精细陶瓷工艺学

精细陶瓷具有优异的力学和物理性能，广泛应用于工业、国防和军工领域，促进了相关领域的技术进步，成为现代工业不可缺少的关键材料之一。
我国的精细陶瓷技术起步较晚。近年来，在863计划、973计划、国家自然科学基金等研究经费的支持下，我国的精细陶瓷技术得到了迅速的发展，尤其是在精细陶瓷材料的基础研究方面，已经达到世界先进水平。但在精细陶瓷的工艺和装备技术方面，我国与美国、日本、德国等先进国家相比，仍存在明显的差距，导致许多高技术产业需要的关键高性能精细陶瓷部件和装备不得不大量从国外进口。因此，迫切需要提高我国精细陶瓷的制造水平。
精细陶瓷的制备工艺包括陶瓷粉体的制备及处理技术、按照一定配方的混料技术、坯体的成型技术、烧结技术、陶瓷零件的精密加工技术等。合理的陶瓷生产工艺既可以保证陶瓷产品具有优异的性能又可以维持产品合理的成本，同时还可以保证精细陶瓷产品批量生产的质量稳定性，是精细陶瓷产品能否成功推广应用的关键。
精细陶瓷对原料和制备工艺的要求比传统陶瓷高得多、复杂得多。制定一套合理的精细陶瓷生产工艺，既需要陶瓷工作者对精细陶瓷的各种工艺方法和设备有深入的了解，又需要他们具有丰富的实践经验。近年来，广大科技工作者针对精细陶瓷的特点和实际需求开发推广了包括粉体制备、成型和烧结的多种新技术及新工艺，有力地促进了我国精细陶瓷技术的发展，提高了我国精细陶瓷相关技术人员的技术水平，对我国精细陶瓷产业的发展具有重要意义。
《精细陶瓷工艺学》是清华大学材料科学与工程系无机非金属材料专业的一门重要的专业课程，深受广大学生的喜爱。我们以长期使用的课堂讲义和课件为基础、结合长期的教学经验和在精细陶瓷研究开发方面的实践经验编写了本书，既可供《精细陶瓷工艺学》课程教学使用，也可作为科研人员和工程技术人员的参考用书。
该书由齐龙浩和姜忠良编写，内容包括精细陶瓷常用原料的生产工艺和检测方法，常用的成型、烧结和加工工艺等。在编写过程中，参考引用了许多文献中的文字和图片，有关参考文献一并列入本书正文后面，在此向所有参考文献的作者表示感谢。
由于水平所限和经验不足，本书难免存在某些错误和不足之处，欢迎广大专业人员和读者批评指正。

作者 
2020年3月于清华园

《精细陶瓷工艺学》共分9章：1.导论； 2.精细陶瓷常用原料； 3.精细陶瓷的粉体制备； 4.精细陶瓷粉体的特征检测与加工处理； 5.精细陶瓷的成型与坯体干燥； 6.精细陶瓷的烧结； 7.精细陶瓷的加工和后续处理； 8.特殊形体精细陶瓷的制备； 9.人工晶体的制备，较全面地讲述了精细陶瓷的各种制备工艺方法，具有较强的科学性、系统性、先进性和实用性。

齐龙浩，男，1963年9月出生，现任清华大学材料科学与工程系系主任助理，副教授；中国机械工程学会材料分会理事和工程陶瓷专业委员会委员。1983年毕业于湖南大学机械系，1986年在清华大学材料科学与工程系获得工学硕士学位，1995－1997年作为访问学者在美国密执安大学进行合作研究；1992－2001年兼任北京方大高技术陶瓷有限公司总工程师，长期从事无机非金属材料的研究、开发与生产工作。先后承担参加并圆满完成了多项国家科委“八五”、“九五”科技攻关项目和产学研工程项目，“十五”、“十一五”国家863项目、国家重大科技专项等。在国内外学术刊物上发表学术论文70余篇。姜忠良，男，1945年11月生，清华大学材料科学与工程系教授。1970年清华大学冶金系金属材料本科毕业，1982年清华大学机械系金属材料硕士研究生毕业。长期从事电工钢、非晶态材料、铁氧体、NdFeB稀土永磁材料、纳米双相稀土磁性材料的研究与教学。负责和参与研究了多项国家自然科学基金项目、863高技术项目和国际合作项目。已获得国家专利6项，申请国家专利5项、国际专利3项。发表SCI收录论文近30篇，EI收录30余篇，其他学术论文100余篇。

第1章 导论 1
1.1　陶瓷概述 1
1.1.1　陶器与瓷器 1
1.1.2　中国陶瓷 2
1.2　精细陶瓷 4
1.2.1　精细陶瓷与传统陶瓷 4
1.2.2　精细陶瓷的类型与应用 5
1.3　陶瓷制备工艺 10
1.3.1　传统陶瓷制备工艺 10
1.3.2　精细陶瓷制备工艺 12
1.4　精细陶瓷制备工艺的发展前景 14
1.4.1 气相凝聚法制备纳米粉体 14
1.4.2 精细陶瓷胶态成型技术 15
1.4.3 快速原型制造技术 15
1.4.4 微波烧结和放电等离子烧结 15
1.4.5 纳米陶瓷材料的制备 15
思考题 16
　　
第2章 精细陶瓷常用原料 17
2.1　天然矿物原料 17
2.1.1　黏土类原料 17
2.1.2　石英类原料 21
2.1.3　长石类原料 23
2.2　常用人工合成原料 24
2.2.1　氧化铝（Al2O3） 24
2.2.2　氧化锆（ZrO2） 27
2.2.3　氧化镁（MgO） 32
2.2.4　氧化铍（BeO） 33
2.2.5　二氧化钛（TiO2） 34
2.2.6　碳化物陶瓷原料 38
2.2.7　氮化物陶瓷原料 44
2.2.8　硅化物陶瓷原料 53
2.2.9　硼化物陶瓷原料 56
2.2.10　电子陶瓷原料 58
思考题 64

第3章 精细陶瓷的粉体制备 65
3.1　固相合成法 65
3.1.1　概述 65
3.1.2　烧结法 67
3.1.3　热分解法 67
3.1.4　氧化物还原-化合法 68
3.1.5　自蔓延高温合成法 68
3.1.6　机械化学法 70
3.2　液相合成法 70
3.2.1　沉淀法 71
3.2.2　水解法 74
3.2.3　溶胶-凝胶法 77
3.2.4　水热合成法 77
3.2.5　冷冻干燥法 78
3.2.6　微乳液合成法 79
3.2.7　喷雾法 82
3.3　气相合成法 84
3.3.1　蒸发氧化法 85
3.3.2　等离子体加强化学气相反应法 87
3.3.3　激光诱导化学气相沉积法 91
3.3.4　其他气相合成方法 94
3.4　机械粉碎法 98
3.4.1　球磨 99
3.4.2　振动磨 102
3.4.3　搅拌磨 104
3.4.4　气流粉碎 106
思考题 110
第4章 精细陶瓷粉体的特征检测与加工处理 111
4.1　精细陶瓷粉体的特征检测 111
4.1.1　精细陶瓷粉体的特征要求 111
4.1.2　粉体颗粒的粒度、粒度分布及形状 112
4.1.3　粉体的表面特征 121
4.1.4　粉体的填充特性 123
4.2　粉体的加工和处理 126
4.2.1　预烧（煅烧） 126
4.2.2　水洗、酸洗、除铁 127
4.3　配料与混料 127
4.3.1　配料 127
4.3.2　粉料的混合 133
4.4　混合粉体成型前的预处理 133
4.4.1　造粒 134
4.4.2　塑化 136
4.4.3　陈腐与练泥 139
4.4.4　陶瓷浆料悬浮处理 142
思考题 147

第5章 精细陶瓷的成型与坯体干燥 148
5.1　干法成型 148
5.1.1　干压成型 148
5.1.2　等静压成型 153
5.2　塑法成型 156
5.2.1 旋坯成型 156
5.2.2　塑压成型 161
5.2.3　轧膜成型 163
5.2.4　挤出成型 164
5.3　湿法成型 166
5.3.1　注浆成型 166
5.3.2　热压铸成型 170
5.3.3　流延成型 174
5.4　新型成型方法 178
5.4.1　注射成型 178
5.4.2　凝胶注模成型 183
5.4.3　直接凝固成型 188
5.4.4　快速无模成型 192
5.5　坯体干燥 200
5.5.1　干燥的作用与过程 200
5.5.2　干燥收缩及影响因素 202
5.5.3　干燥方法 203
思考题 211

第6章 精细陶瓷的烧结 212
6.1　陶瓷烧结的基本概念与理论 212
6.1.1　烧结及相关概念 212
6.1.2　烧结的几个阶段及组织变化 213
6.1.3　烧结过程的物质传递 217
6.2　烧结的影响因素 221
6.2.1　陶瓷烧结时的物理化学变化 221
6.2.2　温度对烧结的影响 222
6.2.3　影响烧结的其他因素 224
6.3　烧结工艺方法 227
6.3.1　烧结工艺的划分 227
6.3.2　反应烧结 228
6.3.3　热压烧结 230
6.3.4　热等静压烧结 233
6.3.5　气氛烧结 238
6.3.6　气氛压力烧结 239
6.3.7　放电等离子烧结 240
6.3.8　微波烧结 243
6.4　精细陶瓷常用烧结炉 245
6.4.1　间歇式烧结炉 245
6.4.2　连续式烧结炉 248
6.4.3　烧结炉的加热系统与耐火保温材料 250
6.4.4　烧结炉选择注意事项 251
6.5　炉温测量与控制 254
6.5.1　热电偶测温 254
6.5.2　热电阻测温 259
6.5.3　辐射测温 259
6.5.4　三角锥测温 263
6.5.5　炉温的控制 265
思考题 267

第7章 精细陶瓷的加工和后续处理 268
7.1　精细陶瓷的加工 268
7.1.1　精细陶瓷加工的特殊性与原则 268
7.1.2　精细陶瓷加工的类型 269
7.2　精细陶瓷的磨削加工 269
7.2.1　磨削加工材料去除的理论 270
7.2.2　精细陶瓷精密磨削工艺的制定 272
7.2.3　陶瓷磨削技术的进展 280
7.3　精细陶瓷的研磨与抛光 282
7.3.1　研磨与抛光的作用 282
7.3.2　研磨、抛光的工艺因素及选择原则 283
7.3.3　超光滑表面抛光 286
7.3.4　常见的研磨、抛光设备 286
7.4　精细陶瓷的特殊加工技术 288
7.4.1　超声波加工技术 288
7.4.2　电火花加工技术 289
7.4.3　激光加工技术 293
7.4.4　高压磨料水加工 294
7.4.5　黏弹性流动加工 295
7.5　精细陶瓷典型零件的机械加工 295
7.5.1　抗弯强度试条的加工 295
7.5.2 光刻机陶瓷微动块的加工 298
7.5.3　光纤连接器陶瓷套管的加工 299
7.5.4　陶瓷刀具的加工 301
7.5.5　半导体硅片的加工 305
7.6　精细陶瓷的表面金属化 306
7.6.1　被银法 306
7.6.2　烧结金属粉末法 309

7.7　精细陶瓷的封接 313
7.7.1　钎焊封接 313
7.7.2　玻璃焊料封接 315
7.7.3　其他封接方法 317
思考题 318

第8章 特殊形体精细陶瓷的制备 319
8.1　陶瓷薄膜的制备 319
8.1.1　概述 319
8.1.2　气相沉积法 320
8.1.3 液相沉积法 329
8.1.4 热喷涂法 331
8.1.5　热氧化法 333
8.2 陶瓷纤维的制备 333
8.2.1 碳纤维 334
8.2.2 玻璃纤维 336
8.2.3 硼多晶纤维 340
8.2.4 碳化硅多晶纤维 340
8.2.5 高熔点氧化物纤维 343
8.2.6 Tyranno陶瓷纤维 344
8.2.7 硅酸铝非晶质纤维 344
8.2.8 静电纺丝工艺制备纳米纤维 346
8.3 陶瓷晶须的制备 349
8.3.1 碳化硅晶须 349
8.3.2 氮化硅晶须 349
8.3.3 Al2O3晶须 351
8.4 陶瓷微小球的制备 351
8.4.1 机械法 351
8.4.2 熔融法 352
8.4.3 溶液法 353
8.5 多孔陶瓷的制备 359
8.5.1 概述 359
8.5.2 挤压成型法 360
8.5.3 颗粒堆积法 361
8.5.4 气体发泡法 362
8.5.5 有机泡沫体浸渍法 363
8.5.6 添加造孔剂法 367
8.5.7 溶胶-凝胶法 368
8.5.8 SiO2气凝胶的制备 369
8.5.9 多孔陶瓷制备方法比较 371
思考题 372

第9章 人工晶体的制备 373
9.1 熔体生长法 373
9.1.1 焰熔法 374
9.1.2 晶体提拉法 377
9.1.3 熔体导模法 379
9.1.4 坩埚下降法 382
9.1.5 冷坩埚熔壳法 384
9.1.6 区域熔炼法 386
9.1.7 热交换法 388
9.2 溶液生长法 390
9.2.1 基本原理 390
9.2.2 缓冷法 392
9.2.3 流动法（温差法） 393
9.2.4 水热法 394
9.2.5 助熔剂法 396
9.2.6 蒸发法 402
9.3 气相生长法 403
9.3.1 概述 403
9.3.2 气相法制备碳化硅单晶 404
9.4 固相生长法 405
9.4.1 高温高压法制备金刚石 406
9.4.2 高温高压法制备翡翠 412
思考题 416

参考文献 417

《精细陶瓷工艺学》系统讲述了精细陶瓷的各种制备工艺，既包括已经成熟的工艺，也包括此领域中*发展的工艺技术和方法，以及作者所在课题组和清华大学先进陶瓷与精细工艺国家实验室多年的研究成果，尤其是精细陶瓷零部件的全套制备工艺。
《精细陶瓷工艺学》可作为高等院校材料、机械、化工、航空、热能、信息、光学等专业的教学用书，也可用作一般工程技术人员和科研工作者的参考书。