工艺讲学090410工艺－

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1、陶瓷材料成型工艺研究(一）刘杏芹中国科学技术大学，材料科学与工程系H2衬底在位还原前驱物：混合的金属b-二酮螯合物或无机盐NiO-电解质(YSZ、DCO)液体源进料RFPlasma电解质(YSZ、DCO)固体源进料LaSrMnO3液体源进料液体源进料LaSrCoFeO3SOFCPEN红外灯加热烧结NiO-YSZ衬底50mmχ50mm(一)概念1).陶瓷(AdvancedCeramics,FineCeramics）原料（一般指粉体）经过人为加工（一般指成型）、热处理（烧成）后，具有一定强度和功能物性

2、的无机非金属材料。2).陶瓷制备过程原料粉体加工成型烧成（烧结）性能检测3).先进陶瓷材料制备过程中(产业化)面临的主要难题：成本高可靠性差与制备工艺技术相关成型工艺是关键4）成型工艺在材料的制备工艺中起着承上启下的作用，是陶瓷材料及复杂部件制备的关键环节，是材料设计和材料配方实现的前提，是目前限制高性能陶瓷产业化的主要问题之一。缺陷尺寸分布几率硬团聚软团聚有机夹杂物无机夹杂物大晶粒表面加工裂纹缺陷对强度的影响5).陶瓷材料的可靠性依赖于陶瓷制备工艺中缺陷的产生、变异与控制（二）成型法分类与

3、基础1）成型方法分类：干法：加压冷等静压(CIP)热等静压(HIP)湿法：湿加压浇注(SlipCasting)挤压(Extrusion)凝胶浇注(GelCasting)流延(TapeCasting)注射(Injection)2）原料要求：可塑性原料：加水调匀即可成型和保持形状如：粘土高岭土陶土瓷土等非可塑性原料：必须添加粘合剂，加溶剂调匀才能成型和保持形状，如：ZrO2Al2O3等溶剂可以是水，当粘合剂不溶于水时，就需用有机溶剂。3）成型步骤陶瓷：P(powder)F(forming)H(h

4、eating)玻璃：PHF耐火材料：PHFH三)粉体堆积1）相同大的球形粉体堆积cubicorthorhombicTetragonal-sphenoidalrhombohedralRegularpackingofmonosizespheressquareRhombicortriangularCubicalOrthorhombic简单立方，堆积密度为52.4%配位数为6配位数为8正交结构，堆积密度为60.5%Tetragonalpyramidal四方结构，堆积密度为69.8%配位数为1

5、0配位数为12立方最密堆，堆积密度74%六方最密堆，堆积密度74%，配位数为12Tetrahedal空隙尺寸是球的尺寸和排列的函数；当球的直径下降时，则空隙尺寸也会下降。通过堆积的一个连续空隙的中心线可能是曲折的，中心线的长度/边长(单位胞)=To（曲折因子）。对于立方堆积，To＝1；而立方最密堆，To1.3;当堆积密度低时，就会降低平均曲折度。上面的堆积是假定粉体粒子都为球状，而且堆积密度不随粒子大小而变化。几个概念：堆积分数:粉体实际体积/粉体堆积体积（PF）气孔率：气孔体积/粉体堆积体

6、积（P=1-PF）上面的堆积是假定粉体粒子是规则堆积。实际上一般粒子都是非规则堆积。非规则堆积时，一般认为是正交堆，即：PF＝60％单位体积内粒子数NP：单位体积内粒子的接触点数NC：为粒子直径；CN为配位数对于堆积，一般有经验公式：P为孔隙率所以，对于随机堆积，接触点数很显然，孔隙率P降低时，接触点数增多；充填份数PF增大，接触点数增多；多孔陶瓷强度就大。VVVVW很显然，不同大小的粒子混合堆积，即大粒子之间的空隙被小粒子充填，或是小粒子以及它们之间的空隙被大粒子取代，都会使堆积密度增大。2

7、)不同直径的球形粒子的堆积(Furnas模型)小粒子取代大粒子，大粒子取代小粒子假定:大粒子堆积时是互相接触的，小粒子充填到大粒子的孔隙，且有R大/R小≥7。有大、中、小三种粒子混合堆积，而且堆积密度不随粒子大小而变化（即：单独堆积时，均为PF=0.6)，粒子本身密度也不随粒子大小而变化，那麽其最大堆积密度可用下式给出：PFmax=PFc+(1-PFc)PFm+(1-PFc)(1-PFm)PFf=0.6+(1-0.6)0.6+(1-0.6)(1-0.6)0.6=0.6＋0.24＋0.096＝0

8、.936这个模型的特点是:所需不同尺寸粒子的体积份数随粒子尺寸降低而减少那麽，每种粒子的体积份数就可求出：大号粒子所占体积份数:fc(v)=PFc/PFmax中粒子所占体积份数:fm(v)=(1-PFc)PFm/PFmax小粒子所占体积份数:ff(v)=(1-PFc)(1-PFm)PFf/PFmax如：上例中，fm(v)=0.24/0.936,ff(v)=0.096/0.936用式子fi(w)=Wi/Wt即可求出重量比Wc=PFc•Dc,Wm=PFm(1-PFc)•Dm3)尺寸连续