【正文】 現(xiàn)代陶瓷工藝學 李智東 緒 論 普通陶瓷與先進陶瓷 （ 1）陶瓷定義 （ 2）陶瓷基本分類 （ 3）陶瓷的歷史發(fā)展 先進陶瓷工藝技術(shù)現(xiàn)狀 1. 先進陶瓷粉體制備與性能表征及設備 ? 粉體：大量固體粒子的集合系。 ? 粉體的表征： （ 1）粒子： 一次顆粒、顆粒單體、基本物性 （ 2）團聚體：粒子 +孔隙 顆粒間作用力 （ 3）粉體集合系： 流動性、變形性 粉體制備方法 ? 先進陶瓷粉體： 通常為 ~40微米粒徑范圍的物料體系。 ? 粉體制備方法： 機械粉碎法：（尺寸降低過程） 外力克服內(nèi)聚力實現(xiàn)表面積增大。 合成法：（構(gòu)筑過程 ） 離子、原子、分子經(jīng)反應、成核 —生長、收集、后處理等獲得微細粉體。 粉體的物理性能及其表征 粉體顆粒的表征 顆粒的概念 （ 1）顆粒 （一次顆粒、基本顆粒） 無堆積、絮聯(lián)等的最小單元。 分離的、低氣孔率、不可滲透的粒子單體 （ 2）團聚體 一次顆粒由于表面力或化學鍵合形成的顆粒。（自發(fā)團聚） 表面力 →軟團聚 化學鍵合 →硬團聚 自發(fā)團聚原因： ①分子間范德華力 ②顆粒間靜電引力 ③吸附水分的毛細管力 ④顆粒間磁引力 ⑤顆粒表面不平滑引起的機械糾纏力 ? （ 3）二次顆粒（假顆粒） 通過某種方式人為制造的粉體團聚粒子。 ? （ 4）膠粒 尺寸小于 100納米的膠體顆粒。 顆粒的尺寸 ? 粒徑： 單個顆粒的直徑 ? 粒度： 顆粒群的平均大小（平均粒徑） 粒徑的定義與表示方式 （ 1）相當徑（球相當徑、球當量徑） 等體積徑 DV、等表面積徑 Ds （ 2）自由下降徑 Df （ 3） Stoke’s徑（等沉降速度相當徑） Dst 有效徑 流體運動方式： 層流、過渡流、湍流（紊流） 流體阻力： 其中： A 迎流面積， ρ流體密度， u顆粒對流體相對速度。 C 阻力系數(shù)。 C = f（ Re）。 雷諾數(shù)： 22uACR d ???? ?粘度流體密度相對速度粒徑 ????????uDRe 球體顆粒在液體中沉降時雷諾數(shù)與阻力系數(shù)實驗關(guān)系曲線 Stoke’s假設： 當速度達極值時，在無限大范圍內(nèi)，粘性流體中沉降的球體顆粒的阻力完全有流體粘滯力決定。 層流沉降速度公式： 當 Re 適用。 218)( DgV fs ?????? （ 4）顯微鏡測粒徑 光學、 SEM、 TEM ①馬丁徑 DM（ Martin） ②費萊特徑 DF（ Ferret） ③投影面積徑 Du ④周長徑 De 顆粒分布 ? 顆粒分布： 用于表征多分散體系中顆粒大小組成狀況。 單分散體系：粒度一致或近似一致。 多分散體系：粒度有一定分布范圍。 ? 表達方式： 粒度分布：累積分布曲線、頻度分布曲線 平均粒徑：常用的六種平均徑 標準偏差：反映分布對平均徑的分散度（二次距的平方根） 分布寬度： SPAN=(d90d50)/d10 偏度：偏離正態(tài)分布的程度。（三次距） 累積分布曲線 頻率（度）分布曲線 備注：累積分布為頻率（度）分布的積分形式。 百分率可按質(zhì)量、個數(shù)、體積等為基準。 D1 個數(shù)平均徑 D2 長度平均徑 D3 表面積平均徑 D4 體積平均徑 Ds 平均表面積徑 Dv 平均體積徑 ? 平均徑 D4 D3 D2 ≈ Dv Ds D1 ? Dm 最多數(shù)量徑，對應 頻率（度）分布曲線最高值。 （眾數(shù)徑、最可幾徑） ? D50 中位徑，對應累積 分布曲線 50%處。 ? G 偏度 正態(tài)分布： g=0，即： Dm= D50 =D平均 正偏： g0，即： DmD50 D平均 負偏： g0，即： D平均 D50 Dm 粉體粒度測定方法 測試方法 適用范圍 粒徑基準 測試結(jié)果 篩分法 40μm 幾何學 粒徑 質(zhì)量或個數(shù)分布 光學 顯微鏡 ~500μm 幾何學 粒徑 質(zhì)量或個數(shù)分布 TEM 1nm 幾何學 粒徑 質(zhì)量或個數(shù)分布 測試方法 適用范圍 粒徑基準 測試結(jié)果 X射線小角度散射法 幾 ~幾十 nm 當量徑 平均粒徑 粒度分布 XRD線寬法 1~100nm 當量徑 晶粒尺寸 激光散射法 微米 ~納米量級 當量徑 粒度分布 測試方法 適用范圍 粒徑基準 測試結(jié)果 重力沉降法 100nm~ 300μm 當量徑 粒度分布 離心沉降法 100nm~ 300μm 當量徑 粒度分布 壓汞法 20nm以上 當量徑 平均徑 氣孔分布 比表面積法 1~20μm 當量徑 粒度分布 平均粒徑 顆粒形貌、結(jié)構(gòu)分析 金相分析、 SEM、 TEM、 STM、 AFM 表征指標： 自然堆積密度 休止角（安息角） 三軸徑：長、短、厚 長短度（長徑比）、扁平度 球形度： vsvsvw DDDD ??????????2? 顆粒成分分析 ? （ 1）化學分析 ? （ 2）特征 X射線分析法 ? （ 3）原子光譜分析 ? （ 4）質(zhì)譜分析 粉體晶態(tài)分析 XRD、電子衍射法 ED 氮吸附法、壓汞法 坯體氣孔分布 粉體合成制備工藝 機械粉碎法：（尺寸降低過程） 外力克服內(nèi)聚力實現(xiàn)表面積增大。 合成法：（構(gòu)筑過程 ） 離子、原子、分子經(jīng)反應、成核 —生長、收集、后處理等獲得微細粉體。 機械研磨 氣流研磨機械制粉液體霧化 蒸發(fā)凝聚物理制粉氣相沉積 還原化合 電化學法化學制粉粉末的制備 機械粉碎加工粉體及設備 機械制粉方法的實質(zhì)就是利用動能來破壞材料的內(nèi)結(jié)合力 ， 使材料分裂產(chǎn)生新的界面 。 能夠提供動能的方法可以設計出許多種，例如有錘搗、研磨、輥軋、等，其中除研磨外，其他幾種粉碎方法主要是用于物料破碎及粗粉制備的。 機械粉碎加工粉體方法 物料顆粒受機械力作用而被粉碎時， 還會發(fā)生物質(zhì)結(jié)構(gòu)及表面物理化學性質(zhì)的變化 ， 這種因機械載荷作用導致顆粒晶體結(jié)構(gòu)和物理化學性質(zhì)的變化稱為機械力化學 。 研磨的理論基礎 ——機械力化學 粉碎作用力的作用形式 ? 顆粒結(jié)構(gòu)變化 ， 如表面結(jié)構(gòu)自發(fā)地重組 ， 形成非晶態(tài)結(jié)構(gòu)或重結(jié)晶 ? 顆粒表面物理化學性質(zhì)變化 ， 如表面電性 、 物理與化學吸附 、 溶解性 、 分散與團聚性質(zhì) ? 在局部受反復應力作用區(qū)域產(chǎn)生化學反應 ， 如由一種物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N物質(zhì) ， 釋放出氣體 、 外來離子進入晶體結(jié)構(gòu)中引起原物料中化學組成變化 。 球磨制粉包括四個基本要素： 球磨筒 磨球（球料比） 研磨物料 研磨介質(zhì) 球磨制粉 在球磨過程中，球磨筒將機械能傳遞到筒內(nèi)的球磨物料及介質(zhì)上，相互間產(chǎn)生正向沖擊力、側(cè)向擠壓力、摩擦力等，當這些復雜的外力作用到脆性粉末顆粒上時，細化過程實質(zhì)上就是大顆粒的不斷解理過程；如果粉末的塑性較強，則顆粒的細化過程較為復雜，存在著磨削、變形、加工硬化、斷裂和冷焊等行為，不論何種性質(zhì)的研磨物料，提高球磨效率的基本原則是一致的。 ： 提高磨球的動能 ： 提高磨球的有效碰撞幾率 球磨制粉的基本原則 滾筒式 行星式 振動式 攪動式 球磨制粉的基本方式 滾筒式球磨 轉(zhuǎn)速較低時 ， 球料混合體與筒壁做相對滑動運動并保持一定的斜度 。 隨轉(zhuǎn)速的增加 ， 球料混合體斜度增加， 抬升高度加大 ， 這時磨球并不脫離筒壁； 轉(zhuǎn)速達一臨界值 V臨 1時 ， 磨球開始拋落下來 ， 形成了球與筒及球與球間的碰撞； 轉(zhuǎn)速增加到某一值時 ， 磨球的離心力大于其重力 ，這時磨球 、 粉料與磨筒處于相對靜止狀態(tài) ， 此時研磨作用停止 ， 這個轉(zhuǎn)速被稱為臨界轉(zhuǎn)速 V臨 2。 )/(2 分轉(zhuǎn)臨界 DV ?D是磨筒的直徑 滾筒球磨的轉(zhuǎn)速應有一個限定條件 V臨 1 V 實際 V臨 2 限定條件實際上與 ―動能準則 ‖相悖，因此滾筒球磨的球磨效率是很有限的。 振動球磨 行星球磨 攪動球磨 橫臂均勻分布在不同高度上 ， 并互成一定角度 。 球磨過程中 ， 磨球與粉料一起呈螺旋方式上升 ， 到了上端后在中心攪拌棒周圍產(chǎn)生旋渦 ， 然后沿軸線下降 ， 如此循環(huán)往復 。只要轉(zhuǎn)速和裝球量合適 ， 在任何情況下磨筒底部都不會出現(xiàn)死角由于磨球的動能是由轉(zhuǎn)軸橫臂的攪動提供的 ， 研磨時不會存在象滾筒球磨那樣有臨界轉(zhuǎn)速的限制 ， 因此 ， 磨球的動能大大增加 。 同時還可以采用提高攪動轉(zhuǎn)速 。 減小磨球直徑的辦法來提高磨球的總撞擊幾率而不減小研磨球的總動能 ，這樣才符合了提高機械球磨效率的兩個基本準則 。 氣流研磨法 通過氣體傳輸粉料的一種研磨方法。與機械研磨法不同的是，氣流研磨不需要磨球及其它輔助研磨介質(zhì)。研磨腔內(nèi)是粉末與氣體的兩相混合物。根據(jù)粉料的化學性質(zhì)，可采用不同的氣源，如陶瓷粉多采用空氣，而金屬粉末則需要用惰性氣體或還原性氣體。由于不使用研磨球及研磨介質(zhì)，所以氣流研磨粉的化學純度一般比機械研磨法的要高。 ： 提高粉末顆粒的動能 ： 提高粉末顆粒的碰撞幾率 氣流研磨制粉的基本原則 由于粉末顆粒的運動是從流態(tài)氣體中獲得的，因此，提高顆粒的動能必須要提高載流氣體的速度。 兩種辦法來實現(xiàn) 提高氣體的入口壓力 氣體噴嘴的氣體動力學設計 通過這兩種辦法使噴嘴出口端的氣體流速達超音速 氣流研磨三種類型： 旋渦研磨 冷流沖擊 流態(tài)化床氣流磨 旋渦研磨 冷流沖擊 加速效應： 加速后的氣體可超過音速； 冷卻效應： 氣粉混合物的溫度能降到零度以下。 這兩點對于顆粒的粉碎十分有利，其一是顆粒的撞擊動能增大，其二是金屬顆粒的冷脆性提高。 夾帶有粉料的高壓氣流通過一個稱為拉瓦爾管型硬質(zhì)合金噴嘴噴向空間時，氣體壓力急劇下降，形成絕熱膨脹過程。這一過程會同時產(chǎn)生兩種效應 流態(tài)化床氣流磨 ?可獲得超細粉體 ， 并且粉末粒度均勻； ?由于氣體絕熱膨脹造成溫度下降 ， 所以可研磨低熔點物料； ?粉末不與研磨系統(tǒng)部件發(fā)生過度的磨損 ， 因此粉末雜質(zhì)含量少； ?針對不同的性質(zhì)的粉末 ， 可使用空氣 、 N Ar等惰性氣體 。 流態(tài)化床氣流磨的特點 ： 機械粉碎加工設備 粉碎 破碎 粉磨 粗碎 中碎 細碎 粗磨 超細磨 細磨 粒徑（ mm） 100