《无机材料专业实验》课程
课程编号：432307
实验指导书
	主撰人：	胡继林
	审核人：	吴超富
化学与材料科学系
材料化学教研室
二○一二年六月

目 录

	前 言	1
实验1	筛析法测定粉体的粒度分布	2
实验2	普通陶瓷样品的制作
实验3	材料体积密度、吸水率及气孔率的测定
实验4	真空热压炉的使用
实验5	碳热还原法制备碳化钛超细粉末的研究
实验6	氧化铝超微粉体的液相法合成
实验7	氧化铝陶瓷的制备及其性能测定

前 言

实验总体目标:	对无机材料制备技术进行综合训练。
适用专业年级:	材料化学专业三年级第六学期
实验课时分配:	70学时

序号	实验项目	要求	类型	每组人数	实验 学时
1	筛析法测定粉体的粒度分布	必做	验证	5-7	5
2	普通陶瓷样品的制作	必做	综合	5-7	10
3	材料体积密度、吸水率及气孔率的测定	必做	验证	5-7	5
4	真空热压炉的使用	必做	验证	5-7	5
5	碳热还原法制备碳化钛超细粉末的研究	必做	研究探索	5-7	15
6	氧化铝超微粉体的液相法合成	必做	综合	5-7	10
7	氧化铝陶瓷的制备及其性能测定	必做	研究探索	5-7	20

实验环境

要求每次提供的相关实验仪器使用正常，室内采光通风良好，供水、供电正常，消防设备齐全，疏散通道正常。

实验总体要求

通过本实验课程的教学，学生能基本上达到比较熟练独立完成实验内容，通过老师的指导可完成研究性实验内容，能将相关内容应用到课程设计、毕业论文等实践性环节中。

本课程的重点、难点及教学方法建议

1、重点：筛析法测定粉体的粒度分布；碳热还原法制备碳化钛超细粉末的研究；氧化铝粉体的合成与陶瓷的制备及其性能测定。

2、难点：各种材料制备的原理及其参数的控制。

3、教学方法建议：指导教师要注重内容的讲解、实验原理，同时重视部分实验的演示与指导，指导学生重视实验结果的分析与讨论，重视实验结果的影响因素的分析。

实验1 筛析法测定粉体的粒度分布

一、实验目的

筛析法是最简单的也是用得最早和应用最广泛的粒度测定方法，利用筛分方法不仅可以测定粒度分布，而且通过绘制累积粒度特性曲线，还可得到累积产率50％时的平均粒度。本实验用筛析法测粉体粒度分布，本实验的目的：.

1、了解筛析法测粉体粒度分布的原理和方法。

2、根据筛分析数据绘制粒度累积分布曲线和频率分布曲线。

二、实验原理

1、测试方法概述

筛析法是让粉体试样通过一系列不同筛孔的标准筛，将其分离成若干个粒级，分别称重，求得以质量百分数表示的粒度分布。筛析法适用约100mm至20μm之间的粒度分布测量。筛孔的大小习惯上用“目”表示，其含义是每英寸（25.4mm）长度上筛孔的数目，也有用1cm长度上的孔数或1cm²筛面上的孔数表示的，还有的直接用筛孔的尺寸来表示。筛分法常使用标准套筛，

筛析法有干法与湿法两种，测定粒度分布时，一般用干法筛分，若试样含水较多，颗粒凝聚性较强时则应当用湿法筛分（精度比干法筛分高），特别是颗粒较细的物料，若允许与水混合时，最好使用湿法。因为湿法可避免很细的颗粒附着在筛孔上面堵塞筛孔。另外，湿法可不受物料温度和大气湿度的影响，湿法还可以改善操作条件。所以，湿法与干法均己被列为国家标准方法并列作用，作为测定水泥及生料的细度。

筛析结果往往采用频率分布和累积分布来表示颗粒的粒度分布。频率分布表示各个粒径相对应的颗粒百分含量（微分型）；累积分布表示小于（或大于）某粒径的颗粒占全部颗粒的百分含量与该粒径的关系（积分型）。用表格或图形来直观表示颗粒粒径的频率分布和累积分布。

筛析法使用的设备简单，操作方便，但筛分结果受颗粒形状的影响较大，粒度分布的粒级较粗，测试下限超过38μm时，筛分时间长，也容易堵塞。

2、设备仪器工作原理

干筛法：置于筛中一定重量的粉料试样，借助于机械振动或手工拍打使细粉通过筛网，直至筛分完全后，根据筛余物重量和试样重量求出粉料试料的筛余量。

湿筛法：置于筛中一定重量的粉料试样，经适宜的分散水流（可带有一定的水压）冲洗一定时间后，筛分完全。根据筛余物重量和试样重量求出粉料试样的筛余量。

三、实验仪器与材料

1、实验仪器：标准筛、振筛机、托盘天平或电子天平、搪瓷盘、脸盆、烘箱等。

2、实验材料：氧化铝粉体或者其他粉体材料。

四、实验步骤

（一）干筛法

1、试样制备：用圆锥四分法缩分取样，准确称取100克。

2、套筛按孔径由大至小顺字叠好，并装上筛底，安装在振筛机上，将称好的试样倒入最上层筛子，加上筛盖。

3、开动振筛机，震动20分钟，然后依次将每层筛子取下，用手筛分，若l分钟所得筛下物料量小于筛上物料的1％，则认为已达筛分终点，否则要继续手筛至终点。

附：如没有振筛机，可用手均匀摇振筛子，每分钟拍打120次，每打25次将筛子转1/8圈，使试样分散在筛布上，拍打约10min，直至筛分终点（终点时拍打1min后筛下物小于筛上物料的1%）。

4、小心取出试样，分别称量各筛上和底盘中的试样质量，并记录于表中。

5、检查各层筛面质量总和与原试样质量之误差，误差不应超过2%，此时可把所损失的质量加在最细粒级中，若误差超过2%时实验重新进行。

（二）湿筛法

1、设备仪器准备：选定200目数筛子。

2、试样制备：用圆锥四分法缩分取样，准确称取5克。将试样放入烧杯中，加水搅拌成泥浆（如果难分散粉料，还需加入适量的分散剂）。

3、将上述泥浆倒入200目的筛上，然后在盛有清水的脸盆中淘洗或用水冲洗，直至水清为止，层筛上的残留物用洗瓶分别洗到玻璃皿中，放在烘箱内烘干至恒重，称量（准确至0.1克）测定筛余量。

五、数据记录

根据实验结果以列表的形式记录有关实验数据。

六、测试结果处理

1、实验误差=（试样质量-筛析总质量）/试样质量×100%

2、根据实验结果记录，在坐标纸上绘制筛上累积分布曲线R，筛下累积分布曲线D，频率分布曲线（粒度△d尽量减小，通常可取△d＝0.5mm）

七、思考题

1、用干筛法测定颗粒粒度分布的影响因素有哪些？

2、干筛法和湿筛法各有什么特点？

3、由粒度分布曲线如何判断试样的分布情况？

实验2 普通陶瓷样品的制作

一、 实验目的

1、 熟悉采用注浆成型法制作陶瓷样品的工艺；

2、 掌握注浆成型的方法和原理，熟悉常用的几种干燥方法和原理，熟悉实验室常用的高温试验仪器、设备的使用方法。

3、 掌握陶瓷烧结反应的原理，并学会初步判断陶瓷的常见烧成缺陷。

二、 实验原理

陶瓷制品的成型方法可以按坯料含水量、成型压力的施加方式等多种途径进行分类。目前根据坯料含水量进行分类最为常见，其主要分类为：①注浆成型法，坯料含水量30~40%。②可塑成型法，坯料含水量18~26%。③干压成型法，坯料含水量6~8%。④等静压成型法，坯料含水量1.5~3%。

注浆成型是基于石膏模(或多孔模)能吸收水分的特性，可分为三个阶段：①从泥浆注入石膏模吸入开始到形成薄泥层；②泥层逐渐增厚，直到形成注件；③从雏坯形成后到脱模为收缩脱模阶段。

使含水物料（如湿坯、原料、泥浆等）中的液体水汽化而排除的过程，称为干燥。对于陶瓷坯体而言，干燥的主要目的在于：1）提高生坯强度，便于后续工艺的进行；2）提高釉浆的吸附能力；3）使坯体具有较小的入窑水分，提高烧成速度，减少能耗，从而可以提高产品的质量。可采用的干燥方法有自然空气干燥法和人工干燥法。自然干燥法：将湿坯置于露天或室内的场地上，借助风吹和日晒的自然条件使物料得以干燥的办法。成本低，但干燥速度慢，产量低，劳动强度大，受气候影响大，难以适应大规模的工业生产。人工干燥法：也称机械干燥，将湿物料放在专门的设备中进行加热，使物料的水分蒸发而得以干燥。特征：干燥速度快，产量大，不受气候条件的限制，便于实现自动化，适合于工业生产。

陶瓷材料在烧成过程中，随着温度的升高，将发生一系列的物理化学变化。例如，原料的脱水和分解，原料之间新化合物的生成，易熔物的熔融，液相的形成，旧晶相的消失，新晶相的生成等等。随着温度的逐步升高，新生成的化合物量不断变化，液相的组成、数量及粘度也不断变化，坯体的气孔率逐渐降低，坯体逐渐致密，直至密度达到最大值，此种状态称为“烧结”。坯体在烧结时的温度称为“烧结温度”。

陶瓷材料的烧结过程将成型后的可密实化的粉末，转化为一种通过晶界相互联系的致密晶体结构。陶瓷生坯经过烧结后，其烧结物往往就是最终产品。陶瓷材料的质量与其原料、配方以及成型工艺、陶瓷制品的性能、烧结过程等有很大关系。

三、 实验仪器与原料

1、 实验仪器：球磨机、石膏模、修坯刀、干燥箱、高温电阻炉（最高温度为1400℃）。

2、 实验材料：注浆用泥浆、上釉用釉浆。

四、 实验步骤

1、使用制备好的泥浆料，倒入石膏模中采用注浆成型制出实验样品；

2、将成型后的样品放在干燥箱中进行干燥；

3、将干燥后的陶瓷样品进行施釉（事先配制好釉浆备用）；

4、将干燥后的样品放在箱式电炉中烧成至所要求的温度并保温一段时间，关掉电源；

5、将炉温降至室温后，取出实验样品，同时对烧结后的样品进行外观缺陷分析。

五、思考题

1、陶瓷样品的成型主要有哪些方法？各有何特点？

2、陶瓷样品烧成前为什么要进行干燥？常见的干燥方法有哪些？

3、普通陶瓷在烧成过程中会发生哪些物理化学变化？

4、普通陶瓷常见的外观缺陷有哪些？

六、注意事项

1、陶瓷样品干燥时，取放样品要注意防止烫伤。

2、高温烧成时，移动或取放样品时，要切断电源，并注意防止高温烫伤。

3、初次使用时，要在指导教师指导下进行。

实验3 材料体积密度、吸水率及气孔率的测定

一、实验目的

1、掌握体积密度、吸水率、气孔率等概念的物理意义、测定原理和测定方法；

2、了解体积密度、吸水率、气孔率测试中误差产生的原因及防止；

3、学会用作图法求解烧结温度和烧结温度范围。

二、实验原理

材料吸水率、气孔率的测定都是基于密度的测定，而密度的测定则基于阿基米德原理。由阿基米德定律可知，浸在液体中的任何物体都要受到浮力(即液体的静压力)的作用，浮力的大小等于该物体排开液体的重量。重量是一种重力的值，但在使用根据杠杆原理设计制造的天平进行衡量时，对物体重量的测定已归结为对其质量的测定。

在工程测量中，往往忽略空气浮力的影响，在此前提下可推导出用称量法测定物体密度时的原理公式：

D = m₁D_L/(m₁-m₂) (3-1)

式中：D—测定物体密度，g·cm^-3；m₁—物体在空气中的质量，g；m₂—物体在液体中的质量，g；D_L—液体密度，g·cm^-3。这样，只要测出有关量并代入上式，就可计算出待测物体在温度t℃时的密度。

材料的密度，可以分为真密度、体积密度等。体积密度指不含游离水材料的质量与材料的总体积(包括材料的实体积和全部孔隙所占的体积)之比。当材料的体积是实体积(材料内无气孔)时，则称真密度。

气孔率指材料中气孔体积与材料总体积之比。材料中的气孔有封闭气孔和开口气孔(与大气相通的气孔)两种，因此气孔率有封闭气孔率、开口气孔率和真气孔率之分。封闭气孔率指材料中的所有封闭气孔体积与材料总体积之比。开口气孔率(也称显气孔率)指材料中的所有开口气孔体积与材料总体积之比。真气孔率(也称总气孔率)则指材料中的封闭气孔体积和开口气孔体积与材料总体积之比。

吸水率指材料试样放在蒸馏水中，在规定的温度和时间内吸水质量和试样原质量之比。在科研和生产实际中往往采用吸水率来反映材料的显气孔率。

无机非金属材料难免含有各种类型的气孔。对于如水泥制品、陶瓷制品等块体材料，其内部含有部分大小不同，形状各异的气孔。这些气孔中的一部分浸渍时能被液体填充。

将材料试样浸入可润湿粉体的液体中，抽真空排除气泡，计算材料试样排除液体的体积。便可计算出材料的密度。当材料的闭气孔全部被破坏时，所测密度既为材料的真密度。

为此，对密度、吸水率和气孔率的测定所使用液体的要求是：密度要小于被测的物体、对物体或材料的润湿性好、不与试样发生反应、不使试样溶解或溶胀。最常用的浸液有水、乙醇和煤油等。

陶瓷烧结温度是指陶瓷密度达到最大时的温度。因此，可以在坐标纸上以温度为横坐标，画出体积密度、气孔率和收缩率曲线，从曲线上确定烧结温度和烧结温度范围。

三、实验仪器与材料

1、实验仪器：液体静力天平，如图3-1所示；抽真空装置，如图3-2所示；烘箱；超声波清洗器；比重瓶、镊子、小毛巾、研钵、温度计等。

2、实验材料：实验室自制的陶瓷样品或市场购买的瓷砖等样品。

图3-1液体静力天平

1-天平；2-试样；3-有溢流孔的金属(玻璃)容器；

4-砝码；5-接溢流出液体的容器

图3-2材料密度和气孔率测试的真空系统

1一载物架；2—块状试样；3一真空干燥器；4一真空计；

5一旋塞阀；6一冲液瓶；7一三通旋塞阀；8一缓冲瓶；9一真空泵

四、实验步骤

1、先将陶瓷样品切取5块，每块试样30-60g。再将陶瓷试样用超声波清洗器清洗表面，在110℃(或在可允许的更高温度)下烘干至恒重(试样干燥至最后两次称量之差小于前一次的0.1％即为恒重)，置于干燥器中冷却至室温。

2、称取试样质量M₁。

3、将试样置于烧杯或其他清洁容器内，并放于真空干燥器内抽真空至<20Torr (1torr="0.133kPa)，保压5min，然后在5min内缓慢注入浸液(本实验用蒸馏水)，直至浸没试样，再保持<20Torr" 5min。将试样连同容器取出后，在空气中静置30min。

4、测定饱和试样的表观质量M₂：表观质量为饱和浸液的试样在浸液中称得的质量。将饱和试样吊在天平的吊钩上，并浸入有溢流管容器的浸液(本实验用蒸馏水)中，称取饱和试样的表观质量M₂。

5、测定饱和试样的质量M₃：将饱和了浸液的毛巾，小心地拭去饱和试样表面流挂的液珠(注意不可将大孔中的浸液吸出)，立即称取饱和试样的质量M₃。

6、测定渍用液体的密度D_L：浸渍液体在测试温度下的体积密度，可以采用定体积液体称重法、液体比重天平称重法或液体比重计测量法测定。精确至0.001g·cm^-3。本实验用蒸馏水为浸渍液体时，其密度可从相关资料中查出。

7、测定试样真密度D_t：将片状样品研磨成细粉末（手触摸无颗粒感），用粉末法测定其密度即为样品的真密度D_t。

8、由下列公式计算材料吸水率、气孔率、体积密度：

吸水率W_a= (M₃-M₁)/M₁×100% (3-2)

显气孔率P_a= (M₃-M₁)/( M₃-M₂)×100% (3-3)

体积密度D_b= (M₁×D_L)/( M₃-M₂) (3-4)

真气孔率P_t= (D_t-D_b)/D_t×100% (3-5)

闭气孔率P_c= P_t- P_a (3-6)

9、作图求解结温度和烧结温度范围：在坐标纸上以温度为横坐标，画出体积密度、气孔率和收缩率曲线，曲线上的拐点既为烧结温度，从烧结温度至试样出现变形的温度既为烧结温度范围。

五、思考题

1、测定材料真密度的意义是什么?

2、导致影响真密度测试准确性的因素是什么?

3、材料真气孔率、开口气孔率、闭口气孔率、吸水率和体积密度的意义与相互关系是什么?

4、怎样利用本实验的方法评价材料的烧结质量?

实验4 真空热压炉的使用

一、实验目的

1、 掌握热压烧结的基本原理和特点以及热压烧结适用的范围。

2、 了解真空热压炉的基本构造。

3、 掌握热压炉的基本操作要领。

4、 了解影响热压烧结的主要因素。

二、实验原理

热压烧结是区别于常规烧结的特种烧结方法之一，它是在对陶瓷或金属粉体加热的同时施加压力。装在耐高温的模具中的粉体颗粒在压力和温度的双重作用下，逐步靠拢、滑移、变形并依靠各种传质机制，完成致密化过程，形成外部轮廓与模腔形状一致的致密烧结坯体。

与常规烧结相比，由于致密化过程的加速，进行得较为彻底，热压烧结获得的坯体的气孔率减小，相对密度要高。同时，因为温度较低，时间较短，晶粒不易长大，获得的烧结坯体的晶粒比常规烧结的细小，气孔又少，因此相应的力学性能亦高。

热压烧结炉整体结构主要包括控制柜、变压器、炉体、增压泵、真空泵五个部分。其中：1）控制柜仪表上主要分：真空区、加热区、油压区。2）炉体部分三个窗口：观察孔、热电偶、红外测温仪。3）控制柜最下端真空度显示仪表：①高真空度表，此表显示最大真空度数量级10^-3。②低真空度表，此表数量级显示范围为10^-1-10⁵。4）压力仪表、真空度仪表与炉体连接处结构：①机械压力表（绝对值，压力在-0.1~+0.06MPa）。②真空度表（显示含氧量）。③正压控制表（控制放气阀，如采用氩气等气氛时，一般可设置+20KPa左右，则炉膛内会一直保持该正压状态，如过大时，放气阀门会自动弹开放气，等到降低到该设定值后再自动关闭放气阀门。）5）其他：发热材料为高纯石墨，最高烧成温度2000℃，内部烧成空间Φ90×120mm，只能在高真空或非氧化气氛下烧结。

三、实验仪器

真空热压炉、高纯Ar(纯度99.99%)一瓶。

四、操作步骤（以通氩气气氛烧结为例）

1、 检查：检查水、电等情况是否正常状态（通往油增压泵的进水管开小到最大进水量的1/3左右，其他进水管均开至最大。），同时检查控制柜的所有开关是否处于初始位置（开关位于手动位置或最小值）。

2、 合上各种开关：先合上热压炉控制柜内的2个开关，然后合上墙上3个电源控制开关，再合上真空计电源开关。

3、 装样品：放真空（注意：放完真空后，及时拧紧手动放气阀）→开炉门→取出大小盖子→放入装样品的坩埚→盖上大小盖子→关上炉门（炉盖锁头先不拧紧）→检查手动放气阀是否处于拧紧状态。

4、 抽真空、通氩气：打开机械泵、上蝶阀→抽低真空1min左右，锁紧炉体3个锁头→设定充气压力值（如22KPa~18KPa。具体操作：按下M键，St1为22.0，St2为18.0，再按下M键确定）→打开氩气瓶阀门→打开控制柜上的充气阀，同时关闭控制柜上的真空计开关、机械泵和上蝶阀→调节流量计大小合适（先调适当大些，当机械表上数值从负值到零值时，流量计调小至1~5之间）。

注意：如果是高真空烧结工艺，则第4步骤操作如下：依次打开机械泵、上蝶阀（抽低真空）、下蝶阀（抽高真空）→锁紧炉体3个锁头→打开扩散泵，保持45~60min→打开主挡板阀，同时关闭上蝶阀。

5、 升温程序设定及升温操作

5.1相关知识

1) A/M键：自动/手动转换键。通常做复位键，单击该键程序回到首位。

2) ?键：移位键。

3) ▲键：增加键或程序运行键（2个功能）。

4) ▼键：减少键或暂停键（2个功能）。

5) SET + ▼键：程序关闭键。

5.2 SET程序设定(以低温表为例)

1）OUtL-----显示当前段的功率

2）At ------YES/NO：自整定

3）AL1-----1400：转换报警温度

4）P t n-1：组别

5）SEG—1---0：1代表组别，0代表段数（可从0-8）

6）t I M R—00.00：当前运行的剩余时间

7）SV-1：设定温度

8）t m-1：设定时间

9）OUt –1：设定功率（所有段数均设为100.00）

5.3转换报警温度AL1设定值根据烧成温度T而定。

1）若烧成温度T<1400 ℃,则低温表上报警温度al1设定为1400；

2）若烧成温度T=1400~1445℃,则低温表上报警温度AL1设定为1450；

3）若烧成温度T=1450~1495℃,则低温表上报警温度AL1设定为1500；

4）若烧成温度T=1500~1900℃,则低温表上转换报警温度AL1设定为1400，而高温控制表上AL1设定为1200，AL2设定为2000。

5.4举例设计程序

例：用40min从室温25℃升至300℃，然后保温30min；再用40min升至800℃并在该温度下保温30min；再用35min升至1400℃并保温10min；继续用28min升至1800℃，保温60min后关闭炉子，随炉冷却至室温。

设定：所有OUT（功率值）=100

1）低温表上设定：

特别注意1：低温表上的AL1必须设定为1450，当温度高于1450℃后程序才会自动转换到高温表，继续按高温表的程序自动运行。

2）高温表上设定：

特别注意2：最后一段程序SV和TM均设定为（按上述程序设置，可能高温表上SV4只能调至800后调不到0，也不影响整个程序按设定的运行！）0，此外高温表上第5段以后的程序不用管，对已设定的程序运行没有影响。

5.5根据上述所设定的程序输入相应数值→按下复位键回到首位置→将控制柜上的相应开关打到自动位置→启动低温表上的运行键→程序即按设定的程序升温，达到设定的保温时间后自动关闭运行程序，随后自动开始自然冷却。

6、冷却过程操作

6.1当温度从1800℃高温自然冷却至1200℃时，系统会报警，此时低温表上会显示数值，且红外仪灯灭而热电偶指示灯亮。此时操作如下：低温表上按下“SET +▼”键（结束低温表上程序的运行），同时选择“热电偶控温方式”。则热压炉将继续自然冷却。

6.2当温度继续冷却至200℃左右时：关闭氩气瓶阀门和控制柜上充气阀→等待热压炉继续冷却至室温→按下机械泵和上蝶阀抽真空，使机械压力表显示微负压时，关闭上述泵和阀→松开炉体上3个锁头，破真空放气后，再开炉盖，取样品。→盖上炉盖，稍微抽一下真空，使炉膛保持微负压状态。

注意：如果是高真空烧结工艺，则第6.2步骤操作如下：关闭主挡板阀→关扩散泵→等待60min→关“下蝶阀”和“机械泵”→等炉温冷却到室温时，破真空放气后，再开炉盖，取样品。

6.3关闭所有电源开关，且控制柜上所有开关调至初始位置。

五、思考题

1、 热压烧结与常规烧结相比有何优点与缺点？

2、 热压烧结为什么能获得力学性能更高的材料？

六、注意事项

1、 任何人操作热压炉必须经过专门培训后才能使用。

2、 高强石墨模具和炉内其他石墨件（发热件、隔热屏等）均为易碎品，价值较高，不得敲击，要爱护。

3、 高真空规管特别易碎，整个烧结操作过程中切忌别碰上该部位！如在烧结过程中，不慎碰破该规管，则要学会熟练使用紧急备用塞子，以堵住该孔洞！

4、 热压炉应经常保持整洁，不用时应保持真空，否则下次使用时会导致抽真空效率降低。

5、 每次使用热压炉完毕后，应卸下红外仪用观察窗的玻璃清洁，否则可能导致高温段红外仪测温不准。

6、 每次实验后必须擦干净真空泵设备，经常检查真空泵油是否在2条红线之间，若低于下面红线则需要补充1号真空泵油到上面红线位置。

7、 每次实验盖炉盖时，可在密封圈上涂上适量的真空密封脂，增加炉体的密封效果。

8、 如在使用中发现机械泵、液压泵按下启动后不能够正常转动，可能是控制柜内部的热保护器过载保护，如果属于自动保护情况，则按下控制柜内部的RESET(FR1、FR2)按钮可解除。

实验5 碳热还原法制备碳化钛超细粉末的研究

一、实验目的

1、了解碳热还原法制备碳化钛粉末的基本原理和工艺流程。

2、熟悉操作热压烧结炉或者其他气氛炉等设备的正确使用方法。

3、掌握影响反应效果和粉末粒度的主要因素。

二、实验原理

碳化钛(TiC)具有优良力学性能、较高的断裂韧性、高熔点(3140℃)、高硬度(Hv=28-35GPa)、高弹性模量(460GPa)，同时还具有良好的导电性和优良的化学稳定性，是一种重要的工程陶瓷材料。由于其具有上述优异的各种性能，使得TiC和TiC基体复合材料广泛用于航空部件、切削刀具、防弹装甲、机械耐磨部件等。

要制备性能优良的TiC和TiC基体复合材料，获得超细且不团聚的TiC粉末非常重要。在粉末的各种化学合成法中，碳热还原法具有合成工艺简单、成本低等优点，目前成为工业化生产的主要方法。

利用二氧化钛与炭黑在高温下发生反应生成碳化钛的反应原理来制备粉末。通过控制两者的精确配料，球磨中加入分散剂六偏磷酸钠防止前驱体粉末发生团聚现象，同时控制好高温反应的温度和时间，可以制备得到比较理想的TiC超细粉末。

三、实验仪器与材料

1、实验仪器：电子天平，球磨机，干燥箱，热压烧结炉或者气氛炉，激光粒度分析仪等。

2、实验材料：二氧化钛，炭黑，六偏磷酸钠。

四、实验步骤

1、配料计算与称料：根据反应原理，计算好各原料的质量配比，然后按照设计的配方准确称量各种原料。分散剂的用量按粉重的1.5%加入。

2、前驱体原料粉末的球磨与干燥：将各原料粉末放置在球磨罐中，快速研磨混料3h，然后将浆料转入烘箱中于80℃下干燥24h。

3、干燥粉末的过筛处理：干燥后的粉末过筛(60目)处理。

4、高温制备TiC粉末：先制作好一个石墨盒子放入到石墨坩埚中，再取适量的粉末装入石墨坩埚中，在真空热压炉或其他气氛炉中在1350℃下合成TiC粉末(在设定的温度下保温1h，升温速率为15~20℃/min，保护气氛为氩气)，达到反应时间后，停止加热，随炉冷却至室温。

5、将所制备的TiC粉末在快速球磨机中球磨：加入无水乙醇为分散介质，球磨时间设定为0h、1h、2h、3h。

6、球磨不同时间后的TiC粉末进行粒度测试：采用激光粒度分析仪对所制备的粉末进行粒度及其分布测定。

五、实验记录与计算

1、对实验中相关的数据进行详细记录。

2、记录高温制备TiC粉末反应前后的重量，计算出反应的实际失重率。

3、记录球磨不同时间后的TiC粉末粒径及其分布情况，并进行分析。

六、思考题

1、在TiC粉末制备过程中影响粒度的主要因素有哪些？

2、影响激光法测试粒度试验结果的因素有哪些？

实验6 氧化铝超微粉体的液相法合成

一、实验目的

1、了解液相法合成超微粉体的基本原理和工艺流程。

2、着重掌握获得粉体前驱物及粉体的工艺步骤和有关原料、试剂用量的计算方法以及设备、器具的正确使用方法。

3、了解影响反应效果和粉体粒度等特性的主要因素。

二、实验原理

液相法是目前实验室和工业上合成超微细粉体最为广泛采用的方法，与固相法、气相法相比，它具有可精确控制化学组成、易于制备均匀的多组分粉体、易控制颗粒形状和粒径、颗粒表面活性好、成本较低等优点。液相法可分为物理法和化学法两大类，化学反应沉淀法是合成单一或复合金属氧化物超细颗粒时最普遍应用的方法。

它是在金属盐溶液中加入合适的沉淀剂，使溶液中发生化学反应生成不溶性的氢氧化物、碳酸盐、硫酸盐、醋酸盐等沉淀物，将沉淀固体物用固液分离方法分离出来，再经干燥、煅烧分解形成最终的氧化物或复合氧化物。

通过控制溶液的浓度、pH值、反应温度以及采取各种抗团聚的措施（如搅拌、超声振动、加入表明活性剂等），能够影响反应的速度，控制沉淀的形核率和长大速率，从而调节最终粉体的粒度。

三、实验仪器与材料

1、实验仪器：电动搅拌器、布氏漏斗、过滤装置、搪瓷托盘、干燥箱、刚玉坩埚、微波化学反应器、实验电炉、天平等。

2、实验材料：硫酸铝铵【NH₄Al（SO₄）₂?12H₂O】，试剂级；碳酸氢铵（NH₄HCO₃），分析纯；氨水（NH₃?H₂O），分析纯；蒸馏水或去离子水；无水乙醇，分析纯；聚乙二醇（相对分子质量1500或1000）。

四、实验步骤

1、配料计算与溶液配制：本次实验中，每次实验按最终合成100g或200g粉为计算依据。表面活性剂的用量按合成粉量的2%计算；氨水的浓度为25%（体积分数）；母液【NH₄Al（SO₄）₂?12H₂O】浓度本实验定为0.3mol/L；沉淀剂（NH₄HCO₃）的浓度本实验定为0.25mol/L。

2、反应沉淀：将NH₄HCO₃溶液缓慢滴入母液中并施以机械搅拌的混合方式，pH值控制在9~10，反应后继续搅拌2h。

3、洗涤与过滤：将沉淀物经多次洗涤-过滤的循环操作。

4、酒精处理：将前驱物与酒精充分搅拌后静置1h。

5、干燥、研细与过筛：将前驱物干燥后，研细过80目筛。

6、煅烧：将前驱物置于刚玉坩埚内，在电炉中于900℃煅烧1h。煅烧工艺为：升温速度约100℃/h，500℃保温1h，900℃保温1h，随炉冷却至100℃以下取出。

五、实验记录与计算

记录有关实验数据。

六、思考题

1、在超微粉体制备过程中影响粒度的主要因素有哪些？

2、使用酒精处理和添加聚乙二醇有何作用？

实验7 氧化铝陶瓷的制备及其性能测定

一、实验目的

1、 熟练掌握氧化铝陶瓷材料的制备工艺；

2、 掌握特种陶瓷的成型与烧结技术；

3、 掌握特种陶瓷材料的常见性能测试方法。

一、实验原理

氧化铝陶瓷具有机械强度高、绝缘电阻大、硬度高、耐磨、耐腐蚀及耐高温等一系列优良性能，广泛应用于陶瓷、纺织、石油、化工、建筑及电子等各个行业，是目前氧化物陶瓷中用途最广、产销量最大的陶瓷新材料。随着科学技术的发展及制造技术的提高，氧化铝陶瓷在现代工业和现代科学技术领域中得到越来越广泛的应用。

但氧化铝陶瓷的烧结温度较高，例如99氧化铝陶瓷的烧结温度可高达近1800℃。如此高的烧结温度将促使晶粒长大，残余气孔聚集长大，导致材料力学性能降低，同时也造成材料气密性差，且对窑炉耐火砖的损害较大。因此，降低氧化铝陶瓷的烧结温度，降低能耗，缩短烧成周期，减少窑炉和窑具损耗，从而降低生产成本，一直是企业所关心和急需解决的重要课题。

目前，氧化铝陶瓷低温烧结技术的研究工作已经很广泛和深入，通过添加剂来降低氧化铝陶瓷烧结温度已经取得显著成效。许多研究表明，添加剂主要通过两种方式促进Al₂O₃陶瓷的烧结：第一，与Al₂O₃形成固溶体，通过增大Al₂O₃的晶格畸变，使扩散速率变大，促进烧结。如TiO₂、Cr₂O₃、Fe₂O₃、MnO₂等；第二，添加剂本身或者添加剂与颗粒的重排，通过“溶解-沉淀”机理促进烧结，进而实现氧化铝陶瓷的烧结。这类添加剂的化学成分主要有：SiO₂、CaO、MgO、SrO、BaO等。

二、实验仪器与材料

1、 实验仪器：电子天平、球磨机、陶瓷研钵、成型机、游标卡尺、干燥箱、高温电阻炉、切片机、研磨抛光机、硬度计、万能材料试验机、吸水率测定仪等。

2、 实验材料：氧化铝、二氧化钛、二氧化锰、氧化镁。

三、实验步骤

1、按一定的配方称取原料，分别加入添加剂TiO₂（1.0~3.0%）以及MnO₂（3%）和MgO（1%）。加入去离子水球磨混料4h，将球磨后的氧化铝料浆倒入搪瓷盘中并置于干燥箱中烘干。

2、在所获得的氧化物粉末中加入一定量的粘结剂（如羧甲基纤维素CMC，一般1~1.5%）以及适量的去离子水（具体用量根据实际加入，一般7~10%），在研钵中充分混合均匀，再经40目筛处理。

实验室常采用聚乙烯醇（PVA）水溶液作粘结剂。其配制方法如下：PVA粉粒与去离子水用量约为5:100（重量），先把玻璃杯中的去离子水煮沸，再把按用量称取的PVA粉粒分批趁热撒入，并用玻璃棒搅拌，让PVA溶于水中（注意此时应停止加热，以防未溶的PVA沉于杯底时因过热而焦结），直至完全溶解至澄清便可使用。不同的成型方法，PVA颗粒与水的用量应有所调整。

3、将粉料在成型机中于一定压力下压制成型，成型坯体在干燥箱中进行干燥处理。

4、将干燥后的生坯先在高温炉中于500℃下保温1h排除有机物质，然后继续升温至1500℃下烧结，保温2h。升温速率（参考）：前500℃为2-3℃/min，500~1000℃为10℃/min，1000~1500℃为5℃/min。

5、将烧结后的样品进行切割、研磨并抛光后进行强度、硬度及吸水率等性能测试。

四、实验记录

1、 实验所用原料配方用量、粘结剂与水的用量；

2、 压制成型所用的压力、保压时间、成型后试样的尺寸和重量等；

3、 样品干燥的时间、温度以及干燥后样品的尺寸和重量；

4、 样品的烧结温度、保温时间、升温曲线、烧结后样品的尺寸和重量等；

5、 样品的强度、硬度、吸水率、体积密度等数值。

五、实验结果与分析

对实验结果进行整理与总结，并进行相应的分析讨论。

六、思考题

1、实现氧化铝低温烧结的方法有哪些？

2、从工艺上分析影响氧化铝陶瓷性能的因素有哪些？