鄭州大學(xué)復(fù)合材料學(xué)課件第六章2.ppt

1、2020/8/1,國家精品課程陶瓷工藝原理,6.6 陶瓷坯體的燒成,燒成過程是將坯體在一定的條件下進(jìn)行熱處理，使之發(fā)生質(zhì)變成為陶瓷產(chǎn)品的過程。,6.6.1 普通陶瓷坯體形成過程的變化,6.6.1.1 粘土礦物煅燒時(shí)的變化,高嶺石500-700之間分解而失去結(jié)構(gòu)水，出現(xiàn)吸熱效應(yīng)。 一般認(rèn)為，高嶺石脫水后還保留著硅氧四面體的Si-O網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，四面體層仍然繼續(xù)存在，而八面體層中的Al-OH鍵斷裂，Al3+與O2-重新排列組成鍵Al-O，Al的配位數(shù)由6變?yōu)?，由此形成偏高嶺石(Al2O3 2SiO2)。,2020/8/1,國家精品課程陶瓷工藝原理,2020/8/1,國家精品課程陶瓷工藝原理,一般認(rèn)為

2、，高嶺石轉(zhuǎn)變?yōu)槟獊硎^程中，一面保持一定程度的結(jié)構(gòu)連續(xù)性，一面進(jìn)行反應(yīng)。高嶺石加熱至9801000 oC出現(xiàn)第一個(gè)放熱效應(yīng)，但無重量變化，這是出現(xiàn)Al-Si尖晶石相(2Al2O3 3SiO2)的結(jié)果。,2020/8/1,國家精品課程陶瓷工藝原理,尖晶石相繼續(xù)受熱，便從1000 oC開始轉(zhuǎn)變?yōu)槟獊硎c方石英，這時(shí)出現(xiàn)第二個(gè)放熱效應(yīng)。如右圖所示：,2020/8/1,國家精品課程陶瓷工藝原理,現(xiàn)在認(rèn)為：溫度上升并接近1000 oC時(shí)就開始生成莫來石，同時(shí)游離出活性較大的非晶態(tài)SiO2。,溫度達(dá)1200 oC左右時(shí)，莫來石晶體生成反應(yīng)接近平衡而逐漸長大，晶形完整，數(shù)量不再發(fā)生變化。 同時(shí)，非晶態(tài)逐漸轉(zhuǎn)

3、變?yōu)榉绞?，且方石英含量隨溫度升高迅速升高，但到1400oC以上時(shí)，方石英逐步熔解于雜質(zhì)所生成的熔體中。,2020/8/1,國家精品課程陶瓷工藝原理,6.6.1.2 坯料中莫來石的生成,（1）由粘土礦物轉(zhuǎn)變生成的細(xì)粒、鱗片狀一次莫來石。,（2）由熔體中析出的針狀二次莫來石。,莫來石：鱗片狀、人字形、針狀或細(xì)柱狀晶體，機(jī)械強(qiáng)度高，熱穩(wěn)定、化學(xué)穩(wěn)定性好。密度3.15 g/cm3，熔點(diǎn)1810，熔融后分解為剛玉和石英玻璃。,普通陶瓷坯體中的莫來石來源：,2020/8/1,國家精品課程陶瓷工藝原理,坯料中加入礦化劑可以影響莫來石的形成，其中二價(jià)陽離子如Ca2+、Ba2+、Mg2+能促進(jìn)莫來石的生成。,

4、礦化劑：為降低熔化或燒成溫度，促進(jìn)或抑制礦物多晶轉(zhuǎn)變、再結(jié)晶、重結(jié)晶等作用的添加劑。 其它添加劑：晶核劑、結(jié)合劑、發(fā)泡劑、澄清劑等。,瓷坯中的莫來石受熔體作用還會(huì)再熔解甚至分解。針狀二次莫來石在1400oC以下熔解，而鱗片狀穩(wěn)定，1810oC所有莫來石熔解為剛玉、石英玻璃。,2020/8/1,國家精品課程陶瓷工藝原理,2020/8/1,國家精品課程陶瓷工藝原理,2020/8/1,國家精品課程陶瓷工藝原理,主要作為熔劑，高溫下形成硅酸鹽熔體。其熔劑作用是由長石與石英及粘土礦物（分解生成的活性SiO2）形成的低共熔點(diǎn)熔體引起。,鉀長石：1150 ，異成分熔融。生成白榴石 （K2O Al2O3 4S

5、iO2）和液相。石英存在下990出現(xiàn)低共熔體熔滴，熔融范圍寬（幾百度）。熔體粘度高。,鈉長石：1120 ，同成分熔融。與石英的共熔溫度為 1070，熔融范圍窄（50）。熔體粘度低。,6.6.1.3 長石在坯體形成中的作用,2020/8/1,國家精品課程陶瓷工藝原理,在無礦化劑存在情況下，從1000oC開始至1470oC，-石英經(jīng)過亞穩(wěn)方石英轉(zhuǎn)變?yōu)?方石英。,燒成過程中的變化：,6.6.1.4 燒成時(shí)石英的變化,2020/8/1,國家精品課程陶瓷工藝原理,石英在熔體中的熔解速度、熔解量與液相熔體的化學(xué)成分、液相量、粘度、燒成溫度與時(shí)間、石英的結(jié)晶程度、粒度等因素有關(guān)。,石英顆粒越細(xì)，比表面積越大

6、，增加了與液相的接觸面積，從而促進(jìn)了石英的熔解。,2020/8/1,國家精品課程陶瓷工藝原理,1. 水分的排除,2. 有機(jī)物的分解和氧化,3. 晶型的轉(zhuǎn)化,坯料中的殘余水分100-120oC排出，吸附水100-200 oC排出，粘土礦物的結(jié)晶水在450-600oC間排出。,粘土中的有機(jī)物和添加劑一般在500oC左右氧化。,主要是-石英在573oC轉(zhuǎn)化為-石英，石英顆粒邊緣轉(zhuǎn)化為方石英，另外無定形硅氧會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榉绞ⅰ?6.6.1.5 坯體燒成時(shí)結(jié)構(gòu)與物理性能的變化,2020/8/1,國家精品課程陶瓷工藝原理,5. 新晶體的產(chǎn)生,6. 溶解與析晶,粘土礦物受熱分解經(jīng)過尖晶石相（950oC）生成莫來

7、石（1100oC）。,液相會(huì)熔解石英、粘土分解物和一次莫來石，再從中析出方石英及二次莫來石 。,4. 液相的出現(xiàn),長石石英、長石粘土礦物及長石石英粘土礦物于950oC出現(xiàn)低共熔物質(zhì)，堿性氧化物和石英、鐵質(zhì)也會(huì)生成低共熔物；長石顆粒在1100oC以上熔融。隨著溫度升高液相增多，組成發(fā)生變化。,2020/8/1,國家精品課程陶瓷工藝原理,2020/8/1,國家精品課程陶瓷工藝原理,2020/8/1,國家精品課程陶瓷工藝原理,2020/8/1,國家精品課程陶瓷工藝原理,2020/8/1,國家精品課程陶瓷工藝原理,2020/8/1,國家精品課程陶瓷工藝原理,6.6.2 燒成制度的制定,燒成制度包括溫度

8、制度、氣氛制度和壓力制度。影響產(chǎn)品性能的關(guān)鍵是溫度及其與時(shí)間的關(guān)系，以及燒成時(shí)的氣氛。壓力制度旨在保證窯爐按照要求的溫度制度與氣氛制度進(jìn)行燒成。,溫度制度包括升溫速度、燒成溫度、保溫時(shí)間及冷卻速度。,2020/8/1,國家精品課程陶瓷工藝原理,（一）燒成溫度對產(chǎn)品性能的影響,從理論上說，燒成溫度是指陶瓷坯體燒成時(shí)獲得最優(yōu)性質(zhì)時(shí)的相應(yīng)溫度，即燒成時(shí)的止火溫度。 由于坯體性能隨溫度的變化有一個(gè)漸變過程，所以燒成溫度實(shí)際上是指一個(gè)允許的溫度范圍，習(xí)慣上稱之為燒成范圍。 燒成溫度的高低除了與坯料的種類有關(guān)外，還與坯料的細(xì)度及燒成時(shí)間密切相關(guān)。,6.6.2.1 燒成制度與產(chǎn)品性能的關(guān)系,2020/8/1

9、,國家精品課程陶瓷工藝原理,燒成溫度的高低，直接影響晶粒尺寸，液相的組成和數(shù)量，以及氣孔的形貌和數(shù)量。它們綜合的對陶瓷產(chǎn)品的物化性能有重大影響。,2020/8/1,國家精品課程陶瓷工藝原理,2020/8/1,國家精品課程陶瓷工藝原理,對傳統(tǒng)配方的燒結(jié)陶瓷來說，燒成溫度決定瓷坯的顯微結(jié)構(gòu)與相組成。,長石質(zhì)日用瓷坯在不同溫度下的相組成,2020/8/1,國家精品課程陶瓷工藝原理,2020/8/1,國家精品課程陶瓷工藝原理,在燒成范圍內(nèi)，適當(dāng)提高燒成溫度，有時(shí)卻會(huì)有利于電瓷的機(jī)電性能和日用細(xì)瓷的透光度。,2020/8/1,國家精品課程陶瓷工藝原理,由于硅酸鹽系統(tǒng)的反應(yīng)是在顆粒接觸不十分充分的條件下進(jìn)

10、行的，反應(yīng)的速度也較低，因此影響高溫反應(yīng)速度的因素，除溫度外，不能忽視時(shí)間的作用?？偠灾?，不能孤立地考慮溫度的作用。,燒成溫度的確定，主要應(yīng)取決于配方組成、坯料的細(xì)度和產(chǎn)品的性能要求，同時(shí)還與燒成時(shí)間相互制約。,2020/8/1,國家精品課程陶瓷工藝原理,（二）保溫時(shí)間對產(chǎn)品性能的影響,在止火溫度或稍低于此溫度的某一特定溫度下保持一定的時(shí)間，一方面使物理化學(xué)變化更趨完全，使坯體具有足夠的液相量和適當(dāng)?shù)木Я３叽?，另一方面使組織結(jié)構(gòu)亦趨于均一。,2020/8/1,國家精品課程陶瓷工藝原理,對希望釉面析晶的產(chǎn)品(如結(jié)晶釉等藝術(shù)釉產(chǎn)品)，保溫時(shí)間和保溫溫度的作用顯得更重要。,對于特種陶瓷來說，保溫雖

11、能促進(jìn)擴(kuò)散和重結(jié)晶，但過長的保溫卻使晶體過分長大或發(fā)生二次重結(jié)晶，反而起到有害的作用，故保溫時(shí)間也要求適當(dāng)。,2020/8/1,國家精品課程陶瓷工藝原理,(三）燒成氣氛對產(chǎn)品性能的影響,氣氛會(huì)影響陶瓷坯體高溫下的物化反應(yīng)速度，改變其體積變化、晶粒與氣孔大小、燒結(jié)溫度甚至相組成等，最終得到不同性質(zhì)的產(chǎn)品。,1.對日用瓷的影響,日用瓷坯體在氧化氣氛和還原氣氛中燒成，會(huì)使它們在燒結(jié)溫度、最大燒成收縮、過燒膨脹率、線收縮速率和釉面質(zhì)量等方面都有所變化。,（1）不同氣氛對燒結(jié)溫度影響,坯體在還原氣氛中的燒結(jié)溫度比氧化氛圍中低。,2020/8/1,國家精品課程陶瓷工藝原理,2020/8/1,國家精品課程陶

12、瓷工藝原理,(2) 不同氣氛對最大燒結(jié)收縮的影響,瓷石質(zhì)坯體在還原氣氛中的最大燒結(jié)線收縮都比氧化氣氛中要大，但是長石質(zhì)坯體在還原氣氛中的最大線收縮卻比氧化氣氛中小。,2020/8/1,國家精品課程陶瓷工藝原理,(3) 不同氣氛對坯體過燒膨脹的影響,所有瓷石質(zhì)坯與未加膨潤土的長石質(zhì)坯在還原氣氛中過燒40oC的膨脹比在氧化氣氛中要小的多， 但加入后反而大。,2020/8/1,國家精品課程陶瓷工藝原理,2020/8/1,國家精品課程陶瓷工藝原理,(4) 不同氣氛對瓷體線收縮率的影響,所有瓷坯在還原氣氛中的最大線收縮速率都比在氧化氣氛中大。,2020/8/1,國家精品課程陶瓷工藝原理,(5) 氣氛對瓷

13、坯的顏色和透光度及釉面質(zhì)量的影響,a.影響鐵和鈦的價(jià)數(shù)。 b.還原氣氛使氧化硅和一氧化碳還原。,2020/8/1,國家精品課程陶瓷工藝原理,2. 對特種陶瓷的影響,在還原氣氛中，對氧化物陶瓷的燒結(jié)有促進(jìn)作用。氧化物之間的反應(yīng)速度隨燒成氣氛中氧分壓的減小而增大。,2020/8/1,國家精品課程陶瓷工藝原理,氣氛中的水蒸氣對某些氧化物陶瓷也有很大影響。氣氛中存在的水蒸氣能促進(jìn)氧化鎂陶瓷坯體的初期燒結(jié)。,2020/8/1,國家精品課程陶瓷工藝原理,對于BaTiO3半導(dǎo)體陶瓷，在還原性、中性和惰性氣氛中燒成都有利于BaTiO3陶瓷的半導(dǎo)體化，即有利于陶瓷材料室溫阻值的降低。對于施主摻雜的高純BaTiO

14、3陶瓷來說，在缺氧氣氛中燒成時(shí)，不僅可以使陶瓷材料半導(dǎo)體化更充分，而且往往可以有效地拉寬促使陶瓷半導(dǎo)體的施主摻雜的濃度范圍。,對于含揮發(fā)組分（鉛、鉍等）的壓電陶瓷等坯料，一定要控制窯爐內(nèi)鉛的分壓，讓爐內(nèi)耐火材料中吸收一定量的鉛。,2020/8/1,國家精品課程陶瓷工藝原理,（四）升、降溫速度對產(chǎn)品性能的影響,普通陶瓷坯體在快速加熱時(shí)的收縮要比緩慢加熱的小，因?yàn)榭焖贌蓵r(shí)，熔體為粘土及石英所飽和的時(shí)間不長，而這類低粘度的熔體尚需一定時(shí)間以發(fā)揮其表面張力的最大效果。,75%Al2O3瓷的升溫速度與性能的關(guān)系 曲線：1抗折強(qiáng)度；2電容的溫度系數(shù)；3介質(zhì)損耗角正切,2020/8/1,國家精品課程陶瓷工

15、藝原理,普通陶瓷燒成后緩慢冷卻時(shí)，收縮率會(huì)大些，相對的氣孔率小些。冷卻速度對機(jī)械強(qiáng)度的影響復(fù)雜得多。,冷卻速度的快慢對坯體中晶相的大小，尤其是對晶體的應(yīng)力狀態(tài)有很大的影響。,幾種瓷坯的冷卻速度與抗彎強(qiáng)度的關(guān)系,2020/8/1,國家精品課程陶瓷工藝原理,6.6.2.2 擬定燒成制度的依據(jù),（一）坯料在加熱過程中的性狀變化,通過分析坯料在加熱過程中的性狀變化，初步得出坯體在各溫度或時(shí)間階段可以允許的升、降溫速率等。這些是擬定燒成制度的重要依據(jù)之一。具體可利用現(xiàn)有的相圖、熱分析資料、高溫相分析、燒結(jié)曲線等技術(shù)資料。,2020/8/1,國家精品課程陶瓷工藝原理,2020/8/1,國家精品課程陶瓷工藝原理,（二）坯體形狀、厚度和入窯水分,同一種坯體采用不同的燒成方法時(shí)，