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陶瓷及其加工工艺

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  陶瓷及其加工工艺_材料科学_工程科技_专业资料。陶瓷及其加工工艺 陶瓷定义 ? “陶瓷”这一名词源自古代希腊的“烧物”,它意味着陶器是经 焙烧而赋予其强度的材料,即陶瓷被定义为“经高温热处理工 艺所合成的非金属无机材料”。 ? 目前,陶瓷为所有

  陶瓷及其加工工艺 陶瓷定义 ? “陶瓷”这一名词源自古代希腊的“烧物”,它意味着陶器是经 焙烧而赋予其强度的材料,即陶瓷被定义为“经高温热处理工 艺所合成的非金属无机材料”。 ? 目前,陶瓷为所有无机非金属材料的简称。陶瓷材料也常称为 硅酸盐材料。 ? 全面的定义为:陶瓷是用天然或人工合成的粉状化合物,经过 成型和高温烧结制成的、由金属元素和非金属元素的无机化合 物构成的多相固体材料,包括陶器和瓷器,也包括玻璃、搪瓷、 石膏、水泥、石灰、砖瓦、耐火材料等人造无机非金属材料。 ? 近20年来,陶瓷材料有巨大的发展,许多新型陶瓷的成分远超 出硅酸盐的范畴,陶瓷的性能面临重大的突破,陶瓷的应用已 渗透到各类工业、各种工程和各个技术领域。 主要内容 ? 一、成份和特点 ? 二、分类 ? 三、性质 ? 四、陶瓷制品 ? 五、陶瓷的制造 ? 六、陶瓷的表面装饰技术 一、成份和特点 ? 传统意义的陶瓷主要指: ? 陶器和瓷器,也包括玻璃、搪瓷、耐火材料、 (硅酸盐类材料)砖瓦等。(用粘土、石灰 石、长石、石英等天然硅酸盐类矿物制成) ? 现今意义上的陶瓷: ? 变化巨大,许多新型陶瓷已经远远超出了硅 酸盐的范畴,是各种无机非金属材料的通称。 一、成份和特点 ? 陶瓷材料是由天然矿物质和人造化合物混合后,经磨 细、成型、烧结等工艺制成的。 ? 化学成分: ? 金属元素和非金属元素构成的简单化合物; ? 或复杂的多项固体混合物。 ? 结构组织: ? 离子晶体(大多)或共价晶体(较少)与含量不等的玻璃相 和气孔。 ? 一般特点: ? 耐高温、耐磨等。但受配方、成型工艺条件(影响陶瓷晶粒 的大小、晶界形状、气孔大小及分布、组织均匀性等)等的 影响。 二、分类 ? 陶瓷 ? 普通陶瓷(传统陶瓷) ? 日用、建筑、绝缘、化工、多孔陶瓷等 ? 特种陶瓷(现代陶瓷) ? 按性能分类: ? 高强度、高温、耐磨、耐酸、压电、电介质、电光和光学、 半导体、磁性、生物、导电、结构、超导、快离子导体陶瓷 等; ? 按化学组成分类: ? 氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、复合陶瓷(如氧氮 化硅铝陶瓷等)、金属陶瓷、纤维增强陶瓷 传统陶瓷与现代陶瓷的对比 陶瓷 新型陶瓷 传统陶瓷 种类 原料 成型 烧结 加工 性能 用途 传统陶瓷 新型陶瓷 天然矿物原料 人工精制合成原料(氧化物和非氧化物两大 类) 注浆、可塑成型为主 注浆、压制、热压注、注射、轧膜、流延、 等静压成型为主 温度一般在1350℃以下, 燃料以煤、油、气为主 结构陶瓷常需1600℃左右高温烧结,功能陶 瓷需精确控制烧结温度,燃料以电、气、油 为主 一般不需加工 常需切割、打孔、研磨和抛光 以外观效果为主 以内在质量为主,常呈现耐温、耐磨、耐腐 蚀和各种敏感特性 炊、餐具、陈设品 主要用于宇航、能源、冶金、交通、电子、 家电等行业 新型陶瓷 原料 氧化铝 氧化鋯 炭化硅 氮化硅 优点: 高强度、耐高温、耐腐蚀或各种敏感特性; 原料易于制备、产品附加值高、应用广。 陶瓷及其加工工艺 精陶 钠长石质瓷 釉及其分类 ? 釉是指附着于陶瓷坯体表面的连续玻璃质层。 ? 它具有与玻璃相似的某些物理与化学性质,但二者 并不完全相同。 ? 釉在溶化时必须很粘稠而不流动, 才能保证在烧 成时保持它原有的表面而不会流走,且能在直立的 表面上不致下坠。 某些艺术釉例外,如流动釉等, 它们在烧成时反倒应该具有较大流动性。 ? 陶瓷施釉的目的在于改善坯体的表面性能,提高力 学强度。 釉及其分类 ? 陶瓷的釉料应有下列性质: ? (1)釉料必须在坯体烧结温度下成熟; ? (2)釉料的组成要选择适当; ? (3)釉料在高温溶化后,要具有适当的粘度 和表面张力; ? (4)釉层质地坚硬,不易磕破或磨损。 釉的分类 三、陶瓷的性质 ? 用途不同,其性能的突出要求不一样。 ? 例如: ? 日用陶瓷强调白度与强度; ? 电瓷要求提高绝缘性; ? 机电工程结构材料用陶瓷,强调综合性能(机械强度、 耐高温、耐腐蚀、耐摩擦及硬度); ? 功能陶瓷在电、磁、光、声、热、力等方面应有特 殊功能; ? 化工陶瓷应有高耐腐蚀性,耐腐蚀、机械强度、抗冲 击强度和耐温度骤变。 (1)光学性质 ? 白度 ? 白度指陶瓷材料对白光的反射能力。 ? 透光度 ? 透光度是指瓷器允许可见透光的程度。常用透过瓷片的 光强度与入射在瓷片上的光强度之比来表示。 ? 可透光程度与厚度、配料、烧制及显微结构有关。 ? 光泽度 ? 光泽度指陶瓷器表面对可见光的反射能力。光泽度决定 于瓷器表面的平坦与光滑程度(光洁度)。 (2)力学性质 ? 陶瓷材料最突出的缺点是脆弱,在外力的作用 下不发生显著的塑性变形即产生破坏 ? 抗压强度很高,但是稍受外力冲击便发生脆裂, 这使陶瓷材料的应用受到局限; ? 陶瓷材料的硬度很高,有些陶瓷具有超硬的特 点,用作刀具材料 。 ? 新型工业陶瓷有所改善。 (3)独特的物理化学性能 ? 陶瓷材料耐高温,是电和热的不良导体, 能承受外界温度急剧变化而不损坏。 ? 具有良好的耐酸能力,能耐有机酸和无机 酸及盐的侵蚀,但是抵抗碱的侵能力较弱。 (4)气孔率与吸水率 ? 气孔率是指陶瓷制品所含气孔的体积与 制品体积的百分比。 ? 气孔率的高低和密度的大小是鉴别和区分各 种陶瓷的重要标志。 ? 吸水率则反应陶瓷制品烧结后的致密程 度,随着陶瓷制品的用途不同而异。 四、陶瓷制品 ? 1.日用器皿和瓷器 ? 一般具有良好的光泽度、透明度,热稳定性和机械强度较 高。 ? 日用陶瓷通常分四大类(根据瓷质): ? 长石质瓷:是国内外常用的日用瓷,也可作一般工业瓷制品; ? 绢云母质瓷:是我国的传统日用瓷; ? 骨质瓷:近些年来得到广泛应用,主要作高级日用瓷制品; ? 滑石质瓷:我国发展的综合性能较好的新型高质日用瓷 ? 高石英质日用瓷(最近几年我国研制成功):石英质量 分数在40%以上,具有瓷质细腻、色调柔和、透光度好、 机械强度和热稳定性好等优点。 四、陶瓷制品 ? 2.普通工业用瓷 ? 有石器和精陶,炻器是介于陶器和瓷器之间的一种陶瓷(如 水缸、沙锅)。 ? 工业陶瓷按用途可分: ? 建筑卫生瓷:用于装钳板、卫生间装置及器具等,通常尺寸 较大,要求强度和热稳定性好; ? 电工瓷:主要指电器绝缘用瓷,也叫高压陶瓷,要求机械性 能高、介电性能和稳定性好。 ? 化学、化工瓷:用于化工制药、食品等工业及实验室中的 管道设备、耐蚀容器及实验器皿等,通常要求耐介质腐蚀的 能力要强。 四、陶瓷制品 ? 3.特种陶瓷(现代瓷、精细陶瓷或高性能陶 瓷) ? 在工业上主要是高温陶瓷,应用广,且很重要。 ? 高温陶瓷主要包括扩: ? (1)氧化物陶瓷 ? (2)硼化物陶瓷 ? (3)氮化物陶瓷 ? (4)碳化物陶瓷。 3.特种陶瓷 (1)氧化物陶瓷: ? 常用的纯氧化物陶瓷有: ? AL2O3、ZrO2、MgO、CaO、BeO、Th02和U02等 ? 特点: ? 熔点大多在2000℃以上,烧成温度在1800℃左右; ? 烧成温度时,氧化物颗粒发生快速烧结,形成大块陶瓷晶体 (是单相多晶体结构),有时有少量气体产生; ? 强度随温度的升高而降低,但在1000℃以下一直保持较 高的强度随温度变化不大。 ? 是高耐火度结构材料,在任何高温下都不会氧化。 ? (1)氧化物陶瓷 ? 氧化铝(刚玉)陶瓷: ? 根据含杂质的多少(在自然界中存在含少量Cr、Fe和Ti的 纯氧化铝)。氧化铝可呈红色(如红宝石)或蓝色(如蓝宝石)。 ? 熔点2050℃;抗氧化性好; ? 微晶刚玉的硬度极高(仅次于金刚石),并且其红硬性达 1200℃。 ? 广泛用作: ? 耐火材料(刚玉耐火砖、高压器皿、电炉炉管、热电偶 ? 套管等)。还可做人骨、牙等。 ? 要求高的各类工具(切削淬火钢刀具、金属拔丝模等) ? 使用性能皆高于其他工具材料。 ? 单晶体的纯氧化铝可作蓝宝石激光器;氧化铝管坯可用于纳蒸气 照明灯泡。 (1)氧化物陶瓷 ? 氧化铍陶瓷: ? 最大特点:导热性极好,所以热稳定性很高。 ? 强度性能虽不高,但抗热冲击性较高; ? 消散高能辐射的能力强、热中子阻尼系数大等。 ? 常用于制造坩埚, 还可作真空陶瓷和原子反应堆陶 瓷等。 ? 还可制造气体激光管、晶体管散热片以及集成电 路的基片和外壳。 (1)氧化物陶瓷 ? 氧化锆陶瓷: ? 熔点在2700℃以上,能耐2300℃的高温,推荐使用温度 ? 为2000℃。 ? 能抗熔融金属的侵蚀,所以多用作铂、锗等金属冶炼的坩埚 和1800℃以上的发热体及炉子、反应堆绝热材料等。 ? 氧化锆增韧氧化铝陶瓷材料: ? 强度达120OMPa、断裂韧性为15.OMPa?m1/2(比原氧化铝 提高近3倍。) ? 可替代金属制造模具(拉丝模、泵叶轮等);还可制造汽车 零件(凸轮、推杆、连杆等)。工件表面不生锈不导电。 还可做人工骨、关节等。 (2)碳化物陶瓷 ? 包括:碳化硅、碳化硼、碳化铈、碳化钼、 碳化铌、碳化钛、碳化钨、碳化钽、炭化 钒、碳化锆等。 ? 特点:熔点很高、硬度很大(近于金刚石)、耐 磨性很好。导热率很高,但耐高温氧化能力差(约 900℃—1000℃)。 ? 性脆 ? 主要应用于:制造加热元件(电炉内壁)、 砂轮及磨料等。 (3)硼化物陶瓷 ? 常见的有:硼化铬、硼化钼、硼化钛、硼化 钨和硼化锆。 ? 特点: ? 高硬度,耐化学侵蚀,熔点范围1800℃—2500℃ 有较强的抗高温氧化能力,使用温度达1400℃。 ? 主要应用于: ? 高温轴承、内燃机喷嘴、耐高温器件及电器触点。 (4)氮化物陶瓷 ? 最常用的是: ? 氮化硅(Si3N4)(稳定的共价键晶体,键能高) ? 氮化硼(BN)。 ? 特点: ? 硬度高、摩擦系数小有自润滑作用。在1200℃以下具有较高的机 械性能和化学稳定性能、热膨胀系数小、抗冲击。可做高温下的 结构材料。 ? 主要应用:高温轴承、转子叶片、刀具等。 ? 氮化硼(BN) ? 具有石墨类型的六方晶体结构,又称白色石墨。 ? 特点:硬度较低,可切削加工成型。导热和抗热性能高, ? 在高压和1360℃,六方氮化硼会转化为立方氮化硼β-BN, 密度为 3045*103kg/m3,硬度提高到接近金石的硬度,可作金刚石的代用 品。用于刃磨切刀具、高温模具和磨料。 ? 耐热性好,有自润滑作用,耐高温下的腐蚀、绝缘性好。 ? 主要应用:高温耐磨材料和电绝缘材料。 4.发光陶瓷材料 ? 是具有稀土离子激活特殊晶体结构的新型材料。它是到目前为 止最好的一种蓄光、发光材料。 ? 特点: ? 亮效率高、吸收和发射范围宽、荧光寿命长等优异光学性; ? 该材料经吸收各种可见光后,在暗处余辉发光时间可持续十几个小时以 上。其发光强度和持续时间是硫化锌型荧光粉十数倍以上。其吸光、发 光可无限次重复; ? 化学性能稳定,使用温度范围大;有良好的机械和热学性能。 ? 无毒、无害、无放射性元素,无环境污染。 ? 应用方面: ? 发射荧光的陶瓷着色剂:发光陶瓷材料可以制成细粉,做为广泛用于各 种涂料(油漆)和低温下生产与使用的其他各种材料中(塑料、橡胶、 油墨、胶片、各种纸、搪瓷釉、陶瓷釉等)。 ? 建筑装饰:可使建筑物的墙壁、门窗、厅柱、地面,在照明低的环境中 现出怡人的光辉和图案; ? 用于工艺美术:可制成在暗处放出美丽光彩的各种艺术品。 ? 交通运输:车辆夜间需显示的部位、标牌、道路、各类建筑物(障碍 物)、飞机轮胎在无照明情况下需显示各种标志。 ? 日常生活用品:钟表盘、手表盘、各种电源开关,电话按键,文具玩具, 服装装饰、饰品等。 陶瓷刀 陶瓷刀(Ceramic knife) ,一种新型厨具,不容 易磨损变钝。 优点: ?① 卫生抗菌:陶瓷晶粒细小,致密度高,可 减少细菌孳生机会,不与食物中的酸碱物质反 应,让食物口味完整保留。 ?② 抗金属过敏:陶瓷材质目前广泛应用于牙 材、人工关节之应用,它与肌肤接触不会对人 体造成金属过敏现象 ?③ 易清洁:使用完后可用水直接冲洗,易于 清洁。 ? ④ 材质特殊:陶瓷刀刃由一种先进陶瓷材 料所制,抗腐蚀,永不生锈。 ?⑤ 抗摔:采用陶瓷粉料经过超高温烧结制成 ,质地比普通陶瓷紧密得多,相应可以耐受大 得多的压力。 缺点:一旦刀刃变钝,只能用特殊的金刚石 磨盘来磨刀刃,价格昂贵。 在传统柴油机或燃气轮机用的金属零件中,铝合金的耐温极限 为350℃,钢和铸铁的为450℃,最好的超级耐热合金的也不能 超过1093℃,限制了发动机的工作温度(热效率)。汽缸工作温 度低不仅会由于燃料不能充分燃烧而造成能源浪费,而且使车 船飞机的速度受到了很大限制。 优点: ①耐高温陶瓷,如氮化硅陶瓷等代替合金钢制造陶瓷发动机, 其工作温度可达1300℃-1500℃。陶瓷发动机的热效率高,可 节省30%的热能,而且工作功率比钢质发动机提高45%以上。 ②陶瓷发动机无需水冷系统,其密度也只有钢的一半左右,这 对减小发动机自身重量也有重要意义。 五、陶瓷的制造 概述 ? 陶瓷的生产过程 将配制好的符合要求的坯 料用不同的成型方法,制 造出具有一定形状的坯体, 坯体经干燥、施釉、烧结 等工序,最后得到陶瓷制 品。 成型过程 ?原料处理 ?坯料的制备 ?坯体成型 坯体成型方法 ? 浇注成型 ? 压制成型 ? 热压注成型 成型基础 (一).坯料的成型性能 坯料分类: ? 可塑泥团 ? 泥浆 ? 粉料 成型基础 (二).调整坯料成型性能的添加剂 添加剂种类及其作用: 1. 解凝胶(又称解胶剂,稀释剂) 主要用于注浆成型。 – 目的 改善泥浆的流动性。 – 应用 粘土质泥浆—无机电解质、有机酸盐类or聚合物电解质 瘠性料浆——有机酸盐类or聚合物电解质 成型基础 2.结合剂 用于可塑成型 ? 目的 度 提高可塑泥团的塑性,增强生坯的强 ? 种类 有机物及其溶液、无机物质 3.润滑剂 用于压制成型 – 目的 提高粉料的湿润性,减少粉料颗粒之 间及粉料与模具之间的摩擦,以增大压制 坯体的密度。 新型陶瓷 生产过程 配料 坯料制备 成型 烧结 后续加工 (1)配料 制作陶瓷制品,首先要按瓷料的组成,将所需各种原 料进行称量配料,它是陶瓷工艺中最基本的一环。称料务必 精确,因为配料中某些组分加入量的微小误差也会影响到陶 瓷材料的结构和性能。 新型陶瓷 生产过程 (2)坯料制备 配料后应根据不同的成形方法,混合制备成不同形 式的坯料。 如用于注浆成形的水悬浮液;用于热压注成形的热 塑性料浆;用于挤压、注射、轧膜和流延成形的含有机塑化 剂的塑性料;用于干压或等静压成形的造粒粉料。 混合一般采用球磨或搅拌等机械混合法。 (3)成形 是将坯料制成具有一定形状和规格的坯体。成形技术与 方法对陶瓷制品的性能具有重要意义,由于陶瓷制品品种繁多, 性能要求、形状规格、大小厚薄不一,产量不同,所用坯料性 能各异,因此采用的成形方法各种各样,应经综合分析后确定。 新型陶瓷 生产过程 (4)烧结 是对成形坯体进行低于熔点的高温加热,使其粉体间 产生颗粒粘结,经过物质迁移导致致密化和高强度的过程。只 有经过烧结,成形坯体才能成为坚硬的具有某种显微结构的陶 瓷制品(多晶烧结体),烧结对陶瓷制品的显微组织结构及性 能有着直接的影响。 (5)后续加工 陶瓷经成形、烧结后,还可根据需要进行后续精密加工, 使之符合表面粗糙度、形状、尺寸等精度要求,如磨削加工、 研磨与抛光、超声波加工、激光加工甚至切削加工等。切削 加工是采用金刚石刀具在超高精度机床上进行的,目前在陶 瓷加工中仅有少量应用。 新型陶瓷 成型方法 一、浇注成型 浇注成型:陶瓷原料粉体悬浮于水中制成料浆,然后注入模 型内成型,坯体的形成主要有注浆成型(由模型吸水成坯)、 凝胶注模成型(由凝胶原位固化)等方式。 (一) 注浆成型 注浆成型是将陶瓷悬浮料浆注入多孔质模型内,借助模型的 吸水能力将料浆中的水吸出,从而在模型内形成坯体。其工 艺过程包括悬浮料浆制备、模型制备、料浆浇注、脱模取件、 干燥等阶段。 空心注浆法示意图 空心注浆法示意图——续 传统陶瓷成型方法 可塑成型 ? 这是一种最古老也最广泛使用的成型方法 ? 将配料加水或塑化剂制成塑性泥料,后用手工或机 加工方法成型。在外力作用下,使坯料产生塑性变 形,从而制成生坯。 ? 按其操作方法不同,可塑成型可分为雕塑、印坯、 拉坯、旋压和滚压等种类,目前使用最广泛的是旋 压和滚压两种。 传统陶瓷成型方法 可塑成型 传统陶瓷成型方法 可塑成型 旋压 滚压 其中,石膏模型和坯料旋转 新型陶瓷 成型方法 注浆成型工艺 1.悬浮料浆的制备 这是注浆成型工艺的关键工序,注浆成形料浆是陶 瓷原料粉体和水组成的悬浮液。 为保证料浆的充型及成型性,利于得到形状完整、 表面平滑光洁的坯体,减少成型时间和干燥收缩,减小 坯体变形与开裂等缺陷,要求料浆具有良好的流动性、 足够小的粘度(1Pa·s)、尽可能少的含水量、弱的触 变性(静止时粘度变化小)、良好的稳定性(悬浮性) 及良好的渗透(水)性等性能。 矛盾:新型陶瓷的原料粉体多为脊性料。必须采取 一定措施,才能使料浆具有良好的流动性与悬浮性,单 靠调节料浆水分是不可能的。 新型陶瓷 成型方法 注浆成型工艺 料浆悬浮的方法: (1)控制料浆的pH值,如Al2O3料浆在pH值为3或12时, 可获得较佳的流动性与悬浮能力; (2)加入适当的有机聚合电解质作分散剂,可降低料 浆含水量,提高料浆的流动性与悬浮性能。目前生产 上采用加入0.3%~0.6%陶瓷粉体的质量分数的阿拉伯 树胶、羧甲基纤维素、聚丙烯酸铵盐、聚甲基丙烯酸 铵盐等调制料浆,再配合pH值控制,可降低料浆含水 量(料浆中水的质量分数可低达20%~25%,甚至更 低),且具有良好的流动性。 料浆通常采用湿法球磨或搅拌调制。最常用的注 浆成形模型是石膏模,近年来也有用多孔塑料模的。 新型陶瓷 成型方法 注浆成型工艺 2.注浆方法 有实心注浆和空心注浆两种基本方法。另外, 为了强化注浆过程,铸造生产的压力铸造、真空 铸造、离心铸造等工艺方法也被用于注浆成形, 并形成了压力注浆、真空注浆与离心注浆等强化 注浆方法。 (1)实心注浆 料浆注入模型后,料浆中的水分同时被模型的两个工作 面吸收,注件在两模之间形成,没有多余料浆排出。 新型陶瓷 成型方法 a)实心注浆 b)空心注浆 c)离心注浆 (2)空心注浆 料浆注入模型后,由模型单面吸浆,当注件达到要求的厚 度时,排出多余料浆而形成空心注件。坯体外形由模型工作 面决定,坯体的厚度则取决于料浆在模型中的停留时间。 新型陶瓷 成型方法 (3)强化注浆 注浆成型工艺 在注浆过程中,人为地对料浆施加外力,以加速注浆过程 进行,提高吸浆速度,使坯体致密度与强度得到提高。强化 注浆法有真空注浆、离心注浆和压力注浆等。 适用范围:注浆成型适于制造大型厚胎、薄壁、形状复 杂不规则的制品。 优点:成型工艺简单, 缺点:劳动强度大,不易实现自动化,且坯体烧结后的 密度较小,强度较差,收缩、变形较大,所得制品的外 观尺寸精度较低,因此性能要求较高的陶瓷一般不采用 此法生产。 新型陶瓷 成型方法 (二) 凝胶注模成型 凝胶注模成型: 首先将陶瓷细粉加入含分散剂、有机高分子化 学单体(如丙烯酰胺与双甲基丙烯酰胺)的水溶液 中,调制成低粘度、高固相(陶瓷原料粉的体积分 数通常达50%以上)含量的浓悬浮料浆; 再将聚合固化引发剂(如过硫酸铵)加入料浆 混合均匀,在料浆固化前将其注入无吸水性的模型 内; 在所加引发剂的作用下,料浆中的有机单体交 联聚合成三维网状结构,使浓悬浮料浆在模型内原 位固化成形。 新型陶瓷 成型方法 二、压制成型 压制成型是将经过造粒的粒状陶瓷粉料,装入模具内直接 受压力而成型的方法。 (一) 造粒 造粒即制备压制成型所用的坯料,它是在陶瓷原 料细粉中加入一定量的塑化剂(如4%~6%的浓度为5% 的聚乙烯醇水溶液,作用是使本无塑性的坯料具有可 塑性),制成粒度较粗(约20目左右)、含一定水分、 具有良好流动性的团粒,以利于陶瓷坯料的压制成型。 新型陶瓷 成型方法 对于新型陶瓷用粉料的粒度,应是愈细愈好,但 太细对成形性能不利。造粒质量好坏直接影响成形坯 体及烧结体的质量,所以造粒是压制成形工艺的关键 工序。 在各种造粒方法中,以喷雾干燥法造粒的质量最 好,且适用于现代化大规模生产,目前已广为采用。 喷雾干燥造粒法:将混合有适量塑化剂的陶瓷原料粉 体预先调制成浆料(方法同注浆成形浆料的调制),再 用喷雾器喷入造粒塔进行雾化和热风干燥,出来的粒 子即为流动性较好的球状团粒。 新型陶瓷 成型方法 (二) 压制方法 压制方法主要有干压成形、等静压成形和热压烧结成形等。 1.干压成形 将造粒制备的团粒(水的质量分数6%),松散装入模具 内,在压机柱塞施加的外压力作用下,团粒产生移动、变 形、粉碎而逐渐靠拢,所含气体同时被挤压排出,形成较 致密的具有一定形状、尺寸的压坯,然后卸模脱出坯体。 新型陶瓷 成型方法 图 干压成形的密度梯度 a)单向加压 b)双向加压 ? 单向加压时,压力的不均 匀分布更明显,而且坯体 高度与直径之比愈大,压 力分布愈不均匀。 ? 双向加压方式是上下压头 (柱塞)从两个方向向模 套内加压,压力分布的不 均匀程度减轻,故压坯密 度相对较均匀。 为保证坯体质量,干压成形时 需根据坯体形状、大小、壁厚 及粉料流动性、含水量等情况, 控制好成形压力(一般为40~ 100MPa)、加压速度与保压时 间等工艺参数。 新型陶瓷 成型方法 优点: 操作方便,生产周期短,效率高,易于实现自动 化生产,适宜大批量生产形状简单(圆截面形、薄片 状等)、尺寸较小(高度为0.3~60mm、直径5~50mm) 的制品; 由于坯体含水或其它有机物较少,因此坯体致密 度较高,尺寸较精确,烧结收缩小,瓷件力学强度高。 缺点: 干压成形坯体具有明显的各向异性,也不适于尺 寸大、形状复杂制品的生产; 所需的设备、模具费用较高。 新型陶瓷 成型方法 2.等静压成型 是利用液体或气体介质均匀传递压力的性能,把陶 瓷粒状粉料置于有弹性的软模中,使其受到液体或气体介 质传递的均衡压力而被压实成形的一种新型压制成形方法。 特点:坯体密度高且均匀,烧结收缩小,不易变形,制 品强度高、质量好,适于形状复杂、较大且细长制品的制 造。但等静压成形设备成本高。 分类:冷等静压成形与热等静压成形两种。 新型陶瓷 成型方法 (1)冷等静压成型 在室温下,采用高压液体传递压力的等静压成形, 根据使用模具不同又分为湿式等静压成形和干式等静压成 形两种。 效率不高,成型多品 种、形状复杂、产量 小和大型制品。 冷等静压成形 a)湿式 b)干式 模具两头并不施压,适宜成 型长型、薄壁、管状制品 新型陶瓷 成型方法 (2)热等静压成形型 在高温下,采用惰性气体代替液体作压力 传递介质的等静压成形,是在冷等静压成形与 热压烧结的工艺基础上发展起来的,又称热等 静压烧结。它用金属箔代替橡胶膜,用惰性气 体向密封容器内的粉末同时施加各向均匀的高 压高温,使成型与烧结同时完成。 与热压烧结相比,该法烧结制品致密均匀, 但所用设备复杂,生产效率低、成本高。 新型陶瓷 成型方法 3.热压烧结 是将干燥粉料充填入石墨或氧化 铝模型内,再从单轴方向边加压、边 加热,使成形与烧结同时完成。 由于加热加压同时进行,陶瓷粉 料处于热塑性状态,有利于粉末颗粒 的接触、流动等过程的进行,因而可 减小成形压力,降低烧结温度,缩短 烧结时间,容易得到晶粒细小、致密 度高、性能良好的制品。 制品形状简单,且生产效率低。 热压(成型)烧结 示意图 新型陶瓷 成型方法 三、热压注成型 热压注成型:利用蜡类材料热熔冷固的特点,将 配料混合后的陶瓷细粉与熔化的蜡料粘合剂加热 搅拌成具有流动性与热塑性的蜡浆,在热压注机 中用压缩空气将热熔蜡浆注满金属模空腔,蜡浆 在模腔内冷凝形成坯体,再行脱模取件。 蜡浆的制备是热压注成型工艺中最重要的一环, 其制备过程下。 新型陶瓷 成型方法 ? 原料:拌蜡前的陶瓷细粉应充分干燥并加热至60~80℃。石 蜡作为增塑剂,具有良好的热流动性、润滑性和冷凝性,其 加入量通常为陶瓷粉料用量的12%~16%。 加入表面活性物质(如油酸、硬脂酸、蜂腊等)的目的 是使陶瓷细粉与石蜡更好结合,减少石蜡用量,改善蜡浆成 形性能与提高腊坯强度。 ? 工艺:热压注成型时,蜡浆温度一般为65~75℃、模具温度 为15~25℃、注浆压力为0.3~0.5MPa及压力持续时间通常 为0.1~0.2s。 热压注成形的腊坯在烧结之前,要先埋入疏松、惰性的 吸11附00剂℃()一进般行采排用蜡煅处烧理A,l2以O3获粉得料具)有中一加定热强(度一的般不为含90蜡0~的坯 体。 新型陶瓷 成型方法 ? 优点:批量生产外形复杂、表面质量好、尺寸 精度高的中小型制品;设备较简单,操作方便, 模具磨损小,生产效率高。 ? 缺点:但坯体密度较低,烧结收缩较大,易变 形,不宜制造壁薄、大而长的制品,且工序较 繁,耗能大,生产周期长。 新型陶瓷 成型方法 四、 其它成形方法 (一) 挤压成形 挤压成型是将经真空炼 制的可塑泥料置于挤制机 (挤坯机)内,通过挤制 机模具的机嘴与机芯,便 可由其形成的挤出口挤压 出各种形状、尺寸的坯体。 图 挤压成形模具组合图 新型陶瓷 成型方法 优点: 挤压成型适于挤制长尺寸细棒、壁薄管、 薄片制品,其管棒直径约Φ1~30mm,管壁与 薄片厚度可小至0.2mm; 可连续批量生产,生产效率高; 坯体表面光滑、规整度好。 缺点: 模具制作成本高,且由于溶剂和粘结剂较多, 导致烧结收缩大,制品性能受影响。 新型陶瓷 成型方法 (二) 注射成型 注射成型是将陶瓷粉和有机粘结剂混合后,加热 混练并制成粒状粉料,经注射成型机,在130~300℃ 温度下注射到金属模腔内,冷却后粘结剂固化成型, 脱模取出坯体。 优点:注射成形适于形状复杂、壁薄(0.6mm)、 带侧孔制品(如汽轮机陶瓷叶片等)的大批量生产, 坯体密度均匀,烧结体精度高,且工艺简单、成本低。 缺点:生产周期长,金属模具设计困难,费用昂 贵。 新型陶瓷 成型方法 (三) 流延、轧膜成型 流延、轧膜成形方法用于陶瓷薄膜坯的成型。 1.流延成型 是将陶瓷粉料与粘合剂、增塑剂、 分散剂、溶剂等进行混磨,形成稳定、流动性 良好的陶瓷料浆。流延成形是目前制造厚度小 于0.2mm超薄型制品的主要方法,如薄膜电子 电路配线基片、叠层电容器瓷片、集成电路组 件叠层薄片、压敏电阻、磁记忆片等。 流延成型 新型陶瓷 成型方法 2.轧膜成型 是将陶瓷粉料与一定量的有机粘结 剂和溶剂混合拌匀后,轧膜成型,用于制造批 量较大的厚度在1mm以下的薄片状制品,如薄 膜、厚膜电路基片、圆片电容器等。 轧膜成型 陶瓷成型中的常见缺陷及对策 压制成型时的坯体结构与模型设计的关系 大型生坯干燥的几种典型情况 可溶性盐的富集 a)向边缘富集 b)向皿底富集 六、陶瓷的表面装饰技术 ? 1. 陶瓷制品的表面加工 ? 2. 表面层改性处理 ? 3. 表面金属化处理 ? 4. 陶瓷的表面施釉处理 1. 陶瓷制品的表面加工 ? 目的:使其表面平滑、光亮、美观,或表面粗糙化 和加工成某一需要的外观造型。 ? 方法: ? 机械加工 ? 研磨 ? 抛光 ? 其他超精密加工:弹性发射加工、金刚石刀具精密车床切削法、 软质微粉机械化抛光法、漂浮抛光法、水合作用机械抛光法 ? 电火花加工、离子束加工等 软质微粉机械化抛光法、漂浮抛光法、水合作用机械抛光法 2. 表面改性处理 ? 急冷(淬火) ? 陶瓷体高温保温烧结后,将坯体从高温急速降温的热处 理工艺。 ? 保留高温组成,避免缓冷发生分凝、析晶和相变;产生 表面压应力,提高制品的抗张强度 ? 缓冷(退火) ? 坯体高温烧结后,在炉中缓慢冷却,或在某温度下长时 间保温。 ? 促使坯体在冷却中晶体长大、分凝和相变,以满足某些 性能要求;消除坯体表面和内部应力,使相平衡过程进 行充分。 3. 表面金属化处理 ? 作用: ? 形成金属导电层,如制作瓷介电容器电极; ? 形成金属引出端,如集成电路管壳的引出线; ? 用于陶瓷焊接与密封,如装置瓷的焊接和密封; ? 形成陶瓷制品的表面金属装饰。 ? 常用表面金属化方法: ? 烧渗法、化学镀法、真空蒸发等金属膜形成法 ? 常用金属有Au、Ag、Pt、Mo、Mn、Ni、Cu、Al等 4. 陶瓷的表面施釉处理 ? 在陶瓷的表面烧结一层连续玻璃态物质 的工艺方法。 ? 通常釉层很薄,零点几毫米。 ? 施釉后:表面清洁美观、不吸水、不易 被沾污,并起到装饰和保护瓷件的作用。 ? 施釉方法: ? 浸、喷、滚、浇、涂刷等。 小结 ? 一、成份和特点 ? 二、分类 ? 三、性质 ? 四、陶瓷制品 ? 五、陶瓷的制造 ? 六、陶瓷的表面装饰技术

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