工艺学知识点整理

工艺学知识点整理1.陶瓷工艺过程：原料预处理、配料、坯料制备、成型、(素烧)、施釉、烧成、后加工、检验包装、成品2.普通陶瓷和结构陶瓷之间的异同：可从原料、化学组成、成型、烧成方式、显微结构、后处理等方面进行考虑。A）普通陶瓷：原料有地域性，采用传统的成型方式(注浆、可塑、压制)，一般用窑炉烧结，且属液相烧结。B）结构陶瓷：采取精确配比的原料，采用新的成型方法(一般需添加剂)，采取加压、压力场加速烧结。原料1.黏土矿物的结构（层状结构1:1or1:2）种类特点a）种类：高岭石类、蒙脱石类、伊利石类、叶腊石类。b）结构：层状铝硅酸盐矿物。由[SiO4]4-四面体片和[AlO6]9-八面体片在c轴方向上重复堆叠而成。按四面体片与八面体片的组合形式可分为1:1层型和2:1层型(2指的是[SiO4]层).层状结构会出现OH-、层间有阳离子交换性质、容易渗入水分子。c)高岭石：结构式Al4[Si4O10](OH)8,化学式Al2O3·2SiO2·2H2O。1:1层型,每两层间的联系主要是氢键，其结合力要强于分子键，因此具有以下特点：层间不易渗入水分子，很低的阳离子交换量。化学组成(比较纯净)：Al2O339.5%，SiO246.52%，H2O13.96%。高岭土d）蒙脱石：结构式：(Na,Ca)0.33(Al,Mg)2[Si4O10](OH)2·nH2O,化学组成：Al2O311%~22%,SiO248%~56%,Fe2O3﹤5%,CaO、MgO含量较多,H2O含量变化很大.2:1型层状硅酸盐。特点：具有很强的离子交换能力和吸附能力,具有吸湿性(吸水后体积膨胀可达30余倍）。膨润土e）伊利石：富K的硅酸盐云母类黏土矿物。其代表性结构式：K0.75(Al1.75)(Si3.50Al0.50)O10(OH)2·nH2O,其中R为Ca2+、Mg2+等。化学组成：Al2O325%~33%,SiO252%~61%,H2O8%~9%,K2O6%。2:1型层状硅酸盐.特点：晶格结合牢固，不具膨胀性。f）叶蜡石：2:1型层状含水铝硅酸盐.特点：在水中无膨胀性和可塑性，吸水性差，结构稳定。•影响无机非金属材料产品性能、质量的因素可归纳为：与原料质量有关的因素、与生产工艺过程有关的因素。•原料分为（按来源）：天然原料、化工原料。•普通陶瓷工业的最基本原料：石英、长石和黏土。可分为（按工艺）：可塑性原料（如黏土类）和瘠性原料（无可塑性，包括：溶剂类，如长石；非溶剂类，如石英）1.黏土的组成：矿物、化学和颗粒组成。这三个方面决定了黏土的工艺性质，其中矿物组成是基本因素。2.黏土的工艺性质：可塑性、结合性、吸附性及离子交换性、触变性、膨胀性、干燥收缩和烧成收缩、烧结温度与烧结范围、耐火度。2.溶剂瘠性原料长石类：架状结构的碱金属或碱土金属的铝硅酸盐1.一般陶瓷的名称即是根据溶剂的种类来分的。2.常见长石主要有：Ca长石、Na长石、K长石3.长石在陶瓷生产中的作用：作为溶剂，主要起熔融和熔化其他物质的作用。碱金属氧化物帮助降低烧成温度；有助于坯体致密化；构成瓷的玻璃基质，增加了透明度及力学强度和电气性能等。3.非溶剂瘠性原料石英类：架状硅酸盐结构，成分为SiO2，含少量杂质。1.石英（SiO2）在陶瓷生产中的作用：作为瘠性原料，对泥料的可塑性起调节作用。对于生坯——增加了渗水性，利于施釉，且缩短坯体的干燥时间，减少干燥收缩并防止坯体变形；对于烧成时——其体积膨胀可部分抵消坯体收缩，并构成坯体的骨架。2.特点：具有很强耐酸性，与碱性物质接触时反应生成可溶性硅酸盐。加热时会发生晶型转变。4.原料的处理精选、细碎研磨、预烧等A）精选：对原料进行选矿提纯，以除去杂质保证质量。可分为：*物理方法：原料密度和颗粒形状的差异，采取水簸(密度)、风选(片状的易被除去)、筛选(颗粒大小)；磁性差别，采取磁选、超声波法。常用方法：水力旋流。*化学方法：利用化学试剂发生反应除杂。例如：化学除铁。*浮选法：利用各矿物对水的润湿性不同,从悬浮液中将憎水颗粒粘附在气泡上浮游分离.*微生物除铁增白法。B）细碎：破碎主要采用物理机械方法。作用方式：挤压(粒度最粗)、冲击(分布最宽)、剪切摩擦(粒度最细分布较窄)。超细粉体的加工以剪切摩擦方式较佳。*细碎方式：球磨(普遍使用)、振动磨、搅拌磨、气流粉碎。*机械破碎易引入二次杂质，即存在一个粉碎极限，当颗粒达到一定尺寸时，进一步粉碎只会引入杂质，而不会使粉料进一步磨细。为了获得更微细的粉体，通常只能采用人工合成的方法。人工精制的颗粒粒度、形貌（以圆形为主）可控。5.原料的区域分布导致产品特点:南青北白南方陶瓷原料中含铁等杂质较多，烧出来的制品呈青色；北方含铁等着色剂少，故制品呈白色。6.原料的晶型转变：SiO2、Al2O3、ZrO2、TiO2A）晶型转变可分为：*高温型的迟缓变化(横向变化——由表面开始，逐步向内部进行，结构变化形成新的晶型，故需较高活化能，转化进程迟缓，体积变化大)*低温型的迅速转化(纵向变化——到达转化温度后，表面瞬间同时发生，结构不发生特殊变化，转化迅速，可逆，体积变化不大)B）低温转化危害更大：迟缓型尽管体积变化大，但是由于其速度慢，时间长，加上液相的缓冲作用，因而体积的膨胀进行缓慢，缓解了因体积膨胀应力造成的破坏作用，故危害不大；而低温转化虽然膨胀小，但是转化迅速，无液相，破坏性强，所以危害很大。C）石英(SiO2)：石英、鳞石英、方石英,α、β、γ相。D)Al2O3：高熔点、高硬度。γ-Al2O31050~1200℃α-Al2O3不可逆转变。通常很缓慢，伴随体积较大收缩，对氧化铝烧结不利，为防止开裂和变形通常将γ-Al2O3预烧成更稳定的α-Al2O3。E）ZrO2：耐高温。单斜ZrO2~1160℃四方ZrO2~2370℃立方ZrO2四方与单斜晶型之间的可逆转化带来的体积效应会使产品出现裂纹，故需加入稳定剂。根据稳定剂的多少可分为全稳定、部分稳定的ZrO2。F）TiO2：板钛矿~650℃锐钛矿~915℃金红石高温下金红石最稳定。为防止因晶型转变而发生的体积变化引起的制品开裂，需要进行预烧处理。坯料和成型1.坯料的处理*坯料：将原料经配料和加工后，得到的具有成型性能的多组分混合物。*坯料的处理：混料、脱水、塑化、悬浮、陈腐和真空处理、造粒。混料：多组分混合到成分基本均匀。加料程序：多、少、多的顺序。要防止磨介的污染。湿法后的分层通过烘干后过筛来消除。脱水：机械脱水、热风脱水(喷雾干燥，也可造粒)。塑化：应尽量减少塑化剂的加入量。悬浮：应尽量减少分散剂的加入量。陈腐和真空处理：使水分均匀，排除残余空气，提高致密性和可塑性。造粒：加工成球形粒子。2.成型方法的分类、特点、选择*成型：将坯料制成一定形状和尺寸的坯件的过程。按坯料性能和含水量的不同分为：可塑法、注浆法、干压法成型。一般根据所制备产品的形状、大小、质量要求，设备，经济效果及坯料性能来进行选择。A）注浆成型(胶态成型)：基于坯料具有一定液态流动性的成型方法。陶瓷工艺中，使用含水量﹥30%的流动性泥浆，浇注在多孔模型中。适合制造大型的、形状复杂的、薄壁产品。并且工艺成本低，易于控制。*传统注浆方法：模具材料多用石膏，或多孔塑料。分为：空心、实心注浆。*强化注浆：人为施外力。分为：真空、离心(大型环状制品)、电泳、压力注浆。*热压铸成型：并不使用溶剂，而利用黏结剂——石蜡的高温流变特性，进行压力下的铸造成型。将石蜡浆料在一定温度和压力下注入金属模具中，冷却凝固成一定坯体。包括制备蜡浆、坯体浇注、排蜡三个工序。适合制造外形复杂、精密度高的中小型元件，特别是复杂电子瓷件。操作简单，生产效率高。*流延法成型：使浆料均匀地流到或涂敷到流延成型机的衬底上，经干燥后形成具有一定厚度且厚度均匀的素坯膜。适合制造大面积超薄基片(可厚至10um以下,1mm以上).但是只能成型带状坯体，成型密度低,排胶过程中易开裂。B）可塑成型：含水量18%~26%。使用可塑泥团成型(基于黏土的结合性与可塑性，在黏土的基础上，加入其他组分与水构成)。*影响坯料可塑性的因素：矿物种类、颗粒的大小和形状、吸附阴阳离子的种类、液相的数量和性质、应力的作用时间与方式。*可塑性较好的泥团条件：颗粒较细，矿物解理完全，颗粒表面水膜较厚等。*可塑成型对坯料的要求：具有可塑性(屈服值×延伸变形量大)；各项同性均质结构，定向排列不严重(以免收缩不均);足够细度和圆润的外形;溶剂、增塑剂用量适当,含水量18%~26%,已排除空气。*可塑成型方法：1·旋压成型：含水量稍高：21~26%)；2·滚压成型：阳模、阴模滚压；3·塑压成型：适合各种异型盘碟类制品，但是使用的石膏模寿命短；4·挤压成型：通过机嘴挤出各种形状的坯件(如棒状、管状等)。5·注射成型：使用的坯料不含水，由陶瓷瘠性粉料和结合剂，经注射成型机，在130~300℃下注射到金属模腔内，借助高分子聚合物在高温下熔融、低温下凝固的特性来进行成型。注射压力和温度不宜过大以免产生坯体变形和开裂。烧成前必须进行脱脂处理。注射成型使用的有机载体包括：黏结剂、润滑剂、增塑剂等。烧结前需排除有记载体(即脱脂)，脱脂耗时长，易引起坯体产生变形、开裂等缺陷。影响脱脂的因素有：气氛、压力、温度。特点：能一次压出外形复杂、尺寸精确、高性能的制品，无后续加工，常用于制造大批量的中、小件日用品和工业品(如汽轮机部件、汽车零件等)。缺点是：脱脂时间长，金属模具昂贵且设计困难.注射成型与热压铸成型的异同：相同点：都经过瘠性料与有机添加剂混合、成型、排蜡三个主要工序；都在一定的温度和压力下成型。不同点：热压铸成型用的浆料须在浇注前加温制成可流动的蜡浆，而注射成型是用粒状的干粉料填入缸桶内加热至塑性状态，在注入模具的一瞬间，由于高温高压作用而使坯料呈流动状态充满模具的空间；此外，热压铸成型压力为0.3~0.5MPa，而注射成型压力则高得多，一般为130MPa.6·轧膜成型：将粉料拌以一定的有机黏结剂和溶剂，经多次粗轧和精轧成膜片后再冲片成型达到所需厚度。特点：炼泥和成型同时进行，适于批量生产较大的1mm下的薄片状产品(如瓷片电容、电路基片等)。C）压制成型(干压成型)：*定义:将经造粒、流动性好、粒配合适的粉料(具有少量水分或黏结剂)装入模具，通过压机施以外加压力成型的方法。*特点：便于自动化生产，坯体密度大，尺寸精确，收缩小、强度高。但是，对于大型坯体的生产有困难，也难制造形状复杂的零件,且模具磨损大，不适合生产高长径比的圆柱形样品(易分层开裂).*压制成型方法：1.模压成型(单轴向压制成型)：将一定量的粉料填充模具内，在一定载荷下压制成型。适合制备形状相对简单、尺寸较小的制品。2.等静压成型：通过液体(也可以是固体或气体)对装在封闭模具中的粉料或预成型体在各个方向同时均匀施压成形。分为干式、湿式等静压两种。对制品的几何形状没有太多限制。3.超高压成型：在极高的压力下成型(一般在1GPa以上),设备为人造金刚石的高压设备.非常适合于纳米陶瓷粉体的成型。3.成型模具A）压制成型用金属模具：承受压力大(250~600MPa)B）冷等静压成型用弹性模具：橡胶、树脂模具。C）挤压成型用模具：机嘴设计复杂*模具的放尺：模具的尺寸应根据坯体的收缩大小来放尺。4.干燥及目的1.干燥：生坯内部水分借扩散作用向表面移动并在表面汽化，然后由干燥介质将汽化的水分带走，即排出内部自由水。故干燥速度取决于内部扩散速度和表面汽化速度。干燥去除的是自由水。2.包括四个阶段：*升速干燥阶段(时间短，排出水分不多)、*等速干燥阶段(干燥速率和传热速率保持不变)、*降速干燥阶段(开始排除毛细管中的水分和物理吸附水)、*平衡阶段(表面蒸发和吸附达成动态平衡，表面干燥速度降为0)3.干燥方法:•外热源法：加热坯体(如热风干燥)•外热源法：加热坯体(如热风干燥)烧成和显微结构的形成1.显微结构的特点：1.显微结构定义：在显微镜下观察到的结构or在各种光学和电子显微镜下分辨出的试样中所含有相的种类及各相的数量、形状、大小、分布取向