新传感器与敏感材料配套完整课件.ppt
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1、73/1新传感器与敏感材料配套新传感器与敏感材料配套完整课件完整课件73/2主要知识点:主要知识点: 2.1 电子陶瓷粉体制备电子陶瓷粉体制备 2.2 电子陶瓷的成型电子陶瓷的成型 2.3 电子陶瓷的烧结电子陶瓷的烧结 第二章第二章 电子陶瓷原料选择与制备工艺电子陶瓷原料选择与制备工艺材料与物性、现象、用途间的关系:材料与物性、现象、用途间的关系:具体化具体化现象现象经济性经济性材料材料作用作用改善改善原料原料工艺工艺条件条件物性物性用途用途以材料为中心,以材料为中心,从物性从物性 现象现象 用途周转循环,用途周转循环,巧妙地应用此表巧妙地应用此表征方法能容易做征方法能容易做到逐步地改进材到逐
2、步地改进材料,不断创造出料,不断创造出性能更好、更稳性能更好、更稳定的产品。定的产品。材料设计思路材料设计思路改变结构改变结构制备制备观测观测测试测试 实际使用实际使用微观组织结构设计微观组织结构设计制备方法设计制备方法设计系统设计系统设计结构设计结构设计原料原料材料试样材料试样组织结构组织结构 特性特性可否可否评价评价电子陶瓷制备工艺流程图:电子陶瓷制备工艺流程图:成型排胶排胶烧结机械加工机械加工表面金属化表面金属化性能测试性能测试粉料加工粉料加工配料计算配料计算 原料准备原料准备 73/62.1 电子陶瓷电子陶瓷粉体的制备粉体的制备2.1.1 2.1.1 电子陶瓷制备过程电子陶瓷制备过程7
3、3/7化学试剂化学试剂(化工原料化工原料): 电子陶瓷常用原料,一般化工原料采用化学组成分级。电子陶瓷常用原料,一般化工原料采用化学组成分级。 工业纯(工业纯(IR) Industrial Reagent 98.0% 化学纯(化学纯(CP) Chemical Purity 99.0% 分析纯(分析纯(AR) Analytical Reagent 99.5% 光谱纯(光谱纯(GR) Guarateend Reagent 99.9% 电子级原料电子级原料 专用专用 电子瓷原料电子瓷原料人工合成、提纯原料(化学试剂,电子级粉料)人工合成、提纯原料(化学试剂,电子级粉料)天然矿物原料(硬质原矿,软质原
4、矿)天然矿物原料(硬质原矿,软质原矿)2.1.2 电子陶瓷原料电子陶瓷原料 一、原料分类一、原料分类 73/8二、原料的评价二、原料的评价 化学成份、结构、颗粒度、形貌化学成份、结构、颗粒度、形貌 三、电子瓷原料的选择三、电子瓷原料的选择1 1、在保证产品性能的前提下,尽量选择低纯度原料;、在保证产品性能的前提下,尽量选择低纯度原料; 2 2、各种杂质及种类对产品的影响要具体分析。、各种杂质及种类对产品的影响要具体分析。 杂质杂质利利:能对影响产品的不利因素进行克制,能与产品的某成:能对影响产品的不利因素进行克制,能与产品的某成份形成共熔物或固溶体从而促进烧结,降低烧结温度份形成共熔物或固溶体
5、从而促进烧结,降低烧结温度,使瓷件致密。,使瓷件致密。害害:产生各种不必要的晶相及晶格缺陷,影响产品性能:产生各种不必要的晶相及晶格缺陷,影响产品性能在在实验研究实验研究中,对电子陶瓷主晶相原料一般采用化学纯中,对电子陶瓷主晶相原料一般采用化学纯(CP99%CP99%)或分析纯粉料,而掺杂(也称小料)原料则应采)或分析纯粉料,而掺杂(也称小料)原料则应采用光谱纯(用光谱纯(GR99.9%GR99.9%)。)。73/92.1.3 原料的颗粒度与粉碎原料的颗粒度与粉碎一、电子陶瓷对粒度的要求一、电子陶瓷对粒度的要求 要求:愈细愈好,在要求:愈细愈好,在10m10m以下(称细粉)。以下(称细粉)。细
6、粒的优点:细粒的优点:1 1、有利于各组份混合均匀,使其在高温时反应物的生成也均匀,、有利于各组份混合均匀,使其在高温时反应物的生成也均匀,不偏离配方(不偏离配方(混合混合)。)。2 2、细粒有利于提高粉料的填充系数和造粒质量,从而提高坯体、细粒有利于提高粉料的填充系数和造粒质量,从而提高坯体的成型密度(的成型密度(成型成型)。)。3 3、提高粉料活性,降低烧成温度(、提高粉料活性,降低烧成温度(烧结烧结)。)。73/10二、原料的粉碎方法及原理二、原料的粉碎方法及原理粉碎粉碎( (三个方面三个方面) ):粉碎方法粉碎方法用机械装置对原料进行撞击、碾压、磨擦使原料用机械装置对原料进行撞击、碾压
7、、磨擦使原料 破碎圆滑。破碎圆滑。粉碎原理粉碎原理机械能转换为粉料的表面能和缺陷能,能量转换机械能转换为粉料的表面能和缺陷能,能量转换过程。过程。粉碎要求粉碎要求效率高,避免混入杂质。效率高,避免混入杂质。1 1、粉碎在短期内达到预定的细度或说达到某一细度所消耗的、粉碎在短期内达到预定的细度或说达到某一细度所消耗的能量少,时间短。能量少,时间短。2 2、尽量减少粉碎机械装置的杂质引入。、尽量减少粉碎机械装置的杂质引入。 73/11球磨机球磨机73/12(三)粒度测量(三)粒度测量 粒度的测量方法主要有筛分法、显微分析法、沉降粒度的测量方法主要有筛分法、显微分析法、沉降法、比表面积法、激光散色法
8、、电泳分析法、法、比表面积法、激光散色法、电泳分析法、X X射线衍射线衍射法等。射法等。73/133.1.4 电子陶瓷粉体的制备电子陶瓷粉体的制备要使制备的陶瓷具有良好的可靠性和重复性,具有如下特性:要使制备的陶瓷具有良好的可靠性和重复性,具有如下特性: (1)(1)化学成分配比准确化学成分配比准确。 (2)(2)粉体纯度高粉体纯度高:粉体中的杂质情况,关系到电子陶瓷的:粉体中的杂质情况,关系到电子陶瓷的各项物理性能能否得到保证;同时,对烧结过程也有不同程各项物理性能能否得到保证;同时,对烧结过程也有不同程度的影响。度的影响。 (3)(3)成分分布均匀成分分布均匀:成分分布的不均匀会使局部成分
9、配比:成分分布的不均匀会使局部成分配比偏离平均配比值,从而影响粉体的烧结及制品的性能。偏离平均配比值,从而影响粉体的烧结及制品的性能。 73/14(4)(4)粉体应尽可能具备成品所需的物相,并在烧结过程中不发粉体应尽可能具备成品所需的物相,并在烧结过程中不发生对产品性能不利的生对产品性能不利的相变相变。 (5)(5)粒度细粒度细:所以原粒大小常常决定了粉体的烧结性能。电子:所以原粒大小常常决定了粉体的烧结性能。电子陶瓷的额粒尺寸应在一定的范围内。陶瓷的额粒尺寸应在一定的范围内。(6)(6)粒度尺寸分布窄粒度尺寸分布窄:在一定温度下,尺寸不同的颗粒烧结速:在一定温度下,尺寸不同的颗粒烧结速度不同
10、。度不同。(7)(7)无团聚体无团聚体:要想获得理想的显微结构,粉体中不能有团聚:要想获得理想的显微结构,粉体中不能有团聚体存在。体存在。 具有以上各种性质的粉体,称为理想粉体。具有以上各种性质的粉体,称为理想粉体。机械研磨气流研磨机械制粉液体雾化蒸发凝聚物理制粉气相沉积还原化合电化学法化学制粉粉末的制备主要采用的方法主要采用的方法(一)固相烧结反应法制粉(一)固相烧结反应法制粉1 1、配料、配料 用用BaCOBaCO3 3和和TiOTiO2 2制备制备BaTiOBaTiO3 3烧块,其反应为烧块,其反应为 BaCOBaCO3 3+T+Ti iO O2 2 BaT BaTi iO O3 3+C
11、O+CO2 2 用用PbPb3 3O O4 4和和ZrOZrO2 2制备制备PbZrOPbZrO3 3烧块,其反应为烧块,其反应为 2Pb2Pb3 3O O4 4+6ZrO+6ZrO2 2 6PbZrO6PbZrO3 3+O+O2 2 固相烧结反应法固相烧结反应法 一般采用较多一般采用较多 溶液合成反应法溶液合成反应法 Sol-Gel Sol-Gel(溶胶(溶胶- -凝胶)法凝胶)法特殊要求的瓷料特殊要求的瓷料常见合成电子陶瓷主晶相的制粉工艺:常见合成电子陶瓷主晶相的制粉工艺:2 2、反应煅烧(预烧合成)、反应煅烧(预烧合成)过程:预烧料混均过程:预烧料混均烘干烘干装钵装钵低温煅烧低温煅烧如,
12、将如,将BaCO3和和TiO2混合煅烧则有下列反应:混合煅烧则有下列反应: BaCOBaCO3 3 BaO+COBaO+CO2 2 BaO+TiO BaO+TiO2 2 BaTiOBaTiO3 3 有关参数的确定有关参数的确定: 预烧温度的确定预烧温度的确定TG-DTATG-DTA(热重(热重差热)分析法。差热)分析法。 晶相种类鉴定晶相种类鉴定X X射线衍射法。射线衍射法。 粉料体系性能鉴定粉料体系性能鉴定粒径测量与分析。粒径测量与分析。 分解合成 合成过程的热分析曲线合成过程的热分析曲线 1-DTA差热分析曲线差热分析曲线, 2-TG失重曲线失重曲线, 3-收缩曲线收缩曲线(二)溶液合成反
13、应法制粉(二)溶液合成反应法制粉 1 1、溶液反应法的基本工艺、溶液反应法的基本工艺 基本工艺基本工艺: 制备金属盐的水溶液制备金属盐的水溶液 混合有关溶液制备混合有关溶液制备复盐复盐固液分离固液分离低温煅烧成活性粉料。低温煅烧成活性粉料。 2 2、溶液反应过程溶液反应过程 例如,配制例如,配制BaTBaTi iO O3 3和和SrTSrTi iO O3 3的固溶体(的固溶体(BaBa1-x1-xSrSrx x)T Ti iO O3 3,简称简称BSTBST。设设x=0.4x=0.4则分子式为则分子式为(Ba(Ba0.60.6 Sr Sr0.40.4)T)Ti iO O3 3,选原料为,选原料
14、为BaClBaCl2 2、SrClSrCl2 2、T Ti iClCl4 4。 按比例4 4、低温煅烧、低温煅烧 例:例:B aB a0 . 60 . 6S rS r0 . 40 . 4T Ti iO ( CO ( C2 2O O4 4) )2 2 4 H4 H2 2O O (Ba(Ba0.60.6SrSr0.40.4)T)Ti iO O3 3+2CO+2CO+2CO+2CO2 2+4H+4H2 2OO c4753 3、固液分离过程、固液分离过程 将将BaClBaCl2 2、SrClSrCl2 2、T Ti iClCl4 4溶液混合并保证溶液混合并保证BaBa2+2+:Sr:Sr2+2+:Ti
15、:Ti4+4+=6:4:10=6:4:10。 混合溶液慢慢滴入已加热至混合溶液慢慢滴入已加热至80808585,并快速搅伴着的草酸,并快速搅伴着的草酸溶液中则发生下列反应:溶液中则发生下列反应:0.6BaCl0.6BaCl2 2+0.4SrCl+0.4SrCl2 2+T+Ti iClCl4 4+2H+2H2 2C C2 2O O4 4( (草酸草酸)+5H)+5H2 2O O Ba Ba0.6 0.6 SrSr0.4 0.4 T Ti iO(CO(C2 2O O4 4) )2 2 4H 4H2 2O(4O(4水草酸钛锶钡沉水草酸钛锶钡沉淀淀)+6HCl )+6HCl c8580( (三三) )
16、 固相烧结反应法、溶液合成反应法制粉优缺点固相烧结反应法、溶液合成反应法制粉优缺点烧结法烧结法:(1)(1)煅烧温度高煅烧温度高。反应物以固态颗粒状结合,要形成相互固溶体,则遇到传质距离远,。反应物以固态颗粒状结合,要形成相互固溶体,则遇到传质距离远,接触面积小,所需激活能高的困难,故所要求的烧结反应温度也较高。接触面积小,所需激活能高的困难,故所要求的烧结反应温度也较高。(2)(2)颗粒较粗颗粒较粗,煅烧对象是非均匀混合态。,煅烧对象是非均匀混合态。(3)(3)有杂质混入有杂质混入。用机械方法碾碎和混均粉料,混入杂质的机会较大。用机械方法碾碎和混均粉料,混入杂质的机会较大。 (4)(4)工艺
17、流程环节较多工艺流程环节较多,设备较大、复杂化。有粉碎、预烧、再粉碎工序。,设备较大、复杂化。有粉碎、预烧、再粉碎工序。(5)(5)生产周期较短生产周期较短,制粉产量大,各种产品均适用。,制粉产量大,各种产品均适用。溶液法溶液法:(1)(1)煅烧温度低煅烧温度低。溶液法反应过程以离子状态进行,生成的沉淀物干燥后。溶液法反应过程以离子状态进行,生成的沉淀物干燥后稍加温度的激活就容易分解成比表面很大的粉料体系。稍加温度的激活就容易分解成比表面很大的粉料体系。 (2)(2)颗粒细颗粒细,煅烧对象是均相中获得的极其分散、极其均匀的混合态。,煅烧对象是均相中获得的极其分散、极其均匀的混合态。 (3)(3
18、)基本上无杂质混入基本上无杂质混入。没有了粉碎混合工序,减少了混杂。没有了粉碎混合工序,减少了混杂。 (4)(4)流程紧凑流程紧凑,设备简单。,设备简单。 (5)(5)生产周期长生产周期长,制粉量少,粉料损失严重且适用范围有限。,制粉量少,粉料损失严重且适用范围有限。73/23陶瓷粉体的塑化陶瓷粉体的塑化 由于电子陶瓷烧成后的加工是非常因难的,故所有电子陶瓷由于电子陶瓷烧成后的加工是非常因难的,故所有电子陶瓷器件在烧结之前都必须按其作用、功能的要求,预先制成必器件在烧结之前都必须按其作用、功能的要求,预先制成必要的形状。因此,对成型前的粉体就要求它具有一定的要的形状。因此,对成型前的粉体就要求
19、它具有一定的可可塑性塑性,即成型前需要添加一定数量的塑化剂。,即成型前需要添加一定数量的塑化剂。 塑化剂有无机塑化剂和有机塑化剂两类塑化剂有无机塑化剂和有机塑化剂两类。电子陶瓷一般采用。电子陶瓷一般采用有机塑化剂。有机塑化剂通常由有机塑化剂。有机塑化剂通常由粘合剂粘合剂、增塑剂增塑剂和和溶剂溶剂组成。组成。粘合剂的种类繁多,不同的成型方法,不同的粉体,往往采粘合剂的种类繁多,不同的成型方法,不同的粉体,往往采用不同的粘合剂。用不同的粘合剂。3、粉料的塑化和造粒、粉料的塑化和造粒73/24 (1)(1)粉体堆积密度越大越好粉体堆积密度越大越好。(2)(2)粉体形状近似球形粉体形状近似球形。事实证
20、明,近似球形的粒形,流动性好,。事实证明,近似球形的粒形,流动性好,可以得到较大的坯体密度。可以得到较大的坯体密度。 (3)(3)粒度配合粒度配合。球形助体的流动性虽好,但其。球形助体的流动性虽好,但其堆积堆积密度不够理想。密度不够理想。等径球的最紧密堆集,也有等径球的最紧密堆集,也有2626的空隙为了进一步提高堆集的空隙为了进一步提高堆集密度,必须有更小的球粒来填充此空隙。密度,必须有更小的球粒来填充此空隙。经验证明,粗、细粒的半径比可变化于经验证明,粗、细粒的半径比可变化于3 3:1 11010:1 1之间,而粗、之间,而粗、细粒的体积比应大于细粒的体积比应大于2 2:1 1才能得到较大的
21、坯体密度。才能得到较大的坯体密度。 73/25主要知识点:主要知识点: 2.1 电子陶瓷粉体制备电子陶瓷粉体制备 2.3 电子陶瓷的烧结电子陶瓷的烧结 2.4 电子陶瓷的后处理技术电子陶瓷的后处理技术 第二章第二章 电子陶瓷原料选择与制备工艺电子陶瓷原料选择与制备工艺成型成型:由坯料(泥料)加工成坯体的工序称为成型。:由坯料(泥料)加工成坯体的工序称为成型。 典型的成型方法与适用范围典型的成型方法与适用范围: 干压(片状)、挤压(圆柱、圆筒状)、轨膜(薄片状)、干压(片状)、挤压(圆柱、圆筒状)、轨膜(薄片状)、注浆、热压铸、车坯(较为复杂的形状)、流延、印刷(膜注浆、热压铸、车坯(较为复杂的
22、形状)、流延、印刷(膜状)。状)。 2.2.1 概述概述成型的目的是将调整好的粉体通过压制、粉浆浇注、注射、成型的目的是将调整好的粉体通过压制、粉浆浇注、注射、 挤压、轧制等方法制成具有要求形状的坯体,以便进行烧挤压、轧制等方法制成具有要求形状的坯体,以便进行烧结。结。 73/27成型方法特点成型方法特点成型方法成型方法加压范围加压范围加压温度加压温度模具材料模具材料使用范围及特使用范围及特点点金属模压成型金属模压成型40-100Mpa常温常温高碳钢、硬质高碳钢、硬质合金合金形状简单,尺形状简单,尺寸小,批量大寸小,批量大的制品的制品等静压成型等静压成型70-200Mpa常温常温乳胶、橡胶乳胶
23、、橡胶形状复杂,尺形状复杂,尺寸不大,批量寸不大,批量小的制品小的制品粉浆浇注成型粉浆浇注成型常压常压常温常温石膏石膏形状很复杂,形状很复杂,尺寸大的制品尺寸大的制品挤压成型挤压成型0.7-7Mpa冷挤:冷挤:40-200热挤:热挤:800-1200高碳钢、普通高碳钢、普通钢钢棒、管及截面棒、管及截面积不规则的长积不规则的长条形制品条形制品73/28各种成型技术的比较各种成型技术的比较成型方法成型方法成型用料成型用料均匀性均匀性效率效率成本成本干压成型干压成型粉体粉体差差中等中等低低等静压等静压粉体粉体中等中等中等中等中等中等挤压挤压塑性体塑性体中等中等高高中等中等注浆注浆悬浮体悬浮体中等中等
24、低低低低流延成型流延成型悬浮体悬浮体好好高高中等中等注射成型注射成型塑性体塑性体好好中等中等高高73/29成型设备成型设备73/302.2.2 干燥与排塑干燥与排塑干燥是借助热能使坯体中的水分汽化,并由干燥介质带走的干燥是借助热能使坯体中的水分汽化,并由干燥介质带走的过程。这个过程是坯料和干燥介质之间的传热传质过程。过程。这个过程是坯料和干燥介质之间的传热传质过程。 结合形式结合形式特点特点备注备注化学结合水化学结合水参与物质结构,结合参与物质结构,结合形式最牢固,排出时形式最牢固,排出时必须有较高的能量必须有较高的能量排出温度高,烧成时排出温度高,烧成时才能排除才能排除吸附水吸附水物质表面的
25、原子有不物质表面的原子有不饱和键,它与分子间饱和键,它与分子间产生引力,从而出现产生引力,从而出现润湿于表面的吸附水润湿于表面的吸附水层。这种水密度大,层。这种水密度大,冰点低。冰点低。排除吸附水没有实际排除吸附水没有实际意义,因为坯体很快意义,因为坯体很快又从空气中吸附水分又从空气中吸附水分达到平衡达到平衡机械结合水机械结合水/收缩水收缩水又称自由水,它分布又称自由水,它分布在物质固体颗粒之间在物质固体颗粒之间从工艺上讲,干燥过从工艺上讲,干燥过程只排除自由水。程只排除自由水。水与坯料的结合形式水与坯料的结合形式73/31全部干燥过程分为三个阶段全部干燥过程分为三个阶段。 第一阶段,只有收缩
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