第九章 功能陶瓷材料的烧结

实验九陶瓷材料烧结工艺实验姓名：许航学号：141190093 姓名：王颖婷学号：141190083系别：材料科学与工程系专业：材料物理组号：A9 实验时间：5月11号1实验目的1）掌握陶瓷主要制备工艺的原理、方法与一定的操作技能。

2）通过实验了解陶瓷产品的设计程序与工艺过程。

3）掌握制备陶瓷材料的典型工艺流程，包括配方计算、称量、混料、筛分、造粒、成型、排塑、烧结、加工、性能测试等4）利用实验找出材料的最优烧结工艺，包括烧结温度和烧结时间5）了解压敏陶瓷等功能陶瓷的制备和性能检测2 实验背景知识2.1陶瓷陶瓷（ceramics）是我们日常生活接触较多，在国民经济中有许多重要应用的无机非金属材料之一。

传统概念的陶瓷是指所有以粘土为主要原料，并与其他矿物原料经过破碎混和成型烧成等过程而制得的制品,主要是常见的日用陶瓷、建筑卫生陶瓷等普通陶瓷(ordinary ceramics )。

随着社会的发展，出现了一类性能特殊，在电子、航空、生物医学等领域有广泛用途的陶瓷材料，称之为特种陶瓷(specieal ceramics )。

所有的陶瓷（材料及其制品）都有其特定的性能要求。

如：日用餐具要有一定的强度（strength）、白度（whiteness）、抗热冲击性（热稳定性）；对于电瓷有强度和介电性能要求；而特种陶瓷对性能及其热稳定性要求更高。

陶瓷的性能一方面受到其本征物理量（如热稳定系数、电阻率、弹性模量等）的影响，同时又与其显微结构密切相关。

而决定显微结构和本征物理量的是陶瓷的组成及其加工工艺过程。

其中陶瓷组成对显微结构、性能起决定作用。

2.2 陶瓷材料制备工艺陶瓷材料制备的一般工艺流程如图1所示。

图1. 陶瓷材料制备的一般工艺流程2.2.1 配方设计陶瓷坯料（body material）一般是由几种不同的原料配制而成。

性能不同的陶瓷产品，其所用原料的种类和配比不同，也即所谓坯料组成或配方不同。

陶瓷成分设计原则有：1）根据科研需要或用户的要求确定产品（充分考虑产品的物理化学性能和实用性能要求）；2）参考前人的经验和数据；3）了解各种原料对产品性质的影响；4）应满足生产工艺的要求；5）了解原料的品位、来源和到厂价格。

陶瓷材料烧结原理与工艺摘要：到目前为止，陶瓷烧结技术一直是人们不断突破的领域，本文从陶瓷烧结的分类、影响因素、反应机理分别加以介绍，并列举了一些传统和先进的烧结技术，分析了它们的优缺点及应用的范围。

关键词：陶瓷材料；影响因素；反应机理；烧结方法；Sintering Theory and Technology of Ceramics Abstract:So far, the people of ceramic sintering technology has been constantly breaking the field, this paper classification of ceramic sintering, influence factors, reaction mechanism be introduced separately, and listed some of the traditional and advanced sintering tech- nology, analyzes their advantages and disadvantages and application Range.Key words:Ceramic materials; factors; reaction mechanism; sintering method;0 前言陶瓷(Ceramic)的主要制备工艺过程包括坯料制备、成型和烧结。

其生产工艺过程可简单地表示为：坯料制备、成型、干燥、烧结、后处理、成品。

制备：通过机械或物理或化学方法制备坯料，在制备坯料时，要控制坯料粉的粒度、形状、纯度及脱水脱气，以及配料比例和混料均匀等质量要求。

按不同的成型工艺要求，坯料可以是粉料、浆料或可塑泥团；成型：将坯料用一定工具或模具制成一定形状、尺寸、密度和强度的制品坯型（亦称生坯）；烧结：生坯经初步干燥后，进行涂釉烧结或直接烧结。

（１）常压烧结：又称无压烧结。

属于在大气压条件下坯体自由烧结的过程。

在无外加动力下材料开始烧结，温度一般达到材料的熔点０．５－０．８即可。

在此温度下固相烧结能引起足够原子扩散，液相烧结可促使液相形成或由化学反应产生液相促进扩散和粘滞流动的发生。

常压烧结中准确制定烧成曲线至关重要。

合适的升温制度方能保证制品减少开裂与结构缺陷现象，提高成品率。

（２）热压烧结与热等静压烧结：热压烧结指在烧成过程中施加一定的压力（在１０～４０ＭＰａ），促使材料加速流动、重排与致密化。

采用热压烧结方法一般比常压烧结温度低１００ºC左右，主要根据不同制品及有无液相生成而异。

热压烧结采用预成型或将粉料直接装在模内，工艺方法较简单。

该烧结法制品密度高，理论密度可达９９％，制品性能优良。

不过此烧结法不易生产形状复杂制品，烧结生产规模较小，成本高。

作为陶瓷烧结手段，利用来自于表面能的表面应力而达到致密化的常压烧结法虽是一般常用的方法，但是，不依赖于表面应力，而在高温下借助于外压的方法，也是可以采用的。

这就是称为热压法的烧结方法。

广义来说，在加压下进行烧结的方法包括所有这类方法，超高压烧结和热等静压（HIP）烧结也属于这类方法。

不过，一般都作为在高温下施加单轴压力进行烧结的方法来理解。

其基本结构示于图1。

首先，制备粉体试料，置于模型中，在规定温度下加热、加压，获得烧结体。

由于下述原因而采用这种方法：（1）烧结温度降低；（2）烧结速度提高；（3）使难烧结物质达到致密化。

因为能够在颗粒成长或重新结晶不大可能进行的温度范围达到致密化，所以，可获得由微小晶粒构成的高强度、高密度烧结体。

图2所示，是热压对陶瓷致密化影响效果之一例。

将热压作为制造制品的手段而加以利用的实例有：氧化铝、铁氧体、碳化硼、氮化硼等工程陶瓷。

连续热压烧结生产效率高，但设备与模具费用较高，又不利于过高过厚制品的烧制。

热等静压烧结可克服上述弊缺，适合形状复杂制品生产。

功能陶瓷材料功能陶瓷材料是指对电、磁、光、热、化学、生物等现象或物理量有很强反应，或能使上述某些现象或量值发生相互转化的陶瓷材料。

功能陶瓷是一类颇具灵性的材料，它们或能感知光线，或能区分气味，或能储存信息……因此，说它们多才多能一点都不过分．它们在电、磁、声、光、热等方面具备的许多优异性能令其他材料难以企及，有的功能陶瓷材料还是一材多能呢！而这些性质的实现往往取决于其内部的电子状态或原子核结构，又称电子陶瓷。

功能陶瓷材料是陶瓷材料的一种，与大多数陶瓷材料的制备工艺步骤基本相似，一般包括以下步骤：配料→混合→预烧→粉碎→成型→排塑→烧结→后处理（极化、磁化等）。

1、配料：根据配方（化学反应的配比）和生产需要的数量计算出各种原料所需的质量。

用天平称取各原料。

为使后面的化学反应顺利进行，原料的颗粒尽量小些（不要超过2 m，.最好为纳米粉），纯度要高。

对于配料中用量多的原料，最好先清除其中的有害杂质。

2、混合：通常使用转动球磨机或振动球磨机进行，有用干法的，也有用湿法的，所用的球大多是玛瑙球。

用球磨法不但可以混合，同时还可以使原料颗粒进一步被粉碎。

球磨要足够长时间以使各成分原料均匀混合，最大限度地彼此接触，以利于后面的化学反应。

当然，混合也可以采用其它方法，只要达到各原料的均匀混合就行。

3、预烧：混合好的料进行预烧，目的是让各成分间进行化学反应，生成目标化合物。

不同的化学反应有不同的条件（温度、压力、气氛等）要弄清这些条件。

4、粉碎、成型：将预烧后的材料粉碎是为了成型。

成型是按使用要求将材料做成某种特定形状的坯体。

成型根据不同要求可以采用模压、轧膜等方式。

为便于成型，成型前通常要在粉碎的料中加入某种粘合剂。

常用粘合剂的配方及重量比为：聚乙烯醇15%，甘油7%，酒精3%，蒸馏水75%；在90℃下搅拌溶化。

对模压、粘合剂一般是料粉重量的5%，而对轧膜，则粘合剂要达料粉重量的15～20%。

5、排塑：去除成型坯体中的水分、粘合剂的过程称排塑或排胶，一般采取加温办法。

陶瓷材料烧结工艺和性能测试实验指导书1实验目的和意义1）了解陶瓷材料的烧结和性能检测的工艺流程，掌握吸水率，表面气孔率，实际密度，线收缩率的测定方法。

2）利用实验找出材料的最优烧结工艺，包括烧结温度和烧结时间。

2实验背景知识2.1烧结实验在粉体变成的型坯中，颗粒之间结合主要靠机械咬合或塑化剂的粘合，型坯的强度不高。

将型坯在一定的温度下进行加热，使颗粒间的机械咬合转变成直接依靠离子键，共价键结合，极大的提高材料的强度，这个过程就是烧结。

陶瓷材料的烧结分为三个阶段，升温阶段，保温阶段和降温阶段。

在升温阶段，坯体中往往出现挥发分排出、有机粘合剂等分解氧化、液相产生、晶粒重排与长大等微观现象。

在操作上，考虑到烧结时挥发分的排除和烧结炉的寿命，需要在不同阶段有不同的升温速率。

保温阶段指型坯在升到的最高温度（通常也叫烧结温度）下保持的过程。

粉体烧结涉及组成原子、离子或分子的扩散传质过程，是一个热激活过程，温度越高，烧结越快。

在工程上为了保证效率和质量，保温阶段的最高温度很有讲究。

烧结温度与物料的结晶化学特性有关，晶格能大，高温下质点移动困难，不利于烧结。

烧结温度与材料的熔点有关系，对陶瓷而言是其熔点的0.7 —0.9倍，对金属而言是其熔点的0.4-0.7倍。

冷却阶段是陶瓷材料从最高温度到室温的过程，冷却过程中伴随有液相凝固、析晶、相变等物理化学变化。

冷却方式、冷却速度快慢对陶瓷材料最终相的组成、结构和性能等都有很大的影响，所以所有的烧结实验需要精心设计冷却工-f-p乙。

由于烧结的温度如果过高，则可能出现材料颗粒尺寸大，相变完全等严重影响材料性能的问题，晶粒尺寸越大，材料的韧性和强度就越差，而这正是陶瓷材料的最大问题，所以要提高陶瓷的韧性，就必须降低晶粒的尺寸，降低烧结温度和时间。

但是在烧结时，如果烧结温度太低，没有充分烧结，材料颗粒间的结合不紧密，颗粒间仍然是靠机械力结合，没有发生颗粒的重排，原子的传递等过程，那么材料就是不可用的。