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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(zhuǎn)自：無機(jī)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，讓陶瓷無料發(fā)生根本的物理性和化學(xué)性變化，從而達(dá)到滿足使用價(jià)值。

然而，要使成品在煅燒過程中合乎質(zhì)量要求，并不是只要有先進(jìn)的設(shè)備即可。當(dāng)然先進(jìn)的設(shè)備其操控較簡(jiǎn)單，且溫度較穩(wěn)定，故障較少，這是不可否認(rèn)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(dá)到質(zhì)量要求。
陶瓷燒成基本原理
陶瓷材料在燒成過程中會(huì)發(fā)生一系列復(fù)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(jié)構(gòu)。
1、材料相變

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陶瓷材料在燒成過程中會(huì)發(fā)生液相、固相和氣相之間的相互轉(zhuǎn)化。在較低溫度下，陶瓷原料以固態(tài)形式存在，隨著溫度的升高，達(dá)到一定熔點(diǎn)后，會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐合?。?dāng)溫度繼續(xù)升高，液相會(huì)逐漸減少，固相會(huì)增加，直到完全轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔?。同時(shí)，在燒成過程中，材料內(nèi)部的氣相也會(huì)不斷減少。
相變的發(fā)生對(duì)顯微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著影響。液相的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)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(nèi)部形成更多的晶界和位錯(cuò)，對(duì)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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陶瓷材料在燒成過程中，熱量主要通過傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射三種方式傳遞。傳導(dǎo)是指材料內(nèi)部熱量的傳遞，主要依賴于材料內(nèi)部的晶格振動(dòng)和自由電子的運(yùn)動(dòng)；對(duì)流是指氣體或液體中熱量的傳遞，依賴于流體中微小質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)；輻射是指熱量通過電磁波的形式傳遞，主要發(fā)生在高溫環(huán)境下。
熱傳遞的方式和途徑對(duì)材料的顯微結(jié)構(gòu)和性能有重要影響。在燒成過程中，熱量會(huì)不均勻地傳遞到材料內(nèi)部，導(dǎo)致材料不同部位出現(xiàn)溫度差異，進(jìn)而影響材料內(nèi)部的相變和化學(xué)反應(yīng)。因此，控制熱傳遞的過程是實(shí)現(xiàn)陶瓷材料均勻燒成的重要手段。
3、化學(xué)反應(yīng)
陶瓷材料在燒成過程中會(huì)發(fā)生多種化學(xué)反應(yīng)，包括氧化、還原、分解和合成等反應(yīng)。這些反應(yīng)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(yīng)是指材料與氧氣發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致材料表面形成一層氧化物。這對(duì)材料的表面性質(zhì)和顯微結(jié)構(gòu)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(yīng)是指材料在高溫下與還原劑反應(yīng)，將氧化物還原為金屬或非金屬單質(zhì)。分解反應(yīng)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(yīng)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(fù)合陶瓷材料。
化學(xué)反應(yīng)對(duì)顯微結(jié)構(gòu)的影響主要表現(xiàn)在成分、結(jié)構(gòu)和相變等方面?；瘜W(xué)反應(yīng)會(huì)改變材料內(nèi)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(yīng)也會(huì)改變材料的相組成和顯微結(jié)構(gòu)，影響材料的力學(xué)性能和熱學(xué)性能。
4、顯微結(jié)構(gòu)變化

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陶瓷材料在燒成過程中會(huì)發(fā)生一系列顯微結(jié)構(gòu)變化，包括晶粒長(zhǎng)大、多相混合、燒結(jié)等。這些變化對(duì)材料的物理性能和應(yīng)用具有重要影響。
晶粒長(zhǎng)大是指燒成過程中晶體顆粒尺寸逐漸增大的過程。在燒成初期，陶瓷材料內(nèi)部的晶粒較小，隨著溫度的升高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，晶粒會(huì)逐漸長(zhǎng)大，形成粗大的晶粒。多相混合是指燒成過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。在燒成過程中，這些相會(huì)相互混合，形成不同的顯微結(jié)構(gòu)。燒結(jié)是指陶瓷材料在高溫下形成的致密化過程。在燒結(jié)過程中，陶瓷材料內(nèi)部的孔隙和氣相逐漸減少，晶粒之間形成聯(lián)結(jié)，使材料形成高度致密的顯微結(jié)構(gòu)。
顯微結(jié)構(gòu)的變化對(duì)材料的物理性能產(chǎn)生顯著影響。例如，晶粒的長(zhǎng)大可以提高材料的強(qiáng)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(fù)雜性和穩(wěn)定性，但也可能導(dǎo)致材料出現(xiàn)裂紋或損傷。燒結(jié)可以提高材料的致密度和強(qiáng)度，但同時(shí)也可能增加材料的脆性。因此，控制顯微結(jié)構(gòu)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(shù)等。這些變化不僅影響材料的加工和應(yīng)用性能，也影響材料的穩(wěn)定性和可靠性。
密度是陶瓷材料的重要物理性能之一。在燒成過程中，材料的密度會(huì)發(fā)生變化，主要是由于相變、晶粒長(zhǎng)大和燒結(jié)等因素導(dǎo)致。密度的變化會(huì)影響材料的機(jī)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。在燒成過程中，硬度的變化可能與顯微結(jié)構(gòu)的變化密切相關(guān)，如晶粒長(zhǎng)大、多相混合和燒結(jié)等。熱脹縮系數(shù)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(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)分為多種類型。按照制備工藝，陶瓷可以分為燒結(jié)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(jù)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。在制備過程中，原料的種類、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(yīng)
陶瓷燒成過程中的熱化學(xué)反應(yīng)主要包括脫水、氧化、還原、晶型轉(zhuǎn)變等。這些反應(yīng)的發(fā)生會(huì)伴隨著質(zhì)量傳遞和熱量的吸收或釋放。脫水反應(yīng)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(yīng)主要發(fā)生在燒成的高溫階段，可以調(diào)整材料內(nèi)部的化學(xué)成分，得到所需的物理和化學(xué)性能；晶型轉(zhuǎn)變是指在一定溫度下，材料的晶體結(jié)構(gòu)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(yīng)的因素主要包括溫度、氣氛和時(shí)間。溫度是陶瓷燒成過程中的重要參數(shù)之一，它直接影響到反應(yīng)速率和反應(yīng)程度；氣氛條件也會(huì)對(duì)反應(yīng)過程產(chǎn)生重要影響，例如氧化氣氛可以促進(jìn)材料的氧化反應(yīng)，而還原氣氛則可以抑制氧化反應(yīng)；時(shí)間則與反應(yīng)程度密切相關(guān)，反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)可以提高反應(yīng)程度，但過長(zhǎng)的時(shí)間反而會(huì)導(dǎo)致材料性能的下降。
3. 氣氛影響
氣氛是陶瓷燒成過程中的一個(gè)重要因素。不同的氣氛條件會(huì)對(duì)陶瓷的燒成產(chǎn)生不同的影響。
常見的氣氛類型包括氧化氣氛、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(yīng)，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(yīng)，保持材料內(nèi)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(yīng)，因此適用于對(duì)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(duì)陶瓷燒成產(chǎn)生影響。例如，氫氣和氮?dú)獾谋壤龝?huì)影響氮化硅陶瓷的燒成過程，氫氣比例的提高可以促進(jìn)氮化硅的分解和氮的擴(kuò)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)間是陶瓷燒成過程中的兩個(gè)重要參數(shù)。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(yīng)。隨著溫度的升高，陶瓷材料會(huì)發(fā)生脫水、晶型轉(zhuǎn)變、相變等反應(yīng)，這些反應(yīng)會(huì)改變陶瓷材料的結(jié)構(gòu)、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(yīng)用需求，例如高溫度燒成的陶瓷材料具有更高的硬度和強(qiáng)度，但同時(shí)也可能導(dǎo)致材料脆性增加。
時(shí)間也是陶瓷燒成過程中的一個(gè)重要因素。燒成時(shí)間過短會(huì)導(dǎo)致陶瓷材料燒成不足，而時(shí)間過長(zhǎng)則會(huì)導(dǎo)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、性質(zhì)以及所需的物理和化學(xué)性能。一般來說，通過控制燒成時(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(zhuǎn)變的添加劑。常見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與陶瓷材料中的組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而促進(jìn)材料的熔融和晶型轉(zhuǎn)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(nèi)部的應(yīng)力，提高材料的致密度和強(qiáng)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(yīng)性。此外，助燒劑的用量也是一個(gè)關(guān)鍵因素。過多的助燒劑會(huì)導(dǎo)致陶瓷材料在燒成過程中產(chǎn)生氣泡等缺陷，而過少的助燒劑則無法達(dá)到預(yù)期的助燒效果。

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