陶瓷的组成设计与配料计算

武汉理工大学材料学院第四章陶瓷的组成设计及配料计算1.陶瓷的结构与性能2.常见陶瓷的原料与组成3.坯料的配制4.配料计算武汉理工大学材料学院1.陶瓷的结构与性能陶瓷烧结体的显微组织结构结晶物质玻璃态物质气孔陶瓷的相组成武汉理工大学材料学院陶瓷材料的键性：主要是离子键与共价键，而且往往是两种键杂交在一起。陶瓷材料的实际强度为理论强度的1/10~l/100。陶瓷材料另一个强度特征是室温下具有脆性。在外加应力作用下会突然断裂；其抗冲击强度低，承受温度剧变能力差。武汉理工大学材料学院提高陶瓷性能的方法：提高材料的常温强度降低其总气孔率，且控制好气孔的大小、形状和分布。还要控制晶粒的大小、数量和形状。改善脆性降低脆性(即增韧)对提高强度有利。增韧方法：一般有表面补强、复合增韧和相变增韧。除强度和脆性外，陶瓷材料的高温力学性能、光学性能、介电、磁学性能都与材料的组成和结构密切相关。武汉理工大学材料学院2.常见陶瓷的原料与组成长石质瓷绢云母质瓷武汉理工大学材料学院骨灰瓷武汉理工大学材料学院滑石质瓷武汉理工大学材料学院马赛克武汉理工大学材料学院3、坯料组成的表示方法配料比（量）表示法矿物组成(又称示性矿物组成)表示化学组成表示实验公式(赛格式)表示分子式表示法武汉理工大学材料学院配料比（量）表示法这是最常见的方法，列出每种原料的重量百分比。如刚玉瓷的配方：工业氧化铝95.0％、苏州高岭土2.0％、海城滑石3.0％。卫生瓷乳浊釉的配方：长石33.2％、石英20.4％、苏州高岭土3.9％、广东锆英石13.4％、氧化锌4.7％、煅烧滑石9.4％、石灰石9.5％、碱石5.5％。具体反映原料的名称和数量，便于直接进行生产或试验。无法互相对照比较或直接引用。武汉理工大学材料学院矿物组成(又称示性矿物组成)表示法普通陶瓷生产中，常把天然原料中所含的同类矿物含量合并在一起，用粘土矿物、长石类矿物及石英三种矿物的重量百分比表示坯体的组成。依据：同类型的矿物在坯料中的主要作用基本上是相同。这种方法只能粗略地反映一些情况。武汉理工大学材料学院化学组成表示法根据化学分析的结果，用各种氧化物及灼减量的重量百分比反映坯和釉料的成分。利用这些数据可以初步判断坯、釉的一些基本性质。再用原料的化学组成可以计算出符合既定组成的配方。由于原料和产品中这些氧化物不是单独和孤立存在的，它们之间的关系和反应情况又比较复杂，因此这种方法也有其局限性。武汉理工大学材料学院实验公式(赛格式)表示法以配方中各氧化物的摩尔数来表示，即根据坯或釉的化学组成计算出各氧化物的分子数，按照碱性氧化物、中性氧化物和酸性氧化物的顺序排列。这种式子称为坯式或釉式。坯式通常以中性氧化物R2O3为基准，令其分子数为1，则可写成下列形式：（x·R2O+y·RO）1·R2O3·z·SiO2在釉料中碱金属及碱土金属氧化物起熔剂作用，所以釉式中常以它们的分子数之和为1，写成的釉式为：1·（R2O+RO）u·R2O3·v·SiO2武汉理工大学材料学院电子工业用的陶瓷常用分子式表示其组成。配方中以各元素分子数量或分子百分数来表示。例如最简单的锆—钛—铅固溶体的分子式为：Pb（ZrxTi1-x）O3它表示PbTiO3中的Ti有x％分子被Zr取代。如：Pb0.920Mg0.040Sr0.025Ba0.015（Zr0.53Ti0.47）O3+0.500％重量CeO2+0.225％重量MnO2上式表示：Pb（Zr0.53Ti0.47）O3中的Pb有4％分子被Mg取代，2.5％分子被Sr取代，1.5%分子被Ba取代；在PbTiO3中的Ti有53％分子被Zr取代，或者说PbTiO3中的Zr有47％被Ti取代。外加的CeO2和MoO2为改性物质。分子式表示法武汉理工大学材料学院4、配料计算几种不同表示方法的换算:a、由坯料的化学组成计算坯式b、由坯式(或分子式)计算配料量c、由化学组成计算配料量武汉理工大学材料学院知道坯料的化学组成，可按下列步骤计算：a、由坯料的化学组成计算坯式（釉式）若坯料中的化学组成包含有灼减量成分，首先应将其换算成不含灼减量的化学组成；以各氧化物的摩尔质量，分别除各该项氧化物的质量百分数，得到各氧化物的摩尔数；以碱性氧化物或中性氧化物摩尔数之和，分别除各氧化物的摩尔数，即得到一套以碱性氧化物或中性氧化物的摩尔数值按RO·R2O3·RO2的顺序排列的实验式。武汉理工大学材料学院[例]某瓷坯的化学组成如表2-18所示，试求该瓷坯的实验式。表2-18某瓷坯的化学组成O67.0926.330.861.220.342.172.00100Al2O3摩尔数：26.33/101.96=0.2582；Fe2O3摩尔数：0.86/159.7=0.00540.2582+0.0054=0.26360.2582/0.2636=0.97950.0054/0.2636=0.0205SiO2摩尔数：67.09/60.09=1.11651.1165/0.2636=4.236同理获得其他氧化物前的摩尔数。经上述计算步骤可得该瓷坯实验式为：武汉理工大学材料学院b、由坯式(或分子式)计算配方例：今欲配制压电陶瓷的分子式为：Pb0.95Sr0.05(Zr0.5Ti0.5)O3十0.5％Cr2O3十0.3％Fe2O3所采用原料与纯度见下表，欲配料1kg（不包含外加改性剂），试计算各原料的配比。武汉理工大学材料学院解：(1)先计算坯式的分子量将坯式改写为：（PbO）0.95（SrO）0.05（ZrO2）0.5（TiO2）0.51摩尔坯料的质量，即1摩尔Pb0.95Sr0.05(Zr0.5Ti0.5)O3的质量为318.79g武汉理工大学材料学院(2)计算各主要原料所需的质量(％)PbO：212.05／318.79＝66.52％SrO：5.18／318.79＝1.62％ZrO2：61.61／318．79＝19．33％TiO2：39.95／318.79＝12.53％把PbO、SrO数量折算为Pb3O4及SrCO3的数量：由Pb3O4分解生成PbO的百分比为：3PbO/Pb3O4=3×223.21/685.63×100=97.67(%)即需要Pb3O4：66.52/97.64×100=68.11(%)武汉理工大学材料学院由SrCO3分解生成SrO的百分比为：SrO/SrCO3=103.62/147.63×100=70.18(%)即需要SrCO3：1.62/70.18×100=2.3(%)计算外加剂铅及改性剂的质量(％)在坯料烧结过程中氧化铅会挥发一部分，为弥补这个损失，配料时通常多加一些氧化铅，其质量约占总质量的0.5％~1.5％。这里确定多加入Pb3O41.5％。外加改性剂的质量百分数在分子式中给出为：0.5％Cr2O3，0.3％Fe2O3。武汉理工大学材料学院按原料纯度计算原料用量，见下表武汉理工大学材料学院c、由化学组成计算配料量例：某厂的耐热瓷坯料及原料的化学组成如下表，试计算此耐热瓷坯的配料量。武汉理工大学材料学院解：I.将原料干燥基化学组成换算成灼烧基(不含灼减量)的化学组成。如所给定的坯料组成中有灼减量，也须同样换算成不含灼减量的各氧化物的百分组成。上述原料经换算后的灼烧基化学组成如下表(K2O、Na2O以合量计)。武汉理工大学材料学院II.列表用化学成分满足法进行配料计算，其坯料中膨润土用量规定不超过5％，兹定为4％。计算过程见下表：武汉理工大学材料学院III.计算原料干燥基的百分含量在计算粘土用量时所带入的MgO及K2O、Na2O，如含量很少，可以不予考虑。