《无机非金属 第七章 粉体成型技术基础课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《无机非金属 第七章 粉体成型技术基础课件.ppt（126页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、第七章 粉体成型技术基础,成型技术是无机非金属材料制备过程的主要工艺环节，直接与材料性能、产品零件的形状尺寸有直接关系。,陶瓷制品的生产过程与粉末冶金有许多相似之处。其工艺过程包括粉末制取、成形和致密化三个主要阶段。成形分为模压成形和特殊成形两大类。模压成形就是将预处理良好的粉末按一定体积或重量装入精密模具，用压力机压成所希望的形状和尺寸的压坯。由于粉末之间、粉末与模壁之间存在有摩擦，故压力分布是不均匀的，这就使得压坯的尺寸不能太大，形状亦不能很复杂。,开发出了多种特殊成形的方法。如等静压成形、滚压成形、高能高速成形、无压成形、注浆成形和挤压成形等。模压成形目前仍占主导地位；,7.1 模压成型
2、与冷等静压成型基础,许多粉体材料被用来压制成型，这种方法的优点是生产效率高和好的尺寸形状控制。干压成型是将经造粒的配料，通过成型压机和模具，把配料压制成具有一定几何尺寸坯件的方法，是应用最广泛的一种成型方法。,粉末的压制成形是主要且基本的工序。它的过程包括称粉、装粉、压制、保压及脱模等。压制成形的方法有很多，如钢模压制、流体等静压制、三向压制、粉末锻造、挤压、振动压制、高能量成形等,一基础,1.干法压制的基本原理(1)、粉料的基本性质(a)粒度和粒度的分布 V=abc=r3即该颗粒等效半径为：,（b）粉料的堆积性质,等径球体堆积形式及孔隙率,(c)粉料的拱桥效应(或称桥接),(2)、粉料的流动
3、性,粉料自然堆积的外形,休止角与流出速度表示粉体重力流动时的流动性，可评价粉体物料从料斗中的流出的能力、旋转混合器内物料的运动行为、充填物料的难易程度等。休止角小流动性好，,2 压制过程坯体的变化,(1)、密度的变化,坯体密度与压力的关系,(2)、强度的变化,第一阶段强度并不大,第二阶段强度直线提高,第三阶段强度变化也较平坦,(3)、坯体中压力的分布,坯体中压力分布不均匀，H/D比值愈大，则不均匀分布现象愈严重。,3对压制坯体的性能基本要求1)生坯密度，以及生坯中的密度差异。2）生坯的微观结构。3）生坯中粉料之间的粘结性能以及基本的强度,粉末的成形技术特征主要有：松装密度 松装密度亦称松装比，
4、指单位容积自由松装粉末的质量。受粉末粒度、粒形、粒度组成及粒间孔隙大小决定。松装比的大小影响压制与烧结性能，同时对压模设计是一个十分重要的参数。例如还原铁粉的松装密度一般为2.3-3.0gcm3，若采用松装密度为2.3gcm3的还原铁粉压制密度为6.9gcm3的压坯，则压缩比(粉末的充填高度与压坯高度之比)为6.9:2.3=3:1，即若压坯高度为1cm时，模腔深度须大于3cm才行。,流动性 它是指50g粉末在粉末流动仪中自由下降至流完后所需的时间。时间愈短，流动性愈好。流动性好的粉末有利于快速连续装粉及复杂零件的均匀装粉。,压制性 包括压缩性与成形性。压缩性的好坏决定压坯的强度与密度，通常用压
5、制前后粉末体的压缩比表示。粉末压缩性主要受粉末硬度、塑性变形能力与加工硬化性决定。经退火后的粉末压缩性较好。,为保证压坯品质，使其具有一定的强度，且便于生产过程中的运输，粉末需有良好的成形性。成形性与粉末的物理性质有关，此外还受到粒度、粒形与粒度组成的影响。为了改善成形性，常在粉末中加入少量润滑剂如硬脂酸锌、石蜡、橡胶等。通常用压坯的抗弯强度或抗压强度作为成形性试验的指标。,模压成型 指在常温下，用机械式压力机或液压机，以一定的压力将钢模内的松装粉末成形为压坯的方法。这种成形技术方法应用最多且最广泛。模压成形期间，粉末发生两个基本变化。一是沿压力方向发生整体运动；二是在压力作用下发生变形与断裂
6、。这两个基本变化都有助于增加坯件的密度、减少孔隙度。,加压方式有单面加压和双面加压两种。,4 压制行为（1）生坯密度变化 假设一个圆柱体生坯样品，经过简单的力学计算。可以得到轴向应力沿高度的下降,P:成型压力，R:圆柱直径，Z:高度，:模壁摩擦系数；k:径向压力系数，表示径向压力r与轴向压力z的比值。实验表明颗粒/颗粒间的摩擦支配摩擦系数，颗粒越小，越大。,（2）生坯的显微结构颗粒排列的各向异性会使得具有相同生坯密度的样品在烧结后得到不同的烧结密度。（3）生坯强度A.卸载脱模引起的张应力。B.生坯的粘结强度。,二非团聚（未造粒）粉料的压制行为1粉料平均尺寸的作用（1）颗粒越细，应力比越大，细颗
7、粒的高应力比是样品中颗粒间接触的高密度引起的。（2）模腔摩擦系数和颗粒间的摩擦力随颗粒变细而增大，小颗粒比大颗粒更难成型。,（3）小颗粒的应力变化较大，脱模转化为张应力，因此小颗粒的素坯在卸载和脱模过程中更易产生裂纹。同时由于颗粒细小导致气孔尺寸也小，在压制过程中被包裹的气体很难排除，气孔压力在卸载后成为张应力，使气孔变大。2 粉料尺寸分布的作用不同尺寸混合体比单一尺寸粉料的坯体有更高的密度。,2 颗粒形貌的影响（1）棱角状、扁平状或针状颗粒对密度的影响A棱角状粉料易产生架桥作用，充填密度低，同时由于面面接触非常稳定，导致架桥很坚固，堆积密度也不能通过循环加压加以改善。B扁平状或针状颗粒非常有
8、效地堆积。C架桥结构、有效堆积这两个因素的影响最终取决于颗粒间的摩擦性能和高宽比,（2）扁平状颗粒毛坯的气孔较小，且尺寸分布窄；烧结径向收缩小。而球状颗粒毛坯烧结后轴向收缩小，小于径向收缩；扁平状粉料加压后脱模时弹性后效较大，因为扁平状粉料之间彼此易滑移。,三团聚（造粒）粉料的压制行为从利于烧结和固相反应进行的角度考虑，希望获得超细的原料颗粒，但粉料越细，比表面积越大，流动性越差，干压成型时不容易均匀地充满模具，经常出现成型件有空洞、边角不致密、层裂、弹性后效等问题。常采用造粒工艺解决这一问题。为了克服原始粉料压制成型中的困难，经常对陶瓷粉料进行喷雾干燥造粒。,造粒工艺是将磨细的粉料，经过干燥
9、、加胶黏剂，制成流动性好、粒径约为0.1mm的颗粒。一使用的胶黏剂应满足以下要求：1.要有足够的黏性，以保证良好的成型性和坯体的机械强度；2.经高温煅烧能全部挥发，坯体中不留或少留胶黏剂残余杂质；3.工艺简单，没有腐蚀性，对瓷料性能无不良影响。,干压成型造粒常用的胶黏剂如下。聚乙烯醇水溶液，使用这种胶黏剂进行生产的工艺简单，瓷料气孔率小，加入量为35；石蜡的熔点约50左右，具有热塑性，温度升高，黏度降低。温度高于其熔点时可以流动，并能润湿瓷料颗粒表面，形成一薄吸附层，起黏结作用。干压时则是利用它的冷流动性。石蜡用量通常8左右。,酚醛清漆，用该胶黏剂的生产工艺简单、坯体的机械强度较高，加入量约8
10、15；亚硫酸纸浆废液，这种胶黏剂的配方为水90，亚硫酸纸浆废液10，其加入量为瓷粉料的810，但生坯强度较低。,造粒工艺常用的有加压造粒法、手工造粒法和喷雾干燥造粒法。其中加压造粒法是将混合了胶黏剂的粉料经1525MPa预压成块，然后将压块粗粉碎后过筛。手工造粒法是将配料与58的聚乙烯醇水溶液（5）混合均匀，然后在研钵中手工将该物料研制成小球，再将其过40 目筛，筛余物料继续进行上述研制操作，待全部物料通过目筛后，完成手工造粒。手工造粒法主要适合于实验室对物料进行造粒。,喷雾干燥造粒法简称为喷雾造粒法，该工艺把混合好胶黏剂的粉料做成浆料，或在细磨工艺时加入胶黏剂，用喷雾器喷入造粒塔中雾化，雾滴
11、与塔中的热空气混合，进行热交换，使雾滴被干燥到一定程度，形成流动性好的球状团粒，由旋风分离器吸入料斗。该方法产量大，适合连续化生产和自动化成型工艺。目前，企业生产中大多选用喷雾造粒法进行造粒。这种方法存在严重的缺陷：团聚太硬，压坯压力可能不能压碎它们，生坯显微结构将显示出团粒组织缺陷（即大的团粒内气孔）对烧结密度影响非常厉害。,1团聚参数对压制行为的影响（1）团粒尺寸：足够大的团粒尺寸（50um）可以自由流动，因此尺寸对坯体密度的影响很小；但团粒尺寸可能对显微结构的影响比较重要，大的团粒尺寸可能出现大的颗粒间气孔。（2）团粒密度：团粒密度越高，坯体密度越高，但不一定导致高的烧结密度，这是由于团
12、聚体内的气孔在烧结过程不易收缩的原因。,2.粘结剂对压制行为的影响粘结剂体系包含各种成份：粘结剂（PVA）提高粘结性。塑性剂（PEG）降低粘结剂的刚度润滑剂（如硬脂酸）降低摩擦系数。,干压成型应注意的问题如下。控制干压成型的坯料含水量在48左右。成型压力。直接影响瓷体的密度和收缩率。成型压力小，瓷体收缩大。成型压力小时，坯体的密度小；当成型压力达到一定值时，压力再增加，坯体的密度提高很少。压力过大，坯体容易出现裂纹、层裂和脱模困难等问题。一般干压成型压力掌握在30-60MPa左右,加压方式和压力分布关系图(横条线为等密度线)a单面加压；b双面同时加压；c双面先后加压；d四面加压,加压方式不同，
13、其成型结果也不同。单面加压时，直接受压一端的压力大，密度大；远离加压一端的压力小，坯体密度小。双面加压时，坯体两端直接受压，因此，两端密度大，中间密度小。如果坯料加润滑剂、经过造粒，再进行双面加压，则坯体密度非常均匀。,双向加压 单向加压,加压速度和时间。加压速度过快会使坯体出现分层，坯体的表面致密中间松散，坯体中会存在许多气泡。因此，加压速度宜缓，而且要有一定的保持压力的时间。,添加剂的选用（a）减少粉料颗粒间及粉料与模壁之间的摩擦，这种添加物又称润滑剂；压制先进材料时可采用含极性官能团的有机物作润滑剂，如油酸、硬脂酸锌、硬脂酸镁、石蜡、树脂等。用量在粉料重的1%以下,（b）增加粉料颗粒之间
14、的粘结作用，这类添加物又称粘合剂；采用有机粘合剂，如聚乙烯醇水溶液(浓度7%，用量为粉料重的515%)、聚苯溶液(聚苯乙烯30%，甲苯或二甲苯70%，用量为粉料重的815%)、石蜡(用量为粉料重的47%)、淀粉水溶液等。金属陶瓷生产中常用橡胶的汽油溶液(浓度911%)、甘油酒精溶液、石蜡汽油溶液、樟脑酒精溶液等作为粘合剂。,（c）促进粉料颗粒吸附、湿润或变形，通常采用表面活性物质。,干压成型生产效率高、生产周期短、工艺简单、易于实现机械自动化、成型尺寸精度高、制品烧成收缩率小、不易变形，适用于圆形、片状等简单几何形状的坯件成型。干压成型对模具加工质量和精度的要求较高。有些成型的坯件有明显的各向
15、异性等，是干压成型应注意的问题。需要一定功率的加压设备，不适合于形状复杂的陶瓷制品的成型。,四、冷等静压成型等静压成型是应用巴斯克原理，即在密闭容器内充满液体，由于液体不可压缩性和均匀传递压力的特点，当液体介质一处受压时，此压力将传递到液体各点，且各点压强相等，该方法也叫静水压成型。,把粉料装入用弹性的橡胶或塑料做成需要形状的模具中，放入上述密闭容器内，利用高压泵把液体介质压入钢制的高压密封容器内。由于橡胶模具周围完全被液体包围，所以模具中的粉料在各个方向受到相等的压力作用，因而可得到各个方向被均匀地压实和强度较好的坯体，陶瓷的压制压力一般为70一400兆帕。,该坯体的密度高、均匀性好，烧成收
16、缩小，不易变形和开裂、不分层。这种成型方法可用来制造大型、异型制品；粉料不必加胶黏剂，粉料含水量仅1-4%，有利于烧成和降低瓷件的气孔率；可根据要求调整压力；生坯机械强度大，可满足毛坯处理和机加工的需要；模具制造方便、成本低。,冷等静压的缺点是产品尺寸不易精确，表面不光滑，生产率较低，模具寿命短，设备成本高。生产中也可以先将粉料预成型，然后再放入等静压机中成型。,湿式等静压成型原理图 干袋式等静压成型原理图,7.2 可塑成型基础,一可塑性定义坯体在外力作用下发生无裂纹变形，外力去除后不恢复原状的性能。十分古老，又十分实用。,二 常见塑化剂体系1 无机塑化剂：主要指粘土物质。传统的粘土质陶瓷坯料
17、中含一定量的粘土，因此本身就有一定的可塑性。但是为了利于成型，适应机械化与自动化生产的需要，往往要增加塑性粘土的加入量或加入有机塑化剂。先进材料所使用的大多是瘠性化工原料，只有依靠塑化剂的作用才具有成型能力。,2有机塑化剂：根据作用，分为：（1）粘合剂：A作用：常温起作用，使粉料颗粒粘合在一起，使坯料具有成型性能并具有一定的强度。高温易氧化、分解和挥发。B常用粘合剂：糊精、聚乙烯醇、羧（suo）甲基纤维素、聚醋酸乙烯脂、聚苯乙烯、桐油、等。C某些无机物质，除常温粘合作用外，高温保留在坯体中，称为粘结剂，如硅酸盐和磷酸盐等。,（2）增塑剂A 作用：溶于有机粘合剂中，在粉料之间形成液态间层，提高坯
18、料的可塑性。B 常用增塑剂：甘油、乙酸三甘醇、乙基草酸、邻苯二甲酸二丁脂。,（3）溶剂A作用：溶解粘合剂、粘结剂和增塑剂B常用溶剂：水、乙醇、丙酮、醋酸乙脂、甲苯等。（4）有机塑化剂的选择A 润湿和吸附在坯体颗粒表面。B 粘合性强、表面张力大、有利于成型，保证坯体强度。C 不与粉料发生化学反应。D 有宽的挥发范围，尽量少的残留灰分。,常见塑化剂 A.聚乙烯醇(polyvinyl alcohol，PVA)最常用的有机粘合剂，白色或淡黄色，溶于水，一般选择聚合度(n)在1500-1700之间为宜，过大的聚合度造成弹性过大，不利于成型，过小的聚合度则造成坯体强度低、脆性大，也不利于成型。如果坯料中含
19、有某些氧化物(如CaO、BaO、ZnO、B2O3等)和某些盐类(硼酸盐、磷酸盐)，则最好不使用PVA，因为它们和PVA会生成一种有弹性的络合物，不利于成型。,B.羧甲基纤维素(CMC)能溶于水，但不溶于有机溶剂。烧后残留氧化钠和其它氧化物组成的灰分，因此使用CMC时要考虑灰分对制品性能的影响。C.聚醋酸乙烯酯（polyvinyl acetate，PVAc）无色透明状粘稠体非晶态高分子化合物，不溶于水和甘油，溶于低分子量的醇、脂、酮、苯、甲苯中，聚合度一般在400-600之间。在坯料呈碱性时，用聚醋酸乙烯酯较好，但在选择苯或甲苯作溶剂时要特别注意防护，因为这些溶剂有毒性，且有刺激性挥发物。,三
20、常见塑性成型技术。1挤压成型：挤压成型是将经过真空练泥后的配料泥段，经挤压成型机的机嘴，挤制出棒形(电阻元器件)、片形和管形(如高温炉管、热电偶套管、电容器瓷管等)和断面规则的产品(如圆形、椭圆形、方形、六角型等)等简单形状的陶瓷坯体等。也可用来挤制长100-200mm、厚0.2-3mm的片状膜，半干后再冲制成不同形状，或用来挤制100-200孔/cm2 的蜂窝状、筛格式穿孔制品,挤压工艺原理示意图,通过活塞对泥料施加压力，使泥料从机嘴挤出的成型方式。通过更换挤制机的机嘴，能挤出各种形状的坯体，,螺旋挤压机,挤压成型泥料的性能要求泥料要有足够的细度和圆润的外形，以保证必要的流动性。溶剂、增塑剂
21、、粘合剂等用量要适当，混合要均匀，否则，挤出的坯体易扭曲变形。,A 适宜产品：断面规则的产品B特点：污染少、效率高、易于自动化、挤嘴结构复杂、加工精度要求高、溶剂和塑化剂加入较多、坯体干燥与烧成收缩大。C 挤压管状坯件时，为防止坯件变形，管的壁厚和直径（外径）有一定关系，管的外径越大，壁越薄，机械强度越差，越容易变形。,挤压成型时应该注意以下工艺问题：（1）挤制的压力；（2）挤出速率；（3）挤出管子时，管壁厚度必须能承受本身的重力作用和适应工艺要求；（4）挤压成型的缺陷。,2 轧模成型：由橡胶和塑料工业移植过来的。轧膜成型将准备好的陶瓷粉料，一定量的有机粘合剂和溶剂等在轧膜机上进行粗轧混合均匀
22、，轧制成较厚的膜片再精轧，形成要求厚度的膜片，然后再将膜片冲压成一定几何形状坯件的方法。,A 对大部分没有塑性的材料来说，在坯料中要加较多的有机粘合剂，要求粘合剂有足够的粘结力，良好的延展性和韧性，弹性和脆性不宜过大，此外少灰分、无毒性也是必须加以考虑的。聚乙烯醇、甲基纤维素、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯醇缩丁醛等均可用作轧模成型用粘合剂。,粗轧是将粉料，粘结剂和溶剂等成分置于两辊轴之间充分混合，混练均匀，伴随着吹风，使溶剂逐渐挥发，形成一层膜.精轧是逐步调近轧辊间距，多次折叠，90转向反复轧练，以达到良好的均匀度、致密度，光洁度和厚度。轧膜成型对粉料粘度的要求越细越圆润，含粘合剂量越多，轧辊的精度要
23、求也越高。,B 适宜产品：一些薄片状的产品，如集成电路基板、电容器等，厚度一般在1mm以下，甚至达到0.04-0.05mm。C 特点：效率高、自动化、连续生产。厚度、长度、宽度方向受力不一致，颗粒、粘合剂等定向排列。横向收缩导致变形与开裂同时性能也会出现各向异性。有机粘合剂加入量大。,3 注射成型：将瓷粉和1530的热塑性树脂、石蜡、增塑剂和溶剂等，在130-300温度加热熔融，将瓷料注射压入金属模具，冷却粘结剂固化，脱模得到产品坯体。,A 适宜产品：形状复杂的小产品。包括壁薄0.6mm，带侧面型芯孔的复杂零件，毛坯尺寸和烧结后实际尺寸的精确度高，尺寸公差在1%以内，而干压成为1%-2%，注浆
24、成型5%，注射成型工艺的周期为10-90S、工艺简单，成本低，压坯密度均匀，适于复杂零件的自动化大批量生产。注射成型法可以成型形状复杂的制品，注射成型法已用于制造陶瓷汽轮机部件，汽车零件、柴油机零件、纺织机用配件。,B特点：注射成型法与金属压力铸造方法类似，所制得的坯体尺寸精度高、表面光洁度高，可制造形状复杂且批量生产的产品，但是它脱脂时间较长。成功的注射成型，有机粘结剂非常重要，配方保密。,C.两种新型陶瓷制品注射成型的实例。（1）碳化硅制品：坯料：碳化硅100%，可塑性聚苯乙烯16.5%，硬脂酯蜡3.5%，40#油8.3%，钛酸盐0.6%。在150情况下混合1h；射出温度150-325，射
25、出压力7-70Mpa，脱脂条件从50至800，每小时1-10的升湿速率，非氧化气氛。（2）氮化硅制品 坯料：氮化硅100%，聚苯乙烯13.8%，聚丙烯7.6%，硅烷3.6%，钛酸二乙酯1.9%，硬脂酸1.9，在180情况下加压混练，压力0.25Mpa，射出温度240，射出压力：100Mpa，脱脂条件，用N2作保护，常温至200，每小时30升温速率，200-350，每小时35升温速率，在350时保持10h。,四注浆成型技术。注浆成型是基于胶体体系的成型方法，利用脱水来固化浆料中的悬浮颗粒。在溶剂量较大时，形成含粉料的悬浮液，具有一定的流动性，将悬浮液注入多孔模型内(模型为石膏模、多孔树脂模等)，
26、通过模具的毛细管作用从料浆中吸出分散介质，泥浆脱水、硬化，经脱模得到具有一定形状的毛坯，称为注浆法,注浆法成形的适应性强，能得到各种结构、形状的坯体。根据成形压力的大小和方式的不同，注浆法可分为基本注浆法（滑模浇注）、强化注浆法、热压铸成形法等。,滑模浇注机理 采用多孔模具进行滑模浇注时浆料的液体穿过两种多孔层：凝聚颗粒层和多孔模具壁。液体穿过多孔介质的流动可由Darcy定律描述，在一维中可写成：J=K(dp/dx)/式中：J是液体的流通密度、dpdx是液体的压力梯度，是液体的粘度，K是多孔介质的渗滤率。可见，具有压力梯度才有流动发生。,坯体厚度与浇注时间的关系为；L2 t凝结速率随时间而下降
27、，这限制了沿模浇注技术对于较厚制品的生产效率。,1注浆用浆料的要求 A粘度小、流动性好。保证料浆充满型腔。B料浆稳定性好，不易沉淀与分层。C在保证流动性好的前提下，含水量应尽量小。以避免成型和干燥后的收缩、变形和开裂。D触变性要小，保证料浆粘度不随时间而变化，同时在脱模后坯体不会在外力作用下变软。E料浆中的水分容易通过已成形的坯体被模壁吸收；F形成的坯体容易从模型上脱离，并不与模壁反应 G尽可能不含气泡，可在浇注前对料浆进行真空处理。,2 悬浮液的制备 pH值控制法。双电层理论。合适的pH值，得到合适的双电层。流动性和悬浮性都很好。当悬浮液中HCl浓度变化时，悬浮液性能有很大的区别。当HCl浓
28、度变高(pH较低)时，溶液中的Cl增多，扩散层中的OH逐渐被Cl取代，生成AlCl3。由于Cl的水化能力比OH强，有更厚的水化膜，故Cl进入吸附层的个数减少，留在扩散层的数量增多，使扩散层厚度增加，胶粒正电荷升高，即所谓电位升高，这时溶液粘度降低，流动性提高，有利于悬浮；,如果HCl浓度太高，则Cl可能压入吸附层，中和掉较多的表面正电荷，使胶粒正电荷降低，电位下降，这时溶液粘度升高，流动性降低，不利于悬浮；若HCl浓度较低，则溶液中Cl减少，胶粒正电荷降低，扩散层变薄，电位下降，粘度增大，流动性降低，也不利于悬浮。对于氧化铝最适宜的pH值在大约3.5左右，这时流动性和悬浮性能都很好。,以Al2
29、03 为例，讨论瘠性料浆的悬浮。通过控制料浆的PH 值可保证Al203 料浆的悬浮。Al203 料浆在PH 值为3 和12 时都使 达极大值，保证料浆悬浮。以酸性料浆为例，Al203+6HCl2AlCl3+3H2O；AlCl3+H2OAlCl2OH+HCl；AlCl2OH+H2OAlCl（OH）2+HCl。由于AlCl3 是水溶性的，在水中生成AlCl2+、AlCl2+和OH-离子，Al203 胶粒首先吸附含铝的AlCl2+、AlCl2+离子，使Al203 胶粒带正电，然后吸附OH-离子形成胶团。在PH 值较低时，HCl 浓度高，水化膜厚的Cl-进入吸附层，由于半径大，所以进入吸附层的少，留在
30、扩散层的多，导致 高，悬浮性好。碱性环境原理类似。,聚合物：少量胶体；胶体增多。阿拉伯树胶、桃胶、明胶、羧甲基纤维素钠等有机胶体也可以作为稀释剂加入瘠性陶瓷原料中。这些胶体少量加入时，固体物质的颗粒附在树胶的某些链节上，由于树胶量少，无法将胶粒表面完全覆盖，反而将颗粒连接起来，使小颗粒变成大颗粒，促使颗粒聚沉；若胶体量增多，每个颗粒上粘附的胶体数量增加，颗粒完全被胶体分子所覆盖，形成一层保护膜，颗粒之间互相排斥，悬浮在溶剂中。胶体的加入同时提高了溶剂的粘度，增加了固体颗粒沉降时的阻力，有利于提高浆料的稳定性。,影响浆料悬浮的其他因素A固体颗粒含量减少改善浆料流动性是不利的。给后续工序带来许多不
31、利因素B固体颗粒大小，固体颗粒含量一定的情况下，变小，平均距离变小，引力增加，流动阻力变大。变大，悬浮困难C固体颗粒形状不规则，流动阻力变大。,3注浆方法 模具制造 泥浆浇注用的模具必须具有可控制的气孔率，才能使泥浆中的液体借毛细管作用力除去。模具的成本也应该是低廉的。最常用的模具材料是石膏石膏模具的制法:用熟石膏粉末拌和水成浆,倒入母模内，让熟石膏凝固。这样就可制成与母模形状相同的表面光滑的模具。形状复杂的模具可分片制造，每片的大小应该是在泥浆浇注后由模内取出时不至于损坏精细的浇注件。,制备石膏模用的原料是经120-170度下烘炒天然石膏粉制成的半水石膏。再按半水石膏：水1：1的比例制成石膏
32、模。熟石膏(半水石膏)是部分脱水的石膏：二水石膏 半水石膏这个反应是可逆的，半水石膏掺水能形成二水石膏的细针状晶体沉淀，这种晶体缠结而形成熟石膏模。完成这个反应从化学上只需加18的水，但是为了使混合物具有便于制模的适宜的流动度，必须加相当多的水。,多余的水在沉淀时充满二水石膏晶体间的空隙内，从而使制成的熟石膏模具在于燥之后又有很细的毛细管孔隙。正是这些孔隙在泥浆浇注时能把泥浆中的水分吸出来。孔隙的数量可用制熟石膏模时掺入的多余的水量来加以控制。正常注浆成型所用瓷浆的配比为：粉料：水100:（30-50）。,传统注浆方法 注浆成型可分为实心注浆成型和空心注浆成型，是在石膏模中进行的。由于石膏模具
33、有多孔性，吸水性强，能很快吸收瓷浆中的水分，达到成型的目的。根据设计的要求，坯体外型与石膏模的内壁形状相同。,A.空心注浆石膏模没有型芯，泥浆注满模腔后放置一段时间，待模腔内壁黏附一定厚度的坯体后，多余的泥浆倒出，形成空心注件，然后带模干燥，待注件干燥收缩脱离模型后就可取出，模腔工作面的形状决定坯体的外形，坯体厚度取决于吸浆时间等。这种方法适合于小件、薄壁制品的成形。,空心注浆示意图,空心注浆是最常用的泥浆浇注法。用于浇注艺术品(塑像：洗涤盆和其他卫生器具、坩锅，以及其他各种制品。,B.实心注浆是将泥浆注入外模和型芯之间，石膏模从内外两个方向同时吸水。注浆过程中泥浆不断减少，需要不断补充，直至
34、泥浆全部硬化成坯。实心注浆的坯体外形决定于外模的工作面，内形决定于模芯的工作面。坯体厚度由外模与模芯之间的空腔决定。适合于坯体的内外表面形状、花纹不同、大型而壁厚的制品。,实心注浆法示意图,离心、压力、真空注浆 压力注浆法原理随着掺滤压力P的增加沉积一定厚度坯体所需的时间会缩短。因此，施加压力到浆料可以加快浇注的速度、改善坯体强度。通常采用塑料或金属模具，原因在于石膏模具只能承受小于0.5MPa的压力。,离心浇注成形1 泥浆 2石膏模 3一离心机,离心注浆法,模型旋转,真空浇注适用于制造坯体壁厚均匀的大型环状制品。真空注浆可有效去除料浆中的气体，压力注浆可提高坯体的致密度、减少坯体中的残留水分
35、、缩短成形时间、减少制品缺陷，是一种较先进的成形工艺。,五 热压铸成型技术 将含有石蜡的浆料（铸浆）在一定温度下，利用压缩空气，压力作用下，使加热熔化的含蜡配料充满模具，冷却后凝固成需要形状坯件的成型方法。该方法可成型形状复杂的中小型坯件。其制品的尺寸精确，结构紧密，表面光洁。广泛应用于制造形状复杂、尺寸精度要求高的工业陶瓷制品。如电容器瓷件、氧化物陶瓷、金属陶瓷等。,热压注成形1供料管2加热器3恒温器4浆料5工作台6吸铸口7模腔8压紧装置9铸模10供料装置,1 含蜡配料的配制是热压铸成型的关键工艺之一。注浆配制工艺主要为：加热石蜡至70-90 熔化，把已加热的煅烧配料粉倒入石蜡液中，边加热边
36、搅拌，制成蜡饼；也可以将粉料加热后加入石蜡溶液。当粉料与石蜡充分混合均匀后，经凝固制成蜡板，以备成型之用。,将配制好的蜡板放置在热压注机的盛浆桶内，加热至一定温度，熔化的蜡浆在压缩空气的驱动下，通过供料管进入模腔，根据产品的具体情况保持一定的时间后卸压，模型中的蜡浆冷却，脱模得到坯体，对坯体还可进行后处理，如打孔、车削、粘接等。,2 特点：产品尺寸精确，光洁度高。设备简单，模具寿命长工序复杂，耗能大，工期长,六流延法成型流延成型又称带式浇注法，刮刀法，是一种目前比较成熟的能够获得高质量、超薄型瓷片的成型方法。已广泛应用于独石电容器瓷，多层布线瓷、厚膜和薄膜电路基片，氧化锌低压压敏电阻及铁氧体磁
37、记忆片等新型陶瓷的生产。,加入大量粘合剂的浆料流延成型。流延成型是将超细的熟料和适当的胶黏剂、增塑剂、溶剂和润湿剂等充分混合，制成浆料。流延成型用胶粘剂主要有聚乙烯醇及聚乙烯醇缩丁醛。,1.工艺流程流延成型时，料浆从料斗下部流至向前移动着的薄膜载体（涂有浓度为7.5-8%的三醋酸纤维或乙基纤维素酒精溶液）之上。薄膜的厚度由刮刀高度的调整、传动速度、浆料粘度等决定。,可弯曲的基体通过悬浮液而覆盖一层料浆（覆盖方法）,坯膜连用载体进入巡回热风烘干室，烘干温度必须在浆料溶剂的沸点之下，否则会使膜坯出现气泡，或由于湿度梯度太大而产生裂纹。从烘干室出来的膜坯中还保留一定的溶剂，连用载体一同卷轴待用，并在
38、储存过程中使膜坯中的溶剂分布均匀，消除湿度梯度。最后用流延的薄坯片按所需形状进行切割、冲片或打孔。,流延法要求粉料的颗粒度要小(一般要求微米级)、颗粒形状要圆，还要求适当的颗粒级配，以保证浆料的良好流动性和厚度方向一定的颗粒数(20个)，以使薄坯的质量得到保证。,2料浆的处理：流延法中塑化剂的浓度和用量将直接影响薄膜的强度和质量。塑化剂浓度过低不适宜于在流延机上成型；浓度过高则在存放和真空搅拌过程中浆料表面容易起皮，薄膜容易出现条纹。在塑化剂浓度一定时，用量大薄膜强度高，但密度低、针孔多；用量少则结果相反。因此，在成型工艺允许的范围内，应尽量提高塑化剂浓度，减少塑化剂用量。薄膜坯体中出现的针孔
39、与浆料中出现的气泡有关，一般可以采用除泡剂(正丁醇：乙醇=1:1)、真空搅拌、超声处理等方法来处理浆料。,3特点：设备简单，工艺稳定，效率高，收缩率高。流延成型法适用于片状零件。主要用以制取超薄型陶瓷独石电容器，氧化铝陶瓷基片等新型陶瓷制品。它为电子元件的微型化，超大规模集成电路的应用。结构陶瓷可以制作各向异性的材料。比如Si3N4.,采用流延成型制备独石型钛酸钡(BaTiO3)电容器的浆料组成,七新型可塑性成型技术普通注浆成型和热压注存在许多局限性，所成型的坯体密度一般不太均匀，生产效率也不高；而注射成型、热压注所加入的粘合剂又比较大，脱排粘合剂时间过长，同时又不适宜于成型大型部件坯体。针对
40、这些问题，又产生了许多新的成型方法，如凝胶注成型(gel casting)、胶态振动成型(vibration casting)、低温聚集成型(temperature induced flocculation)、直接凝固成型法(direct coagulation casting)等等。,1凝胶注技术：凝胶注模成型工艺将高分子聚合物化学和流变学结合起来,其基本原理是在高固相含量(体积分数50%)、低粘度(1Pas)的陶瓷浆料中掺入低浓度的有机单体,再加入引发剂并浇注,然后使浆料中的有机单体在一定条件下发生原位聚合反应,形成坚固的交联网状结构,使浆料立即原位凝固,从而使陶瓷坯体原位定形,最后经过脱
41、模、干燥、排胶(去除有机物)、烧结而得到所需的陶瓷零件。,凝胶注模成型分为两类:非水溶性凝胶注模成型(NonaqueonsGel-Casting),水溶性凝胶注模成型(AqueousGel-Casting)。非水溶性凝胶注模成型采用有机溶剂,要求溶剂有较低的蒸汽压。水溶性凝胶注模成型更进一步,有许多优点:(1)成型过程与传统方法类似,简便易行;(2)干燥过程更加容易;(3)降低了预混液的粘度;(4)对环境污染小。因此,该方法被广泛应用。,凝胶注模成型的工艺流程,以成型Al2O3陶瓷为例，平均原料颗粒尺寸为0.5-1.5微米，添加少量MgO作为烧结助剂，选择一定浓度的聚丙烯酸氨水溶液作为分散剂。
42、凝胶注成型中所用的活性有机单体主要为：单官能团丙烯酸氨(C2H3CONH2(AM)和双官能团的N,N-亚甲基二丙烯酸氨(C2H3CONH2CH2(MBAM)，将这两种单体溶解在去离子水中预混合，预混合时过硫酸氨(NH4)2S2O8的出现将引发自由基聚合，加热或者N,N,N,N-四甲基乙二胺触媒也可以加速这种反应。,加入分散剂后，溶液与Al2O3粉末混合并搅拌均匀，所得到的浆料用机械搅拌装置至少搅拌48小时。浆料真空除气，除气时悬浮液的温度保持在0-1以防止水分挥发。加入过硫酸氨水溶液等催化剂，继续除气并设法使浆料运动以保证催化剂混合均匀。要控制催化剂的加入量以保证浆料在浇注时的流动性以及随后的
43、凝胶性能。,在室温、氮气条件下将浆料注入模具，使用氮气条件是因为氧气会抑制聚合过程。也可以不用催化剂，在30-75加温以驱动聚合反应。根据工艺条件的不同，浇注5-60分钟后开始凝胶。凝胶后坯体在室温下脱模，坯体放入具有一定湿度的干燥室，以避免快速干燥造成的开裂或不均匀收缩。当收缩停止后将 坯体移入湿度更小的干燥室。凝胶注成型后坯体中粘合剂的驱除和烧结都在空气中进行。,凝胶注模成型是一种实用性很强的技术,它具有以下特点:(1)适用于许多陶瓷体系(如Al2O3陶瓷、Si3N4陶瓷、ZTA复相陶瓷和SiC陶瓷等),可成型各种形状复杂的大尺寸陶瓷零件。(2)由于定形过程和注模过程的操作是完全分离的,定
44、形是靠浆料中的有机单体原位聚合形成交联网状的凝胶体来实现的,所以所成型的坯体缺陷少,成分和密度均匀,在干燥和烧结过程中不会变形,使烧结体保持成型时的比例,因此该方法是一种净尺寸成型技术。,(3)浆料的凝固定形时间较短但可控,根据聚合温度和催化剂加入量的不同,凝固定形时间一般可控制在560min范围内。(4)所用模具为无孔模具,对模具材料也没有什么特殊要求,可以是金属、玻璃或塑料等。(5)坯体中有机物含量较小(其质量分数一般为2%4%),排胶较容易,坯体变形小,密度均匀。(6)坯体强度较高(一般在10MPa以上),可对坯体进行机加工(如车、磨、刨、铣、钻孔、锯等),从而取消或减少了烧结后的加工。
45、,A 特点：少量粘合剂，高固相含量，坯体的可加工性。B技术关键：使用可引发有机单体，实现浇注与固化的可控性。,2直接凝固成型 生物酶技术,胶体化学和粉体工艺结合，技术关键：高固相含量的浆料加入改变pH值或增加电介质浓度的化学物质（例 尿素酶），在工艺过程控制化学反应的进行。注浆前：保持反应缓慢进行，浆料保持低粘度注浆后：反应快速进行，浆料凝固，迅速转变成固态坯体.,八、成型方法选用，可以从以下几方面考虑：(1)坯料的性能 可塑性较好的坯料适用于可塑法成型。可塑性较差的坯料可采用注浆法或压制法成型。(2)制品的形状、大小和厚薄 一般形状复杂、尺寸精度要求不高的制品或一些薄壁、厚壁制品可采用注浆法
46、成型。简单的回转体形常用可塑法刀压成型和滚压成型。(3)制品的产量和质量要求 生产批量小的制品采用注浆法成型。生产批量大的制品用可塑法成型。生产批量小且质量要求不高的制品可采用手工可塑法成型o(4)其它 选好陶瓷制品的成型方法还应考虑生产的技术经济指标、设备条件等。,7.3 干燥与排塑一、干燥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。坯体在干燥过程中，随着水分的排除要发生收缩，在收缩过程中若处理不当就会出现变形和开裂现象。因此，干燥工艺和干燥程度的好与坏，是决定陶瓷制品质量优劣和成品率高低的主要因素之一。对注浆成型来说，干燥过程尤为重
47、要。,水与坯料的结合形式水与坯料的结合形式有化学结合、表面吸附和机械结合，其特点见表,在干燥过程中，坯体与介质之间同时进行着能量交换和水分交换，坯体的水分蒸发并被介质带走，同时降低了坯体表面的水分浓度，表面水分浓度与内部水分浓度形成了一定的湿度差，内部水分通过毛细管作用扩散到表面，直到坯体内所有机械结合水全部排去为止。在排除机械结合水的同时，坯体的体积发生收缩，并形成一定的气孔。全部干燥过程分为三个阶段。,第一阶段，只有收缩水的蒸发，没有气孔的形成，脱水时粉体颗粒相互结近，收缩急剧进行，此时制品减少的体积等于除去水分的体积。第二阶段，不仅有收缩水排除，还有气孔水的排除。水分排除时，既产生坯体收
48、缩，又在坯体中产生部分气孔。第三阶段，收缩停止，除去水分的体积等于形成气孔的体积。,二、排塑排塑的目的和作用成型后的坯体中往往含有大量的塑化剂或粘合剂，这些物质在烧成前若不预先排除，烧结时由于粘合剂的挥发和软化，会造成坯体严重变形，或坯体中出现较多的气孔，或机械强度降低。有时由于粘合剂中含碳较多，当氧气不足产生还原气氛时，会影响烧结质量，增加烧银、极化的困难，降低产品的最终性能。排塑时必须严格控制排塑温度，使坯料中的塑化剂、粘合剂等全部或部分挥发，从而使坯体具有一定的强度。,排塑过程中的物理化学变化（以聚乙烯醇为例）在排塑过程中，首先是附着在坯体中的水分的挥发，然后才是聚乙烯醇的分解，产生大量
49、的二氧化碳和水。聚乙烯醇的挥发温度较宽，从200C 开始挥发，直到450C 基本挥发完毕。,挥发过程几乎是恒速进行的。随坯体尺寸的增大，水分挥发完毕的温度也相应提高。因此，必须严格控制排塑过程中的升温速度。在100C 左右，保温一段时间，让水分充分挥发，避免坯体变形和开裂。在500以前，若升温速度过快，将会造成坯件中出现较多的气孔。另外，聚乙烯醇的分解需在氧气中进行。当氧气不足时，聚乙烯醇中的碳生成还原性很强的一氧化碳，在烧结时不易结晶、成瓷，颜色也不正常，在烧银时会出现渗银发黑，在极化时不易加上极化电压，电性能也随之降低。,影响排塑过程中的因素 升温速率和保温时间对排塑过程的影响。,坯体的外形尺寸、壁厚、表面面积对排塑过程的影响。壁厚越小、表面积与体积之比越大，排塑越容易，即可较快地升温。,制品的尺寸及形状对塑化剂的影响,塑化剂的组成和数量对排塑过程的影响。不同的塑化剂其熔点、沸点、粘度各不相同，与瓷粉的吸附或结合能力也不同，其排塑过程有难易之别。塑化剂的排出速率随坯料中所含塑化剂的数量增加而减小，,制品中塑化剂数量对排出量的影响,
