1、特种陶瓷材料及工艺特种陶瓷材料及工艺 材料科学与工程学院 绪绪 论论一、材料学一、材料学二、什么是陶瓷、特种陶瓷？二、什么是陶瓷、特种陶瓷？三、特种陶瓷和粉末冶金三、特种陶瓷和粉末冶金四、特种陶瓷的特性和应用领域四、特种陶瓷的特性和应用领域五、特种陶瓷的发展前景五、特种陶瓷的发展前景六、特种陶瓷的研究任务六、特种陶瓷的研究任务二、什么是陶瓷、特种陶瓷？二、什么是陶瓷、特种陶瓷？“特种陶瓷特种陶瓷”：通常认为是采用高度精选的原料，具有能精通常认为是采用高度精选的原料，具有能精确控制的化学组成，按照便于控制的制造技术加工的，便于确控制的化学组成，按照便于控制的制造技术加工的，便于进行结构设计，并具
2、有优异特性的陶瓷。进行结构设计，并具有优异特性的陶瓷。特种陶瓷使用性能普通陶瓷合成/加工工艺普通陶瓷固有性能普通陶瓷普通陶瓷使用性能使用性能特种陶瓷的特性和应用领域特种陶瓷的特性和应用领域特种陶瓷的应用特种陶瓷的应用结构陶瓷结构陶瓷 力学性能力学性能功能陶瓷功能陶瓷 研磨和耐磨性研磨和耐磨性切削性切削性高强度高强度润滑性润滑性绝缘性绝缘性介电性介电性导电性导电性压电性压电性磁性磁性电磁功能电磁功能半导体功能半导体功能光学光学热学热学生物、化学生物、化学与原子有关的功能与原子有关的功能超导超导绪论绪论第一章第一章 特种陶瓷生产工艺原理特种陶瓷生产工艺原理第二章第二章 结构陶瓷结构陶瓷第三章第三章
3、 功能陶瓷功能陶瓷第四章第四章 特种玻璃特种玻璃第五章第五章 人工晶体人工晶体第六章第六章 无机纤维无机纤维第七章第七章 薄膜材料薄膜材料第八章第八章 生物陶瓷生物陶瓷第九章第九章 新能源材料新能源材料第十章第十章 环境材料环境材料第一章第一章 特种陶瓷工艺原理特种陶瓷工艺原理1.1 1.1 特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.3 1.3 特种陶瓷的成型方法特种陶瓷的成型方法1.4 1.4 特种陶瓷的烧结特种陶瓷的烧结(a)(b)(c)(f)(e)(d)图1 各种形状的粉体颗粒1.1 1.1 特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷
4、粉体的物理性能1.1.1 1.1.1 粉体的粒度与粒度分布粉体的粒度与粒度分布1.1.2 1.1.2 粉体颗粒的形态及其表征粉体颗粒的形态及其表征1.1.3 1.1.3 粉体的表面特性粉体的表面特性1.1.4 1.1.4 粉体的填充性粉体的填充性粉体颗粒的粉体颗粒的粒度粒度(particle size)(particle size)等体积等体积球相当径。（体积可求）球相当径。（体积可求）等面积等面积球相当径。球相当径。(流体通过法或吸附法流体通过法或吸附法 )等沉降速度等沉降速度相当径。相当径。显微镜下测得的颗粒粒径显微镜下测得的颗粒粒径:马丁径、弗莱特径、投影面积径马丁径、弗莱特径、投影面积
5、径。粉体颗粒的粉体颗粒的粒度粒度(particle size)(particle size)马丁径马丁径-对开线长度对开线长度弗莱特径弗莱特径 两对边切线之间距离两对边切线之间距离 粉体颗粒的粉体颗粒的粒度分布粒度分布 频率分布曲线频率分布曲线 累积分布曲线累积分布曲线 1.11.1特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能1.1.2 1.1.2 粉体颗粒的形态及其表征粉体颗粒的形态及其表征 WadellWadell球形度球形度w w（球体）（球体）与颗粒具有相同体积的球的表面积对于实际颗粒的表面积之比，与颗粒具有相同体积的球的表面积对于实际颗粒的表面积之比，一般小于一般小于1 1，如等于，
6、如等于1 1，则该颗粒位球形，则该颗粒位球形 长短度和扁平度（柱状或片状）长短度和扁平度（柱状或片状）长短度长短度=长径长径l/l/短径短径b b，扁平度扁平度=短径短径b/b/厚度厚度t t 动力形状因子动力形状因子K K K=Dd/Dv Dd颗粒在介质中的沉降阻力相当径颗粒在介质中的沉降阻力相当径 Dv-等体积球径等体积球径1.1 1.1 特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能1.1.3 1.1.3 粉体的表面特性粉体的表面特性 1 1）粉体颗粒的）粉体颗粒的表面能和表面状态表面能和表面状态 2 2）粉体颗粒的）粉体颗粒的吸附与凝聚吸附与凝聚 1.1 1.1 特种陶瓷粉体的物理性能特
7、种陶瓷粉体的物理性能1.1.4 粉体的填充性粉体的填充性 影响粉体密实性的因素有：影响粉体密实性的因素有：颗粒大小的影响颗粒大小的影响 颗粒形状和凝聚的影响颗粒形状和凝聚的影响 第一章第一章 特种陶瓷工艺原理特种陶瓷工艺原理1.1 1.1 特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.3 1.3 特种陶瓷的成型方法特种陶瓷的成型方法1.4 1.4 特种陶瓷的烧结特种陶瓷的烧结1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法 粉体的制备方法一般分为有两大类：粉体的制备方法一般分为有两大类：机械法；合成法机械法；合成法机械法
8、：机械法：是由粗颗粒来获得细粉的方法，通常采用是由粗颗粒来获得细粉的方法，通常采用机械粉机械粉 碎碎，现在发展到采用，现在发展到采用气流粉碎气流粉碎。缺点缺点：在粉碎过程中难免混入杂质；在粉碎过程中难免混入杂质；都都不易不易制得粒径在制得粒径在1 1mm以下的微细颗粒以下的微细颗粒（效率）（效率）合成法合成法：是是由离子、原子、分子通过反应、成核和成长、由离子、原子、分子通过反应、成核和成长、收集、后处理收集、后处理来获得微细颗粒的方法。来获得微细颗粒的方法。特点特点：纯度、粒度可控，均匀性好，颗粒微细。且可以实纯度、粒度可控，均匀性好，颗粒微细。且可以实 现颗粒在分子级水平上的复合、均化。现
9、颗粒在分子级水平上的复合、均化。通常包括通常包括固相法、液相法固相法、液相法和和气相法气相法。1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.1 1.2.1 机械法机械法 一般机械制粉法包括一般机械制粉法包括捣磨法，切磨法，涡旋磨法，捣磨法，切磨法，涡旋磨法，球磨法，气体喷射粉碎法，高能球磨法球磨法，气体喷射粉碎法，高能球磨法等，可等，可根据材根据材料的物理力学性能及所制粉末的粗细要求进行选择料的物理力学性能及所制粉末的粗细要求进行选择。加工脆性大的材料加工脆性大的材料可选用可选用捣磨法，涡旋磨法，球捣磨法，涡旋磨法，球磨法，气体喷射粉碎法，高能球磨法磨法，气体喷射粉碎法，
10、高能球磨法；加工塑性较高的材料加工塑性较高的材料可选用可选用切磨法，涡旋磨法，切磨法，涡旋磨法，气体喷射粉碎法气体喷射粉碎法。一般制备超细粉与纳米粉时，只能。一般制备超细粉与纳米粉时，只能选用气体喷射粉碎法或高能球磨法。选用气体喷射粉碎法或高能球磨法。1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.1 1.2.1 机械法机械法1.1.材料粉碎加工原理材料粉碎加工原理 弹性变形弹性变形塑性变形塑性变形材料硬化；材料硬化；内应力增大内应力增大材料断裂材料断裂重复发生重复发生破碎破碎1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.1 1.2.1 机械法机械法1
11、.1.材料粉碎加工原理材料粉碎加工原理 抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗拉强度抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗拉强度图2-4破碎与磨碎方式1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.1 1.2.1 机械法机械法2.2.材料粉碎加工模型材料粉碎加工模型 在粉体材料的粉碎过在粉体材料的粉碎过程中，其粉碎产物的集程中，其粉碎产物的集合体的颗粒粒度实质上合体的颗粒粒度实质上具有具有多分散性多分散性。而其分散程度随而其分散程度随粉碎粉碎方式方式不同而有较大差异。不同而有较大差异。a a、体积粉碎模型体积粉碎模型b b、表面粉碎模型、表面粉碎模型c c、均一粉碎模型均一粉碎模型1.
12、2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.1 1.2.1 机械法机械法3.3.影响颗粒粉碎的因素影响颗粒粉碎的因素易碎性易碎性 易碎性表征着材料对粉碎的阻抗能力易碎性表征着材料对粉碎的阻抗能力，它可定量地表，它可定量地表示为将材料粉碎到某一粒度所需的示为将材料粉碎到某一粒度所需的比功比功。而且，易碎性也。而且，易碎性也是粉碎过程所耗能量的判据。是粉碎过程所耗能量的判据。碰撞速度碰撞速度 材料的粉碎与系统提供它的能量有直接关系，而在机材料的粉碎与系统提供它的能量有直接关系，而在机械粉碎过程中能量的形成与转换则与体系的运动速度密切械粉碎过程中能量的形成与转换则与体系的运动速度
13、密切相关，其又可分为相关，其又可分为破碎粒子碰撞速度和粉碎介质碰撞速度破碎粒子碰撞速度和粉碎介质碰撞速度。1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.1 1.2.1 机械法机械法4.4.具体粉碎方法具体粉碎方法 机械冲击式粉碎机械冲击式粉碎 （破碎破碎）球磨粉碎球磨粉碎 行星球磨行星球磨 振动粉碎振动粉碎 气流粉碎气流粉碎图2-4破碎与磨碎方式1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.1 1.2.1 机械法机械法4.4.具体粉碎方法具体粉碎方法 颚式破碎机颚式破碎机(a)简单摆动型 (b)复杂摆动型 (c)综合摆动型1-定颚；2-动颚；3-推动
14、板；4-连杆；5-偏心轴；6-悬挂轴1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.1 1.2.1 机械法机械法4.4.具体粉碎方法具体粉碎方法 圆锥破碎机圆锥破碎机1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.1 1.2.1 机械法机械法4.4.具体粉碎方法具体粉碎方法 球磨粉碎机球磨粉碎机1-电动机；2-离合器操纵杆；3-减速器；4-摩擦离合器；5-大齿圈；6-筒身；7-加料口；8-端盖；9-旋塞阀；10-卸料管；11-主轴头；12-轴承座；13-机座；14-衬板；15-研磨体1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.1
15、1.2.1 机械法机械法4.4.具体粉碎方法具体粉碎方法气流粉碎法气流粉碎法管道式气流粉碎机 1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法 合成法合成法-是由离子、原子、分子通过反应、成核和是由离子、原子、分子通过反应、成核和 成长，收集，后处理成长，收集，后处理来获得微细颗粒的方法。来获得微细颗粒的方法。特点：纯度，粒度可控，均匀性好，颗粒微细。特点：纯度，粒度可控，均匀性好，颗粒微细。并且可以实现颗粒在分子级水平上的复合，均化。并且可以实现颗粒在分子级水平上的复合，均化。固相法固相法 液相法液相法 气相法气相法另一分类方法：物理方法、化学
16、方法另一分类方法：物理方法、化学方法制制备备方方法法物物理理方方法法化化学学方方法法粉粉碎碎法法构构筑筑法法干式粉碎干式粉碎湿式粉碎湿式粉碎气体蒸发法气体蒸发法真空沉积法真空沉积法溅射法溅射法活化氢熔融金属反应法活化氢熔融金属反应法加热蒸发法加热蒸发法混合等离子体法混合等离子体法喷喷雾雾法法水解法水解法沉沉淀淀法法氧化还原法氧化还原法喷雾水解法喷雾水解法喷雾焙烧法喷雾焙烧法喷雾干燥法喷雾干燥法共沉淀法共沉淀法化合物沉淀法化合物沉淀法冻结干燥法冻结干燥法激光合成法激光合成法火花放电法火花放电法1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法 1.1
17、.固相法制备粉末固相法制备粉末 2.2.液相法制备粉末液相法制备粉末 3.3.气相法制备粉末气相法制备粉末 4.4.合成粉末的实例合成粉末的实例1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法1.1.固相法制备粉末固相法制备粉末 就是就是以固态物质为原料来制备粉末的方法以固态物质为原料来制备粉末的方法。作为固。作为固相反应，包括有很多内容：相反应，包括有很多内容：化合反应化合反应分解反应分解反应氧化还原反应氧化还原反应固溶反应固溶反应出溶反应出溶反应相变相变1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2 1.2.2 合成法
18、合成法1.固相法制备粉末固相法制备粉末化合反应法化合反应法 combination reaction 化合反应一般具有以下反应结构式化合反应一般具有以下反应结构式 A s +B s C s +D g 二种或者二种以上的固态粉末，经二种或者二种以上的固态粉末，经混合后在一定的混合后在一定的热力学条件和气氛下反应热力学条件和气氛下反应而成为而成为复合物粉末复合物粉末，有时也伴，有时也伴随一些气体逸出。随一些气体逸出。如钛酸钡粉末的合成就是典型的固相化合反应：如下如钛酸钡粉末的合成就是典型的固相化合反应：如下 BaCO3+TiO2BaTiO3+CO21.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体
19、的制备方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法1.固相法制备粉末固相法制备粉末 热分解反应热分解反应 热分解反应基本形式热分解反应基本形式(S代表固相，代表固相，G代表气相代表气相)：SlS2+G1 金属的硫酸盐、硝酸盐等金属的硫酸盐、硝酸盐等 特种陶瓷用氧化物粉末特种陶瓷用氧化物粉末 如将硫酸铝铵如将硫酸铝铵Al2(NH4)2(SO4)424H2O在空气中进行热分解，在空气中进行热分解，即可制备出即可制备出Al2O3粉末。粉末。利用有机酸盐制备粉体利用有机酸盐制备粉体，优点是：，优点是：a.有机酸盐易于金属提纯，有机酸盐易于金属提纯，b.容易制成含两种以上金属的复合盐，容易制成含两种以上金属
20、的复合盐，c.分解温度比较低，产生的气体组成为分解温度比较低，产生的气体组成为C、H、O。1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法1.1.固相法制备粉末固相法制备粉末 氧化物还原法氧化物还原法 reduction method（非氧化物陶瓷）（非氧化物陶瓷）以以SiC粉末的制备为例，是将粉末的制备为例，是将SiO2与碳粉混合，在与碳粉混合，在1460-1600的加热条件下，逐步还原碳化。其大致历的加热条件下，逐步还原碳化。其大致历程如下程如下 进一步还原后，产生进一步还原后，产生Si蒸气，发生反应蒸气，发生反应SiO2+C SiO+CO
21、SiO+2CSiC+CO SiO+CSi+CO Si+C SiCSiO2颗粒表面蒸发、颗粒表面蒸发、分解、扩散至分解、扩散至C粒粒表面发生反应表面发生反应 这时得到的这时得到的SiC粉是无定形的，需要再经过粉是无定形的，需要再经过1900的高温处理的高温处理获得晶态获得晶态SiC。1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法 1.1.固相法制备粉末固相法制备粉末 2.2.液相法制备粉末液相法制备粉末 3.3.气相法制备粉末气相法制备粉末 4.4.合成粉末的实例合成粉末的实例1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2
22、 合成法合成法2.液相法液相法 liquid-phase method 制备粉末制备粉末 液相反应法制备超细粉体的共同特点是：液相反应法制备超细粉体的共同特点是：均以均相的溶液为出发点，通过各种途径使溶质和溶均以均相的溶液为出发点，通过各种途径使溶质和溶剂分离，溶质形成一定形状和大小的颗粒，得到所需粉末剂分离，溶质形成一定形状和大小的颗粒，得到所需粉末的前驱体，热解后得到微粒。的前驱体，热解后得到微粒。与固相法相比，其主要的优点：与固相法相比，其主要的优点：（1）精确控制化学组成；）精确控制化学组成；（2）易于添加微量有效成分；）易于添加微量有效成分；（3）超细粒子形状和尺寸也比较容易控制。）
23、超细粒子形状和尺寸也比较容易控制。特别适合制备组成均匀，且特别适合制备组成均匀，且纯度纯度高的高的复合氧化物复合氧化物超细粉。超细粉。1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2 合成法合成法2.液相法液相法 liquid-phase method 制备粉末制备粉末 基本方法有基本方法有 1)沉淀法沉淀法 直接沉淀法直接沉淀法；均匀沉淀法；均匀沉淀法；共沉淀法；共沉淀法；醇盐水解法醇盐水解法；特殊沉淀法特殊沉淀法：a.溶胶溶胶-凝胶凝胶(Sol-gel)法法；b.凝胶凝胶-沉淀法沉淀法2)溶剂蒸发法溶剂蒸发法 冰冻干燥法冰冻干燥法(freeze-drying);喷雾干
24、燥法喷雾干燥法(Spray drying);喷雾热分解法喷雾热分解法1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法2.2.液相法制备粉末液相法制备粉末 1）沉淀法：）沉淀法：直接沉淀法，以制备直接沉淀法，以制备Al2O3为例为例 矿石高压溶出：矿石高压溶出：Al2O33H2O+2NaOH2NaAl(OH)4 分分 解：解：2NaAl(OH)4 2Al(OH)3+2NaOH 煅煅 烧：烧：2Al(OH)3Al2O3+3H2O 前驱物前驱物1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法2.2.液相法
25、制备粉末液相法制备粉末 1 1）沉淀法）沉淀法 醇盐水解法 金属醇盐是用金属元素置换醇中羟基金属醇盐是用金属元素置换醇中羟基的氢的化合物总称，通式为的氢的化合物总称，通式为M(OR)n，其中其中M代表金属元素，代表金属元素，R是烷基（羟是烷基（羟基）。基）。金属醇盐由金属或者金属卤化物与醇金属醇盐由金属或者金属卤化物与醇反应合成，它很容易和水反应生成氧化反应合成，它很容易和水反应生成氧化物、氢氧化物和水化物。氢氧化物和其物、氢氧化物和水化物。氢氧化物和其它水化物经煅烧后可以转化为氧化物粉它水化物经煅烧后可以转化为氧化物粉体。体。1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2
26、.2 1.2.2 合成法合成法2.2.液相法制备粉末液相法制备粉末 1 1）沉淀法沉淀法 醇盐水解法n醇盐水解法的特点：醇盐水解法的特点：水解过程中不需要添加碱，因此水解过程中不需要添加碱，因此不存在有害负离子和碱金属离子不存在有害负离子和碱金属离子；反应条件温和、操作简单产品纯度高反应条件温和、操作简单产品纯度高；制备的超微粉体制备的超微粉体具有较大的活性具有较大的活性；粉体粒子通常粉体粒子通常呈单分散状态呈单分散状态，在成型体中表现出良好的填充性；，在成型体中表现出良好的填充性；具有良好的低温烧结性能。具有良好的低温烧结性能。n醇盐水解法的醇盐水解法的缺点是成本昂贵缺点是成本昂贵。1.2.
27、2 合成法合成法 2.液相法制备粉末液相法制备粉末 1）沉淀法）沉淀法 溶胶溶胶-凝胶法：凝胶法：1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法纳米氧化铝溶胶纳米氧化铝溶胶1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法2.2.液相法液相法 liquid-phase methodliquid-phase method 制备粉末制备粉末 溶胶溶胶-凝胶法凝胶法制制取取ZrO2的流程的流程均匀性均匀性1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法2.2.液相法液相法 liquid-pha
28、se methodliquid-phase method 制备粉末制备粉末2 2）溶剂蒸发法：）溶剂蒸发法：溶剂蒸发法以金属盐溶液制备超微粉体溶剂蒸发法以金属盐溶液制备超微粉体 溶剂蒸发法：溶剂蒸发法：a.冷冻干燥法冷冻干燥法n 冷冻干燥法：冷冻干燥法：a.将配制好的将配制好的阳离子盐溶液喷入到低温有机液体阳离子盐溶液喷入到低温有机液体中，中，使液体进行使液体进行瞬间冷冻和沉淀瞬间冷冻和沉淀在玻璃器皿的底部，在玻璃器皿的底部，b.将冷冻球状液滴将冷冻球状液滴和和有机液体有机液体筛选分离后筛选分离后放入冷冻干燥器放入冷冻干燥器，在，在维维持低温降压条件下，溶剂升华、脱水持低温降压条件下，溶剂升华
29、、脱水，c.再在煅烧炉内将盐分解，可制得超细粉体。再在煅烧炉内将盐分解，可制得超细粉体。冷冻干燥法原料及实验装置冷冻干燥法原料及实验装置（a）冷冻装置；（）冷冻装置；（b）真空干燥装置）真空干燥装置溶剂蒸发法：溶剂蒸发法：a.冷冻干燥法冷冻干燥法冷冻冷冻干燥机干燥机冷冻干燥法的突出优点：冷冻干燥法的突出优点：a.在溶液状态下均匀混合，适合于极微量组分的添加，在溶液状态下均匀混合，适合于极微量组分的添加，有效有效地合成复杂的陶瓷功能粉体材料并精确控制其最终组成地合成复杂的陶瓷功能粉体材料并精确控制其最终组成；b.制备的超微粉体粒度分布范围窄制备的超微粉体粒度分布范围窄，一般在，一般在10500n
30、m范围范围内，内，c.冷冻干燥物在煅烧时内含气体极易逸出，冷冻干燥物在煅烧时内含气体极易逸出，容易获得易烧结容易获得易烧结的陶瓷超微粉体，由此制得的大规模集成电路基片平整度好，的陶瓷超微粉体，由此制得的大规模集成电路基片平整度好，用来制备催化剂，则其表面积和反应活性均较一般过程高用来制备催化剂，则其表面积和反应活性均较一般过程高；d.操作简单操作简单，特别适合于高纯陶瓷材料用超微粉体的制备。，特别适合于高纯陶瓷材料用超微粉体的制备。溶剂蒸发法：溶剂蒸发法：a.冷冻干燥法冷冻干燥法喷雾干燥装置的模型图喷雾干燥装置的模型图溶剂蒸发法：溶剂蒸发法：b.喷雾干燥法喷雾干燥法图图1-1-21 喷雾焙烧装
31、置的示意图喷雾焙烧装置的示意图溶剂蒸发法：溶剂蒸发法：c.喷雾热分解法喷雾热分解法溶剂蒸发法：溶剂蒸发法：c.喷雾热分解法喷雾热分解法1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法 1.1.固相法制备粉末固相法制备粉末 2.2.液相法制备粉末液相法制备粉末 3.3.气相法制备粉末气相法制备粉末 4.4.合成粉末的实例合成粉末的实例1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法3.3.气相法气相法(gas phase method)(gas phase method)制备粉末制备粉末 由气相生成微
32、粉的方法有如下两种由气相生成微粉的方法有如下两种:系统中不发生化学反应的蒸发系统中不发生化学反应的蒸发-凝聚法凝聚法(PVD)(PVD)，另一种是气相化学反应法另一种是气相化学反应法(CVD)(CVD)。1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法 3.3.气相法气相法(gas phase method)(gas phase method)制备粉末制备粉末 1)1)蒸发蒸发-凝聚法凝聚法 蒸发蒸发-凝聚法是将原料加热至凝聚法是将原料加热至高温高温(用电弧或等离子流等加热用电弧或等离子流等加热)，使之使之气化气化，接着在具有很大温度梯度的环境中
33、急冷，凝聚成微粒状，接着在具有很大温度梯度的环境中急冷，凝聚成微粒状物料的方法。这一过程物料的方法。这一过程不伴随化学反应不伴随化学反应。采用这种方法能制得采用这种方法能制得颗粒直径在颗粒直径在5nm100nm范围的微粉范围的微粉，适于适于制备单一氧化物、复合氧化物、碳化物或金属的微粉制备单一氧化物、复合氧化物、碳化物或金属的微粉。如果在惰性气体中蒸发凝聚，如果在惰性气体中蒸发凝聚，通过调节气压，就能控制生通过调节气压，就能控制生成的颗粒的大小成的颗粒的大小。如果颗粒是按照如果颗粒是按照蒸发蒸发-液体液体-固体固体那样经过液相中间体后生成的，那样经过液相中间体后生成的，那么那么颗粒成为球形颗粒
34、成为球形或接近球状。或接近球状。1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法 3.3.气相法气相法(gas phase method)(gas phase method)制备粉末制备粉末 2)2)气相化学反应法气相化学反应法 气相化学反应法是将气相化学反应法是将挥发性金属化合物的蒸气挥发性金属化合物的蒸气通过化学反通过化学反应合成所需物质的方法。气相化学反应可分为两类：应合成所需物质的方法。气相化学反应可分为两类：一类为单一类为单一化合物的热分解一化合物的热分解（A(G)B(s)+C(g)）;另另一类为两种以上化一类为两种以上化学物质之间的反
35、应学物质之间的反应 (A(g)+B(g)C(s)+D(g)。气相反应法除适用于制备氧化物外，气相反应法除适用于制备氧化物外，还适用于制备液相法还适用于制备液相法难于直接合成的金属、氮化物、碳化物、硼化物等非氧化物难于直接合成的金属、氮化物、碳化物、硼化物等非氧化物。制备容易、蒸气压高、反应性较强的制备容易、蒸气压高、反应性较强的金属氯化物常用作气金属氯化物常用作气相化学反应的原料相化学反应的原料。1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法 3.3.气相法气相法(gas phase method)(gas phase method)制备粉末制
36、备粉末 气相反应法与盐类热分解及沉淀法相比气相反应法与盐类热分解及沉淀法相比，特点：，特点：金属化合物原料金属化合物原料具有挥发性，容易提纯，而且生具有挥发性，容易提纯，而且生成粉料不需要进行粉碎，纯度高成粉料不需要进行粉碎，纯度高。生成颗粒的生成颗粒的分散性良好分散性良好。只要控制反应条件，就和容易得到只要控制反应条件，就和容易得到颗粒直径分布颗粒直径分布范围较窄的微细粉末范围较窄的微细粉末。容易控制气氛。容易控制气氛。1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法 3.3.气相法气相法(gas phase method)(gas phase
37、 method)制备粉末制备粉末 从气相析出的固相形态从气相析出的固相形态有以下几种：有以下几种：a.在固体表面上生长在固体表面上生长薄膜、薄膜、晶须和晶粒晶须和晶粒，b.在气体中生长的在气体中生长的微粒微粒。1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法 1.1.固相法制备粉末固相法制备粉末 2.2.液相法制备粉末液相法制备粉末 3.3.气相法制备粉末气相法制备粉末 4.4.合成粉末的实例合成粉末的实例1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法 4.4.合成粉末的实例合成粉末的实例 a.a
38、.氧化物粉末氧化物粉末-挥发性金属化合物（一般为氯化物）与挥发性金属化合物（一般为氯化物）与氧气或水蒸气在几百度至一千几百度下由氧气或水蒸气在几百度至一千几百度下由气相反应气相反应，合成，合成氧化物粉末。氧化物粉末。1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法 4.4.合成粉末的实例合成粉末的实例 TiO2粉末制备粉末制备：TiCl4和氧气的反应从400左右开始，到800以上转化率达100%。TiO2晶粒为0.1m以下到几微米。1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备
39、方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法 4.4.合成粉末的实例合成粉末的实例 b.b.高熔点高熔点氮化物和碳化物氮化物和碳化物粉末制备：粉末制备：工业上，金属和金属氧化物通过固相反应合成工业上，金属和金属氧化物通过固相反应合成非非氧化物粉末氧化物粉末。采用固相法时通常要进行粉碎，不易控。采用固相法时通常要进行粉碎，不易控制粉料的特性。制粉料的特性。相对而言，采用气相合成法生成的粉料分散度低，相对而言，采用气相合成法生成的粉料分散度低，比较容易控制颗粒直径。比较容易控制颗粒直径。1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法 4.4.合成粉末的
40、实例合成粉末的实例 1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法4.4.合成粉末的实例合成粉末的实例 c.Si3N4粉末制备：SiCl4和NH3在1000-1500温度范围内通过气相反应能生成颗粒直径0.1m以下的非晶态物质，之后在1400结晶化为Si3N4。或同样通过气相反应生成颗粒直径0.2m以下的非晶态粉末，再通过热处理得到高纯度Si3N4。1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2 1.2.2 合成法合成法4.4.合成粉末的实例合成粉末的实例 d.TiN粉末制备：TiCl4和NH3在700-1500温度范围
41、内，通过气相反应能 生成TiN微粉。1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法思考题：思考题：1 1、粉碎法制备粉体技术方法的分类及特点；、粉碎法制备粉体技术方法的分类及特点；2 2、气相法制备超细粉体的原理及各种加热方、气相法制备超细粉体的原理及各种加热方法的特点；法的特点；3 3、液相法制备超细粉体的原理及特点、液相法制备超细粉体的原理及特点.第一章第一章 特种陶瓷工艺原理特种陶瓷工艺原理1.1 1.1 特种陶瓷粉体的物理性能特种陶瓷粉体的物理性能1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法1.3 1.3 特种陶瓷的成型方法特种陶瓷的成型方法1.4 1.4
42、 特种陶瓷的烧结特种陶瓷的烧结1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法 粉体的制备方法一般分为有两大类：机械法：机械法：合成法合成法：捣磨法，切磨法，涡旋磨法，捣磨法，切磨法，涡旋磨法，球磨法，气体喷射粉碎法，球磨法，气体喷射粉碎法，高能球磨法高能球磨法固相法固相法 液相法液相法 气相法气相法1.2 1.2 特种陶瓷粉体的制备方法特种陶瓷粉体的制备方法化合反应化合反应分解反应分解反应氧化还原反应氧化还原反应固溶反应固溶反应出溶反应出溶反应相变相变固固相相法法液液相相法法1、沉淀法、沉淀法 直接沉淀法直接沉淀法；均匀沉淀均匀沉淀法；法；共沉淀法；共沉淀法；醇盐水解法醇盐水解法；特殊沉淀法特殊沉淀法：a.溶胶溶胶-凝胶凝胶(Sol-gel)法；法；b.凝胶凝胶-沉淀法沉淀法2、溶剂蒸发法、溶剂蒸发法 冷冻干燥法冷冻干燥法;喷雾干燥法喷雾干燥法;喷雾热分解法喷雾热分解法1、蒸发蒸发-凝聚法凝聚法(PVD)；2、气相化学反应法气相化学反应法(CVD)气气相相法法
