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陶瓷燒成的原理簡述

編輯：轉自：無機非金屬材料科學網絡發布時間：2023-10-13

所有的陶瓷制品都是經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，讓陶瓷無料發生根本的物理性和化學性變化，從而達到滿足使用價值。

然而，要使成品在煅燒過程中合乎質量要求，并不是只要有先進的設備即可。當然先進的設備其操控較簡單，且溫度較穩定，故障較少，這是不可否認的事實。但必須要有良好地原料配方和制程控制，才會相得益彰，進而達到質量要求。

陶瓷燒成基本原理

陶瓷材料在燒成過程中會發生一系列復雜的物理和化學變化，這些變化決定了陶瓷材料的最終性能和顯微結構。

1、材料相變

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陶瓷材料在燒成過程中會發生液相、固相和氣相之間的相互轉化。在較低溫度下，陶瓷原料以固態形式存在，隨著溫度的升高，達到一定熔點后，會轉變為液相。當溫度繼續升高，液相會逐漸減少，固相會增加，直到完全轉變為固相。同時，在燒成過程中，材料內部的氣相也會不斷減少。

相變的發生對顯微結構產生顯著影響。液相的出現會導致材料內部產生流動，促進晶粒的移動和重新排列，使材料的密度和氣孔率發生變化。固相的增加會促使材料內部形成更多的晶界和位錯，對材料的力學性能和熱學性能產生影響。

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、對流和輻射三種方式傳遞。傳導是指材料內部熱量的傳遞，主要依賴于材料內部的晶格振動和自由電子的運動；對流是指氣體或液體中熱量的傳遞，依賴于流體中微小質點的運動；輻射是指熱量通過電磁波的形式傳遞，主要發生在高溫環境下。

熱傳遞的方式和途徑對材料的顯微結構和性能有重要影響。在燒成過程中，熱量會不均勻地傳遞到材料內部，導致材料不同部位出現溫度差異，進而影響材料內部的相變和化學反應。因此，控制熱傳遞的過程是實現陶瓷材料均勻燒成的重要手段。

3、化學反應

陶瓷材料在燒成過程中會發生多種化學反應，包括氧化、還原、分解和合成等反應。這些反應的發生主要與材料表面的化學成分和燒成環境中的氣體介質有關。

氧化反應是指材料與氧氣發生反應，導致材料表面形成一層氧化物。這對材料的表面性質和顯微結構產生較大影響，同時也可能影響材料的熱學和電學性能。還原反應是指材料在高溫下與還原劑反應，將氧化物還原為金屬或非金屬單質。分解反應是指材料在高溫下分解為兩個或多個組成部分，通常用于制備特定組分的陶瓷材料。合成反應是指將兩種或多種原材料在高溫下合成為一種新的物質，通常用于制備復合陶瓷材料。

化學反應對顯微結構的影響主要表現在成分、結構和相變等方面。化學反應會改變材料內部的元素組成和比例，影響材料的物理和化學性質。同時，化學反應也會改變材料的相組成和顯微結構，影響材料的力學性能和熱學性能。

4、顯微結構變化

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陶瓷材料在燒成過程中會發生一系列顯微結構變化，包括晶粒長大、多相混合、燒結等。這些變化對材料的物理性能和應用具有重要影響。

晶粒長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，陶瓷材料內部的晶粒較小，隨著溫度的升高和保溫時間的延長，晶粒會逐漸長大，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，這些相會相互混合，形成不同的顯微結構。燒結是指陶瓷材料在高溫下形成的致密化過程。在燒結過程中，陶瓷材料內部的孔隙和氣相逐漸減少，晶粒之間形成聯結，使材料形成高度致密的顯微結構。

顯微結構的變化對材料的物理性能產生顯著影響。例如，晶粒的長大可以提高材料的強度和硬度，但同時也會降低材料的韌性。多相混合可以增加材料的復雜性和穩定性，但也可能導致材料出現裂紋或損傷。燒結可以提高材料的致密度和強度，但同時也可能增加材料的脆性。因此，控制顯微結構的變化是制備高性能陶瓷材料的關鍵。

5、物理性能變化

陶瓷材料在燒成過程中會發生物理性能的變化，包括密度、硬度、熱脹縮系數等。這些變化不僅影響材料的加工和應用性能，也影響材料的穩定性和可靠性。

密度是陶瓷材料的重要物理性能之一。在燒成過程中，材料的密度會發生變化，主要是由于相變、晶粒長大和燒結等因素導致。密度的變化會影響材料的機械性能和熱學性能。硬度是表征材料難易程度被其他物質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構的變化密切相關，如晶粒長大、多相混合和燒結等。熱脹縮系數是指材料在溫度變化時尺寸發生變化的程度。

陶瓷燒成的影響因素

1. 材料性質

陶瓷材料可以根據不同的分類標準分為多種類型。按照制備工藝，陶瓷可以分為燒結陶瓷、熱壓陶瓷、等靜壓陶瓷等；按照材質，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和特點，因此在選擇使用時需要根據具體需求進行選擇。

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影響陶瓷材料的性質和性能。

2. 熱化學反應

陶瓷燒成過程中的熱化學反應主要包括脫水、氧化、還原、晶型轉變等。這些反應的發生會伴隨著質量傳遞和熱量的吸收或釋放。脫水反應主要發生在較低溫度下，目的是去除材料中的水分；氧化和還原反應主要發生在燒成的高溫階段，可以調整材料內部的化學成分，得到所需的物理和化學性能；晶型轉變是指在一定溫度下，材料的晶體結構發生改變，從而引起材料性質的改變。

影響陶瓷燒成熱化學反應的因素主要包括溫度、氣氛和時間。溫度是陶瓷燒成過程中的重要參數之一，它直接影響到反應速率和反應程度；氣氛條件也會對反應過程產生重要影響，例如氧化氣氛可以促進材料的氧化反應，而還原氣氛則可以抑制氧化反應；時間則與反應程度密切相關，反應時間的延長可以提高反應程度，但過長的時間反而會導致材料性能的下降。

3. 氣氛影響

氣氛是陶瓷燒成過程中的一個重要因素。不同的氣氛條件會對陶瓷的燒成產生不同的影響。

常見的氣氛類型包括氧化氣氛、還原氣氛和中性氣氛。氧化氣氛可以促進陶瓷材料的氧化反應，提高材料的表面氧化程度，從而改善材料的物理和化學性能；還原氣氛則可以抑制陶瓷材料的氧化反應，保持材料內部的氧化物成分，從而得到所需的物理和化學性能；中性氣氛則既不促進也不抑制陶瓷材料的氧化反應，因此適用于對氧化程度要求不高的陶瓷材料的燒成。

氣氛的比例也會對陶瓷燒成產生影響。例如，氫氣和氮氣的比例會影響氮化硅陶瓷的燒成過程，氫氣比例的提高可以促進氮化硅的分解和氮的擴散，從而提高氮化硅陶瓷的致密度和硬度。

4. 溫度與時間

溫度和時間是陶瓷燒成過程中的兩個重要參數。溫度會影響陶瓷材料的物理和化學性質，而時間則會影響陶瓷材料的燒成程度。

在陶瓷燒成過程中，溫度的升高會促進陶瓷材料的各種物理和化學反應。隨著溫度的升高，陶瓷材料會發生脫水、晶型轉變、相變等反應，這些反應會改變陶瓷材料的結構、致密度、硬度等性質。同時，溫度的控制也需要考慮到陶瓷材料的實際應用需求，例如高溫度燒成的陶瓷材料具有更高的硬度和強度，但同時也可能導致材料脆性增加。

時間也是陶瓷燒成過程中的一個重要因素。燒成時間過短會導致陶瓷材料燒成不足，而時間過長則會導致陶瓷材料的燒失。因此，在選擇燒成時間時，需要考慮到陶瓷材料的種類、性質以及所需的物理和化學性能。一般來說，通過控制燒成時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陶瓷材料熔融和晶型轉變的添加劑。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生化學反應，從而促進材料的熔融和晶型轉變。同時，助燒劑還可以降低陶瓷材料的燒成溫度，減小材料內部的應力，提高材料的致密度和強度等。

在選擇助燒劑時，需要考慮其化學性質與陶瓷材料的適應性。此外，助燒劑的用量也是一個關鍵因素。過多的助燒劑會導致陶瓷材料在燒成過程中產生氣泡等缺陷，而過少的助燒劑則無法達到預期的助燒效果。

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