《產(chǎn)品造型設(shè)計材料與工藝》課件-第七章 工業(yè)陶瓷及其加工技術(shù)

西安電子科技大學工業(yè)設(shè)計系第七章工業(yè)陶瓷及其加工技術(shù)工業(yè)陶瓷簡介常用陶瓷材料及其性質(zhì)工業(yè)陶瓷材料加工工藝陶瓷制品表面裝飾技術(shù)思考題工業(yè)陶瓷簡介

通常把金屬、工程塑料和工業(yè)陶瓷作為工業(yè)產(chǎn)品造型的三大材料。

“陶瓷”這一名詞源于古代希臘的“燒物”，它意味著陶器是經(jīng)焙燒而賦予其強度的材料。目前陶瓷概念已廣義化：陶瓷是用天然和人工合成的粉狀化合物，經(jīng)過成型和高溫燒結(jié)成的、由金屬和非金屬元素的無機化合物構(gòu)成的多相固體材料。

包括陶器和瓷器，也包括玻璃、搪瓷、石膏、水泥、石灰、磚瓦、耐火材料等人造無機非金屬材料。第七章工業(yè)陶瓷及其加工技術(shù)工業(yè)陶瓷簡介常用陶瓷材料及其性質(zhì)工業(yè)陶瓷材料加工工藝陶瓷制品表面裝飾技術(shù)思考題西安電子科技大學工業(yè)設(shè)計系7.1常用陶瓷材料及其性質(zhì)陶瓷材料特點陶瓷材料的分類陶瓷材料的性質(zhì)常用的工業(yè)陶瓷及制品陶瓷材料的特點工業(yè)陶瓷區(qū)別于其它工業(yè)造型材料，主要特點：1.陶瓷結(jié)構(gòu)中，離子鍵和共價鍵是主要的結(jié)合鍵。鍵的性質(zhì)與材料結(jié)構(gòu)和性質(zhì)有密切關(guān)系。2.陶瓷的生產(chǎn)工藝是先成型后燒結(jié)成制品，工藝流程一般都很復雜。對已燒成的陶瓷進行再加工一般較困難。3.工業(yè)陶瓷具有一系列優(yōu)良的物理、化學性能和獨特的質(zhì)感。7.1常用陶瓷材料及其性質(zhì)陶瓷材料特點陶瓷材料的分類陶瓷材料的性質(zhì)常用的工業(yè)陶瓷及制品陶瓷材料的分類1.普通陶瓷包括日用陶瓷、建筑陶瓷、電器絕緣陶瓷、化工陶瓷、多孔陶瓷等。2.特種陶瓷

（1)按性能分：

具有能量轉(zhuǎn)化的功能陶瓷（高強度、高溫、耐磨、耐酸、壓電、半導體、磁性、生物、導電、超導）；

作為工業(yè)造型材料的結(jié)構(gòu)陶瓷（熔點高、強度高、化學穩(wěn)定性好）。（2）按化學組成分：氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、金屬陶瓷、纖維增強陶瓷等。7.1常用陶瓷材料及其性質(zhì)陶瓷材料特點陶瓷材料的分類陶瓷材料的性質(zhì)常用的工業(yè)陶瓷及制品陶瓷材料的性質(zhì)力學性質(zhì)

1.剛度（由彈性模量衡量，其剛度是各類造型材料中最高的）

2.強度（是抵抗外加負荷的能力，其抗拉強度低、抗彎和抗壓強度較高）

3.韌性（韌性極低，是典型的脆性材料。陶瓷的表面和內(nèi)部由于各種原因，如表面劃傷、化學侵蝕、熱脹冷縮不均等，很容易產(chǎn)生裂紋）

4.硬度（材料表面的局部抗壓強度。陶瓷在各類材料中硬度最高，其硬度隨溫度升高而降低，但在高溫下依然很高）陶瓷材料的性質(zhì)熱性能熱膨脹：是指溫度升高時物質(zhì)原子震動幅度增大、原子間距增大所導致的體積漲大現(xiàn)象。陶瓷的熱膨脹小，高溫抗蠕變能力強。導熱性：是指在一定溫度梯度作用下熱量在固體中的傳導速率。陶瓷的熱傳導主要依靠于原子的熱震動，沒有自由電子的傳熱作用。同時由于陶瓷中的氣孔對傳熱不利，所以陶瓷為較好的絕熱材料。熱穩(wěn)定性：是指抗熱振性，即在不同溫度范圍波動時的壽命，一般用急冷到水中不破裂所能承受的最高溫度來表達。例如，日用陶瓷的熱穩(wěn)定性為220度。它與材料的線膨脹系數(shù)和導熱性等有關(guān)。線膨脹系數(shù)大和導熱性低的材料的熱穩(wěn)定性不高，韌性低的材料的熱穩(wěn)定性也不高。陶瓷的熱穩(wěn)定性很低，這是陶瓷的另一個主要缺點。陶瓷的其它性質(zhì)導電性：陶瓷的導電性變化范圍很廣。大多數(shù)陶瓷為絕緣體，但不少陶瓷如許多氧化物如ZnO、NiO等是半導體，所以陶瓷也是重要的半導體材料。目前已出現(xiàn)具有各種電性能的陶瓷，如壓電陶瓷、磁性陶瓷、透明鐵電陶瓷等。光學性質(zhì)：白度是指材料對白色光的反射能力，絕大部分陶瓷在外觀色彩上均采用純正的白色；透光度是指允許可見光透過的程度。陶瓷通常是透明和半透明的，這一性質(zhì)在產(chǎn)品設(shè)計中應(yīng)用較廣，尤其在光學領(lǐng)域有著重要的發(fā)展和應(yīng)用；光澤度是指表面對可見光的反射能力。一些陶瓷表面常用釉進行裝飾，如日用陶瓷，尤其是高檔的茶具等?；瘜W穩(wěn)定性：一般陶瓷材料耐酸、堿、鹽侵蝕性能良好，與許多金屬的熔體不發(fā)生反應(yīng)，具有很好的耐火性和不可燃性。氣孔率及吸水率：氣孔率是衡量陶瓷質(zhì)量和工藝制度是否合理的重要指標，吸水率反應(yīng)陶瓷是否燒結(jié)和燒結(jié)后的致密程度。7.1常用陶瓷材料及其性質(zhì)陶瓷材料特點陶瓷材料的分類陶瓷材料的性質(zhì)常用的工業(yè)陶瓷及制品常用的工業(yè)陶瓷及其制品日用陶瓷建筑陶瓷電工瓷化工陶瓷電子陶瓷高溫陶瓷其他陶瓷日用陶瓷類別主要配料燒成溫度性能特點主要用途長石質(zhì)瓷（國內(nèi)外普遍采用）長石、石英粘土1250～1350瓷質(zhì)潔白、半透明、不透氣、吸水率低、堅硬、強度高、化學穩(wěn)定性好餐具、茶具、陳設(shè)陶瓷器、裝飾美術(shù)瓷器、一般工業(yè)用品絹云母質(zhì)瓷（傳統(tǒng)日用瓷）絹云母、高嶺土、石英、其他礦物1250～1450同上。但透明度、外觀色調(diào)較好餐具、茶具、工業(yè)美術(shù)制品骨灰質(zhì)瓷（較為少用的日用瓷）骨灰、長石、高嶺土、石英1220～1250白度高、透明性好、瓷質(zhì)軟、光澤柔和、但較脆、熱穩(wěn)定性差高級茶具、餐具、高級工藝美術(shù)瓷器日用滑石質(zhì)瓷（新型日用瓷）滑石、長石、高嶺土、粘土1300～1400良好的透明度和熱穩(wěn)定性、較高的強度和良好的電性能高級日用器皿、一般電工陶瓷·圖片西安電子科技大學工業(yè)設(shè)計系日用陶瓷圖例常用的工業(yè)陶瓷及其制品日用陶瓷建筑陶瓷電工瓷化工陶瓷電子陶瓷高溫陶瓷其他陶瓷建筑陶瓷

指用于建筑及其裝飾的陶瓷制品，如鋪設(shè)地面、內(nèi)外墻、輸水管道、衛(wèi)生間設(shè)備以及藝術(shù)裝飾用的琉璃（帶色陶器）等。衛(wèi)生陶瓷：用于衛(wèi)生設(shè)施的帶釉陶瓷制品。一般制品體積較大，形狀復雜，品種多，一般采用注漿法成型。釉面轉(zhuǎn)：用于內(nèi)墻裝飾的薄片精陶建筑材料，這類磚堅固耐用、色彩鮮艷、易于清洗、具有防火、抗水、耐磨及耐腐蝕性等特點。鋪地磚及錦磚：指地面裝飾地板狀陶瓷建筑材料，磚面可制成單色或花紋圖案。錦磚又稱馬賽克，是飾有各種圖樣的片狀小瓷磚，主要用于鋪地，內(nèi)墻裝飾，也可用于外墻裝飾。陶管：指內(nèi)外表面都上釉的不透水、耐酸堿的陶質(zhì)管，有直管、異形管、地漏管等式樣。衛(wèi)生陶瓷陶瓷磚地磚裝飾磚微晶玻璃陶瓷復合板材常用的工業(yè)陶瓷及其制品日用陶瓷建筑陶瓷電工瓷化工陶瓷電子陶瓷高溫陶瓷其他陶瓷電工瓷電工瓷是一類絕緣性和力學性能優(yōu)良的陶瓷材料。電工瓷的介電強度高、抗拉強度和抗彎強度較好，化學穩(wěn)定性好，耐候性好，不易老化，防污染性好，在長期機械負荷下不會產(chǎn)生永久變形等優(yōu)良特性。電工瓷廣泛用于電力工業(yè)和電子工業(yè)作為隔電的機械支承件和聯(lián)接用的各種絕緣器件，如各種瓷絕緣子，各種電器絕緣支柱、套管、瓷套等。電工瓷制品的造型設(shè)計非常重要，直接影響制造工藝及制品的性能。包括制品的結(jié)構(gòu)、電性能、機械性能的計算，為了簡化工藝和便于制造，一般設(shè)計成回轉(zhuǎn)體和直形內(nèi)孔結(jié)構(gòu)。電工陶瓷2006/7/23常用的工業(yè)陶瓷及其制品日用陶瓷建筑陶瓷電工瓷化工陶瓷電子陶瓷高溫陶瓷其他陶瓷化工陶瓷化工設(shè)備上的陶瓷制品，具有以下特點：優(yōu)點：具有優(yōu)異的耐酸堿性、耐腐蝕性、不污染介質(zhì)等特點，可在－15～100度范圍內(nèi)使用。缺點：蝕性脆、沖擊強度和機械強度低、不能承受過大的機械震動，耐熱驟冷變化差?；ぬ沾捎糜诨?、化肥、制藥、食品、造紙、冶煉及化纖等工業(yè)中。如耐酸陶瓷容器、閥門、泵、塔、鼓風機、印板機等?；ぬ沾芍破繁砻娉Ｊ┮粚颖∮?。制品表面光滑、不透水和氣，耐腐蝕。近年來在化工業(yè)中出現(xiàn)高強度高致密的氮化硅、碳化硅、氧化硅、氧化鋁質(zhì)特種化工陶瓷?；ぬ沾商蓟璧沫h(huán)、軸承襯套，具有優(yōu)良的熱傳導性，具有自潤滑性、低的熱膨脹?？蓮V泛應(yīng)用于石油、化工、食品、農(nóng)藥等行業(yè).機械和汽車行業(yè)。碳化硅與碳石墨之間的摩擦最小，因此被廣泛用作機械密封。耐所有的酸堿.氮化硅陶瓷，在化學工業(yè)用作耐磨、耐蝕部件。如球閥、泵體、燃燒汽化器、過濾器等。其耐酸堿性最好.常用的工業(yè)陶瓷及其制品日用陶瓷建筑陶瓷電工瓷化工陶瓷電子陶瓷高溫陶瓷其他陶瓷電子陶瓷電子陶瓷是指在電子工業(yè)中能夠利用電、磁性質(zhì)作元器件使用的陶瓷介質(zhì)材料。具有電、磁、光、熱、力等性能。通常絕緣電阻高、介電常數(shù)大、介質(zhì)損耗小、有一定的介電強度。在能源、家用電器、汽車等方面得到廣泛應(yīng)用。常用的電子陶器有：電容器陶瓷、壓電陶瓷、半導體陶瓷、導電陶瓷、超導陶瓷、磁性陶瓷、裝置瓷等。電子陶瓷燈具陶瓷電器陶瓷常用的工業(yè)陶瓷及其制品日用陶瓷建筑陶瓷電工瓷化工陶瓷電子陶瓷高溫陶瓷其他陶瓷高溫陶瓷

高溫陶瓷是指熔融溫度在1728度以上的一類陶瓷制品，它主要是由一些金屬氧化物和難熔化合物作為原料制成。

應(yīng)用最多的有AI2O3、ZrO2、MgO、CaO、BeO等。

1）純氧化物：很好的高溫耐火材料。如AI2O3（剛玉）廣泛用于制造高速切削工具、量規(guī)等，也是重要的坩堝材料；

ZrO2用作耐火坩堝、爐子和反應(yīng)堆絕熱材料，金屬表面的保護涂層等；

MgO、CaO可用于制造坩堝，

MgO還可用作爐襯和高溫裝置等。

2）難熔化合物：如碳化硅陶瓷主要用作加熱元件、石墨的表面保護層，以及作砂輪、磨料等。氮化硼陶瓷（白石墨）具有石墨類型六方結(jié)構(gòu)，可用作為介電體和耐火潤滑劑。

西安電子科技大學工業(yè)設(shè)計系其它陶瓷透明陶瓷：與玻璃一樣透明，但其硬度、強度都比玻璃高得多，化學穩(wěn)定性好，具有很好的抗表面損壞能力，這種透明陶瓷可作超音速飛機風擋、高級轎車的防彈窗、坦克的觀察窗、炸彈瞄準工具。它還能透過無線電波，因此可作雷達天線罩、導彈的“防風鏡”。另外可用作高壓鈉燈的放電管，堿金屬蒸汽燈等。

1）氧化鋁透明陶瓷：用作高壓鈉燈、金屬鹵化物燈中的發(fā)光管。作為生物陶瓷用作牙齒矯正中的陶瓷托槽。

2）氧化鎂透明陶瓷：用于制作高溫爐窗口，紅外探測器罩和高耐堿性的坩堝與反應(yīng)容器等。

3）氮化鋁透明陶瓷：具有高熱導率、低介電常數(shù)、高絕緣性等，使用作紅外導流罩以及窗口材料。導彈頭部整流罩紅外成像導彈頭裝甲車窗口引頭罩牙齒矯正器高壓鈉燈金鹵燈其它陶瓷金屬陶瓷：是由金屬和陶瓷組成的非均質(zhì)復合材料，可用作工具材料、高溫結(jié)構(gòu)和耐蝕材料。

在金屬陶瓷中，陶瓷是氧化物、碳化物、硼化物和氮化物，金屬相主要是鈦、鉻、鎳、鈷和其合金，目前已經(jīng)取得較大實際應(yīng)用的金屬陶瓷基體，主要是氧化物和碳化物?？篃釠_擊性化學穩(wěn)定性2006/7/23航空發(fā)動機葉片熱障涂層一般由三層組成：（1）最內(nèi)層是與基體結(jié)構(gòu)相接近的金屬；（2）最外層是陶瓷；（3）陶瓷與金屬的中間過渡層用金屬陶瓷。英國羅·羅公司把一層厚度為0.1mm的含Mg的ZrO2基金屬陶瓷作為航空發(fā)動機渦輪葉片熱障涂層的中間過渡層，取得了良好應(yīng)用效果。航空領(lǐng)域銅合金涂層金屬陶瓷涂層30天的海水腐蝕試驗結(jié)果艦船領(lǐng)域制造加工領(lǐng)域金屬陶瓷材料在制造加工領(lǐng)域有著不可替代的作用，尤其在量具和切削刀具方面.金屬陶瓷軸承與刀具其他領(lǐng)域鉬基金屬陶瓷熱電偶散熱陶瓷基板冶金工業(yè)用的耐高溫坩堝和高溫件、機械工業(yè)的耐高溫耐磨零部件、電子工業(yè)的熱離子陰極等；日用品領(lǐng)域。金屬陶瓷航空鋁材質(zhì)手機外殼西安電子科技大學工業(yè)設(shè)計系第七章工業(yè)陶瓷及其加工技術(shù)工業(yè)陶瓷簡介常用陶瓷材料及其性質(zhì)工業(yè)陶瓷材料加工工藝陶瓷制品表面裝飾技術(shù)思考題7.2工業(yè)陶瓷材料的加工工藝原料配制7.2工業(yè)陶瓷材料的加工工藝1.原料配置：陶瓷最基本原料是石英、長石、黏土三大類和其它一些化工原料。2.坯料成型：將制備好的坯料，用各種工藝制成需要的形狀和尺寸的坯件（生坯）。

成型工藝應(yīng)滿足下述要求：

1）坯料符合制品要求的形狀和尺寸（考慮收縮）；2）坯件應(yīng)有相當?shù)臋C械強度，以便后續(xù)工作；3）坯件應(yīng)結(jié)構(gòu)均勻，具有一定的致密度；4）成型過程應(yīng)便于組織生產(chǎn)。坯料成型技術(shù)可塑法：是一種古老也是使用最廣泛的成型方法。它是將坯料中加入一定量的水分和塑化劑，使坯料具有良好塑性的料團，然后通過手工和機械成型，分為有模和無模兩種。主要包括:(1)擠制法成型:適用于加工各種端面形狀規(guī)則的瓷棒或軸（圓形、方形、六角形等）和各種管狀產(chǎn)品（如高溫爐管、熱電偶電容器瓷套等）；

(2)車坯成型：使用擠壓出的圓柱形泥段作為坯料，在車床上加工成型，常用于加工形狀較為復雜的圓形制品；

(3)旋坯法和滾壓法：是目前使用廣泛的兩種成型方法，旋坯法就是將可塑泥料放人旋坯機可以旋轉(zhuǎn)的石膏模中，加力將樣板刀下壓，泥料受樣板刀剪切和擠壓，在石膏模表面將泥料坯體可塑成型。常用于成型盤、碗等類制品，也可制造內(nèi)外形狀較復雜的回轉(zhuǎn)面制件、深制品。滾壓法類同。

流延成型：極薄的片或板狀陶瓷成型工藝，即將陶瓷粉料和溶劑的混合料漿傾倒或澆注在一個平面基體上，均勻鋪展，溶劑隨后揮發(fā)，由此制備各種含有陶瓷粒及粘結(jié)劑的生皮帶。坯料成型技術(shù)坯料成型技術(shù)注漿法：陶瓷成型中的基本方法，是將漿料（含水30-40%）注入模具中成型，常用于制造形狀復雜、精度要求不高的日用陶瓷和建筑陶瓷。分為空心注漿和實心注漿。

1）空心注漿法：泥漿注滿模型后放置一段時間，待模型內(nèi)壁粘附一定厚度的坯體后，導出多余泥漿，然后帶模干燥。

坯體外形---模型工作面；

坯體厚度—吸漿時間（模具溫度、濕度、泥漿性質(zhì)）

適合：小件、薄壁產(chǎn)品。

2）實心注漿法：泥漿注入模型后，石膏模從內(nèi)外兩個方向同時吸水。注漿過程中需不斷補充泥漿，直至全部硬化成型。

坯體外形---外模工作面；

坯體內(nèi)形：模芯工作面

坯體厚度—外模和模芯的空腔。

適合：內(nèi)外表面形狀、花紋不同，大型、厚壁產(chǎn)品。

空心注漿實心注漿坯料成型技術(shù)加速注漿法

1）壓力注漿：通過提高泥漿壓力來提高注漿過程推動力加速水分擴散，縮短注漿時間，減少坯體干燥收縮和脫模后坯體的水分。加壓方式有提高漿桶高度或引入壓縮空氣。

2）真空注漿：模外抽真空，或模型放于負壓的真空室中。由于模內(nèi)外壓力差，提高注漿推動力，提高吸漿速度，減少坯體氣孔、針眼。

3）離心注漿：向旋轉(zhuǎn)的模型內(nèi)注入泥漿，在離心力作用下，泥漿緊靠模型脫水成坯。坯料成型技術(shù)特種注漿成型

1）直接凝固注模法（DCC）將陶瓷粉料分散于水溶液中，然后注入非孔模具里固化成型。進過干燥后得到坯體。優(yōu)點：（1）有機物添加少

（2）生坯干燥收縮小，結(jié)構(gòu)均勻；（3）燒結(jié)體強度高、可靠性好；（4）便于實現(xiàn)近凈尺寸成型；（5）可成型復雜形狀的產(chǎn)品。缺點：

生坯強度偏低。直接凝固注模法（DCC）2）凝膠注模法：將陶瓷粉料分散于含有有機單體和交聯(lián)劑水溶液或有機溶液中，制備出低粘度、高固含量的濃懸附體，然后加入引發(fā)劑和催化劑，將懸浮體注入非孔模具里固化成型。進過嚴格干燥后得到強度較高且可以機加工的坯體。特種注漿成型凝膠注模法（強度較高且可以機加工的坯體）

熱壓注成型

與熔模鑄造中蠟?zāi)Ｖ圃旃に囅嗨?。在壓力作用下，把熔化的含蠟漿料（蠟漿）注滿金屬模具，等到坯體冷卻凝固后脫模。

獲得制品尺寸較準確，光潔度好，結(jié)構(gòu)致密，廣泛應(yīng)用于制造形狀復雜、尺寸和質(zhì)量要求高的工業(yè)陶瓷產(chǎn)品，如電子工業(yè)用的裝置陶瓷、電容器陶瓷、氧化物陶瓷、金屬陶瓷、化工陶瓷等。坯料成型技術(shù)坯料成型技術(shù)注漿法：1）石膏模具：多孔且吸水強，能吸收陶瓷漿料的水分，繼而使得陶瓷干燥成型，屬于冷壓注法；（空心、實心等）2）金屬鋼模：使用熱壓注法。（熱壓注成型）

干壓法：將含有一定水分（6-8%）和添加劑的粉料在金屬模具中用較高的壓力壓制成型。

其方法效率高、易于自動化、制品燒成收縮率小，不易變形，適合形狀簡單的坯件，如園片、方片等，對模具的質(zhì)量要求高。等靜壓法：將含有一定水分（1.5-3%）和添加劑的粉料在橡皮模具壓制成型。2006/7/237.2工業(yè)陶瓷材料的加工工藝3.坯體干燥：目的提高坯件強度，以免在搬運和再加工過程中受損和變形，同時可提高坯件吸附釉彩的能力。

干燥方法有:自然空氣干燥、熱空氣干燥、輻射線干燥、微波干燥等。4.窯爐燒結(jié)：它是坯件瓷化的工藝過程，也是陶瓷制品工藝最重要的一道工序。陶瓷制品經(jīng)高溫焙燒燒結(jié)后即硬化定型，具有很高的硬度，一般不易加工，對某些尺寸精度要求較高的制件，燒結(jié)后可進行研磨、電加工、激光等加工。西安電子科技大學工業(yè)設(shè)計系第七章工業(yè)陶瓷及其加工技術(shù)工業(yè)陶瓷簡介常用陶瓷材料及其性質(zhì)工業(yè)陶瓷材料加工工藝陶瓷制品表面裝飾技術(shù)思考題1）陶瓷的表面加工

表面加工的目的就是使表面平滑、光亮、美觀、表面粗糙化或加工成某一需要的外觀造型。陶瓷的機械加工主要有研磨和拋光，有的陶瓷（如六方氮化硼陶瓷）可以進行車、銑、刨等加工。

（1）陶瓷的冷加工：分為一般加工（絲級）、精密加工（微米級）和超精密加工（亞毫米至毫微米級）。除機械加工外，還可進行非機械加工（如電火花加工、離子束加工）。

（2）超精密加工：尺寸精度和表面光潔度和表面裝飾的要求很高。

2）陶瓷的表面層