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1、无机非金属材料的加工,本章内容,无机非金属材料的加工特征无机非金属材料的常规加工无机非金属材料的精密加工陶瓷的金属化与封接,思考？,材料工程基础中，金属材料的加工方法：铸造压力加工焊接表面处理无机非金属材料有无这些加工？,无机材料加工实例,无机非金属材料的加工尺寸规整度：方法切割加工表面光洁度：研磨与抛光表面处理：防污所有的加工，只是对其器形进行微调。绝不能象加工金属一样加工陶瓷制品！,示例,显微镜观察用的光片与薄片应如何加工？光片薄片,无机非金属材料的加工特征,烧结制品的精度都不可能很高，要获得高精度、高表面质量的制品及元件，只有通过加工及精加工甚至超精密加工才可实现。加工精度越高的加工方法
2、，材料的去除速度越慢，生产效率越低、生产成本越高。可通过提高加工精度，来提高产品的功能和附加值。,无机非金属材料的加工特征,无机非金属材料超精密加工特征：弹性系数高、刚性好；硬度高、耐磨性好、去除量小；加工变质层小；晶相稳定；耐蚀性好；适合超精密平面加工。,无机非金属材料的加工特征,与金属材料相比，无机非金属材料的弹性变形小，适合于超精密加工，且在使用时，易于保持精度。但对于一些小体积的薄形产品，则由于刚性较差，易造成加工精度的降低。,无机非金属材料的加工特征,无机非金属材料硬度高、耐磨性好、去除量小，故加工效率低，但加工面粗糙度小、加工变质层也较浅。导热性差，加工点附近温度容易上升，刀具的磨
3、损较大，增加了加工阻力和加工热量，进而导致了各种加工误差，且易在材料表面产生裂纹及缺陷，降低加工精度和表面质量。,无机非金属材料的加工特征,加工变质层小：在较高温度下才有塑性变形，加工中不会产生毛刺，使用中发生刻痕时，其两侧也不会有材料凸起现象，易保持形状精度。,无机非金属材料的加工特征,加工变质层小：在较高温度下才有塑性变形，采用先粗加工（确保形状精度），再精加工（除去粗加工的变质层），可提高加工效率。常多种加工法同时使用，并在抛光液中添加化学药品，既可保证加工形状精度，又可得到化学加工的无损伤加工面。,无机非金属材料的加工特征,晶相稳定：在高温下不会发生类似金属组织学的相变，故用其制造的零
4、件不会发生时效变化，尺寸及形状能长期保持稳定。耐蚀性好：不易氧化，表面耐腐蚀性好，在加工和使用过程中不会生锈。,无机非金属材料的加工特征,适合超精密平面加工：金属都是多晶体，没有实用的单晶材料。但无机非金属的各种单晶材料正在实用化。抛光多晶材料时易产生由结晶方位引起的各向异性，而单晶材料却易于均匀地平面抛光，得到无残留加工变质层的平滑表面。,无机非金属材料的常规加工,最常用的机械加工方法是切削加工，其主要形式是材料的脆性断裂过程，导致了零件强度的不稳定性。提高无机非金属材料加工质量、可靠性和生产效率，是使它们得以广泛应用的基本要求。,常规加工-切割加工,工艺要求：高效率、低成本、窄切缝(材料利
5、用率高)、无损伤、无环境污染等。,常规加工-切割加工,金刚石锯片切割，不能切割曲线，且切缝较宽，出材率较低，不适于对贵重材料的精密切割；激光束切割，切割深度有限，增大激光器功率，则激光与工件间产生的高温等离子体会明显降低加工效率，增加熔融物的排出难度，且设备投资费用昂贵；高压水射流切割，可以切割石材、陶瓷等脆性材料，但切缝较宽，不易实现精细的切割加工，且设备昂贵，需耗费大量水资源。,无机非金属材料的常规加工,近十几年来，随着超硬材料及其应用技术的迅速发展，切割加工无机非金属材料的新工艺、新设备不断涌现，其中金刚石线锯切割技术发展较快，其独特结构不但能切割各种贵重硬脆材料，而且可以方便地切割曲线
6、。,金刚石线锯,线锯种类使用游离磨料钢丝锯；使用固结磨料金刚石线锯和金刚石串珠锯。,金刚石线锯钢丝锯,钢丝锯：用一根钢丝缠绕在一组锯丝导轮上，形成一排按一定间隔排列的切割线切割时，钢丝按一定方向运动，并与工件相互压紧，当含有游离磨料的切割液浇注到工件与锯丝之间时，锯丝的快速运动将切割液带入工件切缝中，而对工件材料产生切割作用。,金刚石线锯钢丝锯,提高切割效率的关键是提高切割速度，方法：通过单向行程钢丝，切割速度可提高 1 2 倍，达 400 800/min；通过提高送料速度，可缩短锯切时间，钢丝可重复使用 5 10 次；仍用单向走丝，但增大钢丝线长度，达 300 500km，是普通钢丝线长度的
7、 5 10 倍，最大走线速度可达 900/min。,金刚石线锯钢丝锯,钢丝锯切割的优点：切缝窄(目前最小切缝可达 0.2)、切片量大、加工成本低等；缺点：可靠性较差、钢丝耐用度低，钢丝锯加工所用切割液通常为磨料与矿物油按一定比例混合而成，常用的磨料为碳化硅。,金刚石线锯固结磨料锯,采用电镀工艺将金刚石磨粒固着于钢丝基体上制备而成其最大特点是采用线型锯丝，因此可对硬脆材料进行曲线切割，锯缝可小于 1mm，不仅可用于加工石材，玻璃等普通硬脆材料，而且特别适合宝石，玛瑙，陶瓷,水晶等贵重硬脆材料的精密切割。,金刚石线锯固结磨料锯,金刚石线锯可切割硬脆材料的优点：切割未经烧结的硬质合金时可保证其软边缘
8、不产生破损；切割脆性晶体的加工效果优于砂轮切割，锯丝接触工件后，其振动可马上停止；加工温度较低，适于切割易炸裂材料；切割绝缘体时不会引起崩碎；可切割精密窄缝；可切割出大尺寸工件切片。,金刚石线锯固结磨料锯,目前主要有以下三种形式：绕线式线锯：切割运动与钢丝锯类似，切割时，锯丝从一个绞轮绕到另一个绞轮上，由于锯丝无焊缝，因此可实现高速切割。,金刚石线锯固结磨料锯,目前主要有以下三种形式：往复式线锯：锯丝可上下往复运动结构较简单，适应性好，可切割各种硬脆材料内,外曲线表面。但锯丝的有效工作长度受到限制，利用率不高，切割速度较低(一般为 2 3m/s)。,金刚石线锯固结磨料锯,目前主要有以下三种形式
9、：环形回转式线锯：焊接为环形，可通过导轮实现循环切割，整个锯丝长度均可参与切割，使用寿命长，切割速度高(可达 10 20m/s)；但切割内曲面时必须先切割一条引线槽。,金刚石线锯金刚石串珠锯,金刚石串珠锯：最早出现于 70 年代，应用于石材开采，后来广泛用于建筑物、桥梁等混凝土结构的拆除和改造，也用于切割玻璃等硬脆材料金刚石串珠锯由钢丝绳芯、金刚石串珠和隔离套组成，串珠按一定间隔穿在绳芯上，并由隔离套相互分开。,金刚石线锯金刚石串珠锯,传统的金刚石串珠制备方法电镀法：只有一层金刚石磨料，开始加工时切割速度较快，但磨损速度也较快；热压烧结法：1983年以后出现的烧结式串珠可以不断地更新金刚石磨料
10、，虽然切割速度较慢，但使用寿命较长。共同缺点：金刚石磨粒为随机分布，均匀性较差，目前已开发出磨粒可按一定方向均匀分布的镶焊式金刚石串珠。,金刚石线锯金刚石串珠锯,金刚石串珠锯不但能切割直面，而且能切割曲面切割板料时，可进行多道串珠锯切割，生产效率很高，用途广泛。但切缝较宽，因此目前还不适合用于细微结构和贵重材料的切割加工。,线锯切割发展方向,切割速度将不断提高：往复式线锯仅为 2 3m/s，而回转式线锯则可提高到 20m/s 以上；出材率提高；可有效控制锯丝弯曲，提高切割精度；数控切割并且允许切割形状复杂的曲面。振动切割，其效率相当于普通无振动切割的 3 倍，并且可以降低切削力，提高切割精度，
11、延长工具寿命。,常规加工-切削加工,通常用超高精度的车床和金刚石单晶车刀进行加工，吃刀深度与走刀量都很小，可用于精加工，它是一种高效率的加工方法一般，切削工具的硬度为被加工物硬度的 4 倍左右。高硬度的氧化铝陶瓷可选用多晶金刚石刀具进行切削加工，烧结或熔融氟云母成型的云母陶瓷也容易进行切削加工。,常规加工切削加工,国外研制成功了多种采用高精度空气轴承主轴的超精密机床，用金刚石刀具能高精度切削加工各种非金属材料，另外，还开发了以等离子体进行加热切削的方法，这种方法是用等离子体加热陶瓷至高温后，在强度较低状态时切削陶瓷，可采用 CBN（立方氮化硼）切削工具，工具尖端用水冷却。,常规加工-磨削加工,
12、磨削加工过程是高速旋转的砂轮磨粒对被磨削层的挤压过程，磨屑实际上是被挤压下来的磨削过程中有的磨粒起切削作用，有的起刻划作用，有的则仅起摩擦抛光作用。,常规加工-磨削加工,磨削加工形式：外圆磨削(其方法有纵向磨削法、切入磨削法、综合磨削法、深度磨削法)、内圆磨削、平面磨削(又分为适用于精磨的圆周磨削、适用于粗磨的端面磨削、转盘式研磨)、无心磨削等；按以砂轮工作表面来区分，磨削加工又可分周边磨削、端面磨削、成型磨削三大类。,常规加工-研磨与抛光,抛光目的：使表面光滑抛光时采用软质、富于弹性或粘弹性的工具（抛光机）及微粉磨料。抛光与研磨的差别在于磨粒的大小和保持磨粒的方法不同。陶瓷研磨：在加工面上产
13、生的微小裂纹趋于长大，然后尖端脱离。影响加工特性的主要因素：研具的种类、磨粒的种类和大小、研磨液、加压压力、加工速度等。,常规加工-研磨与抛光,抛光的机理有多种，由此产生了许多不同的抛光方法，如复合抛光、软质粉末的机械化学抛光、水合抛光及无污染抛光等。,研磨硬脆材料时的加工过程,常规加工-研磨与抛光,对电子材料的最终精加工还可采用具有复合效果的化学-力学抛光法，即采用磨粒的力学研磨确保形状精度，同时用化学研磨除去因磨粒的力学作用产生的加工缺陷。,常规加工-研磨与抛光,由软质粉末产生的机械-化学抛光的最大特征是其粉末比加工物的质地还软，能够与加工物发生固相反应，抛光时，由于摩擦力而发生粉末脱落，
14、使加工得以进行。,常规加工-粘弹性流动加工,这是利用含磨料的半流动状态的粘性磨料介质，在一定压力下强迫通过被加工表面，由磨料颗粒的刮削作用去除工件表面微观不平整部分的工艺方法粘性磨料在一定压力作用下反复在工件待加工表面滑移通过，从而达到表面抛光或除去毛刺的目的。,粘弹性流动加工过程示意图1、粘性磨料；2、夹具；3、上部磨料室；4、工件；5、下部磨料室；6、液压操纵活塞的,常规加工-粘弹性流动加工,粘性磨料介质应具备的性能：有一定的流动性和粘弹性；有很强的内聚力；有很小的内摩擦力；稳定性好，使用寿命长；磨料不粘到加工零件上；切削作用强，加工速度快，抛光效果显著；介质对工件无腐蚀作用，对人体无影响
15、。,常规加工-粘弹性流动加工,粘弹性流动加工的特点：适用范围广，尤其适用于各种型孔、交叉孔、喷嘴小孔等内壁的精加工；抛光效果好，加工精度较高，加工后表面粗糙度可达原始的1/10，一般可提高3级左右；。加工效率高，磨料流动加工时材料的去除量一般为 0.01 0.lmm，加工时间通常为l 5min；对小型零件可以同时加工多件。但仅适于表面加工，不能修正零件的形状误差。,磨料喷射加工,利用混有细磨料粉末的气体，聚焦成束的高速喷射来进行加工磨料种类应随被加工陶瓷的硬度而定。加工硬度较小的陶瓷可用石英或石榴石，加工较硬的陶瓷可用碳化硅或氧化铝，特别硬的陶瓷可用碳化硼作磨料。磨料种类、磨料尺寸、喷嘴口径、
16、喷嘴与工件表面的距离、喷嘴角度、磨料喷射速度等都可能是影响磨料喷射加工的因素通常磨粒愈大，喷射速度愈高，材料的去除速度也愈快。,磨料喷射加工,磨料喷射加工示意图压气瓶；2 过滤器；3 磨料室；4 手柄；5 喷嘴；6 集收器；7 工件；8 控制阀；9 振动器；10 混合腔,常规加工激光加工,当激光照射在被加工工件表面时，光能被吸收并转换成热能，使照射斑点的局部区域迅速熔化以致气化蒸发，形成小四坑随着激光能量的继续吸收，凹坑中蒸气迅速膨胀，压力突然增大，熔融物被爆炸性地高速喷射出来，所产生的反冲击力又在工件内部形成一个方向性很强的冲击波。在高温熔融和冲击波的同时作用下，工件达到加工的目的。,激光加
17、工的种类,常规加工激光加工,激光加工的特点不需要加工工具；加工功率密度高，可加工各种金属、陶瓷、石英、金刚石等材料；加工速度快，效率高，热影响区小；适于精微加工，能加工深而小的微孔和窄缝；适宜对透明材料进行打孔；不宜加工厚尺寸的产品。,常规加工超声波加工,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。加工时，在工具和工件之间加入液体和磨料悬浮液，并使工具以很小的力轻轻压在工件上。超声换能器产生 16000Hz以上的超声频纵向振动，并借助于变幅杆把振幅放大到 0.05 0.lmm左右，驱动工具端面作超声振动，迫使工作液中悬浮的磨粒以很大的速度和加速度不断地撞击，抛磨被加工表面，把加工区域
18、的材料粉碎而被打击下来。,超声加工原理示意图1、工具；2、工件；3、磨料悬浮液；4与5、变幅杆；6、换能器；7、超声发生器,常规加工超声波加工,工作液受工具端面超声振动作用而产生的高频、交变的液压正负冲击波和“空化”作用，促使工作液钻入被加工材料的微裂缝处，加剧了机械破坏作用。所谓空化作用，是指当工具端面以很大的加速度离开工件表面时，加工间隙内形成负压和局部真空，在工作液体内形成很多微空腔，当工具端面以很大的加速度接近工件表面时，空泡闭合，引起极强的液压冲击波，以强化加工过程。,常规加工超声波加工,影响超声波加工速度的主要因素合适的振幅和频率，一般控制在 0.01 0.lmm，频率在 1600
19、0 25000Hz之间；合适的进给压力，加工面积小时，静压力可较大；使用硬度较高的磨料，如金刚石、碳化硼、碳化硅等；合适的磨料悬浮液浓度，通常采用浓度为磨料对水的质量比约 0.5 1 左右；考虑被加工材料性质，材料愈脆，承受冲击载荷的能力愈低，愈易被加工；而韧性好的材料则不易加工。,常规加工超声波加工,超声波加工的特点适合加工硬脆材料，特别是不导电的非金属材料，例如玻璃、陶瓷、石英、金刚石等；加工设备结构简单，操作、维修方便；工件表面的宏观切削力很小，切削应力、切削热很小，不会引起变形及烧伤，表面粗糙度也较好，而且可以加工薄壁、窄缝零件。,常规加工-EMG 加工法,由电气机械磨削系统构成，同时
20、具有电解磨削和机械磨削两种功能的复合磨削加工方法，加在工件上的应力比普通机械磨削低了 30%50%，适用于脆性材料的加工。,常规加工-EMG 加工法,加上电源，负极接磨轮，正极接工件，工件和磨轮之间注入电解液。加电压后，工件表面生成薄而脆的阳极氧化膜。在电解作用下选择性地溶解其凸部，从而变得光滑，然后全面形成新的阳极氧化膜，再进行机械磨削。,EMG磨削装置的机械结构图,常规加工 MEEC 加工法,这是由机械磨削加工（机械的）、电解加工（电分解）和电火花（Electro 释放）结合而成的复合加工法。,常规加工 MEEC 加工法,特殊导电砂轮的两种形式：一是将通电部分设计成辐射状的砂轮，采用一般直
21、流电源进行电解加工、电火花加工，再加上机械磨削加工；二是采用特殊导电整体型砂轮，用特殊加工的电源装置供给脉冲电场，从而引起电解、电火花。前者，因为放电脉冲是由旋转引起的，所以脉冲时间不能太短，但是加工电源装置比较简单。后者，脉冲是由加工电源装置引起的，将它施加在砂轮上，虽然脉冲时间相当短，但是装置比较复杂。,常规加工电子束加工,在真空条件下，利用聚焦后能量密度极高(106 109w/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，转变为热能，使被冲击部分的工件达到数千度以上，从而引起材料的局部熔化或气化。,常规加工电子束加工,控制电子束能量密度的大小与
22、能量注入时间，就可以达到不同的加工目的，如热处理、焊接、打孔、切割等加工，还可以进行光刻加工。,无机非金属材料的超精密加工,超精密加工技术是一门新兴的综合性加工技术它集成了现代机械，光学，电子，计算机,测量及材料等先进技术成就，使得超精密加工的精度从 60 年代初的微米级提高到目前的 0.01 m 级，提高了 1 2 个数量级，极大地改善了产品的性能和可靠性。,超精密加工定义,两种含义：一是指向传统加工方法不易突破的精度界限挑战的高精度加工；其二是指向实现微细尺寸界限挑战的，以微电子集成电路生产为代表的微细加工。,超精密加工定义,将达到或超过本时期最高精度的加工称为超精密加工。目前，一般将加工
23、精度优于 0.1m，粗糙度低于 0.025m或更高精度的加工称为超精密加工。它已进入纳米级精度阶段，出现了纳米加工技术。,超精密加工分类,按加工方法机理和特点：可以分为去除加工、结合加工和变形加工三大类。按加工方式：可以分为切削加工、磨料加工（分固结磨料和游离磨料）、特种加工和复合加工四类。,精密加工方法分类,超精密加工方法分类,超精密加工的实现条件,综合性高新技术，已发展成它以人、技术、组织为基础的精密加工系统工程，涉及到如下因素：超精密加工的工艺方法和机理；超精密加工用的工件材料；超精密加工工装装备；超精密加工工具；精密测量及误差补偿技术；超精密加工工作环境、条件。,影响超精密加工的主要因
24、素 1,超精密加工机床：这是超精密加工最重要、最基本的加工设备，要求应达到如下要求：高精度：包括静精度和动精度；高刚度：包括高的静刚度和动刚度，还应注意接触刚度，同时应考虑由工件、机床、刀具、夹具所组成的工艺系统刚度。高稳定性：在工作环境下和使用过程中应能长时间保持精度，应有良好的耐磨性、抗振性等。高自动化：为了保证加工质量，减少人为因素影响，采用数控系统实现自动化。,影响超精密加工的主要因素 2,超精密加工工具：切削刀具：天然金刚石、高性能陶瓷刀具，锡，CBN,金刚石涂层的硬质合金刀具以及 CBN 刀片，但其加工表面质量不如天然金刚石。磨削砂轮：金刚石微粉砂轮。研磨研具：可用铸铁、锡、工程塑
25、料和玻璃等。磨料：超硬磨料，如 CBN 微粉，金刚石微粉，软质磨料，如 SiO2、CeO2、ZrO2 等。,影响超精密加工的主要因素 3,超精密加工材料：超精密加工所用的工件材料质量、工件的表面结构完整性、残余应力等将影响功能陶瓷元器件的性能如反射镜的反射率会降低，磁盘存储密度降低。因此，对超精密加工所用的材料化学成分、物理力学性能动工性均有严格要求，要求质地均匀、性能稳定、无微观缺陷。,影响超精密加工的主要因素 4,超精密加工测量：没有高精度测量手段，就不能对超精密加工精度进行评价通常要求测量精度高于加工精度一个数量级。,影响超精密加工的主要因素 5,超精密加工环境：加工环境条件的极微小变化
26、都可能使超精密加工精度达不到要求超精密加工必须在超稳定的加工环境条件下（主要指恒温、恒湿、防振、超净）进行。,影响超精密加工的主要因素 6,误差预防和补偿：误差预防可通过提高机床制造精度、保证加工环境的条件等措施来减小误差的影响。误差补偿可利用误差补偿装置对误差值进行动静态补偿，以消除误差本身的影响。使用在线检测和误差补偿可以突破超精密加工系统的固有加工精度。,影响超精密加工的主要因素 7,超精密加工设计，应考虑的事项：选择适合超精密加工的材料，如弹性系数高、热膨胀系数小、加工引起特性变化小的材料适合超精密加工非晶质材料没有各向异性的问题，任何形状都能均质地加工。各向异性单晶材料适合平面抛光，
27、而不适合其它形状抛光。,影响超精密加工的主要因素 7,超精密加工设计，应考虑的事项：设计成适合超精密加工的形状，单纯形状的工件比复杂形状的零件更容易实现超精密加工精度，平面、圆筒或球面较易于实现高精度。,超精密研磨新技术,无损伤抛光晶体材料的无损伤表面抛光技术是以不破坏极表层结晶结构的加工单位进行材料微量切除加工的方法。按加工状态，可看作由机械作用和化学作用及其组合构成的，如：,超精密研磨新技术,无损伤抛光机械微量去除抛光：只限定于磨粒作用区域的机械抛光其抛光效果取决于晶体和磨粒的硬度、磨粒形状、抛光盘保持抛光剂的性能等物理特性。,超精密研磨新技术,无损伤抛光化学抛光（化学腐蚀抛光、盘式化学抛
28、光）：是在软质抛光盘上用化学液进行腐蚀抛光其加工效率和表面形状都不理想，只适用于化合物半导体单晶抛光。,超精密研磨新技术,无损伤抛光化学机械复合抛光：借助施加机械能作用引起晶体表面产生固相反应的抛光，也有在机械作用同时再施加化学作用，借助加工中的摩擦热和局部应力应变，并由加工液促进化学作用的抛光。,无机非金属材料的超精密加工,非接触抛光抛光工件与抛光盘不接触，仅用抛光剂冲击工件表面，以获得加工表面完美结晶性和精确形状，去除量为几个到几十个原子级的抛光方法既可用于功能晶体材料抛光（注重结晶完整性和物理性能），也可用于光学零件的抛光（注重表面粗糙度及形状精度）。,无机非金属材料的超精密加工,非接触
29、抛光非接触抛光技术是以弹性发射加工（EEM）理论为基础的，微粒子以接近水平的角度与材料碰撞，在材料最表面处产生最大的剪切力，既不使基体内的位错，缺陷等发生移动（塑性变形），又能产生微量的弹性破坏来进行去除加工。,无机非金属材料的超精密加工,(1)弹性发射加工利用水流加速微细磨粒，以小入射角冲击工件表面，在接触点处产生瞬时高温高压而发生固相反应，使工件表层原子晶格的空位及工件原子和磨粒原子互相扩散，形成与工件表层其它原子结合力较弱的杂质点缺陷，当磨粒再次撞击这些缺陷时，就会将杂质点原子与相邻的几个原子一起移去，工件表层凸出的原子也因受到很大的剪切力而被切除，其加工方法是使用聚氨脂球作加工头。,E
30、EM加工的磨粒运动,无机非金属材料的超精密加工,(2)动压浮离抛光为非接触抛光，当沿圆周方向制有若干个倾斜平面的圆盘在液体中转动时，通过液体楔产生液体动压（也称为动压推力轴承工作原理），使保持环中的工件浮离圆盘表面，通过浮动间隙中的粉末颗粒对工件进行抛光。因没有摩擦热和工具磨损，标准平面不会变化，故可重复获得精密的工件表面。用于抛光半导体基片和各种功能陶瓷材料及光学玻璃平晶，可进行多片加工。,动压浮离抛光盘结构1-抛光液容器；2-驱动齿轮；3-保持环；4-工件夹具；5-工件；6-抛光盘；7-载环盘,无机非金属材料的超精密加工,(3)浮动抛光使用高平面度平面并带有同心圆或螺旋沟槽的锡抛光盘，高回
31、转精度的抛光机，将抛光液覆盖在整个抛光盘表面上，使抛光盘及工件高速回转，在二者之间抛光液呈动压流体状态，并形成阶层液膜，从而使工件在浮起状态下进行抛光的一种平面度极高的非接触超精密抛光方法，其关键技术是超精密抛光盘的制作。,无机非金属材料的超精密加工,(3)浮动抛光最初用来加工高密度 VTR 磁头的磁隙面，现可用来加工计算机磁头的磁隙面，加工光学零件，大功率激光、激光陀螺及受激准分子激光器用的光学零件，光学平晶、铌酸锂、水晶、钽酸锂等功能陶瓷材料基片的批量加工。,浮动抛光装置示意图1-抛光液；2-抛光液槽；3-工件；4-工件夹具；5-抛光盘；6-金刚石刀具的切削面；7-沟槽；8-液膜,无机非金
32、属材料的超精密加工,(4)切断、开槽及端面抛光采用传统抛光方法难以对沟槽的壁面、垂直柱状轴断面进行镜面加工，但采用非接触端面抛光可以实现上述加工。,无机非金属材料的超精密加工,(4)切断、开槽及端面抛光工具与工件不接触，工具高速旋转驱动微粒子冲击工件形成沟槽或切断，然后再用同一种工具，并向同一位置供给微粒子进行数次抛光，即可实现断面的镜面抛光。,沟槽侧面的非接触抛光1-空气主轴；2-工具；3-加工液；4-工件；5 微粒子；6-抛光出的镜面,界面反应抛光,界面反应抛光两物体界面间存在着摩擦磨损现象，可将其当成是界面反应，将反应生成物限制在表层极微小的深度，并在不伤害母体，将其从表面去除，就有可能
33、得到目前抛光加工所达不到的超精密表面。故利用磨料与工件摩擦界面的固相化学反应现象来进行加工的原理，已作为各种抛光新技术的基础而引起人们的重视。,无机非金属材料的超精密加工,(1)机械化学抛光是利用固相反应抛光原理的加工方法之一，使用能与工件进行固相反应的软质微细磨粒及适当的抛光液。在工件与磨粒的接触点上，由于摩擦产生高温高压，在极短的接触时间里产生固相反应，并由摩擦力除去反应物，实现纳米级微小单位的去除抛光。可用来能加工蓝宝石及其它晶体材料。,无机非金属材料的超精密加工,(1)机械化学抛光要求使用的粉末：（1）必须比工件软；（2）必须能与工件产生固相反应。故对每种工件材料必须选择相应的粉末和加
34、工条件。,无机非金属材料的超精密加工,(2)水合抛光溶质或分散粒子与水分子结合及相互作用的现象称为水合反应。水和抛光利用工件界面上产生的水合反应，用抛光盘的摩擦力去除所形成的水合层的高效，超精密抛光方法。,无机非金属材料的超精密加工,(2)水合抛光主要特点：不使用磨粒和加工液，加工装置与普通抛光机相同，在水蒸气环境中进行加工。工件材料是能生成水合物的亲水性固体材料。选用的抛光盘材料必须不与工件产生固相反应。由于水合抛光的去除量至多只有纳米级，所以可获得无划痕、平滑、晶格无畸变的洁净表面。,水合抛光装置示意图1-水蒸汽发生器；2-工件；3-抛光盘；4-载荷；5-保持架；6-蒸汽喷嘴；7-加热器；
35、8-偏心凸轮,无机非金属材料的超精密加工,(3)胶态 SiO2 抛光金刚石微粉纯净水和碱性溶液，抛光蓝宝石，加工速率很低。即使在 210的NaOH溶液，加工速率也只有 8nm/h。用SiO2微粒分别对蓝宝石进行干式和湿式抛光，。前者Si+浓度是后者的5倍。说明干式抛光能强化SiO2 微粒的固相反应，可促进加工。这说明胶态 SiO2 对单晶蓝宝石的湿式抛光加工机理主要是机械去除作用。,无机非金属材料的超精密加工,进行式机械化学抛光进行式机械化学抛光（简称P-MAC抛光），能自动地从抛光初始的机械去除作用移至最终的化学去除作用，以实现高精度和高质量的镜面抛光。实现PMAC抛光需变化工件与抛光工具之
36、间的接触状态(即间隙)。,无机非金属材料的超精密加工,进行式机械化学抛光可通过如下方法实现使抛光机具有随时调整间隙的功能；通过改变抛光液供给方式或抛光液粘度，调整间隙；使夹具具有调整间隙的功能；采用不同材料同时作工件，利用工件与样件之间形成的加工量差进行间隙调整。,无机非金属材料的超精密加工,电场和磁场抛光电场和磁场抛光加工（简称 FFF，或场致抛光）是利用和控制电、磁场的强弱使磁流体带动磨粒对工件施加压力，从而获得高形状精度,高表面质量和无晶格畸变的表面抛光方法可用于高性能功能陶瓷元件及材料的加工，也用于加工自由曲面。,无机非金属材料的超精密加工,(1)磁流体抛光磁流体是一种带有磁性的流体材
37、料。借助活性剂的作用，使磁性微粒表面被表面活性剂有机分子所包围，稳定地悬浮于油基或水基的液相载体中构成胶态流体，在磁场作用下具有流动性。其特性是：粒子的磁性极大、能稳定分散和悬浮、无矫顽力、磁力随磁场强度增加而增加。,无机非金属材料的超精密加工,(1)磁流体抛光抛光加工使用的磨粒通常是非磁性的，当将非磁性磨粒混入磁流体并置于磁场中时，由于磁流体中强磁性微粒的作用，磁流体被吸向高磁场一侧，如果在磁流体中有非磁性磨粒，在磁场作用下，非磁性磨粒则与磁流体相反，趋于低磁场一侧磨粒在磁流体浮力作用下压向旋转的工件而进行抛光。,无机非金属材料的超精密加工,(1)磁流体抛光磁流体抛光有悬浮式和分离式两种应用
38、磁力悬浮现象进行抛光的就是磁力悬浮抛光法。分离式磁流体抛光时，磨料不混入磁流体中，而是利用磁流体向强磁场方向移动的特性，通过橡胶或其它弹性材料挤压磨料，对工件进行抛光加工。磁流体抛光是一种高精度的加工方法，可以获得 Ra 为10nm的无变质层的表面。,无机非金属材料的超精密加工,(2)磁悬浮抛光：应用磁力悬浮现象进行加工的。使用微细磨粒进行传统抛光时，由于同时参与加工的磨粒数量增多而使每一颗磨粒的加工压力变小，造成加工效率下降磁悬浮抛光则能使每一颗磨粒在保持相同加工压力的同时尽量增加参与加工磨粒的数量（即高加工压力和高磨料作用率），可以实现高效率加工。,悬浮式磁流体抛光原理1-夹具；2-工件；
39、3-非磁性磨料；4-磁流体；5-容器；6-磁铁；7-工作台,磁悬浮抛光装置示意图1-工件；2-容器；3-永久磁铁；4-磁流体；5-水槽；6-工件保持器；7-搅拌棒；8-温度调节器；9-热电偶；10-主轴；11-冷水罐；12-电磁阀,无机非金属材料的超精密加工,磁悬浮抛光特点：磁悬浮力使作用于抛光面的磨粒数量增多。磨粒的支承液体富有弹性另外，磁悬浮加工力使作用于每颗磨粒的加工压力与磨粒的数量无关。利用磁性流体的热传导率很大的特点，可以控制加工点的温升。越接近磁铁，作用于磨粒的磁悬浮力会越大因此，可以修正工件形状。,无机非金属材料的超精密加工,(3)磁磨料抛光在磁场中(N极和S极的磁极之间)充填磁
40、性微细磨料，磁场作用使之形成磁力抛光刷，工件在其中边回转、边振动，从而实现表面抛光。,无机非金属材料的超精密加工,(3)磁磨料抛光该法不仅可以加工磁性材料，也适用于加工非磁性金属材料，及陶瓷、硅片等非金属材料。磁磨料是一种复合磨料。通常是将具有强磁性的铁磁性物质和磨料按一定比例混合后，经烧结、粉碎、球磨、筛选等工序制成。也可采用电铸或等离子粉末熔融法制作。,无机非金属材料的超精密加工,(3)磁磨料抛光必须要具备的条件：磁极结构要与被加工表面形状相适应，并产生强的磁场力。磨料既有大的磁导率，又有良好的磨削性能。要使磁性抛光刷相对工件运动。,无机非金属材料的超精密加工,(3)磁磨料抛光特点：通过改
41、变磁场强度可以控制抛光压力；不仅可用于平面抛光，而且也能用于各种曲面的抛光；既可抛光铁磁性材料，也可抛光非铁磁性材料。,磁磨料外圆抛光原理图1-磁极；2-工件；3-磁极N；4-磁磨料,磁磨料在加工中的受力情况1-磁极；2-磨料；3-工件,无机非金属材料的超精密加工,(4)电泳抛光 在两个不同相物体接触界面上会引起正负电荷的分离，并产生电位差。在液体中的粒子周围也会存在这种正负电相对存在的系统（称之为界面二重层）。在此界面上施加平行电场时，由于在界面两侧的电荷相反，就产生了相的相对流动，称为界面电动现象，电泳为其中的一种。对胶态粒子系统施加电场时，粒子产生运动的现象称为电泳。利用磨粒所存在的电泳
42、现象进行的抛光加工，称为电泳抛光（Migration Poishing）。,陶瓷的金属化与封接,陶瓷的金属化为了实现陶瓷与金属的焊接，需要在陶瓷的表面牢固地粘附一层金属薄膜，这种过程称为陶瓷的“金属化”。工艺种类：被银法、铝锰法和电镀浸锡法。,被银法：,被银法又称烧渗银法，是指在陶瓷表面烧渗一层银，作为电容器、滤波器的电极或集成电路基片的导电网络。,被银法：,主要原料有三大类，一是银及其化合物，如银粉、碳酸银、氧化银等，二是熔剂类化合物，如氧化铋、偏硼酸铅、氟硼酸铅、特种玻璃等，三是粘结剂化合物，如乙基纤维素、硝化纤维、松节油、松香油、松油醇、蓖麻油、亚麻仁油、大茴香油、环已酮、无水乙醇、邻苯
43、二甲酸二丁酯等。,被银法：,工艺流程：瓷件预处理银浆的配制涂敷烧银,铝锰法：,铝锰法：其原料主要是钼、锰，有时还有 Al2O3、SiO2、MnO、CaO、MgO、Fe2O3等，工艺流程与被银法基本相似，其金属化烧结多在立式或卧式氢气炉中进行采用还原气氛，但需要含微量的氧化气体，如空气和水汽等，也可采用H2、N2及H2O三元气体。金属烧结的温度，一般比瓷件的烧成温度低 30100。,电镀、浸锡工艺：,电镀是一种电化学过程，在电子陶瓷工业中应用的电镀工艺主要有镀铜、镀银及镀镍。浸锡工艺：适宜于被银瓷件镀铜后热浸锡。将预热好的产品装入不锈钢篮内一起放入锡锅浸锡。取出后在离心机中甩去多余锡，再将产品放
44、入振动台上轻微振动，避免相互粘蚀。大型瓷件可用夹具逐个浸锡，冷却后的产品应用清水和热水清洗，再烘干。,陶瓷的封接,陶瓷与金属的封接，也称焊接（包括陶瓷与陶瓷的焊接），在现代工业技术中的应用有着十分重要的意义诸如电视显像管、高压钠蒸汽灯的金属引线的封接、电子元件的封装、氮化硅增压器叶片与金属轴的联接等等都属陶瓷-金属封接的问题。,激光焊接法,激光焊接，首先应考虑如何避免由加热、冷却速度和温度梯度所引起的热裂纹。方案：预热陶瓷工件，激光经反射镜和聚光镜聚焦于试样表面预热炉用于预热试样，以避免激光照射的局部骤热而产生裂纹。高氧化铝瓷预热温度1200，可防止裂纹的产生。预热温度和焊接速度对焊接质量影响
45、较大。,陶瓷用激光焊接装置示意图,激光焊接法,用激光焊接的莫来石试样，经100次反复加热和冷却的热疲劳试验，焊接试样的抗弯强度没有明显下降目前已出现了用二氧化碳激光装置来焊接氧化铝瓷、莫来石和镁橄榄石瓷等新型陶瓷。,烧结全属粉末法,在高温还原性气氛中，使金属粉末在瓷件表面上烧结成金属薄膜，再进行陶瓷-金属封接方法。应遵循以下原则：金属件的熔点应比金属化温度高200以上，且焊料、金属件的成分不再与金属化中的金属形成合金。金属件与陶瓷件的膨胀系数应尽可能地接近。,烧结全属粉末法,钼锰法陶瓷金属封接是应用最广泛的一种方法，其工艺过程大致为：在陶瓷表面涂覆铝锰合金料膏，在氢气保护下（含0.25l），在
46、低于陶瓷烧结温度100200的温度下进行陶瓷金属化烧结，再镀一层镍并在1000左右于干氢中烧结，使镍层与钼锰合金层牢固结合，最后在陶瓷件和金属件之间加入焊料，在氢气或真空中进行钎焊。,玻璃焊料封接法,玻璃焊料适合于陶瓷与各种金属合金的封接，特别是强度和气密性要求高的场合。将玻璃焊料置于铌与半透明氧化铝之间，用钼夹具装架固定，放入真空炉内加热至860，保温数分钟，快速升温至1000，再放慢升温速度至封接温度。,玻璃焊料封接法,在较熔化温度高60左右进行封接，焊料与封接之间传质既充分、润湿性也好，过渡层又厚，且晶粒不太大。降温过程，一是进行退火，释放应力；二是增加细小结晶相，以增进焊料的强度和提高
47、焊料的工作温度，同时调整焊料的热膨胀系数，使其与封接件接近一致。,活性金属焊接法,在铜银焊料中加入活性金属钛、锆，能显著改善焊料对陶瓷的润湿。用金属铝来焊接氮化硅，则焊接的氮化硅试样的抗弯强度达450500MPa。而采用CuAgTi焊料焊接的氮化硅，其抗弯强度高于980MPa。这是因为活性金属可润湿Si3N4，并同它们发生界面反应形成牢固的结合。,固相封接法,与陶瓷接触的固相由加压、加热法扩大接触面积，使各成分扩散，直至容积扩散而完成粘接。其接合过程可分为如下三个阶段：首先是凸面的接触，然后由表面变化扩大接触面积。界面移动且空洞渐渐消失。由体积扩散引起界面移动和空洞完全消失。,固相封接法,对于
48、相同物质的封接来说，由于界面移动，封接面可能消失。而对于不同材料的封接，往往存在界面。这时，封接面形成扩散层的接合和形成反应层的接合 除温度、压力、时间外，封接前的表面状态和封接气氛也很重要。影响封接的内在参数，主要有陶瓷和金属组合时的热膨胀系数差、反应性、元素的扩散速度差、接合界面的原子结合形式等。,陶瓷封接的形式,金属与陶瓷的封接形式甚多，就其基本结构而言，有对封、压封、穿封三种，几种基本封接形式如下图所示。,几种基本封接形式a）端头对封 b）夹层对封 c）平压封 d）斜压封 e）实心穿封 f）垫压穿封（黑色表示金属部分，斜线表示陶瓷）,Thank you for your listening!,
