产品造型设计材料与工艺-第九讲

第四章工业陶瓷及其加工技术陶瓷——火与土凝结的艺术陶瓷定义“陶瓷”这一名词源自古代希腊的“烧物”，它意味着陶器是经焙烧而赋予其强度的材料，即陶瓷被定义为“经高温热处理工艺所合成的非金属无机材料”。目前，陶瓷为所有无机非金属材料的简称。陶瓷材料也常称为硅酸盐材料。全面的定义为：陶瓷是用天然或人工合成的粉状化合物，经过成型和高温烧结制成的、由金属元素和非金属元素的无机化合物构成的多相固体材料，包括陶器和瓷器，也包括玻璃、搪瓷、石膏、水泥、石灰、砖瓦、耐火材料等人造无机非金属材料。近20年来，陶瓷材料有巨大的发展，许多新型陶瓷的成分远超出硅酸盐的范畴，陶瓷的性能面临重大的突破，陶瓷的应用已渗透到各类工业、各种工程和各个技术领域。一、成份和特点二、分类三、性质四、陶瓷制品五、陶瓷的制造六、陶瓷的表面装饰技术主要内容一、成份和特点传统意义的陶瓷主要指：陶器和瓷器，也包括玻璃、搪瓷、耐火材料、（硅酸盐类材料）砖瓦等。（用粘土、石灰石、长石、石英等天然硅酸盐类矿物制成）现今意义上的陶瓷：变化巨大，许多新型陶瓷已经远远超出了硅酸盐的范畴，是各种无机非金属材料的通称。一、成份和特点陶瓷材料是由天然矿物质和人造化合物混合后，经磨细、成型、烧结等工艺制成的。化学成分：金属元素和非金属元素构成的简单化合物；或复杂的多项固体混合物。结构组织：离子晶体（大多）或共价晶体（较少）与含量不等的玻璃相和气孔。一般特点：耐高温、耐磨等。但受配方、成型工艺条件（影响陶瓷晶粒的大小、晶界形状、气孔大小及分布、组织均匀性等）等的影响。二、分类陶瓷普通陶瓷（传统陶瓷）日用、建筑、绝缘、化工、多孔陶瓷等特种陶瓷（现代陶瓷）按性能分类：高强度、高温、耐磨、耐酸、压电、电介质、电光和光学、半导体、磁性、生物、导电、结构、超导、快离子导体陶瓷等；按化学组成分类：氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、复合陶瓷（如氧氮化硅铝陶瓷等）、金属陶瓷、纤维增强陶瓷陶瓷新型陶瓷传统陶瓷种类传统陶瓷新型陶瓷原料天然矿物原料人工精制合成原料（氧化物和非氧化物两大类）成型注浆、可塑成型为主注浆、压制、热压注、注射、轧膜、流延、等静压成型为主烧结温度一般在1350℃以下，燃料以煤、油、气为主结构陶瓷常需1600℃左右高温烧结，功能陶瓷需精确控制烧结温度，燃料以电、气、油为主加工一般不需加工常需切割、打孔、研磨和抛光性能以外观效果为主以内在质量为主，常呈现耐温、耐磨、耐腐蚀和各种敏感特性用途炊、餐具、陈设品主要用于宇航、能源、冶金、交通、电子、家电等行业传统陶瓷与现代陶瓷的对比新型陶瓷原料氧化铝氧化鋯炭化硅氮化硅优点:高强度、耐高温、耐腐蚀或各种敏感特性；原料易于制备、产品附加值高、应用广。钠长石质瓷精陶釉及其分类釉是指附着于陶瓷坯体表面的连续玻璃质层。它具有与玻璃相似的某些物理与化学性质，但二者并不完全相同。釉在溶化时必须很粘稠而不流动，才能保证在烧成时保持它原有的表面而不会流走，且能在直立的表面上不致下坠。某些艺术釉例外，如流动釉等，它们在烧成时反倒应该具有较大流动性。陶瓷施釉的目的在于改善坯体的表面性能，提高力学强度。陶瓷的釉料应有下列性质：（1）釉料必须在坯体烧结温度下成熟；（2）釉料的组成要选择适当；（3）釉料在高温溶化后，要具有适当的粘度和表面张力；（4）釉层质地坚硬，不易磕破或磨损。釉及其分类釉的分类三、陶瓷的性质用途不同,其性能的突出要求不一样。例如：日用陶瓷强调白度与强度；电瓷要求提高绝缘性；机电工程结构材料用陶瓷,强调综合性能（机械强度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦及硬度）；功能陶瓷在电、磁、光、声、热、力等方面应有特殊功能；化工陶瓷应有高耐腐蚀性,耐腐蚀、机械强度、抗冲击强度和耐温度骤变。（1）光学性质白度白度指陶瓷材料对白光的反射能力。透光度透光度是指瓷器允许可见透光的程度。常用透过瓷片的光强度与入射在瓷片上的光强度之比来表示。可透光程度与厚度、配料、烧制及显微结构有关。光泽度光泽度指陶瓷器表面对可见光的反射能力。光泽度决定于瓷器表面的平坦与光滑程度（光洁度）。（2）力学性质陶瓷材料最突出的缺点是脆弱，在外力的作用下不发生显著的塑性变形即产生破坏抗压强度很高，但是稍受外力冲击便发生脆裂，这使陶瓷材料的应用受到局限；陶瓷材料的硬度很高，有些陶瓷具有超硬的特点，用作刀具材料。新型工业陶瓷有所改善。（3）独特的物理化学性能陶瓷材料耐高温，是电和热的不良导体，能承受外界温度急剧变化而不损坏。具有良好的耐酸能力，能耐有机酸和无机酸及盐的侵蚀，但是抵抗碱的侵能力较弱。（4）气孔率与吸水率气孔率是指陶瓷制品所含气孔的体积与制品体积的百分比。气孔率的高低和密度的大小是鉴别和区分各种陶瓷的重要标志。吸水率则反应陶瓷制品烧结后的致密程度，随着陶瓷制品的用途不同而异。四、陶瓷制品1．日用器皿和瓷器一般具有良好的光泽度、透明度,热稳定性和机械强度较高。日用陶瓷通常分四大类（根据瓷质）：长石质瓷：是国内外常用的日用瓷,也可作一般工业瓷制品；绢云母质瓷：是我国的传统日用瓷；骨质瓷：近些年来得到广泛应用,主要作高级日用瓷制品；滑石质瓷：我国发展的综合性能较好的新型高质日用瓷高石英质日用瓷（最近几年我国研制成功）：石英质量分数在40%以上,具有瓷质细腻、色调柔和、透光度好、机械强度和热稳定性好等优点。四、陶瓷制品2．普通工业用瓷有石器和精陶，炻器是介于陶器和瓷器之间的一种陶瓷（如水缸、沙锅）。工业陶瓷按用途可分：建筑卫生瓷：用于装钳板、卫生间装置及器具等,通常尺寸较大,要求强度和热稳定性好；电工瓷：主要指电器绝缘用瓷,也叫高压陶瓷,要求机械性能高、介电性能和稳定性好。化学、化工瓷：用于化工制药、食品等工业及实验室中的管道设备、耐蚀容器及实验器皿等,通常要求耐介质腐蚀的能力要强。四、陶瓷制品3．特种陶瓷（现代瓷、精细陶瓷或高性能陶瓷）在工业上主要是高温陶瓷，应用广，且很重要。高温陶瓷主要包括扩：（1）氧化物陶瓷（2）硼化物陶瓷（3）氮化物陶瓷（4）碳化物陶瓷。3．特种陶瓷（1）氧化物陶瓷：常用的纯氧化物陶瓷有：AL2O3、ZrO2、MgO、CaO、BeO、Th02和U02等特点：熔点大多在2000℃以上,烧成温度在1800℃左右；烧成温度时,氧化物颗粒发生快速烧结,形成大块陶瓷晶体(是单相多晶体结构)，有时有少量气体产生；强度随温度的升高而降低，但在1000℃以下一直保持较高的强度随温度变化不大。是高耐火度结构材料，在任何高温下都不会氧化。（1）氧化物陶瓷氧化铝(刚玉)陶瓷：根据含杂质的多少(在自然界中存在含少量Cr、Fe和Ti的纯氧化铝)。氧化铝可呈红色(如红宝石)或蓝色(如蓝宝石)。熔点2050℃；抗氧化性好；微晶刚玉的硬度极高(仅次于金刚石),并且其红硬性达1200℃。广泛用作：耐火材料（刚玉耐火砖、高压器皿、电炉炉管、热电偶套管等）。还可做人骨、牙等。要求高的各类工具（切削淬火钢刀具、金属拔丝模等）使用性能皆高于其他工具材料。单晶体的纯氧化铝可作蓝宝石激光器；氧化铝管坯可用于纳蒸气照明灯泡。（1）氧化物陶瓷氧化铍陶瓷：最大特点：导热性极好,所以热稳定性很高。强度性能虽不高,但抗热冲击性较高；消散高能辐射的能力强、热中子阻尼系数大等。常用于制造坩埚,还可作真空陶瓷和原子反应堆陶瓷等。还可制造气体激光管、晶体管散热片以及集成电路的基片和外壳。氧化锆陶瓷：熔点在2700℃以上,能耐2300℃的高温,推荐使用温度为2000℃。能抗熔融金属的侵蚀,所以多用作铂、锗等金属冶炼的坩埚和1800℃以上的发热体及炉子、反应堆绝热材料等。氧化锆增韧氧化铝陶瓷材料：强度达120OMPa、断裂韧性为15.OMPa•m1/2(比原氧化铝提高近3倍。)可替代金属制造模具(拉丝模、泵叶轮等)；还可制造汽车零件（凸轮、推杆、连杆等）。工件表面不生锈不导电。还可做人工骨、关节等。（1）氧化物陶瓷（2）碳化物陶瓷包括：碳化硅、碳化硼、碳化铈、碳化钼、碳化铌、碳化钛、碳化钨、碳化钽、炭化钒、碳化锆等。特点：熔点很高、硬度很大（近于金刚石）、耐磨性很好。导热率很高，但耐高温氧化能力差（约900℃—1000℃）。性脆主要应用于：制造加热元件（电炉内壁）、砂轮及磨料等。（3）硼化物陶瓷常见的有：硼化铬、硼化钼、硼化钛、硼化钨和硼化锆。特点：高硬度，耐化学侵蚀，熔点范围1800℃—2500℃有较强的抗高温氧化能力，使用温度达1400℃。主要应用于：高温轴承、内燃机喷嘴、耐高温器件及电器触点。（4）氮化物陶瓷最常用的是：氮化硅（Si3N4）(稳定的共价键晶体，键能高)氮化硼(BN)。特点：硬度高、摩擦系数小有自润滑作用。在1200℃以下具有较高的机械性能和化学稳定性能、热膨胀系数小、抗冲击。可做高温下的结构材料。主要应用：高温轴承、转子叶片、刀具等。氮化硼（BN）具有石墨类型的六方晶体结构，又称白色石墨。特点：硬度较低，可切削加工成型。导热和抗热性能高，在高压和1360℃,六方氮化硼会转化为立方氮化硼β-BN,密度为3045*103kg/m3,硬度提高到接近金石的硬度，可作金刚石的代用品。用于刃磨切刀具、高温模具和磨料。耐热性好，有自润滑作用，耐高温下的腐蚀、绝缘性好。主要应用：高温耐磨材料和电绝缘材料。4．发光陶瓷材料是具有稀土离子激活特殊晶体结构的新型材料。它是到目前为止最好的一种蓄光、发光材料。特点：亮效率高、吸收和发射范围宽、荧光寿命长等优异光学性；该材料经吸收各种可见光后，在暗处余辉发光时间可持续十几个小时以上。其发光强度和持续时间是硫化锌型荧光粉十数倍以上。其吸光、发光可无限次重复；化学性能稳定，使用温度范围大；有良好的机械和热学性能。无毒、无害、无放射性元素，无环境污染。应用方面：发射荧光的陶瓷着色剂：发光陶瓷材料可以制成细粉，做为广泛用于各种涂料（油漆）和低温下生产与使用的其他各种材料中（塑料、橡胶、油墨、胶片、各种纸、搪瓷釉、陶瓷釉等）。建筑装饰：可使建筑物的墙壁、门窗、厅柱、地面，在照明低的环境中现出怡人的光辉和图案；用于工艺美术：可制成在暗处放出美丽光彩的各种艺术品。交通运输：车辆夜间需显示的部位、标牌、道路、各类建筑物（障碍物）、飞机轮胎在无照明情况下需显示各种标志。日常生活用品：钟表盘、手表盘、各种电源开关，电话按键，文具玩具，服装装饰、饰品等。陶瓷刀陶瓷刀(Ceramicknife),一种新型厨具，不容易磨损变钝。优点：①卫生抗菌：陶瓷晶粒细小，致密度高，可减少细菌孳生机会，不与食物中的酸碱物质反应，让食物口味完整保留。②抗金属过敏：陶瓷材质目前广泛应用于牙材、人工关节之应用，它与肌肤接触不会对人体造成金属过敏现象③易清洁：使用完后可用水直接冲洗，易于清洁。④材质特殊：陶瓷刀刃由一种先进陶瓷材料所制，抗腐蚀，永不生锈。⑤抗摔：采用陶瓷粉料经过超高温烧结制成，质地比普通陶瓷紧密得多，相应可以耐受大得多的压力。缺点：一旦刀刃变钝，只能用特殊的金刚石磨盘来磨刀刃，价格昂贵。在传统柴油机或燃气轮机用的金属零件中，铝合金的耐温极限为350℃，钢和铸铁的为450℃，最好的超级耐热合金的也不能超过1093℃，限制了发动机的工作温度(热效率)。汽缸工作温度低不仅会由于燃料不能充分燃烧而造成能源浪费，而且使车船飞机的速度受到了很大限制。优点：①耐高温陶瓷，如氮化硅陶瓷等代替合金钢制造陶瓷发动机，其工作温度可达1300℃-1500℃。陶瓷发动机的热效率高，可节省30%的热能，而且工作功率比钢质发动机提高45%以上。②陶瓷发动机无需水冷系统，其密度也只有钢的一半左右，这对减小发动机自身重量也有重要意义。概述陶瓷的生产过程将配制好的符合要求的坯料用不同的成型方法，制造出具有一定形状的坯体，坯体经干燥、施釉、烧结等工序，最后得到陶瓷制品