功能陶瓷的生產工藝過程PPT課件

1、新型陶瓷與傳統(tǒng)陶瓷的區(qū)別新型陶瓷與傳統(tǒng)陶瓷的區(qū)別1、原料及其加工工藝區(qū)區(qū) 別別傳統(tǒng)陶瓷傳統(tǒng)陶瓷新型陶瓷新型陶瓷原材料原材料天然礦物原料天然礦物原料人工精制合成原料人工精制合成原料成成 型型可塑、注漿、擠壓可塑、注漿、擠壓干壓、等靜壓、擠壓、軋膜、流干壓、等靜壓、擠壓、軋膜、流延、熱壓鑄延、熱壓鑄燒燒 成成溫度在溫度在1350以下，燃以下，燃料以煤、油、氣為主料以煤、油、氣為主結構陶瓷燒結溫度很高結構陶瓷燒結溫度很高 （1600），功能陶瓷需精確控），功能陶瓷需精確控制溫度，燃料以電為主制溫度，燃料以電為主加加 工工一般不需加工一般不需加工切割、打孔、研磨、拋光等切割、打孔、研磨、拋光等性性 能

2、能以外觀效果為主以外觀效果為主側重力學性能側重力學性能以內在性能為主：耐磨、耐溫、以內在性能為主：耐磨、耐溫、耐腐蝕、高強度及各種敏感性耐腐蝕、高強度及各種敏感性用用 途途 日用、建筑、衛(wèi)生裝飾日用、建筑、衛(wèi)生裝飾和藝術品和藝術品 宇航、能源、冶金、化工、交通、宇航、能源、冶金、化工、交通、電子、家電等行業(yè)電子、家電等行業(yè)第1頁/共40頁新型陶瓷展望新型陶瓷展望 氣相凝聚法制備超微（納米）粉體 用微波加熱代替?zhèn)鹘y(tǒng)燒結 陶瓷脆性的致命弱點將得到改變 納米材料的應用 智能陶瓷的發(fā)展 陶瓷的晶界工程設計 研究晶界的作用-晶界組成對材料性能的影響；晶界設計-設計晶界，獲得所要求的材料性能；制備符合實用

3、要求的電子陶瓷產品。 1、原料及其加工工藝第2頁/共40頁原料分類原料分類 天然礦物原料：可塑性原料、脊性原料 化工原料 化學試劑分級工業(yè)純（ I R ） I n d u s t r i a l Re a g e n t 98.0% 化 學 純 （ C P ） C h e m i c a l P u r i t y 99.0% 分析純（AR） Analy tical Reagent 99.5% 光譜純（GR） Guarateend Reagent 99.9% 電子級原料 專用 1、原料及其加工工藝第3頁/共40頁原料的評價與選擇原料的評價與選擇 原料的評價 化學成份、結構、顆粒度、形貌 原料的

4、選擇保證產品性能的前提下，盡量選擇低純度原料雜質對產品性能的影響要具體分析 利：克制影響產品性能的不利因素；降低燒結溫度、促進燒結（形成固溶體、低共熔物） 害：雜相、晶格缺陷，影響產品性能 主晶相原料采用化學純、電子級粉料，摻雜原料采用光譜純粉料1、原料及其加工工藝第4頁/共40頁原料粉碎原料粉碎 1 1 粉碎方法 用機械裝置對原料進行撞擊、碾壓、磨擦，使原料破碎、圓滑 粉碎原理 能量轉換過程：機械能表面能、缺陷能 粉碎要求效率高：短期內達到預定的細度；或者達到某一細度所消耗的能量少、時間短避免混入雜質：減少粉碎機械裝置的雜質引入 1、原料及其加工工藝第5頁/共40頁原料粉碎原料粉碎 2 2

5、球磨工藝原理 影響球磨效率的因素轉速、球磨時間磨介填充率（25-35%）、磨介級配料、球、溶劑的配比：1:1:0.6-1筒體直徑、磨球與內襯的質料、磨球形狀1、原料及其加工工藝第6頁/共40頁原料粉碎原料粉碎 3 3 助磨劑作用原理粉碎機械的粉碎粒度極限 破碎后粉粒表面帶有電荷、偶極矩聚合；比表面增大、活性增強、表面吸附力增大聚合助磨劑屏蔽粉粒表面電荷的原理 助磨劑：含極性官能團的有機液體 例：油酸CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2)7-COOH，羧基具有明顯“ ”極性，屏蔽負電荷，烷基朝外削弱粉粒之間的相互作用力助磨劑的作用：分散作用、潤滑作用、劈裂作用1、原料及其加工工藝第7頁/共

6、40頁粉料的活化粉料的活化 機械粉碎 增加粉料表面和表面能；增加粉料晶格缺陷能 低溫煅燒：含氧酸、含氧酸鹽、堿氧化物影響煅燒產物活性的因素 粉料粒度、雜質、煅燒溫度、氣氛 活性粉料對空氣、水分的吸附煅燒活化機理 煅燒分解：臨界溫度 假晶結構 生成微晶1、原料及其加工工藝第8頁/共40頁Pb0.91La0.09(Zr0.65Ti0.35)O3配方計配方計算算2、配料計算陶瓷陶瓷原料原料原料純原料純度（度（A）摩爾摩爾質量質量（M）摩爾摩爾比（比（x）相對重相對重量量（W=xW）百分百分含量含量實際實際投量投量PLZTPb3O496%685.600.91/3207.9762.896551La2O3

7、94%325.800.09/214.664.43471ZrO298%123.220.65 180.0924.222471TiO295%79.900.35 127.978.46891第9頁/共40頁原料預處理原料預處理 粉料的性能 高度活性、合成主晶相的微晶 原料煅燒 改變礦物結構、促進晶型轉變、改善工藝性能 熔塊合成合成主晶相：減少燒結過程因為原料反應而造成的膨脹、收縮、氣孔完成多晶轉變：減少燒結過程因為晶型轉變產生的應力產品變形、開裂促進原料混合均勻、反應徹底3、粉料制備第10頁/共40頁粉料制備工藝粉料制備工藝 固相反應 配料、反應煅燒（預燒溫度：TG-DTA；晶相鑒定；粉料性能-最多數徑

8、、中位徑、平均粒徑、標準偏差、偏度） 溶液法 制備金屬鹽溶液、溶液反應、固液分離（沉淀、沉淀物干燥、低溫煅燒）溶膠-凝膠法：溶膠制備、凝膠形成、低溫煅燒 氣相法蒸氣冷凝法：加熱氣化、急速冷卻氣相反應法：熱分解；化學反應 3、粉料制備第11頁/共40頁粉料的塑化粉料的塑化 1 1 塑化原因 獲得可塑性 塑化途徑 增塑劑：無機塑化劑、有機塑化劑 有機塑化劑的組成粘結劑：聚乙烯醇、聚醋酸乙烯酯、羧甲基纖維素增塑劑：甘油、乙二醇；鄰苯二甲酸二丁脂、癸二酸二丁脂溶劑：水、有機醇、環(huán)己酮3、粉料制備第12頁/共40頁粉料的塑化粉料的塑化 2 2 有機塑化劑的使用防止還原作用 有機粘合劑高溫下有可能產生強還

9、原性物質，對陶瓷原料產生還原作用用量適當 用量過多：粘模具（壓制成型）；用量過少：坯體開裂、分層（壓制成型） 塑化劑用量：總質量的3%-10%控制揮發(fā)溫度3、粉料制備第13頁/共40頁粉料的造粒粉料的造粒 1 1 造粒：磨得很細的粉料，干燥、加一定量的塑化劑流動性好、較粗的顆粒 造粒的原因 細粉粒相對較大、較粗、較圓的粗顆粒增加流動性，有利于壓制成型 造粒要求 粉體密度：愈大愈好，取決于塑化劑的性質和用量、造粒壓強、造粒次數粉體形狀：球狀，流動性好、工藝簡單粒度配合3、粉料制備第14頁/共40頁粉料的造粒粉料的造粒 2 2 造粒工藝 手工造粒法加壓造粒法凍結干燥造粒法噴霧干燥造粒法實驗室加壓造

10、粒（手工造粒）法流程： 粉料加入粘合劑混合均勻過篩在壓力機上用圓鋼模具壓實破碎過篩球形顆粒3、粉料制備第15頁/共40頁4、成型第16頁/共40頁干壓成型干壓成型 壓制成型的坯體密度加壓方式的影響成型壓力的影響加壓速度、保壓時間4、成型第17頁/共40頁等靜壓成型等靜壓成型4、成型第18頁/共40頁流延法成型流延法成型 1 1 流延法成型漿料制備 細磨、煅燒的熟粉料加入溶劑（抗凝聚劑、除泡劑、燒結促進劑）、粘結劑、增塑劑、潤滑劑濕法混磨真空除氣穩(wěn)定、流動性良好的漿料4、成型第19頁/共40頁流延法成型流延法成型 2 24、成型第20頁/共40頁注漿成型注漿成型4、成型第21頁/共40頁熱壓鑄成

11、型熱壓鑄成型 1 1 熱壓鑄成型的粉料 熟料（煅燒過的料） 含水量小于0.5% 熱壓鑄成型的粘結劑 石蠟：50-55熔化、冷凝后體積收縮5%-7% 添加少量表面活性劑（硬脂酸、油酸、蜂蠟），增加鑄漿的流動性4、成型第22頁/共40頁熱壓鑄成型熱壓鑄成型 2 2 鑄漿的配制鑄漿的配比：粉料（含0.4-0.8%的油酸）87.5-86.5%，石蠟（含表面活性劑）12.5-13.5%鑄漿配制工藝 蠟餅制備：加熱石蠟至70-90、使之熔化，把已加熱的粉料倒入石蠟液中，邊加熱、邊攪拌 將蠟餅放入和蠟機中：快速和蠟機，100-110、轉筒速度40r/min，熔化蠟餅；慢速和蠟機，60-70、攪拌速度30r/

12、min，排除氣泡4、成型第23頁/共40頁熱壓鑄成型熱壓鑄成型 3 34、成型第24頁/共40頁熱壓鑄成型熱壓鑄成型 4 4 鑄漿性能的影響因素鑄漿的粘度、流動性 粘結劑含量大、鑄漿粘度小、流動性好，成型性能好；收縮率、氣孔率增加 加入表面活性劑，提高鑄漿的流動性鑄漿的可鑄性 粘度小、流動性好、成型壓力大，可鑄性好鑄漿的穩(wěn)定性 粉料粒度大、粗顆粒多、密度大，鑄漿穩(wěn)定性差4、成型第25頁/共40頁熱壓鑄成型熱壓鑄成型 5 5 熱壓鑄成型工藝壓力303.98-506.63kPa鑄漿溫度65-90模具溫度0-20加壓速度、壓力持續(xù)時間 熱壓鑄坯體的排膠工藝 熱壓鑄成型坯體埋入疏松、惰性的吸附劑之中，

13、在高溫下進行脫蠟4、成型第26頁/共40頁熱壓鑄成型熱壓鑄成型 6 64、成型第27頁/共40頁燒結過程體系中的自由能變化燒結過程體系中的自由能變化5、燒成第28頁/共40頁燒結推動力燒結推動力 燒結推動力：物系自由能的降低表面能、界面能的降低位錯、結構缺陷、彈性應力的減少或消失外來雜質的排除 高溫下物系自由能差降低、傳質勢壘較小、晶粒質點平均熱動能較大， P-表面自由能成為物質傳遞的主要推動力。5、燒結1211dWPdVdAPrr 第29頁/共40頁燒結模型燒結模型G. C. Kuczynski等徑球體模型球體頸部曲率半徑 、頸部體積V、頸部表面積A、顆粒半徑r、接觸頸部半徑x5、燒結第30

14、頁/共40頁燒結傳質機理燒結傳質機理5、燒結傳質方式傳質方式蒸發(fā)蒸發(fā)-凝聚凝聚擴散擴散流動流動溶解溶解-沉淀沉淀原因原因壓力差壓力差 P空位濃度差空位濃度差 C應力應力-應變應變溶解度溶解度 C條件條件 P 1-10 Par n0/Nr f可觀的液相量可觀的液相量固相在液相中溶解度大固相在液相中溶解度大固固-液潤濕液潤濕特點特點凸面蒸發(fā)，凹面凸面蒸發(fā)，凹面凝聚凝聚 L/L = 0空位與結構基元相空位與結構基元相對擴散對擴散中心距縮短中心距縮短流動同時引起顆粒重排流動同時引起顆粒重排 L/L t 致密化速率最致密化速率最高高接觸點溶解到平面上沉積，接觸點溶解到平面上沉積，小顆粒溶解到大顆粒沉積小

15、顆粒溶解到大顆粒沉積傳質同時又是晶粒生長過程傳質同時又是晶粒生長過程公式公式x/r = Kr-2/3t1/3x/r = Kr-3/5t1/5 L/L = Kr-6/5t2/5 L/L = 3/2 / r td /dt = K(1- )/rx/r = Kr-2/3t1/6 L/L = Kr-4/3t1/3工藝控制工藝控制溫度（蒸氣壓）溫度（蒸氣壓）粒度粒度溫度（擴散系數）溫度（擴散系數）粒度粒度粘度粘度粒度粒度粒度粒度溫度（溶解度）溫度（溶解度）粘度粘度液相數量液相數量第31頁/共40頁燒結工藝燒結工藝 升溫階段 升溫速率、裝爐方式、粉料掩埋 特殊升溫方式 保溫階段最高燒結溫度：0.95TS-1

16、.05TS保溫時間： 降溫階段冷卻速度冷卻方式：保溫緩冷、隨爐冷卻、淬火急冷5、燒結0expSttb T第32頁/共40頁熱鍛、熱拉和熱軋熱鍛、熱拉和熱軋 熱鍛無側向壓力，坯體橫向自由變形加上負荷，坯體軸向以10-2-10-4/min速率減小，至所需厚度卸壓降溫 -Al2O3、含鉍層狀鐵電體、鐵氧體 熱拉和熱軋?zhí)沾膳黧w具有極好的高溫可塑性；拉模、軋輥具有良好的耐熱性、表面光滑性、機械強度產品添加少量玻璃或金屬作為增塑劑6、陶瓷材料的熱加工第33頁/共40頁急冷和緩冷急冷和緩冷 急冷（淬火）：油冷、風冷保留高溫相組成，避免緩冷過程中的分凝、析晶、相變產生表面壓應力，提高坯體的拉伸強度 獨石電容器

17、 緩冷（退火）促使晶粒長大、分凝、析晶、相變 微波陶瓷、晶界層電容器消除表面、內部應力，使相平衡過程充分進行6、陶瓷材料的熱加工第34頁/共40頁機械加工機械加工 機床：專用超精度加工機床 高精度、高生產率、高可靠性、高重復性 刀具 金剛石刀具硬度、剛度大、壽命長，加工穩(wěn)定、精密金剛石刀口可以磨成數納米，切削量小于亞微米級切削點能保持較低的溫度7、陶瓷材料的冷加工第35頁/共40頁銀電極漿料的制備銀電極漿料的制備 1 1 瓷介電容器電極漿料要求漿料中銀含量大于65%燒滲溫度合適粘度合適存放時間和使用壽命長 銀漿組成銀及其化合物助熔劑：Bi2O3、PbB4O7；各種熔塊粘合劑：懸浮能力、粘結性、揮發(fā)性8、陶瓷材料的表面金屬化第36頁/共40頁銀電極漿料的制備銀電極漿料的制備 2 2 銀粉的制備抗壞血酸還原法 C6H8O6+2AgNO32Ag +C6H6O6+2HNO3 酸性水溶液，乙二醇或丙三醇作為分散劑三乙醇胺還原法 2AgNO3+Na2CO3Ag2CO3 +2NaNO3 6Ag2CO3+N(CH2CH2OH)312Ag +N(CH2COOH)3+6CO2 +3H2O 氧化銀的制備碳酸銀分解法硝酸銀與氫氧化鈉反應法8、陶瓷材料的表面金屬化第37頁/共40頁被銀工藝被銀工藝 瓷體表面的清潔處理30-60熱皂水超聲清洗，50-80清水沖洗100-140烘干 被銀