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1、2023/6/26,河南省精品课程陶瓷工艺原理,第六章 陶瓷的加工及改性,第一节 陶瓷的机械加工方法,陶瓷加工的特点：陶瓷都有尺寸和表面精度要求，但由于烧结收缩率大，无法保证烧结后瓷体尺寸的精确度，因此烧结后需要再加工,陶瓷材料有高硬度、高强度、脆性大的特性，属于难加工材料,2023/6/26,河南省精品课程陶瓷工艺原理,陶瓷材料的加工方法,2023/6/26,河南省精品课程陶瓷工艺原理,6.1.1 陶瓷的切削加工（cutting）一、陶瓷材料的切削加工特点（1）陶瓷材料具有很高的硬度、耐磨性，对于一般工程陶 瓷的切削，只有超硬 刀具材料才能够胜任（2）陶瓷材料是典型的硬脆材料（3）陶瓷材料的
2、切削特性由于材料种类、制备工艺 不同而有很大差别,二、陶瓷材料的切削加工,（1）选择切削性能优良的新型切削刀具,（2）选择合适的刀具几何参数,（3）切削用量的选择,（4）设计的专用夹具、缓冲震动、施冷却润滑,2023/6/26,河南省精品课程陶瓷工艺原理,6.1.2 陶瓷的机械磨削加工 一、磨削加工机理（grinding）,陶瓷材料和金属材料的磨削机理,材料脆性剥离是通过空隙和裂纹的形成或延展、剥落及碎裂等方式来完成的 在晶粒去除过程中，材料是以整个晶粒从工件表面上脱落的方式被去除的。陶瓷和金属的磨削过程模型如右图。金属材料依靠剪切作用产生带状或接近带状的切屑，而磨削陶瓷时，材料内部先产生裂纹
3、，随着应力的增加，间断裂纹的逐渐增大，连接，从而形成局部剥落。,2023/6/26,河南省精品课程陶瓷工艺原理,二、磨削加工设备,砂轮（grinding wheel）和磨料（abrasives）的选择 磨削工艺及条件的选择 a砂轮磨削速度 b工件给进速度（feeding speed）c冷却液的选择（cooling media）d 磨削深度ap（rubbing depth）e磨削方式（rubbing way）、方向及机床刚性（machine rigidity）,2023/6/26,河南省精品课程陶瓷工艺原理,6.1.3 陶瓷的研磨、抛光加工一、陶瓷的研磨（grinding）研磨加工是利用涂敷或压
4、嵌游离磨粒与研磨剂的混合物在一定刚性的软质研具上，研具与工件向磨粒施加一定压力，磨粒作滚动与滑动，从被研磨工件上去除极薄的余量，以提高工件的精度和降低表面粗糙度的加工方法，研磨加工示意图如下图。,研磨加工示意图,2023/6/26,河南省精品课程陶瓷工艺原理,研磨过程材料剥离的机理主要是以滚碾破碎为主。磨粒越粗，材料剥离率越大，研磨效率越高，但表面粗糙度增大；磨粒硬度越高，研磨效率越高，但却容易使球面出现机械损伤，导致表面粗糙度相对较低。,研磨工程陶瓷用的磨料一般采用B4C和金刚石粉，磨料粒度范围为250600目，冷却液可选用煤油或机油。但对于较大尺寸的制品，不适合采用端面研磨机加工，通常采用
5、研磨砂布进行加工。,2023/6/26,河南省精品课程陶瓷工艺原理,二、陶瓷的抛光（polishing）,抛光是使用微细磨粒弹塑性的抛光机对工件表面进行摩擦使工件表面产生塑性流动，生成细微的切屑，材料的剥离基本上是在弹性的范围内进行。抛光的方法：一般的抛光使用软质、富于弹性或粘弹性的材料和微粉磨料。抛光加工的用途：它是制备许多精密零件如硅芯片、集成电路基板、精密机电零件等的重要工艺。抛光时在加工面上产生的凹凸，或加工变质层极薄，所以尺寸形状精度和表面粗糙度比研磨高。,2023/6/26,河南省精品课程陶瓷工艺原理,第二节 陶瓷的特种加工技术6.2.1 电火花加工 电火花加工的原理是基于工件和工
6、具（正、负电极）之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来蚀除（corrosion removing）多余的金属，以达到对零件的尺寸、形状以及表面质量预定的加工要求。下图为放电加工示意图,放电间隙示意图,2023/6/26,河南省精品课程陶瓷工艺原理,电火花加工必须具备以下几个条件：,（1）放电必须是瞬时的脉冲性放电。（2）火花放电必须在有较高绝缘强度的介质中进行。（3）要有足够的放电强度，以实现金属局部的熔化和气化。（4）工具电极与工件被加工表面之间要始终保持一定的放电间隙,绝缘陶瓷的电火花放电加工原理示意图和高速电火花穿孔机原理示意图如下图所示,电火花加工示意图,高速电火花穿孔机原理示意图,202
7、3/6/26,河南省精品课程陶瓷工艺原理,6.2.2 电子束加工 电子束加工（electron beam machining）是在真空的条件下，利用聚焦后能量密度极高（106109W/cm2）的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小的面积上，在极短的时间（几分之一微秒）内，其能量的大部分转变为热能，使被冲击的大部分的工件材料达到数千度以上的高温，从而引起材料的局部融化或气化。下图为电子束加工工作原理示意图。,电子束加工工作原理示意图,工件变形小、效率高、清洁制电子束能量密度的大小与能量注入时间，达到热处理，焊接，打孔，切割等加工目的 光刻加工,特点：,2023/6/26,河南省精品课程陶瓷工艺
8、原理,原理：激光加工是利用能量密度极高的激光束照射到被加工陶瓷工件表面上，工件局部表面吸收激光能量，使自身温度上升，从而能够改变工件表面的结构和性能，甚至造成不可逆的破坏。材料在高温、熔融、汽化和冲击波的作用下被蚀除，从而进行打孔、画线、切割以及表面处理等加工。特点：（1）加工速度快、无噪声，能实现各种复杂面型的高精度的加工目的。（2）可以进行微区加工，也可以进行选择性加工（3）因此其热影响区很小（4）大气中进行，便于大工件加工（5）数控机床机器人连接起来构成各种加工系统。（6）难保证重复精度和表面粗糙度；设备复杂昂贵，加工成本高。,激光加工原理示意图,6.2.3 激光加工（laser mac
9、hining）,2023/6/26,河南省精品课程陶瓷工艺原理,超声波磨削加工是利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液加工硬脆材料的一种加工方法。加工原理如图所示。,超声波加工机理,6.2.4 超声波加工（ultrasonic machining）,特点：,（1）适合加工各种硬脆材料，特别是不 导电的非金属材料,（2）加工设备结果简单，操作、维修方便,（3）可以得到高质量的表面，而且可以加工薄壁、窄缝零件,2023/6/26,河南省精品课程陶瓷工艺原理,第三节 施釉 陶瓷的施釉是指通过高温的方式，在陶瓷体表面上附着一层玻璃态层物质。施釉的目的在于改善坯体的表面物理性能和化学性能，同时增加产品
10、的美感，提高产品的使用性能。,釉的作用与分类一、釉的作用（1）釉能够提高瓷体的表面光洁度。（2）釉可提高瓷件的力学性能和热学性能。（3）提高瓷件的电性能，如压电、介电和绝缘性能。（4）改善瓷体的化学性能。（5）使瓷件与金属之间形成牢固的结合。（6）釉可以增加瓷器的美感，艺术釉还能够增加陶瓷制品的艺术附加 值，提高其艺术欣赏价值。,2023/6/26,河南省精品课程陶瓷工艺原理,二、釉的分类（1）按釉中主要助熔物划分：如铅釉、石灰釉、长石釉等。（2）按釉的制备方法划分：生料釉：即指釉料配方组成中未使用熟料熔块的釉。熔块釉：即指由熔块与一些生料按配比制作而成的釉料。（3）按照釉的烧成温度划分：易熔
11、釉或低温釉：指熔融温度一般不超过1150的釉 中熔釉或中温釉：指熔融温度一般在11501300的釉 难熔釉或高温釉：指熔融温度一般达1130的釉（4）按釉烧成后外观特征和具有的特殊功能划分：透明釉、乳浊釉、画釉、结晶釉、纹理釉、无光釉、腊光釉、荧光釉、香味釉、金属光泽釉、彩虹釉、抗菌釉、自洁釉等。（5）按釉的用途划分：装饰釉、电瓷釉、化学瓷釉、面釉、底釉、钧釉等。,2023/6/26,河南省精品课程陶瓷工艺原理,6.3.2 釉的特点和性质,一、釉的熔融性能（1）釉的熔融温度范围定义：我们把釉随着温度的升高，从开始出现液相的始熔温度到完全成为液相的流淌温度之间的温度区域范围称为釉的熔融温度范围。
12、釉的始熔温度和流淌温度的测定：釉的熔融性质通常用高温显微镜测定。首先，将待测釉料制作成高度和直径均为3mm的圆柱体，并置于高温电炉中加热升温，升温速度为810/mm，对釉料受热变化的行为照相记录，如下图。,釉料受热变化的行为,2023/6/26,河南省精品课程陶瓷工艺原理,二、釉的高温粘度（viscosity）（1）釉的高温粘度对釉面质量的影响：如果粘度过小，引起堆釉、流釉或干釉等缺陷并易使装饰纹样模糊或消失；如果粘度过大，会使釉面出现桔釉或光泽度差等缺陷。（2）影响釉高温粘度的主要因素：配方中助熔剂种类及含量；烧成温度（3）釉的高温粘度测定：首先用5g釉粉加工成圆球或小圆柱体，然后将该釉粉试
13、样置于以45度角放置的瓷质粘度测定板的圆槽中，试样在高温炉中升温至成熟温度，然后冷却并取出试样测定其在流动槽中的流动长度L，它即代表着釉的粘度大小。,2023/6/26,河南省精品课程陶瓷工艺原理,三、釉的膨胀系数及坯釉膨胀系数的适应性（1）坯釉膨胀系数互不适应时的两种表现：当釉坯时：冷却时釉层会受到坯体所给予的拉伸应力作用，即在釉层中产生张应力。当此张应力超过釉层的抗张应力极限时，釉层被拉断形成釉裂。当釉坯时：冷却时坯层收缩大于釉层，使釉层受到压应力作用，当此压应力超过一定极限时即发生釉层的剥落现象，即剥釉。（2）膨胀系数的选择确定：对于有釉面的陶瓷制品，一般希望釉的膨胀系数比坯体的略小（两
14、者差值为1.010-6/左右较佳）。,2023/6/26,河南省精品课程陶瓷工艺原理,四、釉的力学性能（1）釉层的强度：釉面机械强度与釉、坯之间的应力分布有很大关系。（2）釉的弹性：釉的弹性对釉面质量的影响：如果釉的弹性很小，有裂纹产生；釉的弹性大可以缓解机械外应力的破坏作用。釉的组成对弹性的影响：配方中引入离子半径较大、电荷较低的 金属氧化物（如Na2O、K2O等）可使弹性模量减少，而弹性值 增大；反之，引入离子半径小、极化能力强的金属化合物（BeO、MgO、Li2O等）则使弹性提高釉的弹性模量，使釉的弹性减小。（3）釉面硬度：影响釉硬度的因素：釉的组成，在釉层中适当增加Al2O3、B2O3
15、、ZrO2、CaO、ZnO、MgO的含量有利于增加釉的硬度；K2O、Na2O的增加会降低其硬度；适当提高烧成温度，可使其硬度得到 提高。,2023/6/26,河南省精品课程陶瓷工艺原理,五、釉面光泽度 定义：光泽度是表示釉面对入射光作镜面反射的能力。影响因素：釉面光泽度与釉面的折射率、烧成制度有关。反射率R提高，则光泽度越大；在釉中增加高折射率的金属氧化物，如PbO、ZnO有利于使折射率增大，同时可以提高釉面的密度，从另一方面来提高釉面的光泽度。,2023/6/26,河南省精品课程陶瓷工艺原理,6.3.3 施釉工艺,一、基本施釉方法（1）浸釉法：即将产品用手工全部浸入釉料中，使之附着一层釉浆（
16、2）喷釉法：喷釉法是利用压缩空气将釉浆喷成雾状，使粘附于坯体上（3）浇釉法：将釉浆浇到坯体上以形成釉层（4）刷釉法：用于在同一坯体上施几种不同釉料,二、新型施釉方法（1）流化床法：利用压缩空气设法使加有少量有机树脂的干釉粉在流化床内悬浮而呈现流化状态，然后将预热到100200 坯体浸入到流化床中，与釉粉保持一段时间的接触（2）热喷施釉法：先进行坯料的素烧，后在炽热状态的素烧坯体上进行喷釉（3）干压施釉法：压施釉法是将成型、上釉一次完成的一种方法。釉料和坯体均通过喷雾干燥来制备。成型时，先将坯料装入模具加压一次，然后撒上少许有机结合剂，再撒上釉粉，然后加压。（4）机器人施釉,2023/6/26,
17、河南省精品课程陶瓷工艺原理,6.3.5 烧釉,（1）制定烧成制度的依据：以坯釉的化学组成及其在烧成过程中的物理化学变化为依据。以坯件的种类、大小、形状和薄厚为依据。以窑炉的结构、种类、燃料种类以及装窑疏密等为依据。以相似产品的成功烧成经验为依据。,（2）温度制度及其控制：温度制度包括：升温速率、烧成温度（止火温度）、保温时间和冷却 速度等。,（3）气氛制度及其控制：气氛类型 烧成气氛的选择依据,2023/6/26,河南省精品课程陶瓷工艺原理,第四节 陶瓷表面金属化,6.4.1 陶瓷表面金属化的用途 一、制造电子元器件 二、用于电磁屏蔽 三、应用于装饰方面生产美术陶瓷,6.4.2 陶瓷表面金属化
18、的方法 陶瓷的金属化方法很多，在电容器，滤波器及印刷电路等技术中，常采用被银法。此外还有采用化学镀镍法、烧结金属粉末法、活性金属法、真空气相沉积和溅射法等。,2023/6/26,河南省精品课程陶瓷工艺原理,一、被银法,被银法又名烧渗银法。这种方法是在陶瓷的表面烧渗一层金属银，作为电容器，滤波器的电极或集成电路基片的导电网络,（1）瓷件的预处理：瓷件金属化之前必须预先进行净化处理。清洗的方法很多，通常可用7080的热肥皂水浸洗，再用清水冲洗。,（2）银浆的配置：银浆的配方主要是由含银的原料，熔剂及粘合剂组成。,（3）银电极浆料的制备：将制备好的含银原料，熔剂和粘合剂按一定配比进行配料后，在刚玉或
19、玛瑙磨罐中球磨4090h，使粉体粒度5m并混合均匀。,（4）涂敷工艺：有手工，机械，浸涂，喷涂或丝网印刷等,（5）烧银：烧银的目的是在高温作用下使瓷件表面上形成连续、致密、附着牢固、导电性良好的银层,2023/6/26,河南省精品课程陶瓷工艺原理,二、化学镀镍法,优点：（1）镀层厚度均匀，能使瓷件表面形成厚度基本一致的镀层。（2）沉积层具有独特的化学、物理和机械性能，如抗腐蚀、表面光洁、硬度高、耐磨良好等。（3）投资少，简便易行，化学镀不需要电源，施镀时只需直接把镀件浸入镀液即可。,化学镀的工艺流程为：陶瓷片水洗除油水洗粗化水洗敏化水洗活化水洗化学镀水洗热处理。,2023/6/26,河南省精品
20、课程陶瓷工艺原理,三、真空溅射镀膜（vacuum sputtering coating）,它是在功能陶瓷表面形成导电层的方法，如镀铝，金等，具有镀膜质量较高，简便实用等优点。该方法配合光刻技术可以形成复杂的电极图案，也可形成合金和难熔金属的导电层以及各种氧化物，钛酸钡等化合物薄膜。真空蒸发镀膜原理如下图所示,真空蒸发镀膜示意图,常用的有电阻加热法和电子束加热法。（1）电阻加热法是用高熔点金属（钨、钼）做成丝或舟型加热器，用来存放蒸发材料，利用大电流通过加热器时产生的热量来直接加热膜料。（2）电子束加热法由一个提供电子的热阴极、加速电子的加速极和阳极（膜料）所组成，其特点是能量高度集中能使膜料源
21、的局部表面获得极高的温度，对高、低熔点的膜料都能加热气化,2023/6/26,河南省精品课程陶瓷工艺原理,第五节 陶瓷金属封接技术（bonding of ceramics and metals）,作为陶瓷金属的连接，不管采用哪种类型的封接工艺，都必须满足下列性能要求：（1）电气特性优良，包括耐高电压，抗飞弧，具有足够的绝缘，介电能力等；（2）化学稳定性高，能抗耐适当的酸、碱清洗，不分解，不腐蚀。（3）热稳定性好，能够承受高温和热冲击作用，具有合适的线膨胀系数；（4）可靠性高，包括足够的气密性，防潮性和抗风化作用等；,2023/6/26,河南省精品课程陶瓷工艺原理,6.5.1 玻璃焊料封接（gl
22、ass welding）,玻璃焊料封接又称为氧化物焊料法，即利用附着在陶瓷表面的玻璃相（或玻璃釉）作为封接材料。玻璃焊料适合于陶瓷和各种金属合金的封接（包括陶瓷与陶瓷的封接），特别是强度和气密性要求较高的功能陶瓷。,一、玻璃焊料金属封接条件（1）两者的膨胀系数接近（2）玻璃能润湿金属表面,二、封接前金属的处理（1）金属的清洁处理：机械净化；去油；化学清洗；电化学清洗；烘干（2）金属的预氧化：即将金属置于氢气或真空中进行高温加热使金属表面能形成一层氧化物而达到润湿的效果。,三、玻璃焊料金属封接的工艺参数（1）温度（2）时间（3）气氛,2023/6/26,河南省精品课程陶瓷工艺原理,6.5.2 烧
23、结金属粉末法封接（powder metallurgy bonding）,用这种方法将陶瓷和金属件焊接到一起时，其主要工艺分为两个步骤：陶瓷表面金属化和加热焊料使陶瓷与金属焊封。其中，最关键的工艺是陶瓷表面的金属化,工艺流程简述如下：（1）浆料制备：其中主要成分为金属氧化物或金属粉末，还含有一些无机粘合剂，有机粘合剂。再加上适量的液体，就可置入球磨机中湿磨1260小时，直到平均粒径到13m为止。（2）刷浆：将上述制得的金属浆料，以一定方式涂刷于需要金属化的陶瓷表面上，这层金属浆料的厚度，以干后达到1226m为宜。（3）烧渗：在高温及还原性气氛的作用下，一部分金属氧化物将被还原成金属，另一部分则可
24、能熔融并添加到陶瓷的玻璃相中，或与陶瓷中之某些晶态物质，通过化学反应而生成一种新的化合物，形成一种粘稠的过渡层，并将陶瓷表面完全润湿。而在冷却过程中这粘稠的过渡层，则凝固为玻璃相，填充于陶瓷表面与金属粉粒之间。（4）将陶瓷金属化表面与金属进行焊接,2023/6/26,河南省精品课程陶瓷工艺原理,6.5.3 活性金属封接法（active metallic bonding）,在直接焊封之前，陶瓷表面不需要先进行金属化，而采用一种特殊的焊料金属，直接置于需要焊接的金属和陶瓷之间，利用陶瓷金属母材之间的焊料在高温下熔化，其中的活性组员与陶瓷发生反应，形成稳定的反应梯度层，从而使两种材料结合在一起。这种
25、金属焊料可以直接制成薄层垫片状，或采用胶态悬浊浆涂刷。必须严格控制焊封的温度和时间，以防止焊料对瓷件的过分侵蚀，才能保证必要的焊封质量；活化金属焊接工艺，必须在高度真空下进行，通常真空度必须高于10-4Pa。对于大型工件来说，是非常麻烦且难以实现的。因此，这种工艺至今未得到广泛的应用。,特点：,2023/6/26,河南省精品课程陶瓷工艺原理,6.5.4 封接的结构形式（configuration）,应用于电子元件、器件中的陶瓷金属的封接，虽然种类繁多，形式不一，但就基本结构而言，不外乎对封、压封、穿封三种，如图6.16所示。如果元件本身结构比较简单，则可以使用其中之一种，如小型密封电阻，电容，
26、电路基片等。如元器件本身比较复杂，则可能有其中的23种形式组合而成，如穿心式电容器，陶瓷绝缘子，真空电容器等。,一、对封：对封是通过焊封将金属直接平焊于金属化后的陶瓷端面上。如右图（1）、（2）所示,二、压封：即金属件在外，瓷件在内。如右图（3）、（4）所示,三、穿封：当穿过瓷件的金属件的直径较细，可以直接采用如右图（5）所示的实心穿封；金属件较粗应改用如右图（6）所示压穿封,陶瓷金属封接的主要结构形式,2023/6/26,河南省精品课程陶瓷工艺原理,第六节 陶瓷表面改性新技术,一、热喷涂法（thermal spraying）：利用氧乙炔（丙烷）火焰、电弧或等离子等高温热源将欲涂覆的各种涂层材
27、料熔化或软化，并用高速射流使之雾化成微细颗粒液滴或高温颗粒，喷射到经过预处理的基体表面工件表面，从而与基体形成一层牢固的涂层的技术，达到高度耐磨、减摩、耐蚀、耐高温以及修补恢复尺寸等目的,二、冷喷涂法：利用高压气体携带粉末颗粒从轴向进入喷枪产生超音速流，粉末颗粒经喷枪加速后在完全固态下撞击基体，通过产生较大的塑性变形而沉积于基体表面形成涂层,三、溶胶凝胶法（sol-gel）：用易水解的金属醇盐或无机盐，在某种溶剂中发生水解反应，经水解缩聚形成均匀的溶胶，将溶胶涂覆在金属的表面，再经干燥、热处理（焙烧）后形成涂层,陶瓷材料传统的表面改性技术,2023/6/26,河南省精品课程陶瓷工艺原理,四、物
28、理化学气相沉积法（physical chemical vapor deposition）：气相沉积是指以材料的气态（或蒸汽）或气态物质化学反应的产物在工件表面形成涂层的技术，前者称为物理气相沉积（PVD），后者称为化学气相沉积（CVD）。物理气相沉积有溅射法、离子镀法、真空蒸镀法等。对于陶瓷基体来说，用的较多的是溅射法。溅射法是通过待镀材料源和基板一起放入真空室内，然后利用正离子轰击作为阴极的靶，以动量传递的方法使靶材中的原子、分子溢出并在基板表面上凝聚成膜。化学气相沉积是指在相当高的温度下，混合气体与基体的表面相互作用，使混合气体中的某些成分分解，并在基体表面形成一种金属或化合物的固态薄膜或
29、镀层。,五、熔盐反应法（molten salt reaction）：其原理是利用过渡金属在熔盐里歧化反应，在陶瓷表面沉积金属薄膜和涂层，从而改善陶瓷表面的润湿性能,2023/6/26,河南省精品课程陶瓷工艺原理,6.6.2 陶瓷表面改性新技术,一、离子注入技术（ion implanting）：,它是将所需的元素（气体或金属蒸汽）通入电离室电离后形成正离子，将正离子从电离室引出进入几十至几百千伏的高压电场中加速后注入材料表面，在零点几微米的表层中增加注入元素的浓度，同时产生辐照损伤，从而改变材料的结构和各种性能。,（1）离子注入技术原理及装置,离子注入是指从离子源中引出离子，经过加速电位加速，离
30、子获得一定的初速度尔后进入磁分析器，使离子纯化，从磁分析器中引出所需要注入的纯度极高的离子。加速管将选出的离子进一步加速到所需的能量，以控制注入的深度。聚焦扫描系统将粒子束聚焦扫描，有控制地注入陶瓷材料表面。离子注入装置如右图所示,离子注入机示意图,2023/6/26,河南省精品课程陶瓷工艺原理,离子注入技术的特点：,离子注入是一个非平衡过程，注入元素不受扩散系数、固溶度和平衡相图的限制，理论上可将任何元素注入到任何基体材料中去。离子注入是原子的直接混合，注入层厚度为0.1m，但在摩擦条件下工作时，由于摩擦热作用，注入原子不断向内迁移，其深度可达原始注入深度的1001000倍，使用寿命延长。离
31、子注入元素是分散停留在基体内部，没有界面，故改性层与基体之间的结合强度很高，附着性好；离子注入是在高真空（10-410-5Pa）和较低的温度下进行的，因此工件不产生氧化脱碳现象，也没有明显的尺寸变化，故适宜工件的最后表面处理。缺点：有时无法处理复杂的凹面和内腔；注入层较薄；离子注入机价格昂贵，加工成本较高。,2023/6/26,河南省精品课程陶瓷工艺原理,金属蒸汽真空弧离子源是利用阴、阳极间的真空电弧放电原理来建立等离子体的右图为MEVVA源的电源原理。,（2）金属蒸汽真空离子源技术（metal vapor vacuum arc）,MEVVA源的电源原理,特点：（1）能给出的离子种类多（2）注
32、入效率高（3）离子电荷态高，可大幅度地降低注入机的制造成本（4）离子束纯度高，进一步降低注入机的制造成本（5）可实现多种元素的离子在相同条件下的注入和掺杂，并省去重复抽真空的时间。,2023/6/26,河南省精品课程陶瓷工艺原理,（3）离子注入对陶瓷表面材料表面力学性能的影响,离子注入对陶瓷表面材料断裂韧性的影响：陶瓷材料的致命缺陷是脆性大，利用离子注入可以在一定程度上提高陶瓷的断裂韧性。,离子注入对陶瓷抗弯强度的影响：因为离子注入使材料表面产生辐照损伤，体积膨胀，产生表面压应力，这是材料强度增加的主要原因，但是如果材料表面的裂纹尺寸超过了注入引起的表面压应力的厚度，其增强效果会减小。,离子注
33、入对陶瓷硬度的影响：一般来说，低剂量注入时，离子束引起表面硬化，使得材料硬度会增大，但是剂量增到一定程度时，当陶瓷表面呈无定形后，硬度就会急剧下降。,离子注入对陶瓷摩擦性能的影响：陶瓷材料的摩擦损失常与表面性能有密切关系。离子注入可以改善材料的表面性能，从而提高材料表面的抗磨损性能,2023/6/26,河南省精品课程陶瓷工艺原理,二、等离子体喷涂（plasma spraying）,（1）等离子体与表面的相互作用 低温等离子体中存在具有一定能量分布的电子、离子和中性粒子，通过它们与材料表面的撞击，会将自己的能量传递给材料表面的原子或分子，产生解析、溅射、刻蚀、蒸发等各种物理、化学过程。一些粒子还
34、会注入到材料表面引起级联碰撞、散射、激发、重排、异构、缺陷、晶化或非晶化，从而改变材料表面的组织和性能。,（2）脉冲等离子沉积（pulse plasma deposition）用于薄膜合成、表面改性技术中的脉冲能量束一般为脉冲激光束、脉冲电子束、脉冲等离子束。与脉冲电子束、脉冲激光束相比，脉冲等离子体具有电子温度高、等离子体密度高、定向速度高、功率大等特点。脉冲等离子体应用于材料表面改性具有设备简单、处理温度可以在室温进行、沉积速率高、薄膜与基底粘结力强等优点，并兼有激光表面处理、电子束处理、冲击波轰击、离子注入、溅射、化学气相沉积等综合性特点。在制备薄膜时可在室温下合成亚稳态相和其他化合物材
35、料。,2023/6/26,河南省精品课程陶瓷工艺原理,（3）脉冲高能量密度等离子体,脉冲高能量密度等离子体的基本构思：将高能量密度等离子体，瞬间地作用在材料表面，可以导致材料表面出现局部急剧熔化，紧接着急剧冷却凝固，加热或冷却速率可达108 1010 K/s。因此可以在基材表面形成一层微晶或非晶薄膜，从而达到改善材料表面性能的目的。通过改变同轴枪内、外电极材料，工作气体种类及工艺参数，可以获得不同种类和比例的等离子体束，从而可以在室温下制备各种稳态和亚稳态相的薄膜 脉冲高能量密度等离子体的产生装置是根据同轴等离子体加速器的概念设计的，装置如右图所示,脉冲高能量密度等离子体同轴枪原理图,2023
36、/6/26,河南省精品课程陶瓷工艺原理,（4）脉冲高能量密度等离子体表面改性 脉冲高能量密度等离子体技术用于陶瓷表面金属化的原因：（1）通常用铜代替铝作为集成电路的金属材料，目前方法沉积得到的铜膜由于与氧化铝基底的润湿性很差，造成金属膜与基底结合不牢。（2）脉冲高能量密度等离子体在处理材料时，等离子体能够与基底材料直接发生反应，这样，制备薄膜及膜/基混合可同步实现，能够有效提高膜/基结合力。脉冲高能量密度等离子体技术用于刀具表面改性方面 利用脉冲高能量密度等离子体技术在Si3N4陶瓷刀具和硬质合金刀具表面沉积Ti(C,N)涂层后，具有很好的硬度效果,2023/6/26,河南省精品课程陶瓷工艺原
37、理,三、激光技术（laser spraying）,激光表面处理采用大功率密度的激光束、以非接触性的方式加热材料表面，借助于材料表面本身传导冷却，来实现其表面改性的工艺方法。优点：能量传递方便，可以对被处理工件表面有选择地局部强化；能量作用集中，加工时间短，热影响区小，激光处理后，工件变形小；可处理表面形状复杂的工件，而且容易实现自动化生产线；激光表面改性的效果比普通方法更显著，速度快，效率高，成本低；通常只能处理一些薄板金属，不适宜处理较厚的板材，但可以作为建筑卫生陶瓷的表面修补；激光表面处理包括激光表面硬化、激光冲击硬化、激光表面熔化、激光表面合金化和激光表面涂覆等,（1）激光表面处理技术的
38、原理及特点,2023/6/26,河南省精品课程陶瓷工艺原理,（2）激光表面喷涂,右图为激光表面喷涂喷嘴示意图。该装置有激光发生器、喷涂材料供给装置、高压气体供给装置组成。该方法属于同步吹送法，它的特点是利用高温度、高能量密度的激光作为光源，使喷涂材料和喷涂气氛的气体反应来制作非金属涂层。,激光喷涂喷嘴示意图,2023/6/26,河南省精品课程陶瓷工艺原理,（3）脉冲激光沉积镀膜,它是将准分子脉冲激光器所产生的高功率脉冲激光束聚焦作用于靶材料表面，使靶材料表面产生高温及熔蚀，并进一步产生高温高压等离子体（T104K），这种等离子体定向局域膨胀发射并在衬底上沉积而形成薄膜。典型的PLD沉积装置主要
39、由激光扫描系统、真空室制膜系统、监测系统组成（图6.21）。,脉冲激光沉积镀膜示意图,优点：,易于保证镀膜后化学计量比的稳定反应迅速，生长快。定向性强、薄膜分辩率高，能实现微区沉积 生长过程中可原位引入多种气体 易制多层膜和异质膜 易于在较低温度下原位生长取向一致的结构和外延单晶膜高真空环境对薄膜污染少可制成高纯薄膜 可制膜种类多,2023/6/26,河南省精品课程陶瓷工艺原理,四、爆炸喷涂（explosion spraying）,喷涂时，首先将定量的乙炔和氧由供气口送入水冷喷腔的内腔，再从另一入口送入氮气，同时将粉末从供料口送入，这些粉末在燃烧气体中浮游，火花塞点火，气体爆炸产生的热能和压力
40、转化成动能，使粉末达到熔融状态并高速撞击基材表面从而形成涂层，图6.22是爆炸喷涂的原理示意图。,爆炸喷涂原理示意图,2023/6/26,河南省精品课程陶瓷工艺原理,五、陶瓷粉体的表面包覆改性（surface coating）,包裹粉体在结构陶瓷领域的应用主要在：提高陶瓷粉体的分散性；提高烧结助剂或弥散相在粉体中的均匀性；阻止弥散体与基体之间的反应。在功能陶瓷领域除可以降低粉体表面的缺陷浓度、提高分散性外，还可以改善其电、磁、光、催化以及烧结性能。从粉体包覆改性过程中颗粒表面发生的物理化学变化的角度，有以下几种包覆改性方法：,（1）表面吸附改性（surface adsorption）表面吸附改性是利用物理或化学吸附原理，使包覆材料均匀附着在陶瓷粉体上，以形成连续完整的包覆层。,（2）非均相成核法（heterogeneous nucleation）非均匀形核法是利用改性剂微粒在被包覆颗粒基体上的非均匀形核并生长来形成包覆层。,
