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陶瓷烧成的原理简述

编辑：转自：无机非金属材料科学网络发布时间：2023-10-13

所有的陶瓷制品都是经过不同的原料组合成型煅烧而成的，而烧成的目的是利用高温的作用，让陶瓷无料发生根本的物理性和化学性变化，从而达到满足使用价值。

然而，要使成品在煅烧过程中合乎质量要求，并不是只要有先进的设备即可。当然先进的设备其操控较简单，且温度较稳定，故障较少，这是不可否认的事实。但必须要有良好地原料配方和制程控制，才会相得益彰，进而达到质量要求。

陶瓷烧成基本原理

陶瓷材料在烧成过程中会发生一系列复杂的物理和化学变化，这些变化决定了陶瓷材料的最终性能和显微结构。

1、材料相变

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陶瓷材料在烧成过程中会发生液相、固相和气相之间的相互转化。在较低温度下，陶瓷原料以固态形式存在，随着温度的升高，达到一定熔点后，会转变为液相。当温度继续升高，液相会逐渐减少，固相会增加，直到完全转变为固相。同时，在烧成过程中，材料内部的气相也会不断减少。

相变的发生对显微结构产生显著影响。液相的出现会导致材料内部产生流动，促进晶粒的移动和重新排列，使材料的密度和气孔率发生变化。固相的增加会促使材料内部形成更多的晶界和位错，对材料的力学性能和热学性能产生影响。

2、热传递

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陶瓷材料在烧成过程中，热量主要通过传导、对流和辐射三种方式传递。传导是指材料内部热量的传递，主要依赖于材料内部的晶格振动和自由电子的运动；对流是指气体或液体中热量的传递，依赖于流体中微小质点的运动；辐射是指热量通过电磁波的形式传递，主要发生在高温环境下。

热传递的方式和途径对材料的显微结构和性能有重要影响。在烧成过程中，热量会不均匀地传递到材料内部，导致材料不同部位出现温度差异，进而影响材料内部的相变和化学反应。因此，控制热传递的过程是实现陶瓷材料均匀烧成的重要手段。

3、化学反应

陶瓷材料在烧成过程中会发生多种化学反应，包括氧化、还原、分解和合成等反应。这些反应的发生主要与材料表面的化学成分和烧成环境中的气体介质有关。

氧化反应是指材料与氧气发生反应，导致材料表面形成一层氧化物。这对材料的表面性质和显微结构产生较大影响，同时也可能影响材料的热学和电学性能。还原反应是指材料在高温下与还原剂反应，将氧化物还原为金属或非金属单质。分解反应是指材料在高温下分解为两个或多个组成部分，通常用于制备特定组分的陶瓷材料。合成反应是指将两种或多种原材料在高温下合成为一种新的物质，通常用于制备复合陶瓷材料。

化学反应对显微结构的影响主要表现在成分、结构和相变等方面。化学反应会改变材料内部的元素组成和比例，影响材料的物理和化学性质。同时，化学反应也会改变材料的相组成和显微结构，影响材料的力学性能和热学性能。

4、显微结构变化

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陶瓷材料在烧成过程中会发生一系列显微结构变化，包括晶粒长大、多相混合、烧结等。这些变化对材料的物理性能和应用具有重要影响。

晶粒长大是指烧成过程中晶体颗粒尺寸逐渐增大的过程。在烧成初期，陶瓷材料内部的晶粒较小，随着温度的升高和保温时间的延长，晶粒会逐渐长大，形成粗大的晶粒。多相混合是指烧成过程中不同相之间的相互混合和分布。在陶瓷材料中，通常存在多种不同的相，如晶体、玻璃相和气相。在烧成过程中，这些相会相互混合，形成不同的显微结构。烧结是指陶瓷材料在高温下形成的致密化过程。在烧结过程中，陶瓷材料内部的孔隙和气相逐渐减少，晶粒之间形成联结，使材料形成高度致密的显微结构。

显微结构的变化对材料的物理性能产生显著影响。例如，晶粒的长大可以提高材料的强度和硬度，但同时也会降低材料的韧性。多相混合可以增加材料的复杂性和稳定性，但也可能导致材料出现裂纹或损伤。烧结可以提高材料的致密度和强度，但同时也可能增加材料的脆性。因此，控制显微结构的变化是制备高性能陶瓷材料的关键。

5、物理性能变化

陶瓷材料在烧成过程中会发生物理性能的变化，包括密度、硬度、热胀缩系数等。这些变化不仅影响材料的加工和应用性能，也影响材料的稳定性和可靠性。

密度是陶瓷材料的重要物理性能之一。在烧成过程中，材料的密度会发生变化，主要是由于相变、晶粒长大和烧结等因素导致。密度的变化会影响材料的机械性能和热学性能。硬度是表征材料难易程度被其他物质刻划或压入表面的能力。在烧成过程中，硬度的变化可能与显微结构的变化密切相关，如晶粒长大、多相混合和烧结等。热胀缩系数是指材料在温度变化时尺寸发生变化的程度。

陶瓷烧成的影响因素

1. 材料性质

陶瓷材料可以根据不同的分类标准分为多种类型。按照制备工艺，陶瓷可以分为烧结陶瓷、热压陶瓷、等静压陶瓷等；按照材质，可以分为氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、金属陶瓷等。不同类型的陶瓷材料具有不同的性质和特点，因此在选择使用时需要根据具体需求进行选择。

制备陶瓷材料的方法主要包括以下步骤：原料的选取和加工、配比和混合、成型、干燥、烧成和后处理。在制备过程中，原料的种类、配比、加工方式、成型方法、干燥条件以及烧成工艺等因素都会影响陶瓷材料的性质和性能。

2. 热化学反应

陶瓷烧成过程中的热化学反应主要包括脱水、氧化、还原、晶型转变等。这些反应的发生会伴随着质量传递和热量的吸收或释放。脱水反应主要发生在较低温度下，目的是去除材料中的水分；氧化和还原反应主要发生在烧成的高温阶段，可以调整材料内部的化学成分，得到所需的物理和化学性能；晶型转变是指在一定温度下，材料的晶体结构发生改变，从而引起材料性质的改变。

影响陶瓷烧成热化学反应的因素主要包括温度、气氛和时间。温度是陶瓷烧成过程中的重要参数之一，它直接影响到反应速率和反应程度；气氛条件也会对反应过程产生重要影响，例如氧化气氛可以促进材料的氧化反应，而还原气氛则可以抑制氧化反应；时间则与反应程度密切相关，反应时间的延长可以提高反应程度，但过长的时间反而会导致材料性能的下降。

3. 气氛影响

气氛是陶瓷烧成过程中的一个重要因素。不同的气氛条件会对陶瓷的烧成产生不同的影响。

常见的气氛类型包括氧化气氛、还原气氛和中性气氛。氧化气氛可以促进陶瓷材料的氧化反应，提高材料的表面氧化程度，从而改善材料的物理和化学性能；还原气氛则可以抑制陶瓷材料的氧化反应，保持材料内部的氧化物成分，从而得到所需的物理和化学性能；中性气氛则既不促进也不抑制陶瓷材料的氧化反应，因此适用于对氧化程度要求不高的陶瓷材料的烧成。

气氛的比例也会对陶瓷烧成产生影响。例如，氢气和氮气的比例会影响氮化硅陶瓷的烧成过程，氢气比例的提高可以促进氮化硅的分解和氮的扩散，从而提高氮化硅陶瓷的致密度和硬度。

4. 温度与时间

温度和时间是陶瓷烧成过程中的两个重要参数。温度会影响陶瓷材料的物理和化学性质，而时间则会影响陶瓷材料的烧成程度。

在陶瓷烧成过程中，温度的升高会促进陶瓷材料的各种物理和化学反应。随着温度的升高，陶瓷材料会发生脱水、晶型转变、相变等反应，这些反应会改变陶瓷材料的结构、致密度、硬度等性质。同时，温度的控制也需要考虑到陶瓷材料的实际应用需求，例如高温度烧成的陶瓷材料具有更高的硬度和强度，但同时也可能导致材料脆性增加。

时间也是陶瓷烧成过程中的一个重要因素。烧成时间过短会导致陶瓷材料烧成不足，而时间过长则会导致陶瓷材料的烧失。因此，在选择烧成时间时，需要考虑到陶瓷材料的种类、性质以及所需的物理和化学性能。一般来说，通过控制烧成时间和温度可以获得最佳的陶瓷材料性能。

5. 助烧剂作用

在陶瓷烧成过程中，助烧剂的作用不容忽视。助烧剂是一种能够在较低温度下促进陶瓷材料熔融和晶型转变的添加剂。常见的助烧剂包括氧化物、氟化物和磷酸盐等。

助烧剂的作用原理主要是通过与陶瓷材料中的组分发生化学反应，从而促进材料的熔融和晶型转变。同时，助烧剂还可以降低陶瓷材料的烧成温度，减小材料内部的应力，提高材料的致密度和强度等。

在选择助烧剂时，需要考虑其化学性质与陶瓷材料的适应性。此外，助烧剂的用量也是一个关键因素。过多的助烧剂会导致陶瓷材料在烧成过程中产生气泡等缺陷，而过少的助烧剂则无法达到预期的助烧效果。

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