1、 陶陶 瓷瓷 基基 础础 知知 识识 主主 要要 内内 容容第一讲第一讲 陶瓷的概念陶瓷的概念第二讲第二讲 陶瓷的组织结构与性能陶瓷的组织结构与性能第三讲第三讲 陶瓷的生产工艺原理陶瓷的生产工艺原理第四讲第四讲 陶瓷的加工技术陶瓷的加工技术第五讲第五讲 石英及石英玻璃的简介石英及石英玻璃的简介第一讲第一讲 陶瓷的概念陶瓷的概念 随着科学的进步，无机非金属材料研究取得了很大的发展，新技术、新材料正日益改变着人们的生活。70年代人们把材料与能源、信息称为现代技术的三大支柱。我们都知道，陶瓷是一种材料（用来制造器件、构件和其它可供使用物质的总称），是人类生活和现代化建设中不可缺少的一种材料。陶瓷、金
2、属、高分子材料则是当代固体材料中的三大支柱。由此可见，陶瓷在现代技术中 占有非常重要的地位。今天，我在 这里与大家一起来探讨陶瓷，其意义是深远的。一、研究陶瓷的目的。一、研究陶瓷的目的。1、了解和掌握现有陶瓷的性能状况及制作工艺过程；2、发掘陶瓷新的性能或改善其性能；3、研究制品的最佳制作工艺与烧后制品的冷加工技术；二、陶瓷与工程材料体系二、陶瓷与工程材料体系工程材料工程材料金属材料金属材料高分子材料高分子材料非金属材料非金属材料按性能与用途分按性能与用途分复合材料复合材料陶瓷材料陶瓷材料特特殊殊陶陶瓷瓷金金属属陶陶瓷瓷普普通通陶陶瓷瓷涂涂料料橡橡胶胶纤纤维维胶胶粘粘剂剂塑塑料料黑黑色色金金属
3、属有有色色金金属属三、陶瓷的定义：三、陶瓷的定义：2、广义：由于近代无机非金属材料的发展，陶瓷的概念不仅包括了硅酸盐材料、氧化物，连单晶硅这种无机材料也属于这个范畴。其定义为“经高温处理工艺所合成的无机非金属材料”。实际上是各种无机非金属材料的通称。1、狭义：“用火烧结的制品”，在传统上是指陶器与瓷器。后来发展到泛指整个硅酸盐材料，包括陶器、瓷器、耐火材料、粘土制品、搪瓷、玻璃和水泥等材料。其共性是含有SiO2的化合物或氧化物成分。四、陶瓷的分类：四、陶瓷的分类：陶瓷材料一般可分为普通陶瓷、特殊陶瓷与金属陶瓷三类 1、普通陶瓷：以天然硅酸盐矿物（粘土、长石、石英）经粉碎、压制成型、烧结而成的制
4、品，如日用陶瓷、建筑陶瓷、电绝缘陶瓷等。2、特殊陶瓷：采用高纯度的人工合成材料烧结而成，具有特殊力学、物理、化学性能的陶瓷。如高温陶瓷、磁性陶瓷、压电陶瓷等。3、金属陶瓷：用粉末冶金的方法制成，是金属与陶瓷组成的非均匀复合材料制品。如金属陶瓷硬质合金等。思考题：思考题：有机玻璃是不是属陶瓷材料的范畴？为什么？有机玻璃是不是属陶瓷材料的范畴？为什么？有机玻璃是一种通俗的名称，这种高有机玻璃是一种通俗的名称，这种高分子透明材料的化学名称叫聚甲基丙分子透明材料的化学名称叫聚甲基丙烯酸甲酯，是由甲基丙烯酸甲酯聚合烯酸甲酯，是由甲基丙烯酸甲酯聚合而成的。属于高分子材料中的塑料而成的。属于高分子材料中的塑
5、料。第二讲第二讲 陶瓷的组织结构与性能陶瓷的组织结构与性能 陶瓷是高温烧结形成的致密固体物质，组织结构比金属要复杂，尽管不同类别的陶瓷有着不同的显微结构，但可归纳为晶体相（晶相）、玻璃相和气相。各相的数量、形状、分布不同，陶瓷的性能也不同。一、陶瓷的组织结构。一、陶瓷的组织结构。1、晶体相晶体相：它是陶瓷的主要组成相，决定陶瓷的主要性能。组成陶瓷晶体相的晶体通常有硅酸盐、氧化物和非氧化物（氮化物）。其结合键是离子键或共价键。构成的陶瓷的“骨架”。只有晶料越小，晶界越多，裂纹扩散阻力越大，晶粒越细，其材料的韧性等性能就越好。2、玻璃相玻璃相：它是陶瓷烧结时各组分通过物理化学作用而形成的非晶态物质
6、。熔点较低，结构疏松。它的主要作用是粘接分散的晶体，抑制晶粒的长大并填充气孔。还可以获得一定程度的玻璃特性，如透光性。玻璃相对陶瓷的机械强度、介电性能、耐热耐火等性能是不利的，不能成为陶瓷的主要组成，工业陶瓷中一般控制20%-40%。二、陶瓷的性能。二、陶瓷的性能。3、气气 相相：它是陶瓷孔隙中的气体。在陶瓷的形成过程中除被玻璃相填充之外，还有少部分残留下来变成气孔。降低陶瓷的强度和抗电击穿能力，材料的脆性增大。因此应力求气孔越少越好。普通陶瓷气孔率在5%-10%，特种陶瓷小于5%，金属陶瓷则要求低于0.5%。1、力学性能：弹性模量比金属高，硬度高，抗压强度高，但脆性大，抗拉强度低，塑性和韧性
7、也很小。陶瓷的性能是受化学键（离子键或共价键）、晶体结构、相分布及各种缺陷等影响。以下讲述其共性：A、硬度、硬度:是各类材料中最高的，是陶瓷的最大特佂是陶瓷的最大特佂几种常用材料的硬度和弹性模量见表1B、刚度、刚度:是各类材料中最高的(刚性由弹性模量来衡量)比金属高数倍比金属高数倍材 料弹性模量E/MPa硬度HV橡 胶6.9很低塑 料138017镁合金4130030-40铝合金72300170钢207000300-800氧化铝4000001500碳化钛3900003000金刚石11710006000-10000表表1 几种常用材料的硬度和弹性模量几种常用材料的硬度和弹性模量陶瓷的硬度为1000
8、-5000HVC、强度、强度:陶瓷的强度不高，因为其晶界上存在有晶粒间的局部分离或空隙，如空位、气孔、析出物，晶界上原子间键被拉长，键强度被削弱，同时相同的电荷离子的靠近产生斥力，可能造成裂纹，所以，消除晶界上不良作用，是提高陶瓷强度的基本途径。陶瓷的抗拉强度很低，抗弯强度较高，抗压强度非常高陶瓷的抗拉强度很低，抗弯强度较高，抗压强度非常高D、塑性、塑性:陶瓷在室温下几乎没有塑性。在高温低速加载的条件下，可表现出一定的塑性。E、脆性或韧性、脆性或韧性:陶瓷脆性极高。是其最大的缺点。原因是陶瓷在受载时其内部的裂纹扩展得快，导致断裂的根本。2、热性能：陶瓷的熔点很高；绝大多数陶瓷低温下热容小，高温
9、下热容大(随温度的变化而变，原因是气相对热容有较大影响）；热膨胀系数和导热系数较小（靠原子的热振动，没有自由电子传热）；热稳定性好，便抗热振性较差，（用急冷到水中破裂所能承受的最高温度表示）。3、电性能：一般是优良绝缘体，个别特殊陶瓷具有导电性与导磁性。4、化学性能：非常稳定，耐酸、碱、盐等的腐蚀，不老化，不氧化。思考题：思考题：为什么陶瓷材料能够耐高温呢？为什么陶瓷材料能够耐高温呢？不论何种材料，其性质主要取决于材料的微观结构，有不论何种材料，其性质主要取决于材料的微观结构，有机材料大多是分子结合，质点间是靠比较弱的分子力机材料大多是分子结合，质点间是靠比较弱的分子力（范德华力）联系起来，因
10、此熔点低（范德华力）联系起来，因此熔点低，硬度小，往往几，硬度小，往往几百度就熔化了，金属材料的结合主要靠金属键，即由自百度就熔化了，金属材料的结合主要靠金属键，即由自由电子和构成晶格的正离子之间的静电引力结合起来，由电子和构成晶格的正离子之间的静电引力结合起来，这种键的结合力比分子键强，但比共价健弱，除少数金这种键的结合力比分子键强，但比共价健弱，除少数金属外，大多金属的熔点和硬度并不算高，作为无机非金属外，大多金属的熔点和硬度并不算高，作为无机非金属材料的陶瓷主要是离子结合和共价结合，结合力最强，属材料的陶瓷主要是离子结合和共价结合，结合力最强，所以它具有高的熔点与硬度，由于正负离子的外层
11、电子所以它具有高的熔点与硬度，由于正负离子的外层电子处于稳定结构，电子被牢固地束缚在离子外围不能自由处于稳定结构，电子被牢固地束缚在离子外围不能自由运动，所以有很好的电绝缘性，化学稳定性和抗氧化性，运动，所以有很好的电绝缘性，化学稳定性和抗氧化性，这就是陶瓷材料能够耐高温的根本原因。这就是陶瓷材料能够耐高温的根本原因。第三讲第三讲 陶瓷的生产工艺原理陶瓷的生产工艺原理一、原料（粉末）配制一、原料（粉末）配制 在原料配制上，普通陶瓷的主要以粘土、长石、石英三种天然矿物为主要原料，改变组成的配比，细度和致密度，可以获得不同特性的陶瓷。特殊陶瓷则是以人工合成的无机化合物为原料，如氧化物、碳化物、硼化
12、物等，要求高纯度和超细微粒度。因此在原料（粉末）的制备方法是有区别的。一般来说就是拣选、破碎、配料、混合、磨细等。由于特殊陶瓷的对原料的粒度要求很细，在制备粉末的方法有固相法、气相法、液相法、机械法、溶剂蒸发法等。总的来说生产工艺流程：总的来说生产工艺流程：原料配制原料配制坯料成型坯料成型制品烧结制品烧结二、坯料的成型二、坯料的成型 按照不同的制备过程，坯料可以是可塑泥料、粉料或浆料，以适应不同的成型方法。成型的目的是将坯料加工成一定形状和尺寸的半成品，使坯料具有必要的机械强度和一定的致密度。成型的方法主要有三种，即：可塑成型法、注浆成型法、压制（模压）成型法。另外还有带式成型法。在这里主要介
13、绍前三种方法：注浆成型适用于制造大型的、形状复杂的、薄壁的产品。有两种形式：一种是石膏模注浆成型，另一种是热压铸成型。1、注浆成型法、注浆成型法A、石膏模注浆成型：石膏模中进行注浆的成型方法（分实心与空心）对浆料性能的要求：流动性要好，以便充满模型；稳定性要好，长期稳定不易沉淀与分层；触变性要小，脱模后坯料不会受外力变软；含 水量尽可能小，减少成型时间与干燥收缩；渗透性要好，料浆中的水分容易通过形成坯层，被模壁吸收，使泥层不断加厚；脱模性要好，坯体容 易从模型上脱离，且不与模型发生反应；浆料应尽可能不含气泡。浆料的性能要求：稳定性要好，在长时间加热而不搅拌的条件下不分层与沉淀；可铸性要好，浆料
14、铸满模腔并保持要求形状的能力；收缩率要小，蜡浆由熔化的液体状态冷却凝固成固态时，会有体积收缩。高温排蜡：坯体在烧成之前，先要经排蜡处理，否则由于石蜡在高温熔化、流失、挥发、燃烧，坯体将失去粘结而解体。特点：制品质量差，产量低，生产周期长，不利于机械化。B、热压铸成型：利用压缩空气使加热熔化的含蜡配料（铸浆）充满模具，冷却后凝固成所要形状坯件的成型方法。热压铸的工作原理：将配制成的料浆蜡板放置在热压铸机筒内，加热至一定的温度熔化，在压缩空气的驱动下（或手动），将筒内的料浆通过吸铸口压入模腔，根据产品的形状和大小保持一定的时间后，去掉压力，料浆在模腔中冷却成型，然后脱模，取出坯体，有的还可进行加工
15、处理，或车削，或打孔等。排蜡过程：将坯体埋入疏松、惰性的保护粉料（吸附剂，在高温下稳定，又不易于坯体粘结，工业Al2O3粉料）之中，在升温过程中，石蜡虽然会会熔化、扩散，但有吸附剂支持着坯体，当温度继续升高，石蜡挥发，燃烧完全，坯体中粉料之间会有一定的烧结出现，此时，坯体与吸附剂之间既不发生反应，又不和生粘结，而且坯体具有一定的强度，排蜡温度为900-1100左右，视坯体性质而定，排蜡后的坯体要清理表面的吸附剂，然后再进行烧结。热压铸成型的特点：适合形状复杂，精度要求高的中小型产品，但工期长，对于壁薄的大而长的制品，不易充满模腔。可塑成型法是利用泥料具有可塑性的特点，经一定工艺处理浆料制成一定
16、形状的制品。适合生产管、棒和薄片状的制品，所有的结合剂要比注浆成型的少。有挤压成型与轧模成型。A、挤压成型：是将经真空练制的泥料，放入挤制机内，一头可以对泥料施加压力，另一头装有机嘴即成型模具，通过更换机嘴，能挤出各种形状的坯体。可以挤制1-30mm管、棒等细管，壁厚可小至0.2mm。挤压法成型对泥料的要求较高，主要是粉料的细度较细，对溶剂、增塑剂、粘结剂等用量适当而均匀。2、可塑成型法、可塑成型法B、轧模成型：是将准备好的坯料，拌以一定量的有机粘结剂（一般聚乙烯醇），置于两辊轴之间进行辊轧，通过调节轧辊间距，经过多次轧辊，最后达到所要求的厚度，轧好的坯片，需经冲切加工制成所需的坯件。轧辊成型
17、时，坯料只在厚度和前进方向受到碾压，在宽度方向受力较小，因此，坯料和粘结剂不可避免地会出现定向排列，干燥与烧结时，横向收缩大，易出现变形与开裂，坯体性以上也会出现各向异性。这是此成型法无法消除的问题，制品厚度为0.08mm。模压成型法，也叫干压成型法。是将经造粒的配料，通过成型机和模具，把配料压制成具有一定几何尺寸坯件的方法。其特点是粘结剂含量较低，只有百分之几（7%），不经干燥直接烧结，坯体的收缩小。有干压成型与等静压成型两种。A、干压成型：是将粉料加少量结合剂制成颗粒，在外力作用下，颗粒在模具内相互靠近，并借内摩擦牢固地把各颗粒联系起来，保持一定的形状。这种内摩擦力作用在相互靠近的颗粒外围
18、结合剂薄层上。适合压制高度为0.3-60mm，直径5-500mm形状简单的制品。加压方式:单面加压，双面加压，3、压制（模压）成型法、压制（模压）成型法保压时间，加压速度，应注意：B、等静压成型：是应用巴斯克原理，即在密闭容器内充满液体，由于液体不可压缩性和均匀传递压力的特点，当液体介质一处受压时，此力将传递到液体各点，且各点压强相等。利用液体介质不可压缩性和均匀传递压力性的一种成型方法。特点：可以成型一般方法不能生产的形状复杂、大件及细而长的制品，且成型质量高；可以不增加操作难度方便地提高 成型压力，压力效果比干压法要好；由于坯体各向受压力均匀，其密度高且均匀，烧成收缩小，不易变形；模具制作
19、方便，寿命长，成本较低；可以少用或不用结接剂。特点：坯体密度大，尺寸精确，收缩小，机械强度高，电性能好对大型 坯体生产有难度，需模具，压力分布不均会产生开裂，分层的情况。液体介质可以是水，油或甘油；弹性模具材料应选用弹性好，抗油性好的橡胶或类似的塑料。从上所述来看：先要根据所需制品的特征，来选择合适的成型方法，然后确定坯料采用何种形式配制。带式成型法可分流延法（刮片法）和薄片挤压法两种，在此不作详述。4、带式成型法、带式成型法5、小结：、小结：三、制品烧结三、制品烧结 陶瓷的烧结就是陶瓷生坯在高温下的致密化过程和现象的总称。随着温度的上升和时间的延长，固体颗粒相互键联，晶粒长大，空隙（气孔）和
20、晶界渐趋减少，通过物质的传递，其总体收缩，密度增加，最后成为坚硬的具有某种显微结构的多晶烧结体，这种过程现象叫烧结。烧结是使材料获得材料预期的显微结构，赋予材料各种性能的工序过程与现象。（1）、烧结现象：1、烧结定义、烧结定义研究陶瓷的烧结理论，我们先来看看烧结过程中的现象：2、陶瓷烧结理论、陶瓷烧结理论在陶瓷生坯中一般是含有百分之几十的气孔，颗粒之间只有点接触。如图所示：研究陶瓷的烧结理论，我们先来看看烧结过程中的现象：随着温度的升高，表面能减少的推动力下，物质通过不同的扩散途径向颗粒的颈部和气孔部位填充，使颈部渐渐长大，并逐步减少气孔所占的体积，细小的颗粒之间开始逐渐形成晶界，并不断扩大晶
21、界的面积，使坯体变得致密化。在这个相当长的过程中，连通的气孔不断缩小，两个颗粒之间晶界与相邻的晶界相遇，形成晶界网络。坯体的密度达到理论密度的90%以上，这是烧结的前期。晶界的移动，使得气孔缩小，致密化程度提高。到了烧结的后期，由于物质扩散路程加长，扩散速率减小，使气孔进一步缩小和排除变得几乎不可能继续进行，这时进一步的烧结，致密度很难有所提高，晶粒会不断的长大，晶粒数逐步减少。使其机械强度下降在烧结温度下通常列液相出现的称固相烧结，有液相出现的为液相烧结。陶瓷的烧结，可以分为固相烧结、液相烧结。(2)、烧结的动力：在烧结时既无外力又无化学反应，却能使点接触的颗粒紧密结成坚硬而强度很高的瓷体，
22、其驱动力是什么？粉体颗粒：是指在物质的本质结构不发生改变所情况下，分散或细化而得到的固态基本颗粒。是粉粒表面能。粉粒具有很大的比表面积，能将外界对粉粒作功部分作为表面能而贮存在粉体中。当系统条件发生改变时，粉体的能量处于不稳定状态，过剩的表面能成为烧结过程的动力。粉体之所以在性能上与块体物质有很大的差异，一个十分重要的原因就是二者的表面状态存在着很多不同，随着颗粒的不断细化，粉体表面问题将是成为颗粒学的首要问题。由于颗粒之间分布的浓度不同，会出现浓度大的地方向浓度小的地方作定向扩散。出现体扩散，表面扩散，晶界扩散等几种形式。液相物质具有粘性流动性质，在高温下固相物质具有塑性流动性质。由于颗粒之
23、间大小不同，表面曲率的差异，造成各部分蒸气气压不同，导致气压高地方向气压低的地方凝结。(3)、烧结过程中的物质传递：烧结过程除了有推动力外，还有物质的传递过程：归纳起来，有四种传质机理：蒸发与凝聚;扩散；粘滞流动与塑性流动；溶解和沉淀。粉粒的表面能：如把晶体破碎，破断面就成新的表面，这时，新的晶体表面上的原子所处的状态就与内部原子不一样，内部原子在周围原子的均等作用下处于能量平衡的状态；而表面原子则只是一侧受到原子内部原子的引力，另一侧则处于一种具有“过剩能量”的状态，这种“过剩能量”就称为表面能。同样，粉体表面的“过剩能量”就称为粉体颗粒的表面能。当物质被粉碎成细小颗粒时，就会出现大量的新表
24、面，并且这种新表面的量值随粒度变小而迅速增加，这时，处于表面的原子数量了生显著变化。可以这样说，当粒径变小时，颗粒其原子数与表面原子数的比例变化，决可以这样说，当粒径变小时，颗粒其原子数与表面原子数的比例变化，决定了物质的各种性质。定了物质的各种性质。Al2O3有许多同质晶体，主要有三种，即：、。属于尖晶石型结构，密度小，高温不稳定，由于松散，用来制造多孔特殊用途的材料。呈现离子型导电，属三方晶系，结构最紧密，活性低，电学性质最好，高温下最稳定。1300以上转变成稳定的-Al2O3。(1)类型及性能：氧化铝陶瓷是一种以-Al2O3为主晶的陶瓷材料，Al2O3含量一般在75-99.9%之间，通常
25、以配料中Al2O3的含量来分类。75%左右为“75瓷”，85%为“85瓷”，95%为“95瓷”，99%为“99瓷”。也称刚玉瓷。Al2O3陶瓷的硬度为9（莫氏），密度为3.97g/cm3 左右，机械强度约为150Mpa，熔点205010，导热系数25.2W/mk（20，99瓷），膨胀系数与金属差不多，具有良好的化学稳定性.四、几种常见的氧化物陶瓷介绍四、几种常见的氧化物陶瓷介绍1、氧化铝陶瓷、氧化铝陶瓷在高温下，出现足够量的液相，此时固相颗粒分散在液相中，颗粒会发生重新排列，得到一个更紧密的堆积。氧化镁陶瓷的主晶相为MgO，属立方晶系氯化钠型结构，莫式硬度为56，熔点280010，理论密度为3
26、.58 g/cm3，在高温下体积电阻高：35V/mm，介质损耗低（20、1MH2），（12）X10-4。在高于2300易挥发，因此一般限制在2200以下使用。具有良好的电绝缘性，属于若碱性物质，几乎不被碱性物质所侵蚀，可用作熔炼金属的坩埚、浇注金属的模子、高温热电偶的保护管，以及高温炉的炉衬材料等。2、氧化镁陶瓷、氧化镁陶瓷原料预烧：原料预烧：目的是目的是-Al2O3全部转变为全部转变为-Al2O3，排除原料中的，排除原料中的Na2O,预预烧温度为烧温度为1400-1550 烧结：烧结温度在烧结：烧结温度在1650-1750（根据产品的形状与大小），（根据产品的形状与大小），600 以下应缓慢
27、，在以下应缓慢，在1000-1500 尽量慢，在尽量慢，在1500 以上应快。以上应快。磨细：颗粒大于磨细：颗粒大于1um，小于，小于4um（2）Al2O3生产工艺：原料预烧原料预烧-磨细磨细-配方配方-加粘结剂加粘结剂-成型成型-素烧素烧-修坯修坯-烧结烧结-表面处理。表面处理。氧化锆陶瓷ZrO2的熔点：2715，在01500内热膨胀系数约为(88118)X10-6/，热导率162.03W/m。烧结后的稳定约含有5的气孔，密度为5.49 g/cm3，莫式硬度为7，其弹性模量比氧化铝小的多，约为1.7 X105MPa(氧化铝约为3.7105MPa)。ZrO2稳定耐火度高，比热与导热系数小，是理
28、想的高温隔热材料，可以用做高温炉内衬，也可作为各种耐热涂层，改善金属或低耐火度陶瓷的耐高温、抗腐蚀能力。3、氧化锆陶瓷、氧化锆陶瓷（2）MgO生产工艺：跟氧化铝的工艺差不多，MgO的一个特性是：在空气中极易水化，生成Mg(OH)2。原料预烧：预烧温度为原料预烧：预烧温度为1100-1300，防止水化。，防止水化。烧结：烧结温度在烧结：烧结温度在1750-1800（根据产品的形状与大小。（根据产品的形状与大小。各规格陶瓷件尺寸应符合下列规定：各规格陶瓷件尺寸应符合下列规定：弯曲度不可超过1mm/m；直径允许偏差范围为管径的4%；长度方向允许尺寸偏差1.5mm；椭圆度：同一横截面长短轴公差不得大于
29、外径的2%；已具备管状耐热陶瓷的生产能力：最大管径：直径190mm，长度：2.5m，使用温度可达1600；最小管径：直径1mm，长度：1.5m，使用温度可达1600；镀涂工艺：一般涂覆釉层处理，其起到的主要作用是绝缘、使材料表面光滑。釉层的熔融温度为1200，一般镀釉件使用温度为1000以下。附：唐山科硕特陶通用性技术标准附：唐山科硕特陶通用性技术标准思考题：不同的成型方法使用的粘结剂是一样的吗？思考题：不同的成型方法使用的粘结剂是一样的吗？第四讲第四讲 陶瓷的加工技术陶瓷的加工技术一、加工方法一、加工方法 陶瓷是有很多优良性能的新材料，但由于对其加工方法、加工效率与成本等方面的原因，限制了陶
30、瓷材料的推广应用。目前加工陶瓷最好的加工方法，仍然是传统的力学加工方法。使用金刚石砂轮磨削、珩磨、超精加工、滚压、研磨、抛光等加工方法。特种加工（电火花、电解、化学、等离子与激光等）中除电火花可对导电性陶瓷进行加工外，其它暂时还没有办法。二、加工过程与成本二、加工过程与成本 加工方法上陶瓷与金属没有本质上的差别，但在加工余量上两者相差却十分悬殊，在精加工上它比金属的加工要增加10-100倍，对进刀量很小的磨削来说，是成本增加的直接原因。使用的刀具是金刚石与CBN刀具。工具费用也比加工金属高10-100倍。第五讲第五讲 石英及石英玻璃的简介石英及石英玻璃的简介一、什么是石英？一、什么是石英？石英
31、是一种物理性质和化学性质均十分稳定的矿产资源，晶体属三方晶系的氧化物矿物，是一种坚硬、耐磨、化学性能稳定的硅酸盐矿物，其主要成分为SiO2，含有少量杂质成分如Al2O3、IMO，、CaO、MgO等等。石英特性：石英莫式硬度为7，比重约2.65，颜色呈乳白色、淡黄、褐色及灰色，石英有较高的耐火性能，不溶于酸，微溶于KOH溶液，熔点1750。可分低温石英（a-石英）与高温石英（b-石英）。石英块又名硅石，主要是生产石英砂(石英粉)的原料，也是石英耐火材料和烧制硅铁的原料，同时也是配制白釉的良好原料。二、石英砂（粉）概况二、石英砂（粉）概况 从矿山开采出的石英石经加工后，一般细度在120Mesh（目
32、）以内的产品称石英砂，超过120Mesh（目）的产品称为石英粉。石英砂（粉）的生产方式 有两种：干法和水法。1、干法生产石英砂（粉），主要设备有磕石机、粉碎机、振动筛等。其工艺流程为石英石矿料经过磕石机加工成较小石料，石料再经过粉碎机加工砂粒，然后经过振动筛筛分，在筛分过程中利用磁铁棒和排磁铁除铁，然后分装完毕入库。2、水法生产石英砂（粉），主要设备有磕石机、石碾、烤房、振动筛、水路系统等。流程大致如下：石英石矿料经过磕石机加工成较小石料，石料再经过石碾碾压成砂粒，碾压时不停的加水，水带着砂粒流入沉淀池内，再把沉淀池内的砂粒运入烤房烘烤成干砂粒，然后再经过振动筛筛分，在筛分过程中利用磁铁棒和排
33、磁铁除铁，然后分装完毕入库。水法生产的石英砂（粉）具备白度高，无杂质、铁量低等特点，故应用范围广泛。其表观呈现白色，亮晶晶，如同白砂糖一样。因加工过程费时费料，故价位较高。石英砂（粉）是重要的工业矿物原料，广泛用于玻璃、铸造、陶瓷及耐火材料、冶金、建筑、化工、塑料、橡胶、磨料等工业。三、石英玻璃概况三、石英玻璃概况 石英玻璃是玻璃态二氧化硅（SiO2）的总称。又称熔石英，人称“玻璃王”。由各种天然石英（水晶、脉石英）和硅化物（四氯化硅、硅烷）熔制而成。按原料和制备工艺不同分为透明石英玻璃和不透明石英玻璃。透明石英玻璃的SiO2含量为99.599.999，属于高纯材料，具有优良的透光性、耐蚀性和
34、耐热性，其软化温度为1650，热稳定性为1100，折射率（Nd）1.4585。常用的透明石英玻璃有：电熔石英玻璃。羟基含量5100万，金属杂质离子含量为20100万50100万，具有良好的红外透过性，但光学均匀性较差。用于红外光学和强光源领域。气炼石英玻璃。羟基含量为150100万300100万，金属杂质离子含量为20100万左右。主要用于制备半导体。人造石英玻璃。羟基含量为900100万1200100万，金属杂质离子含量5100万。由于其在1601000纳米波区的透过率90，并耐各科射线辐照，故多用于制作高均匀性光学部件、远紫外光学和耐射线辐照的航天光学部件。溶解在石英玻璃中的水称为羟基。羟
35、基是石英玻璃中的主要杂质，影响羟基含量的主要因数是原料，工艺和加工方法。随着羟基含量增加，石英玻璃的粘度，密度，折射率减小，红外吸收，膨胀系数增加。四、石英玻璃主要性能四、石英玻璃主要性能 石英玻璃是由二氧化硅单一组分组成的玻璃。这种玻璃硬度大可达莫氏七级，膨胀系数低，耐高温，化学稳定性、电绝缘性都比较好，除氢氟酸、热磷酸外，对一般酸有较好的耐酸性。透明的石英玻璃有良好的透紫外线性能和光学性能。用于制造光学仪器、电学设备、医疗设备和耐高温耐腐蚀的化学仪器。高纯石英玻璃可制光导纤维。石英玻璃是用天然结晶石英（水晶或纯的硅石），或合成硅烷经高温熔制而成。熔融后的产品具有极好的加工性能，在其高的粘度
36、范围内，可以将管和棒进行有如普通玻璃细工一样的热加工，还可以用金刚石或碳化硅制成的磨具进行高速机械加工，从而制成各种复杂形状的仪器和特种制品。一、纯度一、纯度纯度是石英玻璃的重要指标，对理化性能和使用性能影响甚大，如失透性、高温强度、软化点、光的传导、热稳定性、化学稳定性、耐辐射性、荧光特性等；失透（又叫析晶性）是石英玻璃的一个固有缺陷，从热力学观点看，石英玻璃的内能高于结晶态方石英，属热力学上不稳定的亚稳态，当温度高于1000时，SiO2 分子振动加速，经一段较长时间的重新排列、定向便形成结晶。失透性是以晶核成长速度来表示的，不透明石英玻璃在1520、透明石英玻璃在1620析晶速度分别达到最
37、大值。析晶主要出现在表面，其次是内部缺陷处，原因是这些地方容易沾污，引起杂质离子的局部集聚，特别是碱离子（如K、Na、Li、Ca、Mg等）进入网络后引起粘度降低，促使失透加速。二、失透性二、失透性 由于石英玻璃的热膨胀系数和比重同析晶产物-方石英相近，所以在高温下连续使用时，尽管析晶区不断扩大，但体积变化并不明显，仍可满意地继续使用，此时尚可减轻玻璃的塑性变形，使耐火度提高。当析晶产物冷却到800时，则出现细小的龟裂网络。继续冷却到200-275时，则出现方石英从高温型到低温型（即-方石英a-方石英）的结构变化，并伴随着发生体积聚变，如果析晶层很深，则石英玻璃亦随之破裂。由于析晶常常出现在有杂
38、质的地方，所以高温使用前的表面状态及周围耐火材料、气氛十分重要。在常温下，大多数的酸、金属、氯及溴与石英都不起反应，碱溶液若温度及浓度增加则略起反应。在温度超过150时磷酸会侵蚀石英。独氢氟酸可以随时侵蚀石英。石英玻璃属酸性材料，除氢氟酸和热磷酸外，对其它任何酸均表现为惰性，是最好的耐酸材料。在常温下碱和盐对石英玻璃的腐蚀程度也是极微的，因此不排除在这些试剂中使用石英玻璃。三、化学性能三、化学性能 透明石英玻璃比不透明石英玻璃具有更好的化学稳定性，这是因为后者由于气泡的存在暴露在腐蚀液中的表面积增加所致。四、离子扩散及透气性四、离子扩散及透气性 石英玻璃的结构十分松弛，甚至在高温下还允许某些气
39、体的离子通过网络进行扩散，其中以钠离子的扩散为最快。在常温下，可以认为石英玻璃是不透气的，在高温（例如700）下，某些气体的透气常数也很小。因此可以用在高温高真空装备中。石英玻璃具有很高的介电强度和极低的导电率，即是在高温、高压和高频下，仍能保持很高的介电强度和电阻，在所应用的频带内几乎没有介电损耗。其电阻值为0.7 x 10 ohm-cm(350)、比电阻为10 ohm/cm(20)、介电常数为3.75(20 1Mhz)、介电耗损小于0.0004(20,1Mhz)。因此石英玻璃是优良的高温介电绝缘材料。石英玻璃的光学性能有其独到之处，它既可以透过远紫外光谱，是所有透紫外材料最优者，又可透过可
40、见光和近红外光谱。一般石英在250mm2.5 m间有8592%的穿透率，折射系数为1.4586随波长而略变。五、电学性能五、电学性能 各种恶劣场合下工作具有高稳定度光学系统的必不可少的光学材料 六、光学性能六、光学性能 石英最显著的特性是热澎涨系数最小为5.5 x 10 mm/(20320之间)，只有普通玻璃的1/121/20，是铜的1/34，而耐热震的能力可将石英薄片加温至1500后浸入水中，而不会龟裂。石英玻璃的应变点约1120、退火点约1215，软化点约1680、熔点约在2200以上。石英玻璃加入适量钛元素后还可做成零膨胀系数的材料，在激光技术、天文和尖端技术中已得到应用。七、热学性能七
41、、热学性能-7918石英玻璃的机械性能比硬质玻璃和陶瓷都好，唯脆性较差，一般玻璃极为相似。影响强度的主要因素首先是玻璃的表面缺陷，特别是表面微裂纹的大小及深度影响最为明显，其次是内在缺陷，例如，气泡、杂质、熔化不均以及残余应力等。石英玻璃的剪切模量、杨氏模量、阻尼、泊松比、破坏模量一般均随着温度的升高而增加，硬度则随着温度的升高而降低。八、机械性能八、机械性能 透明石英玻璃的膨胀系数是温度的函数：0,t=1/L0(Lt-L0)/t式中：L0温度0时的长度 Lt温度t时的长度 t=摄氏温度 1.石英玻璃制品是贵重的材料，使用时必须轻拿轻放，十分小心；3.需高温使用的石英玻璃，使用前必须擦拭干净。
42、可以用10%的氢氟酸或洗液浸泡，然后用高纯水清洗或酒精处理。操作时应戴细线手套，不允许用手直接触及石英玻璃；五、应注意的方面五、应注意的方面 2.各种石英玻璃都有一个最高使用温度，使用时不应超过此温度，否则会析晶或软化变形；4.高温下允许连续使用石英玻璃制品，这对延长石英玻璃的寿命和提高耐温性能是有好处的。反之，高温下间歇使用石英玻璃制品，其使用次数是有限的；5.石英玻璃材质虽具有极高的热稳定性，可以经受剧烈的温差骤变。但实际使用时，由于残余应变和产品形状不同，热稳定性有一定的差别，使用时应加以注意；6.石英玻璃系酸性材料，高温使用时严格避免同碱性物质（如水玻璃、石棉、钾钠的化合物等）接触，否
43、则将大大降低其抗结晶性能。不妥之处，请多多指正！不妥之处，请多多指正！粘土：高岭土结构（Al2O32SiO22H2O）为基础的多水铝硅酸盐的 混合物。石英：瘠性原料，它是无水SiO2 或硅酸盐。长石：助熔剂原料，是碱金属或碱土金属的无水铝硅盐矿物。如：钾长石K2O Al2O36SiO2 、钠长石Na2O Al2O36SiO2名词解释名词解释 表面能：如把晶体破碎，破断面就成新的表面，这时，新的晶体表面上的原子所处的状态就与内部原子不一样，内部原子在周围原子的均等作用下处于能量平衡的状态；而表面原子则只是一侧受到原子内部原子的引力，另一侧则处于一种具有“过剩能量”的状态，这种“过剩能量”就称为表面能。同样，粉体表面的“过剩能量”就称为粉体颗粒的表面能。
