陶瓷材料设计

陶瓷材料的设计与高温制备陶瓷陶瓷（ceramics）是我们日常生活接触较多，在国民经济中有许多重要应用的无机非金属材料之一。传统概念的陶瓷是指所有一粘土为主要原料，并与其他矿物原料经过破碎混和成型烧成等过程而制得的制品,就是常见的日用陶瓷建筑卫生陶瓷等普通陶瓷(ordinaryceramics)。随着社会的发展，出现了有一类性能特殊，在电子、航空、生物医学等领域有广泛用途的陶瓷材料，称之为特种陶瓷(speciealceramics)。陶瓷综合实验设计思路•将特定的陶瓷产品设计、制造工艺流程与产品性能测定分析结为一个有机的整体。建立起新的实验体系。•加强实验的科学性、系统性，增加学生动脑、动手的机会，强化技能的训练，调动学生实验的积极性和主动性，提高分析问题和解决问题的能力。•为毕业论文和将来工作打下一定的基础实验目的1．了解陶瓷各种工艺实验在生产中的作用与实际意义。2．掌握陶瓷主要工艺实验的原理、方法与一定的操作技能。3．通过陶瓷工艺综合实验了解陶瓷产品的设计程序与工艺过程。4．培养学生综合设计实验的能力，提高分析问题、解决问题和动手能力。实验要求1．掌握陶瓷原料、泥浆性能、坯体干燥性能、烧成性能和产品性能测试原理、方法和影响实验结果的因素。2．熟悉陶瓷配料计算。3．掌握陶瓷产品的试制工艺和分析影响产品性能的因素。4．写出实验学术论文。1.1陶瓷的组成、结构与性能陶瓷（材料及其制品）都有特定的性能要求。•日用餐具要有一定的强度（strength）、白度（whiteness）、抗热冲击性（热稳定性）；•电瓷有强度和介电性能要求；•特种陶瓷对性能及其热稳定性要求更高。研究表明，陶瓷的性能一方面受到其本征物理量（如热稳定系数、电阻率、弹性模量等）的影响，同时又与其显微结构密切相关。而决定显微结构和本征物理量的是陶瓷的组成及其加工工艺过程。其中陶瓷组成对显微结构、性能起决定作用。1.2陶瓷的理论设计根据材料的使用要求进行设计１.根据手册或其他参考资料进行设计（相图是重要的资料）CaO、Al2O3、Si2O系统包括一系列重要的硅酸盐工业产品、高炉矿渣、以及某些矿物与岩石。具有实际意义。1.2陶瓷的理论设计２.根据他人（单位）或自己（单位）的经验进行设计３.从头摸索1.3陶瓷化学组成设计陶瓷坯料（bodymaterial）一般是由几种不同的原料配只制而成的。性能不同的陶瓷产品，其所用原料的种类和配比不同，也即所谓坯料组成或配方不同。一.成分设计原则1．根据科研需要或用户的要求确定产品（充分考虑产品的物理化学性能和实用性能要求）；2．参考前人的经验和数据；3．了解各种原料对产品性质的影响；4．应满足生产工艺的要求；5．了解原料的品位、来源和到厂价格1.3陶瓷化学组成设计传统概念的陶瓷是指所有以粘土为主要原料，并与其他矿物原料经过破碎、混合、成形、烧成等过程而制得的制品。1.3陶瓷化学组成设计二.本次实验的参考资料1.3陶瓷化学组成设计1.3陶瓷化学组成设计1.3陶瓷化学组成设计三．坯体组成的表示方法坯体组成的表示方法可分为4种1.配料量表示法配料量表示法也称配料比表示法，是生产中常用的方法。它直接列出所用原料的名称和质量比（各种原料质量比之和应为100）。这种方法便于工厂计量配料，直观方便。2.化学组成表示法即用坯料中各种化学组分所占质量百分数来表示坯料组成。其优点是可以根据坯料中化学成分的多少来推断或比较坯体的某些性能。1.3陶瓷化学组成设计3.示性矿物组成表示法普通陶瓷坯体一般是由粘土、石英及熔剂类矿物原料组成。用这三类矿物的百分含量可表示坯料的组成，这样的表示方法叫示性矿物表示法。它有助于了解坯料的一些工艺性能，比如烧成性能等。4.实验式表示法实验式表示法也称坯式表示法，它是采用各种氧化物摩尔数来表示坯料组成的一种方法，将坯料中的氧化物分为碱性、中性和酸性氧化物，并计算出其摩尔数后按比例排列。坯式是陶瓷理论研究中常用的方法，它可以明显地表示出各组分之间的数量关系，进而分析坯料的性能。实际工作中，往往是同时用两种或两种以上的方法表示组成。1.3陶瓷化学组成设计四．坯体配料计算由于坯料组成有多种表示方法，故必须了解这几种不同表示方法之间的换算。由产品的化学组成和原料的化学组成进行计算上面给出产品的配方组成（参考）和实验室所供应原料的组成，利用这些数据可以顺利进行坯体配料的计算。1.4陶瓷实验流程一.制备工艺流程可以归纳如下1.4陶瓷实验流程1．配料按计算结果，用药用天平准确称量，精确到小数点后2位。每份料的总量为300克。2．研磨、造粒将称量好的料放入快速磨内研磨，磨料时间为20～30分钟。将磨好的料放入干净而且干燥的白瓷盘内，用喷水壶喷入少量的水，造粒。3．陈腐将造好的粒用塑料袋（保鲜袋）装好，密封袋口，贴上标签，存放24～48小时即可用于压制成形。1.4陶瓷实验流程4．压制成形为方便性能测试，可分别压制成条、片的试样。条状试样，6条，3克/条，成型压力20～30KN.片状试样，24片，13克/片（片径4cm），或8克/片（片径3cm），成型压力30～40KN。压制成形后立即对试样编号，用游标卡尺量尺寸并记录。1.4陶瓷实验流程5．干燥将试样放入100～105℃的烘箱中烘8～10小时（也可自然干燥2～3天）后，取出，放入干燥器。试样冷却后，量取干燥后的尺寸并记录，计算干燥收缩率。6．烧成上述5种产品种的烧成温度基本一致，但最高烧成温度不同。因为各地原料的成分不同，每种产品的烧成温度都有波动。需经烧成实验确定。1.4陶瓷实验流程二.烧成制度的制定烧成制度包括温度制度、气氛制度和压力制度。对一个特定的产品而言，制定好温度制度（建立温度与时间的关系）和控制好烧成气氛是关键。压力制度起保证前两个制度顺利实施的作用。三者之间互相协调构成一个合理的烧成制度。烧成温度曲线的性质决定于下列因素：（1）烧成时坯体中的反应速度。坯体的组成、原料性质以及高温中发生的化学变化均影响反应的速度。（2）坯体的厚度、大小及坯体的热传导能力。（3）窑炉的结构、型式和热容，以及窑具的性质和装窑密度。1.4陶瓷实验流程二.烧成制度的制定因为是在实验室进行烧成，使用硅碳棒电路或硅钼棒电炉，主要技术烧成最高温度。最高烧成温度按下式进行计算：1.4陶瓷实验流程烧成曲线的制定根据经验公式计算出最高烧结温度后，制定烧成曲线。参考数据如下：地砖和仿花岗岩玻化砖T烧=1200～1280℃；釉面砖T烧=1200～1280℃；低温快烧的釉面砖T烧=1000～1080℃；耐热瓷T烧=1280～1320℃；1.4陶瓷实验流程升温速率与保温的确定⑴升温速率：小于1000℃时，8～10℃/分钟；大于1000℃时，5～8℃/分钟；⑵保温与取样：当温度为100、200、300、400、500、600、700℃各保温30min，取出样品；当温度为800、900、1000……℃时，各保温60min，取出样品；当温度为“最高烧成温度”时，保温60min，取出样品。1.5确定陶瓷烧结温度范围三．确定烧结温度范围用气孔率、吸水率、收缩率的数据绘制曲线图，求烧结温度范围。1.6陶瓷试样性能测定四．样品性能的测定1.试样干燥强度的测定2.试样干燥线收缩3.试样烧结强度测定4．试样烧成收缩率的测定5．试样气孔率的测定6．试样吸水率的测定7.体积密度测定……试样干燥强度的测定试样吸水率与气孔率的测定1.7确定陶瓷烧结温度范围作图，确定坯体的烧结温度和烧结温度范围图34-4试样加热过程气孔率和收缩率变化1．气孔率曲线2．线收缩率曲线1.8总结实验结果分析与结论1．成分设计是否合理2．原料是否符合要求3．成形是否良好4．烧成是否成功5．制品质量如何6．实验结论或心得实验学术论文•改变过去一个实验写一份实验报告的作法，要求按陶瓷制备工艺流程和性能测定将整个实验串联起来完成一篇学术性论文。•内容大致由前言、实验、结果分析与讨论、结论和参考文献五个部分组成。•实验部分，不要求将每个实验写的过细，侧量点放在根据产品的性能分析各道工序存在的问题，以及在生产中应如何加以控制上。•论文要有分析，比较和判断，而不只是实验操作的记录或参考资料的简单堆积。祝大家成功！