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陶瓷制备工艺简述
2018月01月27日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:1584
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陶瓷不仅是人民日常生活中不可缺少的日用品,几千年来一直是人类用以生活的主要餐具、茶具和容器,又是制造美术陈设器皿的最耐久最富于装饰性的材料,在我国外贸中占有一定的地位。陶瓷还是一个原料来源丰富,传统技艺悠久,具有坚硬、耐用及一系列优良性质的材料,随着现代科学技术的飞速发展,陶瓷作为一种重要的结构和功能材料,被广泛应用于机械、化工、冶金、电子、生物医学等各个领域。

 

 

1 各类陶瓷制品

 

1. 陶瓷的定义及分类

传统上,“陶瓷”是指所有以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经过粉碎、混炼、成形、烧结等过程而制成的各种制品。传统陶瓷包括常见的日用陶瓷制品和建筑陶瓷、电瓷等。

 

2 日用瓷(茶杯)、建筑用瓷(地砖)及电瓷

 

传统陶瓷的主要原料:取之于自然界的硅酸盐矿物(如粘土、长石、石英等),所以传统陶瓷可归属于硅酸盐类材料和制品。因此,陶瓷工业可与玻璃、水泥、搪瓷、耐火材料等工业同属“硅酸盐工业”的范畴。

 

3 粘土矿物(高岭石)、钾长石及石英

 

广义上,“陶瓷”是用陶瓷生产方法制造的无机非金属固体材料和制品的通称。像氧化物陶瓷、压电陶瓷、金属陶瓷等的生产过程基本上还是原料处理、成形、烧结这种传统的陶瓷生产方法,但原料已不再使用或很少使用粘土等传统陶瓷原料,而已扩大到化工原料和合成矿物,甚至是非硅酸盐、非氧化物原料,组成范围也延伸到无机非金属材料的范围中,并且出现了许多新的工艺。

 

4 氧化锆陶瓷及压电陶瓷片

 

按陶瓷的概念和用途,可以将陶瓷进行以下分类:

 

5 陶瓷的分类

 

其中,结构陶瓷主要是用于耐磨损、高强度、耐热、耐热冲击、硬质、高刚性、低热膨胀性和隔热等结构陶瓷材料;功能陶瓷中包括电磁功能、光学功能和生物-化学功能等陶瓷制品和材料,此外还有核能陶瓷和其它功能材料等。

 

2. 陶瓷原料及粉体制备

2.1 陶瓷原料

陶瓷原料主要包括粘土类原料、石英类原料、长石类原料、其他矿物原料(瓷石、叶腊石、高铝质矿物、碱土硅酸盐类、碳酸盐类等)以及新型陶瓷原料(氧化物、碳化物、氮化物等)等。

 

粘土类原料:粘土很少由单一矿物组成,而是多种微细矿物的混合体。粘土矿物主要为高岭石类(包括高岭石、多水高岭石等)、蒙脱石类(包括蒙脱石、叶蜡石等)和伊利石类(也称水云母)等等。

 

6 高岭石、叶腊石及伊利石

 

石英类原料:二氧化硅(SiO2)在地壳中的丰度约为60%。含SiO2的矿物种类很多,部分以硅酸盐化合物的状态存在,构成各种矿物、岩石。另一部分则以独立状态存在,成为单独的矿物实体,其中结晶态二氧化硅统称为石英。

 

7 石英矿及水晶

 

长石类原料:长石是陶瓷生产中的主要熔剂性原料,一般用作坯料、釉料、色料熔剂等的基本成分,用量较大,是日用陶瓷的三大原料之一。自然界中长石的种类很多,归纳起来都是由以下四种长石组合而成:

钠长石(Ab)  Na[AlSi3O8]Na2O·Al2O3·6SiO2

钾长石(Or)  K[AlSi3O8]K2O·Al2O3·6SiO2

钙长石(An)  Ca[Al2Si2O8]CaO·Al2O3·2SiO2

钡长石(Cn)  Ba[Al2Si2O8]BaO·Al2O3·2SiO2

 

2.2 陶瓷粉体的制备

陶瓷粉体的制备方法主要包括两种:

 

粉碎法:机械粉碎(冲击式粉碎、球磨粉碎、行星式研磨、振动粉碎等),气流粉碎;杂质多,1μm以上;

 

 

8 球磨机及气流粉碎机的示意图

 

合成法:固相法、液相法和气相法;纯度、粒度可控,均匀性好,颗粒微细。


1)固相法

A.烧结法:A(s)+B(s)C(s)D(g)

B.热分解反应基本形式(S代表固相,G代表气相)S1S2+G1

C.化合反应法:A(s)+B(s)C(s)+D(g)

D.氧化还原法或还原碳化、还原氮化如:3SiO2+6C+2N2Si3N4+6CO

 

2)液相法(盐溶液→盐晶体或氢氧化物→粉末)

A.化学共沉淀法

B.溶胶凝胶法

C.喷雾热分解法

 

3)气相法

 

9 CVD方法原理及气象沉淀产物示意图

 

3. 配料及成型工艺

配料主要有两种方法:已知化学计量的配料计算和根据化学成分的配料计算;

 

混料主要有两种方法:干混和湿混,应注意加料程序和混料磨介的使用。

 

塑化:就是指利用塑化剂,使原料坯料具有可塑性,而可塑性是指坯料在外力的作用下发生无裂纹的变形。塑化剂一般有两类:一类是无机塑化剂、另一类是有机塑化剂。

 

造粒:就是在较细的原料中加入塑化剂,制成粒度较粗、具有一定假颗粒度级配、流动性较好的粒子。造粒方法可以分为一般造粒法、加压造粒法、喷雾造粒法、冷冻干燥法等。

 

陶瓷粉体、坯料进一步加工成坯体的这一过程称为成型。成型方法主要包括:干压成型、等静压成型、塑性成形、热压铸成型和流延成型等。

 

10 各类成型方法工艺图

 

4. 陶瓷的烧结

烧结是指多孔状陶瓷坯体在高温条件下,表面积减小、孔隙率降低、机械性能提高的致密化过程。

 

11 陶瓷烧结示意图

 

陶瓷的烧结过程一般分为五个阶段:(1) 低温阶段(室温至300℃左右);(2) 中温阶段(亦称分解氧化阶段,300950℃);(3)高温阶段(950℃至烧成温度);(4) 保温阶段;(5) 冷却阶段。

 

常用的烧结方法主要包括:(1) 常压烧结(常压);(2) 热压烧结(加压);(3) 热等静压烧结及放电等离子体烧结(高温恒压);(4) 气氛烧结(防氧化、加气);(5) 反应烧结(加入气相或者液相以获得一定强度和精度);(6)微波烧结;(7) 爆炸烧结(爆炸产生高温高压)等。

 

 

12 烧结设备及示意图

 

5. 陶瓷烧结后处理工艺

常见的后续加工处理方式主要有表面施釉、机械加工及表面金属化。

 

施釉:(1) 提高瓷件的机械强度与耐热冲击性能;(2) 防止工件表面的低压放电;(3) 使瓷件的防潮功能提高。

 

机械加工:可以使陶瓷制品适应尺寸公差的要求,也可以改善陶瓷制品表面的光洁度或去除表面的缺陷。方法有磨削、激光和超声波加工等。

 

金属化:为了满足电性能的需要或实现陶瓷与金属的封接,需要在陶瓷表面牢固地镀上一层金属薄膜,常見的陶瓷金属化方法有被银法、电镀法等。陶瓷与金属的封接形式包括玻璃釉封接、金属焊接封接、活化金层封接、激光焊接、固相封接等。

 

筱筠 整理

参考资料来源《陶瓷工艺学》及网络


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