過破碎混和成型燒成等過程而制得的制品制得的制品, ,就是常見的日用陶瓷建筑衛(wèi)生陶瓷等普就是常見的日用陶瓷建筑衛(wèi)生陶瓷等普通陶瓷通陶瓷(ordinary ceramics )。 隨著社會(huì)的發(fā)展，出現(xiàn)了有一類性能特殊，在隨著社會(huì)的發(fā)展，出現(xiàn)了有一

2、類性能特殊，在電子、航空、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有廣泛用途的陶瓷材電子、航空、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有廣泛用途的陶瓷材料，稱之為特種陶瓷料，稱之為特種陶瓷(specieal ceramics )。 .陶瓷綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路陶瓷綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路 將特定的陶瓷產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造工藝流程與產(chǎn)品性能將特定的陶瓷產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造工藝流程與產(chǎn)品性能測(cè)定分析結(jié)為一個(gè)有機(jī)的整體。建立起新的實(shí)驗(yàn)體測(cè)定分析結(jié)為一個(gè)有機(jī)的整體。建立起新的實(shí)驗(yàn)體系。系。加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性、系統(tǒng)性，增加學(xué)生動(dòng)腦、動(dòng)手加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性、系統(tǒng)性，增加學(xué)生動(dòng)腦、動(dòng)手的機(jī)會(huì)，強(qiáng)化技能的訓(xùn)練，調(diào)動(dòng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性的機(jī)會(huì)，強(qiáng)化技能的訓(xùn)練，調(diào)動(dòng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性和主動(dòng)性，提高

3、分析問題和解決問題的能力。和主動(dòng)性，提高分析問題和解決問題的能力。為畢業(yè)論文和將來工作打下一定的基礎(chǔ)為畢業(yè)論文和將來工作打下一定的基礎(chǔ) .實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 目目 的的 1了解陶瓷各種工藝實(shí)驗(yàn)在生產(chǎn)中的作用與實(shí)際意義。了解陶瓷各種工藝實(shí)驗(yàn)在生產(chǎn)中的作用與實(shí)際意義。 2掌握陶瓷主要工藝實(shí)驗(yàn)的原理、方法與一定的操作掌握陶瓷主要工藝實(shí)驗(yàn)的原理、方法與一定的操作技能。技能。 3通過陶瓷工藝綜合實(shí)驗(yàn)了解陶瓷產(chǎn)品的設(shè)計(jì)程序與通過陶瓷工藝綜合實(shí)驗(yàn)了解陶瓷產(chǎn)品的設(shè)計(jì)程序與工藝過程。工藝過程。 4培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力，提高分析問題、解培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力，提高分析問題、解決問題和動(dòng)手能力。決問題和動(dòng)手能力。

4、 .實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 要要 求求 1 1掌握陶瓷原料、泥漿性能、坯體干燥性能、掌握陶瓷原料、泥漿性能、坯體干燥性能、燒成性能和產(chǎn)品性能測(cè)試原理、方法和影響實(shí)驗(yàn)燒成性能和產(chǎn)品性能測(cè)試原理、方法和影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的因素。結(jié)果的因素。 2 2熟悉陶瓷配料計(jì)算。熟悉陶瓷配料計(jì)算。 3 3掌握陶瓷產(chǎn)品的試制工藝和分析影響產(chǎn)掌握陶瓷產(chǎn)品的試制工藝和分析影響產(chǎn)品性能的因素。品性能的因素。 4 4寫出實(shí)驗(yàn)學(xué)術(shù)論文。寫出實(shí)驗(yàn)學(xué)術(shù)論文。.陶瓷的組成、結(jié)構(gòu)與性能陶瓷的組成、結(jié)構(gòu)與性能 陶瓷（材料及其制品）都有特定的性能要求。陶瓷（材料及其制品）都有特定的性能要求。日用餐具要有一定的強(qiáng)度（日用餐具要有一定的強(qiáng)度（strengt

5、h）、白度（）、白度（whiteness）、抗熱）、抗熱沖擊性（熱穩(wěn)定性）；沖擊性（熱穩(wěn)定性）；電瓷有強(qiáng)度和介電性能要求；電瓷有強(qiáng)度和介電性能要求；特種陶瓷對(duì)性能及其熱穩(wěn)定性要求更高。特種陶瓷對(duì)性能及其熱穩(wěn)定性要求更高。 研究表明，陶瓷的性能一方面受到其本征物理量研究表明，陶瓷的性能一方面受到其本征物理量（如熱穩(wěn)定系數(shù)、電阻率、彈性模量等）的影響，同（如熱穩(wěn)定系數(shù)、電阻率、彈性模量等）的影響，同時(shí)又與其顯微結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。而決定顯微結(jié)構(gòu)和本征時(shí)又與其顯微結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。而決定顯微結(jié)構(gòu)和本征物理量的是陶瓷的物理量的是陶瓷的組成組成及其及其加工工藝過程加工工藝過程。 其中其中 陶瓷組成對(duì)顯微結(jié)構(gòu)、性能

6、起決定作用陶瓷組成對(duì)顯微結(jié)構(gòu)、性能起決定作用。 .陶瓷的理論設(shè)計(jì)陶瓷的理論設(shè)計(jì)根據(jù)材料的使用要求進(jìn)行設(shè)計(jì).根據(jù)手冊(cè)或其他 參考資料進(jìn)行設(shè)計(jì)（相圖是重要的資料） CaO、Al2O3、Si2O系統(tǒng)包括一系列重要的硅酸鹽工業(yè)產(chǎn)品、高爐礦渣、以及某些礦物與巖石。具有實(shí)際意義。 .陶瓷的理論設(shè)計(jì)陶瓷的理論設(shè)計(jì).根據(jù)他人（單位）或自己（單位）的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì).從頭摸索.1.3 陶瓷化學(xué)組成設(shè)計(jì)陶瓷化學(xué)組成設(shè)計(jì) 陶瓷坯料（陶瓷坯料（body material）一般是由幾種不同的原）一般是由幾種不同的原料配只制而成的。性能不同的陶瓷產(chǎn)品，其所用原料料配只制而成的。性能不同的陶瓷產(chǎn)品，其所用原料的種類和配比不同，

7、也即所謂坯料組成或配方不同。的種類和配比不同，也即所謂坯料組成或配方不同。 一一. 成分設(shè)計(jì)原則成分設(shè)計(jì)原則 1 根據(jù)科研需要或用戶的要求確定產(chǎn)品（根據(jù)科研需要或用戶的要求確定產(chǎn)品（充分考慮充分考慮產(chǎn)品的物理化學(xué)性能和實(shí)用性能要求產(chǎn)品的物理化學(xué)性能和實(shí)用性能要求） ； 2參考前人的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)；參考前人的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)； 3了解各種原料對(duì)產(chǎn)品性質(zhì)的影響了解各種原料對(duì)產(chǎn)品性質(zhì)的影響 ； 4 應(yīng)滿足生產(chǎn)工藝的要求應(yīng)滿足生產(chǎn)工藝的要求 ； 5 了解原料的品位、來源和到廠價(jià)格了解原料的品位、來源和到廠價(jià)格 .1.3 陶瓷化學(xué)組成設(shè)計(jì)陶瓷化學(xué)組成設(shè)計(jì) 傳統(tǒng)概念的陶瓷是指所有傳統(tǒng)概念的陶瓷是指所有以粘土為主要原

8、料，并與其他礦物原料以粘土為主要原料，并與其他礦物原料經(jīng)過破碎、混合、成形、燒成等過程而制得的制品經(jīng)過破碎、混合、成形、燒成等過程而制得的制品。.1.3 陶瓷化學(xué)組成設(shè)計(jì)陶瓷化學(xué)組成設(shè)計(jì)二二. 本次實(shí)驗(yàn)的參考資料本次實(shí)驗(yàn)的參考資料.1.3 陶瓷化學(xué)組成設(shè)計(jì)陶瓷化學(xué)組成設(shè)計(jì).1.3 陶瓷化學(xué)組成設(shè)計(jì)陶瓷化學(xué)組成設(shè)計(jì).1.3 陶瓷化學(xué)組成設(shè)計(jì)陶瓷化學(xué)組成設(shè)計(jì)三坯體組成的表示方法三坯體組成的表示方法 坯體組成的表示方法可分為坯體組成的表示方法可分為 4 種種1. 1. 配料量表示法配料量表示法 配料量表示法也稱配料比表示法，是生產(chǎn)中常用的方法。它配料量表示法也稱配料比表示法，是生產(chǎn)中常用的方法。它直

9、接列出所用原料的名稱和質(zhì)量比（各種原料質(zhì)量比之和應(yīng)為直接列出所用原料的名稱和質(zhì)量比（各種原料質(zhì)量比之和應(yīng)為100）。這種方法便于工廠計(jì)量配料，直觀方便。）。這種方法便于工廠計(jì)量配料，直觀方便。 2. 化學(xué)組成表示法化學(xué)組成表示法 即用坯料中各種化學(xué)組分所占質(zhì)量百分?jǐn)?shù)來表示坯料組成。即用坯料中各種化學(xué)組分所占質(zhì)量百分?jǐn)?shù)來表示坯料組成。其優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)坯料中化學(xué)成分的多少來推斷或比較坯體的某其優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)坯料中化學(xué)成分的多少來推斷或比較坯體的某些性能。些性能。 .1.3 陶瓷化學(xué)組成設(shè)計(jì)陶瓷化學(xué)組成設(shè)計(jì)3. 示性礦物組成表示法示性礦物組成表示法 普通陶瓷坯體一般是由粘土、石英及熔劑類礦物原料組成

10、。普通陶瓷坯體一般是由粘土、石英及熔劑類礦物原料組成。用這三類礦物的百分含量可表示坯料的組成，這樣的表示方法叫用這三類礦物的百分含量可表示坯料的組成，這樣的表示方法叫示性礦物表示法。它有助于了解坯料的一些工藝性能，比如燒成示性礦物表示法。它有助于了解坯料的一些工藝性能，比如燒成性能等。性能等。 4. 實(shí)驗(yàn)式表示法實(shí)驗(yàn)式表示法 實(shí)驗(yàn)式表示法也稱坯式表示法，它是采用各種氧化物摩爾數(shù)實(shí)驗(yàn)式表示法也稱坯式表示法，它是采用各種氧化物摩爾數(shù)來表示坯料組成的一種方法，將坯料中的氧化物分為堿性、中性來表示坯料組成的一種方法，將坯料中的氧化物分為堿性、中性和酸性氧化物，并計(jì)算出其摩爾數(shù)后按比例排列。和酸性氧化物

11、，并計(jì)算出其摩爾數(shù)后按比例排列。 坯式是陶瓷理論研究中常用的方法，它可以明顯地表示出各坯式是陶瓷理論研究中常用的方法，它可以明顯地表示出各組分之間的數(shù)量關(guān)系，進(jìn)而分析坯料的性能。組分之間的數(shù)量關(guān)系，進(jìn)而分析坯料的性能。實(shí)際工作中，往往是同時(shí)用兩種或兩種以上的方法表示組成。實(shí)際工作中，往往是同時(shí)用兩種或兩種以上的方法表示組成。 .1.3 陶瓷化學(xué)組成設(shè)計(jì)陶瓷化學(xué)組成設(shè)計(jì)四坯體配料計(jì)算四坯體配料計(jì)算 由于坯料組成有多種表示方法，故必須了解這幾由于坯料組成有多種表示方法，故必須了解這幾種不同表示方法之間的換算。種不同表示方法之間的換算。 由產(chǎn)品的化學(xué)組成和原料的化學(xué)組成進(jìn)行計(jì)算由產(chǎn)品的化學(xué)組成和原料

12、的化學(xué)組成進(jìn)行計(jì)算 上面給出產(chǎn)品的配方組成（參考）和實(shí)驗(yàn)室所供上面給出產(chǎn)品的配方組成（參考）和實(shí)驗(yàn)室所供應(yīng)原料的組成，利用這些數(shù)據(jù)可以順利進(jìn)行坯體配料應(yīng)原料的組成，利用這些數(shù)據(jù)可以順利進(jìn)行坯體配料的計(jì)算。的計(jì)算。.1.4 陶瓷實(shí)驗(yàn)流程陶瓷實(shí)驗(yàn)流程一一. . 制備工藝流程制備工藝流程 可以歸納如下可以歸納如下.1.4 陶瓷實(shí)驗(yàn)流程陶瓷實(shí)驗(yàn)流程1配料配料 按計(jì)算結(jié)果，用藥用天平準(zhǔn)確稱量，精確到小數(shù)按計(jì)算結(jié)果，用藥用天平準(zhǔn)確稱量，精確到小數(shù)點(diǎn)后點(diǎn)后2位。每份料的位。每份料的總量總量為為300克克。2研磨、造粒研磨、造粒 將稱量好的料放入快速磨內(nèi)研磨，磨料時(shí)間為將稱量好的料放入快速磨內(nèi)研磨，磨料時(shí)間為

13、2030分鐘。分鐘。 將磨好的料放入干凈而且干燥的白瓷盤內(nèi)，用噴將磨好的料放入干凈而且干燥的白瓷盤內(nèi)，用噴水壺噴入少量的水，造粒。水壺噴入少量的水，造粒。3陳腐陳腐 將造好的粒用塑料袋（保鮮袋）裝好，密封袋口，將造好的粒用塑料袋（保鮮袋）裝好，密封袋口，貼上標(biāo)簽，存放貼上標(biāo)簽，存放2448小時(shí)即可用于壓制成形。小時(shí)即可用于壓制成形。 .1.4 陶瓷實(shí)驗(yàn)流程陶瓷實(shí)驗(yàn)流程4壓制成形壓制成形 為方便性能測(cè)試，可分別壓制成條、片的試樣。為方便性能測(cè)試，可分別壓制成條、片的試樣。條狀試樣條狀試樣，6條，條，3克克 / 條條 ，成型壓力，成型壓力 20 30 KN .片狀試樣片狀試樣，24片，片，13克克

14、 / 片（片徑片（片徑4 cm ），或），或8克克 / 片片（片徑（片徑3 cm ），成型壓力），成型壓力 30 40 KN 。 壓制成形后立即對(duì)試壓制成形后立即對(duì)試樣編號(hào)，用游標(biāo)卡尺樣編號(hào)，用游標(biāo)卡尺量尺量尺寸寸并記錄。并記錄。.1.4 陶瓷實(shí)驗(yàn)流程陶瓷實(shí)驗(yàn)流程5干燥干燥 將試樣放入將試樣放入100105的烘箱中烘的烘箱中烘810小時(shí)（也小時(shí)（也可自然干燥可自然干燥23天）后，取出，放入干燥器。天）后，取出，放入干燥器。 試樣冷卻后，試樣冷卻后，量取干燥后的尺寸量取干燥后的尺寸并記錄，并記錄，計(jì)算計(jì)算 干干燥收縮率燥收縮率 。6燒成燒成 上述上述5種產(chǎn)品種的燒成溫度基本一致，但最高燒成種產(chǎn)品

15、種的燒成溫度基本一致，但最高燒成溫度不同。溫度不同。 因?yàn)楦鞯卦系某煞植煌糠N產(chǎn)品的燒成溫度因?yàn)楦鞯卦系某煞植煌?，每種產(chǎn)品的燒成溫度都有波動(dòng)。需經(jīng)燒成實(shí)驗(yàn)確定。都有波動(dòng)。需經(jīng)燒成實(shí)驗(yàn)確定。.1.4 陶瓷實(shí)驗(yàn)流程陶瓷實(shí)驗(yàn)流程二二. 燒成制度的制定燒成制度的制定 燒成制度包括溫度制度、氣氛制度和壓力制度。對(duì)一個(gè)特定燒成制度包括溫度制度、氣氛制度和壓力制度。對(duì)一個(gè)特定的產(chǎn)品而言，制定好溫度制度（建立溫度與時(shí)間的關(guān)系）和控制的產(chǎn)品而言，制定好溫度制度（建立溫度與時(shí)間的關(guān)系）和控制好燒成氣氛是關(guān)鍵。壓力制度起保證前兩個(gè)制度順利實(shí)施的作用。好燒成氣氛是關(guān)鍵。壓力制度起保證前兩個(gè)制度順利實(shí)施的作用。三

16、者之間互相協(xié)調(diào)構(gòu)成一個(gè)合理的燒成制度。三者之間互相協(xié)調(diào)構(gòu)成一個(gè)合理的燒成制度。 燒成溫度曲線的性質(zhì)決定于下列因素：燒成溫度曲線的性質(zhì)決定于下列因素： （1 1）燒成時(shí)坯體中的反應(yīng)速度。坯體的組成、原料性質(zhì)以及高）燒成時(shí)坯體中的反應(yīng)速度。坯體的組成、原料性質(zhì)以及高溫中發(fā)生的化學(xué)變化均影響反應(yīng)的速度。溫中發(fā)生的化學(xué)變化均影響反應(yīng)的速度。 （2 2）坯體的厚度、大小及坯體的熱傳導(dǎo)能力。）坯體的厚度、大小及坯體的熱傳導(dǎo)能力。 （3 3）窯爐的結(jié)構(gòu)、型式和熱容，以及窯具的性質(zhì)和裝窯密度。）窯爐的結(jié)構(gòu)、型式和熱容，以及窯具的性質(zhì)和裝窯密度。 .1.4 陶瓷實(shí)驗(yàn)流程陶瓷實(shí)驗(yàn)流程二二. 燒成制度的制定燒成制度

17、的制定 因?yàn)槭窃趯?shí)驗(yàn)室進(jìn)行燒成，使用硅碳棒電路或硅鉬棒電爐，因?yàn)槭窃趯?shí)驗(yàn)室進(jìn)行燒成，使用硅碳棒電路或硅鉬棒電爐，主要技術(shù)燒成最高溫度。主要技術(shù)燒成最高溫度。 最高燒成溫度按下式進(jìn)行計(jì)算：最高燒成溫度按下式進(jìn)行計(jì)算：.1.4 陶瓷實(shí)驗(yàn)流程陶瓷實(shí)驗(yàn)流程燒成曲線的制定燒成曲線的制定 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出最高燒結(jié)溫度后，制定燒成根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出最高燒結(jié)溫度后，制定燒成曲線。參考數(shù)據(jù)如下：曲線。參考數(shù)據(jù)如下：地磚和仿花崗巖?；u地磚和仿花崗巖玻化磚 T燒燒 = 12001280；釉面磚釉面磚 T燒燒 = 12001280；低溫快燒的釉面磚低溫快燒的釉面磚 T燒燒 = 10001080； 耐熱瓷耐熱瓷 T

18、燒燒 = 12801320；.1.4 陶瓷實(shí)驗(yàn)流程陶瓷實(shí)驗(yàn)流程升溫速率與保溫的確定升溫速率與保溫的確定 升溫速率升溫速率：小于：小于 1000時(shí)，時(shí)， 810/分鐘；分鐘； 大于大于 1000時(shí)，時(shí)， 58 /分鐘；分鐘； 保溫與取樣保溫與取樣： 當(dāng)溫度為當(dāng)溫度為100、200、300、400、500、600、700 各保溫各保溫30min ，取出樣品；，取出樣品； 當(dāng)溫度為當(dāng)溫度為800、900、1000 時(shí)，各保溫時(shí)，各保溫60min ，取出樣品；，取出樣品； 當(dāng)溫度為當(dāng)溫度為“最高燒成溫度最高燒成溫度”時(shí)，保溫時(shí)，保溫60min ，取出，取出樣品。樣品。.1.5 確定陶瓷燒結(jié)溫度范圍確定

19、陶瓷燒結(jié)溫度范圍三確定燒結(jié)溫度范圍三確定燒結(jié)溫度范圍 用氣孔率、吸水率、收縮率的數(shù)據(jù)繪制曲線圖，用氣孔率、吸水率、收縮率的數(shù)據(jù)繪制曲線圖，求燒結(jié)溫度范圍。求燒結(jié)溫度范圍。 .1.6 陶瓷試樣性能測(cè)定陶瓷試樣性能測(cè)定四樣品性能的測(cè)定四樣品性能的測(cè)定1. 試樣干燥強(qiáng)度的測(cè)定試樣干燥強(qiáng)度的測(cè)定2. 試樣試樣干燥線收縮干燥線收縮 3. 3. 試樣試樣燒結(jié)強(qiáng)度測(cè)定燒結(jié)強(qiáng)度測(cè)定 4試樣試樣燒成燒成收縮率收縮率的測(cè)定的測(cè)定5試樣試樣氣孔率氣孔率的測(cè)定的測(cè)定6試樣試樣吸水率吸水率的測(cè)定的測(cè)定7. 7. 體積密度測(cè)定體積密度測(cè)定 試樣干試樣干燥強(qiáng)度燥強(qiáng)度的測(cè)定的測(cè)定試樣吸試樣吸水率與水率與氣孔率氣孔率的測(cè)定的測(cè)定.1.7 確定陶瓷燒結(jié)溫度范圍確定