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    陶瓷燒成的原理簡(jiǎn)述

    陶瓷燒成的原理簡(jiǎn)述

    編輯:轉自:無(wú)機非金屬材料科學(xué)網(wǎng)絡(luò ) 發(fā)布時(shí)間:2023-10-13
    所有的陶瓷制品都是經(jīng)過(guò)不同的原料組合成型煅燒而成的,而燒成的目的是利用高溫的作用,讓陶瓷無(wú)料發(fā)生根本的物理性和化學(xué)性變化,從而達到滿(mǎn)足使用價(jià)值。

    然而,要使成品在煅燒過(guò)程中合乎質(zhì)量要求,并不是只要有先進(jìn)的設備即可。當然先進(jìn)的設備其操控較簡(jiǎn)單,且溫度較穩定,故障較少,這是不可否認的事實(shí)。但必須要有良好地原料配方和制程控制,才會(huì )相得益彰,進(jìn)而達到質(zhì)量要求。
    陶瓷燒成基本原理
    陶瓷材料在燒成過(guò)程中會(huì )發(fā)生一系列復雜的物理和化學(xué)變化,這些變化決定了陶瓷材料的最終性能和顯微結構。
    1、材料相變

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    陶瓷材料在燒成過(guò)程中會(huì )發(fā)生液相、固相和氣相之間的相互轉化。在較低溫度下,陶瓷原料以固態(tài)形式存在,隨著(zhù)溫度的升高,達到一定熔點(diǎn)后,會(huì )轉變?yōu)橐合?。當溫度繼續升高,液相會(huì )逐漸減少,固相會(huì )增加,直到完全轉變?yōu)楣滔?。同時(shí),在燒成過(guò)程中,材料內部的氣相也會(huì )不斷減少。
    相變的發(fā)生對顯微結構產(chǎn)生顯著(zhù)影響。液相的出現會(huì )導致材料內部產(chǎn)生流動(dòng),促進(jìn)晶粒的移動(dòng)和重新排列,使材料的密度和氣孔率發(fā)生變化。固相的增加會(huì )促使材料內部形成更多的晶界和位錯,對材料的力學(xué)性能和熱學(xué)性能產(chǎn)生影響。
    2、熱傳遞

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    陶瓷材料在燒成過(guò)程中,熱量主要通過(guò)傳導、對流和輻射三種方式傳遞。傳導是指材料內部熱量的傳遞,主要依賴(lài)于材料內部的晶格振動(dòng)和自由電子的運動(dòng);對流是指氣體或液體中熱量的傳遞,依賴(lài)于流體中微小質(zhì)點(diǎn)的運動(dòng);輻射是指熱量通過(guò)電磁波的形式傳遞,主要發(fā)生在高溫環(huán)境下。
    熱傳遞的方式和途徑對材料的顯微結構和性能有重要影響。在燒成過(guò)程中,熱量會(huì )不均勻地傳遞到材料內部,導致材料不同部位出現溫度差異,進(jìn)而影響材料內部的相變和化學(xué)反應。因此,控制熱傳遞的過(guò)程是實(shí)現陶瓷材料均勻燒成的重要手段。
    3、化學(xué)反應
    陶瓷材料在燒成過(guò)程中會(huì )發(fā)生多種化學(xué)反應,包括氧化、還原、分解和合成等反應。這些反應的發(fā)生主要與材料表面的化學(xué)成分和燒成環(huán)境中的氣體介質(zhì)有關(guān)。
    氧化反應是指材料與氧氣發(fā)生反應,導致材料表面形成一層氧化物。這對材料的表面性質(zhì)和顯微結構產(chǎn)生較大影響,同時(shí)也可能影響材料的熱學(xué)和電學(xué)性能。還原反應是指材料在高溫下與還原劑反應,將氧化物還原為金屬或非金屬單質(zhì)。分解反應是指材料在高溫下分解為兩個(gè)或多個(gè)組成部分,通常用于制備特定組分的陶瓷材料。合成反應是指將兩種或多種原材料在高溫下合成為一種新的物質(zhì),通常用于制備復合陶瓷材料。
    化學(xué)反應對顯微結構的影響主要表現在成分、結構和相變等方面?;瘜W(xué)反應會(huì )改變材料內部的元素組成和比例,影響材料的物理和化學(xué)性質(zhì)。同時(shí),化學(xué)反應也會(huì )改變材料的相組成和顯微結構,影響材料的力學(xué)性能和熱學(xué)性能。
    4、顯微結構變化

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    陶瓷材料在燒成過(guò)程中會(huì )發(fā)生一系列顯微結構變化,包括晶粒長(cháng)大、多相混合、燒結等。這些變化對材料的物理性能和應用具有重要影響。
    晶粒長(cháng)大是指燒成過(guò)程中晶體顆粒尺寸逐漸增大的過(guò)程。在燒成初期,陶瓷材料內部的晶粒較小,隨著(zhù)溫度的升高和保溫時(shí)間的延長(cháng),晶粒會(huì )逐漸長(cháng)大,形成粗大的晶粒。多相混合是指燒成過(guò)程中不同相之間的相互混合和分布。在陶瓷材料中,通常存在多種不同的相,如晶體、玻璃相和氣相。在燒成過(guò)程中,這些相會(huì )相互混合,形成不同的顯微結構。燒結是指陶瓷材料在高溫下形成的致密化過(guò)程。在燒結過(guò)程中,陶瓷材料內部的孔隙和氣相逐漸減少,晶粒之間形成聯(lián)結,使材料形成高度致密的顯微結構。
    顯微結構的變化對材料的物理性能產(chǎn)生顯著(zhù)影響。例如,晶粒的長(cháng)大可以提高材料的強度和硬度,但同時(shí)也會(huì )降低材料的韌性。多相混合可以增加材料的復雜性和穩定性,但也可能導致材料出現裂紋或損傷。燒結可以提高材料的致密度和強度,但同時(shí)也可能增加材料的脆性。因此,控制顯微結構的變化是制備高性能陶瓷材料的關(guān)鍵。
    5、物理性能變化
    陶瓷材料在燒成過(guò)程中會(huì )發(fā)生物理性能的變化,包括密度、硬度、熱脹縮系數等。這些變化不僅影響材料的加工和應用性能,也影響材料的穩定性和可靠性。
    密度是陶瓷材料的重要物理性能之一。在燒成過(guò)程中,材料的密度會(huì )發(fā)生變化,主要是由于相變、晶粒長(cháng)大和燒結等因素導致。密度的變化會(huì )影響材料的機械性能和熱學(xué)性能。硬度是表征材料難易程度被其他物質(zhì)刻劃或壓入表面的能力。在燒成過(guò)程中,硬度的變化可能與顯微結構的變化密切相關(guān),如晶粒長(cháng)大、多相混合和燒結等。熱脹縮系數是指材料在溫度變化時(shí)尺寸發(fā)生變化的程度。
    陶瓷燒成的影響因素
    1. 材料性質(zhì)
    陶瓷材料可以根據不同的分類(lèi)標準分為多種類(lèi)型。按照制備工藝,陶瓷可以分為燒結陶瓷、熱壓陶瓷、等靜壓陶瓷等;按照材質(zhì),可以分為氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、金屬陶瓷等。不同類(lèi)型的陶瓷材料具有不同的性質(zhì)和特點(diǎn),因此在選擇使用時(shí)需要根據具體需求進(jìn)行選擇。
    制備陶瓷材料的方法主要包括以下步驟:原料的選取和加工、配比和混合、成型、干燥、燒成和后處理。在制備過(guò)程中,原料的種類(lèi)、配比、加工方式、成型方法、干燥條件以及燒成工藝等因素都會(huì )影響陶瓷材料的性質(zhì)和性能。
    2. 熱化學(xué)反應
    陶瓷燒成過(guò)程中的熱化學(xué)反應主要包括脫水、氧化、還原、晶型轉變等。這些反應的發(fā)生會(huì )伴隨著(zhù)質(zhì)量傳遞和熱量的吸收或釋放。脫水反應主要發(fā)生在較低溫度下,目的是去除材料中的水分;氧化和還原反應主要發(fā)生在燒成的高溫階段,可以調整材料內部的化學(xué)成分,得到所需的物理和化學(xué)性能;晶型轉變是指在一定溫度下,材料的晶體結構發(fā)生改變,從而引起材料性質(zhì)的改變。
    影響陶瓷燒成熱化學(xué)反應的因素主要包括溫度、氣氛和時(shí)間。溫度是陶瓷燒成過(guò)程中的重要參數之一,它直接影響到反應速率和反應程度;氣氛條件也會(huì )對反應過(guò)程產(chǎn)生重要影響,例如氧化氣氛可以促進(jìn)材料的氧化反應,而還原氣氛則可以抑制氧化反應;時(shí)間則與反應程度密切相關(guān),反應時(shí)間的延長(cháng)可以提高反應程度,但過(guò)長(cháng)的時(shí)間反而會(huì )導致材料性能的下降。
    3. 氣氛影響
    氣氛是陶瓷燒成過(guò)程中的一個(gè)重要因素。不同的氣氛條件會(huì )對陶瓷的燒成產(chǎn)生不同的影響。
    常見(jiàn)的氣氛類(lèi)型包括氧化氣氛、還原氣氛和中性氣氛。氧化氣氛可以促進(jìn)陶瓷材料的氧化反應,提高材料的表面氧化程度,從而改善材料的物理和化學(xué)性能;還原氣氛則可以抑制陶瓷材料的氧化反應,保持材料內部的氧化物成分,從而得到所需的物理和化學(xué)性能;中性氣氛則既不促進(jìn)也不抑制陶瓷材料的氧化反應,因此適用于對氧化程度要求不高的陶瓷材料的燒成。
    氣氛的比例也會(huì )對陶瓷燒成產(chǎn)生影響。例如,氫氣和氮氣的比例會(huì )影響氮化硅陶瓷的燒成過(guò)程,氫氣比例的提高可以促進(jìn)氮化硅的分解和氮的擴散,從而提高氮化硅陶瓷的致密度和硬度。
    4. 溫度與時(shí)間
    溫度和時(shí)間是陶瓷燒成過(guò)程中的兩個(gè)重要參數。溫度會(huì )影響陶瓷材料的物理和化學(xué)性質(zhì),而時(shí)間則會(huì )影響陶瓷材料的燒成程度。
    在陶瓷燒成過(guò)程中,溫度的升高會(huì )促進(jìn)陶瓷材料的各種物理和化學(xué)反應。隨著(zhù)溫度的升高,陶瓷材料會(huì )發(fā)生脫水、晶型轉變、相變等反應,這些反應會(huì )改變陶瓷材料的結構、致密度、硬度等性質(zhì)。同時(shí),溫度的控制也需要考慮到陶瓷材料的實(shí)際應用需求,例如高溫度燒成的陶瓷材料具有更高的硬度和強度,但同時(shí)也可能導致材料脆性增加。
    時(shí)間也是陶瓷燒成過(guò)程中的一個(gè)重要因素。燒成時(shí)間過(guò)短會(huì )導致陶瓷材料燒成不足,而時(shí)間過(guò)長(cháng)則會(huì )導致陶瓷材料的燒失。因此,在選擇燒成時(shí)間時(shí),需要考慮到陶瓷材料的種類(lèi)、性質(zhì)以及所需的物理和化學(xué)性能。一般來(lái)說(shuō),通過(guò)控制燒成時(shí)間和溫度可以獲得最佳的陶瓷材料性能。
    5. 助燒劑作用
    在陶瓷燒成過(guò)程中,助燒劑的作用不容忽視。助燒劑是一種能夠在較低溫度下促進(jìn)陶瓷材料熔融和晶型轉變的添加劑。常見(jiàn)的助燒劑包括氧化物、氟化物和磷酸鹽等。
    助燒劑的作用原理主要是通過(guò)與陶瓷材料中的組分發(fā)生化學(xué)反應,從而促進(jìn)材料的熔融和晶型轉變。同時(shí),助燒劑還可以降低陶瓷材料的燒成溫度,減小材料內部的應力,提高材料的致密度和強度等。
    在選擇助燒劑時(shí),需要考慮其化學(xué)性質(zhì)與陶瓷材料的適應性。此外,助燒劑的用量也是一個(gè)關(guān)鍵因素。過(guò)多的助燒劑會(huì )導致陶瓷材料在燒成過(guò)程中產(chǎn)生氣泡等缺陷,而過(guò)少的助燒劑則無(wú)法達到預期的助燒效果。

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