陶瓷材料陶瓷制備工藝學習教案

1、會計學1陶瓷材料陶瓷制備陶瓷材料陶瓷制備(zhbi)工藝工藝第一頁，共57頁。1)石英(shyng)v由于地質產狀不同，石英呈現(xiàn)為多種狀態(tài)，其中最純的石英稱為水晶。v在陶瓷、玻璃、耐火材料生產中采用(ciyng)得較多的石英類原料.第2頁/共57頁第二頁，共57頁。1)石英(shyng)v 物理性質(wl xngzh) 外觀：視其種類(zhngli)不同而異，大多呈乳白色，有的呈灰白色，半透明狀態(tài)，斷面具有玻璃光澤或脂肪光澤。 硬度：莫氏硬度為7。 密度：晶型不同密度不同，變動范圍2.222.65。 化學穩(wěn)定性：具有強耐酸侵蝕力（除HF外）；與堿作用，生成可溶性硅酸鹽；與堿金屬氧化物作用生成硅

2、酸鹽與玻璃態(tài)物質。 熔融溫度范圍：1400C1770C，由SiO2的形態(tài)和雜質含量決定。第3頁/共57頁第三頁，共57頁。1)石英(shyng)vSiO2多晶轉變 v 常壓下有七種結晶態(tài)和一種玻璃態(tài)，在一定條件下相互(xingh)轉化：石英(shyng) 鱗石英(shyng) 方石英(shyng) 熔融態(tài)石英(shyng) 鱗石英(shyng) 石英(shyng)玻璃 石英(shyng) 鱗石英(shyng) 方石英(shyng) 87017131470 0.82% 0.2%1171634.7%0.2%16%2.8%180270急冷 573第4頁/共57頁第四頁，共57頁。1)石英(shyng

3、) 石英預燒，利于粉碎：1000 C煅燒 急冷 變松 ，利用石英573 C晶型轉化時的體積變化效應。 陶瓷的燒成過程，必須注意升降溫速度(sd)的問題，之所以要控制升降溫速度(sd)就是由于一些原材料在加熱或冷卻過程中伴隨著體積的膨脹或收縮。如果控溫不當，這些膨脹或收縮在極短的時間完成，會造成坯體或制品開裂。第5頁/共57頁第五頁，共57頁。1)石英(shyng)SiO2在陶瓷(toc)生產中的作用 燒成前，石英為瘠性料（不吸水），可調節(jié)(tioji)泥料的可塑性，是生坯水分排出的通道，降低坯體的干燥收縮，增加生坯的滲水性，縮短干燥時間，防止坯體變形；利于施釉。 燒成時，石英的加熱膨脹可部分抵

4、消坯體的收縮；高溫時石英部分溶解于液相，增加熔體的粘度，未溶解的石英顆粒構成坯體的骨架，防止坯體軟化變形。 第6頁/共57頁第六頁，共57頁。2)長石(chn sh)種類：鉀長石(chn sh)：K2OAl2O36SiO2 鈉長石(chn sh)：Na2OAl2O36SiO2 鈣長石(chn sh)：CaOAl2O32SiO2 鋇長石(chn sh)：BaOAl2O32SiO2 產狀：自然界中，純的長石(chn sh)較少，共生礦物有：石英，云母，霞石，角閃石。其中云母，角閃石為有害雜質。含石英，霞石的可考慮做原料使用。 第7頁/共57頁第七頁，共57頁。2)長石(chn sh)小于1400C

5、燒成溫度(wnd)范圍內，某一原料本身產生熔體，或與其它原料共熔形成熔體，由于熔體的產生使產品在低溫下燒成,具有這一特性的原料叫熔劑性原料。 分類： 自熔性熔劑：長石在燒成溫度(wnd)下，原料本身自動產生熔體，形成液相共熔性熔劑：在燒成溫度(wnd)下，不能形成液相，而與其它原料共熔形成熔體。第8頁/共57頁第八頁，共57頁。2)長石(chn sh)鉀長石 KAS6 ：115020分解為白榴子石，全部熔融，范圍 寬，高溫粘度大。 鈉長石NaAS6 ：1120 開始熔融，液相穩(wěn)定，粘度低，易變形； 鈣長石CaAS2：熔點高達1550 ，熔融范圍寬，熔體不透明， 度小，機械強度大。 鋇長石 Ba

6、AS2：熔點高達1715 ，熔融范圍不寬，可人工合成(rn n h chn)，電學性能好 。 混熔特性：幾種基本類型的長石，由于其結構關系，彼此可混合形成共熔體。 v長石(chn sh)類熔劑第9頁/共57頁第九頁，共57頁。2)長石(chn sh)為使坯體既易燒結，又不變形，則希望長石有較低的熔化溫度，較寬的熔化溫度范圍。 這就要求(yoqi)在燒成過程中，長石既具有良好的熔劑作用（即較高的溶解其它物質的能力），又使熔融液相具有較高粘度（坯體不易變形坍塌；釉料不易流釉）。v長石的熔融(rngrng)特性第10頁/共57頁第十頁，共57頁。2)長石(chn sh)熔化溫度范圍：作為純的鉀鈉鈣長

7、石有固定的熔點，但實際上常是幾種長石的互溶物，加之一些雜質在內，使之無固定熔點，只有(zhyu)一個熔化溫度范圍： 鉀長石 1130C 1450C T=320 C 鈉長石 1120C 1250C T= 130C 鈣長石 1250C 1550C T=300 C v熔融(rngrng)特性第11頁/共57頁第十一頁，共57頁。3)粘土(zhn t)v 礦物(kungw)組成 v 陶瓷工業(yè)中粘土的主要礦物(kungw)有： v 高嶺石（多水高嶺石） v 蒙脫石（葉臘石） v 伊利石（水云母）第12頁/共57頁第十二頁，共57頁。第13頁/共57頁第十三頁，共57頁。第14頁/共57頁第十四頁，共57

8、頁。晶片的結合 四面體片與八面體片的相互結合構成了層狀硅酸鹽礦物(kungw)的基本結構層。 按照四面體片和八面體片的配合比例，可以把層狀構造硅酸鹽礦物(kungw)的基本結構層分為1：1層型和2：1層型兩個基本類型。第15頁/共57頁第十五頁，共57頁。3)粘土(zhn t)v 高嶺石類v 晶體結構式：Al4Si4O10（OH）8，1:1型層狀結構硅酸鹽，SiO四面體層和Al（O，OH）八面體層通過共用氧原子聯(lián)系成雙層結構，構成結構單元層。層間以氫鍵相連，結合力較小，所以晶體解理完全(wnqun)并缺乏膨脹性。 v 離子吸附與置換：晶格內部離子很少置換，在破裂時，邊緣上有斷鍵電荷不平衡時，才

9、吸附其它陽離子OH-中的H+可被+或Na+取代。第16頁/共57頁第十六頁，共57頁。3)粘土(zhn t)v 蒙脫石v 化學通式：l2O34iO2n2Ov 晶 系：單斜晶系，結晶(jijng)程度差，顆粒極細小，屬膠體微粒，故晶體輪廓不清。2:1型層狀結構，兩端SiO4四面體，中間夾一個AlO6八面體，構成單元層。單元層間靠O鍵相連，結合力較小，水分子及其它極性分子易進入晶層中間形成層間水，層間水的數(shù)量是可變的。Al4(Si8O 20)(OH)4nH 20第17頁/共57頁第十七頁，共57頁。v 蒙脫石v 特點一：蒙脫石顯著的特點是能吸收大量的水，體積膨脹，如以蒙脫石為主的膨潤土其吸水后體積

10、可膨脹2030倍，這就是膨潤土的名稱的由來。 v 特點二：離子交換(l z jio hun)能力強，晶格中的四面體層i4+部分被 v l3+、5+置換。八面體層中l(wèi)3+被g2+、e3+、n2+、 v i+等置換，使晶格中電價不平衡。晶層之間吸附陽離子如 a2+、a+等，又增加了蒙脫石的離子交換(l z jio hun)能力。根據(jù)吸附離子不同分為a蒙脫石，a蒙脫石。第18頁/共57頁第十八頁，共57頁。特點三：膨潤土可塑性大，觸變厚化性強，嚴重影響泥漿性能。煅燒時脫水過程長，收縮大，l23含量低，又吸附了其它陽離子，雜質較多。因此燒結溫度低，燒后色澤差，會使坯體軟化變形，用量不宜太多，一般在左右

11、。 特點四：隨外界環(huán)境的溫度和濕度而變化，引起軸膨脹與收縮，因此蒙脫石吸水性強，吸水后體積膨脹，容易(rngy)破裂。顆粒極細，可塑性強，干燥后強度大，干燥收縮也大。觸變性亦稱搖變，是指物體（如油漆、涂料）受到剪切時稠度變小，停止(tngzh)剪切時稠度又增加或受到剪切時稠度變大，停止(tngzh)剪切時稠度又變小的性質的一“觸”即“變”的性質。 第19頁/共57頁第十九頁，共57頁。3)粘土(zhn t)v 伊利石v 化學通式：(K,H3O) 1 nH2O(Al,Mg,Fe)2(Si,Al)4O10(OH)2 v 化學組成： 水化了的白云母，介于(ji y)高嶺石，白云母之間K2O較低， S

12、iO2 、MgO、FeO、H2O 較高。 v 結構：單斜晶系，與蒙脫石結構類似，2:1型層狀硅酸鹽，但SiO4四面體中l(wèi)+較蒙脫石多，晶間陽離子常為K+，也有部分被+，a+取代， K+半徑大小正好嵌入層間，因此晶格結構牢固，不發(fā)生膨脹。 第20頁/共57頁第二十頁，共57頁。v 伊利石v 外觀：多呈不規(guī)則片狀，顏色潔白，黃色，綠色及褐色。 v 特性：伊利石類可以看做是白云母風化過程中形成高嶺石和蒙脫石的中間產物，轉變(zhunbin)程度不同，所形成的礦物不同，礦物組成變化較多。伊利石類礦物構成的粘土，一般可塑性低，干后強度大，干燥燒成收縮小，燒結溫度低，燒結范圍窄。 第21頁/共57頁第二十

13、一頁，共57頁。（1）結晶水 這種水是粘土礦物晶體構造的一部分，只有溫度高于300度以上時，結晶受到破壞，這部分水來釋放出來。（2）吸附水 由于分子間引力和靜電引力，具有極性的水分子可以吸附到帶電的粘土表面上，在粘土顆粒周圍形成(xngchng)一層水化膜，這部分水可以隨粘土顆粒一起運動，所以也稱為束縛水。（3）自由水 這部分水存在于粘土顆粒的孔穴或孔道中，不受粘土的束縛，可以(ky)自由的運動。第22頁/共57頁第二十二頁，共57頁。3)粘土(zhn t) 蒙脫石粘土礦物 其晶胞兩面都是氧層，層間聯(lián)結是較弱的分子間力，水分子易沿著硅氧層面進入(jnr)晶層間，使層間距離增大，引起粘土的體積膨

14、脹。第23頁/共57頁第二十三頁，共57頁。3)粘土(zhn t) 伊利石 晶體結構與蒙脫石礦物相同(xin tn)，但因層間有水化能力小的K+存在，K+鑲嵌在粘土硅氧層的六角空穴中，把兩硅氧層鎖緊，故水不易進入層間，粘土不易水化膨脹。第24頁/共57頁第二十四頁，共57頁。3)粘土(zhn t) 高嶺石 因層間易形成氫鍵，晶胞間聯(lián)結(linji)緊密，水分子不易進入，故膨脹性小。同時伊利石晶格置換現(xiàn)象少，高嶺石幾乎無晶格置換現(xiàn)象，陽離子交換容量低，也使粘土的水化膨脹差。第25頁/共57頁第二十五頁，共57頁。3)粘土(zhn t)三種常見(chn jin)粘土礦物的主要特點粘土粘土礦物礦物化

15、學組成化學組成C-C-間距間距晶層間晶層間引力引力吸水膨脹吸水膨脹量量/%/%高嶺高嶺石石AlAl2 2SiSi2 2O O5 5OHOH4 47.2 7.2 強強55蒙脫蒙脫石石(Al(Al2 2MgMg3 3)(Si)(Si4 4O O1010)(OH)(OH)2 2nHnH2 2O O9.69.621.4 21.4 弱弱9090100100伊利伊利石石(K,Na,Ca(K,Na,Ca2 2)(Al,Mg)(Al,Mg)4 4(Si,(Si,Al)Al)8 8O O2020(OH)(OH)4 4nHnH2 2O O10.0 10.0 較強較強2.52.5第26頁/共57頁第二十六頁，共57

16、頁。3)粘土(zhn t)v 可塑性 v 定義：粘土水系統(tǒng)形成泥團，在外力作用下泥團發(fā)生變形，形變過程中坯泥不開裂，外力解除后，能維持形變，不因自重(zzhng)和振動再發(fā)生形變，這種現(xiàn)象稱為可塑性。 v 第27頁/共57頁第二十七頁，共57頁。3)粘土(zhn t)第28頁/共57頁第二十八頁，共57頁。3)粘土(zhn t)v 離子交換性 v 起因(qyn)：粘土顆粒帶電荷，來源于Si4+被Al+，F(xiàn)e+等置換以及邊緣斷鍵，而出現(xiàn)電荷而吸附反電荷，這些反電荷又可被置換。 v 第29頁/共57頁第二十九頁，共57頁。3)粘土(zhn t)v 觸變性 v 定義：粘土泥漿或可塑泥團受到振動或攪拌

17、時，粘度會降低(jingd)而流動性增加靜置后能恢復原來狀態(tài)。反之，相同泥漿放置一段時間后，在維持原有水分的情況下會增加粘度，出現(xiàn)變稠和固化現(xiàn)象，上述現(xiàn)象可重復無數(shù)次，統(tǒng)稱為觸變性。v 泥料觸變性過小時，成形后生坯的強度不夠，影響脫模與修坯的品質。而過大的泥漿在管道輸送過程中會帶來不便，成形后生坯也易變形。第30頁/共57頁第三十頁，共57頁。原材料吸水性吸水后的流動性產品外形(wi xn)（對稱？）壁厚大小根據(jù)成型方法不同，可將陶瓷坯料分為三類：第31頁/共57頁第三十一頁，共57頁。第32頁/共57頁第三十二頁，共57頁。第33頁/共57頁第三十三頁，共57頁。 小氣孔(qkng)：團聚粒

18、內一次粒子間的孔 微氣孔(qkng)：一次粒子內的氣孔(qkng)第34頁/共57頁第三十四頁，共57頁。可 塑 成型 成 型 方法注漿成型壓 制 成型類比(lib)于塑性加工類比(lib)于粉末冶金第35頁/共57頁第三十五頁，共57頁。等靜壓成型(chngxng)第36頁/共57頁第三十六頁，共57頁。第37頁/共57頁第三十七頁，共57頁。第38頁/共57頁第三十八頁，共57頁。按照變化特點大致可分為四個階段(jidun) 瓷器 （1）低溫階段(jidun)常溫300 （2）氧化分解階段(jidun)300950 （3）高溫階段(jidun)950 燒成溫度 （4）冷卻階段(jidun)

19、燒成溫度 室溫第39頁/共57頁第三十九頁，共57頁。低溫階段（常溫300） 排除干燥剩余水分和吸附水，基本(jbn)不收縮，強度變化很小；基本(jbn)無化學變化。此階段加熱時間的長短，主要取決于坯體的入窯水分、厚薄及裝燒方法等?？鞜に囍校鑷栏窨刂婆黧w的入窯水分，要求越低越好，尤其是大件厚壁制品以及多件重疊裝燒。第40頁/共57頁第四十頁，共57頁。氧化分解階段(jidun)（300950 ） 化學變化： （1）粘土和其它含水礦物排除結構水 Al2O32SiO2 2H2O Al2O32SiO2 + 2H2O（500700 ） 3MgO 4SiO2 H2O 3(MgO SiO2)+SiO2

20、 + H2O(900 )因為陶瓷大多面臨高溫的服役環(huán)境(hunjng)，有可能發(fā)生的高溫反應，都應該在生產過程中盡量反應完畢第41頁/共57頁第四十一頁，共57頁。（2）碳酸鹽的分解(fnji) CaCO3 CaO+CO2 (8501050 ) MgCO3 MgO+ CO2 (730950 )（3）碳素和有機物的氧化(ynghu) 有機物+O2 CO2 + H2O(350 以上) C+O2 CO2 (600 以上)第42頁/共57頁第四十二頁，共57頁。（5）晶型轉變(zhunbin) -石英 - 石英 573 - 石英 - 方石英 870 （4）硫化物及硫酸鹽的氧化分解 FeS2+O2 Fe

21、2O3+SO2 （350 800 ） Fe2(SO3)3 Fe2O3+SO2 （560 770 ） 粘土夾雜(jiz)的硫化鐵礦物十分有害，控制不當易 使制品起泡，又影響制品外觀顏色。第43頁/共57頁第四十三頁，共57頁。 物理變化： （1）重量(zhngling)減輕，氣孔率提高，有一定的收縮； （2）有少量液相產生，后期強度有一定提高。第44頁/共57頁第四十四頁，共57頁。高溫階段（950燒成溫度(wnd)） 化學變化： 第45頁/共57頁第四十五頁，共57頁。MgSO4MgO+SO3 900以上 CaSO4CaO+SO3 1250-1370 Na2SO4Na2O+SO3 1200-1

22、370 還原焰下 10801100 Fe2O3+CO FeO+CO210001100 還原焰第46頁/共57頁第四十六頁，共57頁。第47頁/共57頁第四十七頁，共57頁。形成大量(dling)液相和莫來石晶體莫來石的形成 2 Al2O32SiO2 2Al2O33SiO2(尖晶石)+SiO2 3（2Al2O33SiO2） 2（3Al2O32SiO2）（莫來石）5SiO2 一次莫來石：高嶺石分解(fnji)形成的粒狀及片狀莫來石 二次莫來石：由長石熔體形成的針狀莫來石。一次滲碳體、二次滲碳體第48頁/共57頁第四十八頁，共57頁。新相的重結晶和坯體的燒結 細小二次莫來石晶體溶解后向大晶粒（溶解度小）沉積使其重結晶長大(chn d)；同時液相在表面張力作用下拉近固相并填充氣孔，使坯體成為多相有機結合的致密燒結體。液相對坯體成瓷的作用： 1）促進晶體的生長：液相不斷溶解小晶粒，并從 液相中析出新的比較穩(wěn)定的結晶相； 2）致密化作用：液體的粘滯流動和表面張力的拉 緊作用，使其填充坯體空隙(kngx)，使晶粒重排、靠 攏，彼此粘結成為整體。第49頁/共57頁第四十九頁，共57頁。第50頁/共57頁第五十頁，共57頁。冷卻階段 （1）液體(yt)逐漸凝固成玻璃體； （2）二次莫來石長大； （3）殘余石英晶型轉變。第51頁/共57頁第五十一頁，共57頁。瓷坯冷卻(lngqu)前后的變化圖1.