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1、无机非金属材料制备工艺原理,成型,上节课讲授内容复习,坯料类型及总体质量要求 坯料制备总过程 可塑坯料制备 注浆坯料制备 压制坯料制备 示例：坯料制备 预测：某厂坯料制备流程,坯料制备总过程,原料的准备与采购，根据原料的形态决定下一步的加工工艺；原料的混合与粉磨；泥浆的除铁、过筛和搅拌；泥浆的脱水；陈腐和练泥,坯料类型及总体质量要求,组成符合工艺要求，正确计量(配料时)，且要防止加工过程中混入杂质；各组分混合均匀(料、水、添加剂)；颗粒大小及级配要符合工艺要求；坯料中所含空气越少起好。,示例：坯料制备,某电瓷厂制泥工艺流程简图,某电瓷厂制釉流程简图,示例：坯料制备,本部分讲授内容,成型概述类型
2、及选择可塑成型法注浆成型法压制成型法粘接与修坯成型模具收缩与放尺的关系,成型的定义,成型(forming)是无机非金属材料生产的重要一步。根据材料的类型，可将成型分成如下三大体系：陶瓷的成型，丰富胶凝材料的成型，以浇注为主玻璃的成型，较丰富，熔融体成型本部分主要介绍陶瓷材料的成型。,陶瓷材料的成型,成型(forming)是将配合料制成的浆体、可塑料、半干粉体、粉体或熔融体，经过适当的手段和设备加工制成具有一定尺寸、形状以及一定密度和强度的坯体的过程。,陶瓷材料的成型,成型方式干法成型：干压与等静压成型，塑化剂少。塑法成型：古老的成型方法，种类多流法成型：利用坯体浆料的流动性来形成特定形状的工序
3、的过程。塑化剂最多。,陶瓷材料的成型,上述成型方式的分类，实际上是按塑化剂加入量多少来进分类的。塑化剂的要求如下：要有足够的粘结性，以保证良好的成型性和机械强度；经高温煅烧能全部挥发，不留或省留残余杂质。工艺简单，没有腐蚀性，对瓷料性能无不良影响。,成型方法说明,对已制备好的坯料，通过一定的方法和手段，迫使坯料发生形变，制成具有一定形状大小坯体的工艺过程称为成形，其中所应用的方法或手段叫做成形方法。成形对坯料提出细度、含水率、可塑性、流动性等成形性能要求；成形应满足烧成所要求的生坯干燥强度、坯体致密度、生坯入窑含水率、器形规整等装烧性能。,对成形的工艺要求,成形坯体应符合产品图纸或产品样品所要
4、求的生坯形状和尺寸；坯体应具有工艺要求的力学强度，以适应后续工序的操作；坯体结构均匀，具有一定的致密度；成形适应生产组合，尽可能与前后工序联动。,陶瓷成型方法分类,根据坯料含水量分类：注浆成形法，坯料含水率38%可塑成形法，坯料含水率26%压制成形法，坯料含水率3%12%新型成形方法，如压滤成形、注射成形、流延成形、凝胶铸模成形和直接凝固成形等，为无机非金属材料，尤其是先进无机非金属材料的制备创造了很好的条件。想一想，与前面所谈的成型方式是否一致？,陶瓷成型方法的选择,产品的形状、大小和厚薄；坯料的工艺性能；产品的产量和品质要求；成形设备易操作，操作强度小，操作条件好；技术指标高，经济效益好。
5、,成型方法的选择,在选择成型方法时，希望在保证产品品质的前提下，尽可能地选用设备先进、生产周期最短、成本最低的成型方法。同一产品可用多种方法成型同一成型方法多种产品的成形选择具有技术经济最佳的成形方法，并非易事，应进行充分的论证与比较。注意：选择成型方法时，应考虑工人的素质和经验。,高电压绝缘陶瓷成型选择示例,高电压电瓷产品特点,机、电、热性能要求较高，大型、厚壁坯件，具有复杂的伞裙结构,高电压绝缘陶瓷成型选择示例,可供选择的成型方法注浆法成形：周期长，坯体干燥变形率大；可塑法成型：普遍采用，可与湿法制坯工序有机衔接，可为制造优质均匀坯料创造条件。压制法成形：受当前技术水平和设备的限制；冷等静
6、压机成型：先压制出形状的简单但强度较高的泥段，再进行车坯，对成型设备，尤其是刀具要求较高。,可塑成型方法,利用模具或刀具等工艺装备运动的压力、剪力或挤压力等外力，对具有可塑性的坯料进行加工，迫使坯料在外力作用下发生可塑变形而制作坯体的成形方法；可塑成形是基于坯料具有可塑性的一种成型方法。可塑性保持其形状，即当外力作用时，泥料变形，外力除去后泥料能抵御自重下的变形而定形。它们在随后的干燥中，随着水分的不断除去，粘土颗粒的进一步靠近，而使强度进一步提高。,可塑法对坯料的要求,较高的屈服值：保证成型时坯料具有足够的稳定性和可塑性；较大的延伸变形量（屈服值至破裂点这一段）：保证坯料被塑成各种形状而不开
7、裂。统称为成型性能，它实际上由坯料的可塑性决定 思考：影响可塑性的因素主要有哪些？,可塑法对坯料的要求,组成坯料的原料，粉碎方法不同，颗粒分布和坯料含水量等方面都可影响其可塑性。可塑性很差的坯料，可采取多种措施来提高坯料可塑性；优点：坯料制备比较方便，对泥料加工所用外力不大，对模具强度要求也不高，操作比较容易掌握。,可塑法对坯料的要求,问题：可塑性是否越高越好？可塑性提高了，有时可伴随着其它工艺性能的恶化。故要注意考查其综合性能，可塑性只要能满足成型要求即可。可塑法所用泥料含水量高，干燥热耗大，易出现变形、开裂等缺陷。,可塑成型方法滚压成形,滚压成型时，盛放泥料的模具和滚头分别绕自己轴线以一定
8、速度同方向旋转。滚头一边旋转一边逐渐靠近盛放泥料的模型，并对坯泥进行“滚”和“压”，使之均匀展开，形成所需要的形状。,可塑成型方法滚压成形,图8-1阳模滚压成型 图8-2 阴模滚压成型,可塑成型方法滚压成形,石膏模或其它多孔模具、滚头粘土质坯料，阳模成形水分20%-30%，可塑性高；阴模成形水分21%-25%，可塑性稍低产量大，坯体品质好，适合于自动化生产，需要大量模具。,滚压成型特点,坯体的组织结构均匀：成型时受力变化比较缓和、均匀，破坏了坯料颗粒原有排列，颗粒间存在应力的可能性较小；坯体致密度和强度高：滚头与坯泥的接触面积较大，压力也较大，受压时间较长；成型质量好：靠滚头与坯体相滚动而使坯
9、体表面光滑，坯体强度大，不易变形，表面品质好，规整度一致；生产效率高，易与上下工序组成联动生产线；应用：日用陶瓷及小件的工业陶瓷。,可塑成型方法旋压成形,石膏模、型刀；粘土质坯料，塑性好，成形水分均匀，一般为21%26%；设备简单，操作要求高，坯体质量不如滚压。,旋压成型示意图,可塑成型方法车坯成形,车刀，卧式或立式车坯机坯料为真空练泥机挤出的泥段，湿车水分16%18%，干车水分6%11%干车粉尘大，生产效率低，刀具磨损大，已渐渐由湿车代替。,适用于外形复杂的圆柱状产品，如圆柱形的套管、棒形支柱和棒形悬式绝缘子的成型。根据坯泥加工时装置的方式不同，车坯成型分为立车和横车。根据所用泥料的含水率不
10、同，又分为干车和湿车。,可塑成型方法车坯成形,挤压成型（extrusion）是采用真空练泥机、螺旋或活塞式挤坯机，将可塑料团挤压向前，经过机嘴定形，达到制品所要求的形状。通过更换机嘴，以挤出各种形状的坯体。陶管、劈离砖、辊棒和热电偶套管等管状、棒状、断面和中孔一致的产品，均可采用挤压成型。坯体的内、外形由机头及内部形状所决定，坯体的长度根据尺寸要求进行切割。挤压成型便于与前后工序联动，可实现自动化生产。,可塑成型方法挤压成形,挤压成型应注意的工艺问题 严格的真空处理，以除去坯料中气泡，以免挤出时气泡在坯体表面破裂，影响表面品质。要有合适的挤出力：挤出力的大小主要取决于机头喇叭口的锥度。合适的挤
11、出速度：出坯过快，坯料的弹性滞后释放，容易引起坯体变形。管状产品壁厚须能承受其重力作用和适应工艺要求。管壁过薄，则容易软塌，使管径变形成椭圆。承接坯体的托板必须平直光滑，以免引起坯体弯曲变形，尤其是长产品。,可塑成型方法挤压成形,可塑成型方法挤压成形,金属机嘴；粘土质坯料，瘠性坯料。要求塑性良好，经真空处理；产量大操作简单，坯体形状简单，可连续生产。,挤压成型设备,挤压成型产品,可塑成型方法塑压成形,塑压成形机；粘土质坯料水分为20%左右，具有一定可塑性；适于成形各种异形的盘、碟类制品，自动化程度高，对模具要求高。,操作：靠压缩空气通入透气的石膏模中，将坯体从模中托起，达到脱模的目的。其操作步
12、骤如下图:将泥段切成泥饼，置于底模上，见图a；上下抽真空，施压成型，见图b；压缩空气从底模通入，使成型好的坯体脱离底模；液压装置返回至开启的工位，坯体被上模吸住，见图c；压缩空气通入上模，坯体脱离上模落入操作人员手中的托板上，见图d；压缩空气同时通入上模和底模，使模内水分排除；关闭压缩空气，揩干模型表面水分，即可进行下一个成型周期，见图e。,可塑成型方法塑压成形过程,可塑成型方法塑压成形过程,滚压、压制法和塑压法的比较,可塑成型方法塑压成形过程,陶瓷精密注射成型(Ceramic injection molding),起源于塑料工业，在20世纪30、40年代首先在欧美国家应用到陶瓷领域，在60年
13、代，日本人采用注射成型工艺制备出氧化锆陶瓷，从此，它成为了一种制备各种高温工程陶瓷，特别是复杂形状陶瓷材料的有效方法。,注射成型的工艺过程陶瓷粉料与热塑性有机体载体相配比、混合、造粒后，将其加入注射机中注射进模具型腔，经充填保压、冷却和脱模，即得所需要的含塑坯体，置排塑炉内，缓缓加热，排除有机成分，从而获得成型坯体。,注射成型法,粉料的制备注塑成型的粉料不含水，它由陶瓷瘠性料和结合剂、润滑剂、增塑剂等有机添加物构成。将上述组分按一定配比加热混合，干燥固化后进行粉碎造粒，得到可塑化的粒状坯料。注意：有机添加剂应尽可能低，以免排胶脱脂时产生气泡或开裂现象。,注射成型法,注射成形过程示意图,LPIM
14、制备的ZrO2陶瓷部件 LPIM制备的Al2O3陶瓷部件,微注射成形(Micro injection molding),LPIM制备的微型ZrO2陶瓷喷嘴 LPIM制备的微型ZrO2陶瓷齿轮,可塑成型方法注塑成形,柱塞式或螺旋式注塑机；瘠性坯料外加热塑性树脂，要求坯料具有一定颗粒度，流动性好，在成形温度下具有良好塑性；能成形各种复杂形状产品，操作拼简单，脱脂时间长，金属模具造价高。,可塑成型方法轧膜与流延成型,一种非常成熟的薄片瓷坯成型工艺，大量用于轧制瓷片电容和独居石电容、电路基片等瓷坯。轧膜坯料制备：由瘠性料和塑化剂构成。要注意将它们充分地混合均匀。塑化剂构成见下表。,流延成型(Tape
15、casting),可塑成型方法轧膜与流延成型,工艺特点：对象：适宜生产1mm以下的薄片状制品。局限：很难轧制0.08mm厚以下的超薄片，且质量也不易控制。,可塑成型方法轧膜与流延成型,方法：将准备好的坯料，拌以一定量的有机粘结剂（一般采用聚乙烯醇），置于两辊轴之间进行辊轧，通过调节轧辊间距，经过多次轧辊，最后达到所要求的厚度。轧好的坯片，需经过冲切工序制成所的坯件。但不宜过早地把轧辊调近，急于得到薄片坯体。因为这样会使坯料和结合剂混合不均，坯件质量不好。,可塑成型方法轧膜与流延成型,注意：防止坯料和粘结剂间的定向排列。干燥和烧结时，横向收缩大，易出现变形和开袭，坯体性能上也会出现各向异性。这是
16、轧膜成型无法消除的问题。,水基凝胶流延机,陶瓷基板,基片显微组织,电路基板,1.雕塑对象：异形产品，如人物、鸟兽或方形、多角形等器物，方式：手捏、雕塑、雕削、雕镶法成型。雕镶法是先将练好的塑性泥料用印坯和拍打相结合的方法制成适当厚度的泥尺，然后切成所需形状大小，再用刀、尺等工具进行修、削以制成符合要求的式样和厚度，最后用泥浆粘镶成坯体。,其它可塑成型方法,雕塑法示例,将揉好无气泡的粘土用泥拍打成长方体。,按设计用线弓割出大体形状。,雕塑法示例,拿起坯体，用刮刀从底部挖去多余粘土。,仔细雕塑外形。,雕塑法示例,完成后的作品,示例,示例,2.印坯对象：异形且精度要求不高的产品，如六角瓶、菱形花钵、
17、人物禽兽中某些局部器形、琉璃瓦中的屋脊等都常常采用印坯法成型；方法：塑性泥料在石膏模中印制成型；方式：分单面印坯和双面印坯。然后经过修整再和其它部分粘结成整个坯体。优点：不需要机械设备，手工操作，印坯成型，但效率低，且常由于印坯时施压不均，干燥收缩不匀而引起开裂变形。,其它可塑成型方法,3.拉坯定义：又称做坯，是一种万能成型法。对象：碗类、盘碟、壶类、杯类、瓶类等。操作：靠手掌力和手指力对塑性泥料进行拉、棒、压、扩等作用，使泥料变成所需要的器形。拉坯时还可利用竹片、木棒及样板等进行刮、削、插孔，形成弧线等。要求：泥料屈服值不宜太高，延伸变形量则要求宽些。坯料含水率稍高于其它塑性成型法。,其它可
18、塑成型方法,拉坯成型示例,双手扶住泥块，右手拇指从顶部中心点压下。,把扶正的粘土起往，用双手的中指指起适当大小的一块。,拉坯成型示例,左手在内，右手在外，左手中指与右手拇指相对，从底部向上缓缓提起，保持匀速，将坯体拉高。,左手辅助，右手拇指从底部中心外扩，井平整底部。,拉坯成型示例,将坯体拉高、修薄时注意整体带动，保持四线平整，形状固定后双手夹薄皮条将口缘压光。,双手指尖内外相对，左手稍用力外扩逐渐拉薄坯体，可反复保持坯体的薄厚、均匀。,拉坯成型示例,拉坯机减慢速度，双手平行轮盘拉紧割线，轻轻靠近并嵌入底足部位约三分之一处，左手松开任割线卷入，拔出割线。,用手指平稳利平底足台，除去多余的粘土。
19、,拉坯成型示例,关闭电源，双手中指夹住坯体根部轻轻托起。,注浆成型,注浆成形是基于石膏模(或多孔模)能吸收水分的特性，可分为三个阶段：从泥浆注入石膏模吸入开始到形成薄泥层；泥层逐渐增厚，直到形成注件；从雏坯形成后到脱模为收缩脱模阶段。,提高注浆成型的速率的方法,1.降低泥层的阻力泥层的阻力由泥浆的组成、浓度、添加物的种类等因素所决定。适当减少塑性原料，增加泥浆粗粒部分的组成，其对大件产品的注浆成型尤为重要。在保证泥浆流动性前提下，减少泥浆中的水分，可提高吸浆速度。用高效的解凝剂（稀释剂)。加入解凝剂可改善其流动性，但完全解凝的泥浆，其坯体致密度高，使泥层阻力增加反而影响注浆效率，若在泥浆中加入
20、少量絮凝剂，使形成的坯体结构疏松，可加快吸浆过程。如加入少量Ca2+、Mg2+的硫酸盐或氯化物都可增大吸浆速度。,提高注浆成型的速率的方法,2.提高吸浆过程的推动力 提高石膏模的毛细管吸力。其大小与石膏模的渗透率有关。影响因素：石膏模制造工艺，如水膏比（78:100时可制得具有最大毛细管力）可影响石膏模的毛细管力的大小。增大泥浆与模型之间压力差：在生产中常采用压力注浆、真空注浆和离心注浆等方法。,提高注浆成型的速率的方法,3.提高泥浆和模型的温度 温度升高，水的粘度下降，泥浆粘度也因而降低，流动性增大。实践证明，若泥浆温度为3540，模型温度为35左右，则吸浆时间可缩短一半，脱模时间也相应缩短
21、。,提高注浆成型的速率的方法,4.注浆成型对泥浆的基本要求 流动性好。应象乳酪一样，流成一连绵不断的细线。稳定性好：不会出现任何组分的沉淀。适当的触变性：太大易稠化，不便浇注，太小则生坯易软塌。含水量少：可减少在装成型时间，增加坯体强度，降低干燥收缩，缩短生产周期，延长石膏使用寿命。滤过性好，通过调整泥浆中瘠性原料和塑性原料的含量可以调整滤过性。注浆成型后坯体要容易脱模且要有足够的强度。泥浆中尽可能不含气泡。,提高注浆成型的速率的方法,在生产中常用泥浆密度、粘度、稠化度、含水量、悬浮性等指标来控制泥浆性能。另外也可通过测定泥浆的吸浆速度、脱模情况、坯体含水量和生坯强度等来表示泥浆的成型性能。,
22、基本注浆方法,（一）单面注浆特点：泥浆与模型的接触只有一面，决定因素：外形，模型工作面的形状，而内表面则与外表面基本相似。厚度，泥浆在模型中停留的时间。坯体的厚度较均匀。若需加厚底部尺寸时，可以进行二次注浆，即先在底部注浆，待稍干后再注满泥浆，这样可加厚底部尺寸。,基本注浆方法,基本注浆方法,（二）双面注浆特点：将泥浆注入两石膏模面之间（模型与模芯）的空穴中，模型与模芯的工作面同时从泥浆中吸水，由于泥浆中的水分不断被吸收而形成坯泥，注入的泥浆就会不断减少。要求：陆续补充泥浆，直到空穴中的泥浆全部变成坯时为止。决定：坯体厚度由模型与模芯之间的空穴尺寸来决定，没有多余的泥浆被倒出。,基本注浆方法,
23、双面注浆可以制造两面有花纹及尺寸大而外形比较复杂的制品。但其模型比较复杂，注件的均匀性并不理想，通常远离模面处致密度小。,强化注浆,压力注浆：根据泥浆压力的大小，分为微压(0.05MPa以下)、中压(0.150.20MPa)和高压(大于 0.20MPa)注浆。高压注浆须采用高强度树脂模具。,强化注浆,真空注浆：真空度为300mmHg柱(O.4MPa）时，坯体形成时间为常压下的1/2以下，真空度为500mmHg(0.665MPa）时，坯体形成时间仅为常压下的1/4。真空注浆时要特别严格的操作，否则易出现缺陷。,强化注浆,离心注浆：使模型在旋转情况下注浆，泥浆受离心力的作用紧靠模壁形成致密的坯体，
24、泥浆中的气泡由于比较轻，在模型旋转时，多集中在中间，最后破裂排出，因此也可以提高吸浆速度与制品的品质。当模型旋转速度为 1000r/min时，吸浆时间可缩短75，一般模型的转速常在500r/min以下。离心注浆时，泥浆中的小颗粒易集中在模型的内表面，而大颗粒都集中在坯体内部，组织不匀，易使坯体收缩不匀。,强化注浆,成组注浆：将许多模型叠放起来，由一个连通的进浆通道来进浆，再分别注入各个模型内。国内不少企业成型鱼盘、洗面器时多采用成组注浆。,强化注浆,热浆注浆：在模型两端设置电极，当泥浆注满后，接上交流电，利用泥浆中的少量电解质的导电性来加热泥浆，把泥浆升温至50左右，可降低浆粘度，加快吸浆速度
25、。当泥浆温度由15升至55时，泥浆的粘度可降低5060，注浆成型速度可提高3242。,电泳注浆,原理：粘土粒子带负电荷，在电场作用下能向阳极移动，把坯料带往阳极而沉积在金属模的内表面而成型的。模具：铝、镍、镀铝的铁等材料来制造。操作电压：120V，电流密度约为0.01A/cm2；特殊要求：金属模内表面涂上甘油与矿物油组成的涂料。利用反向电流促使坯体脱模。特点：结构很均匀，坯体生成的速度比石膏模成型时要快9倍左右，但对注造大形陶瓷制品目前尚有困难。,注浆成型对泥浆的要求,流动性好稳定性好具有适当的触变性含水量少滤过性要好形成坯体要有足够的强度成形后坯体容易脱模泥浆中不含气泡,其他注浆成型方法热压
26、铸成形,把坯料烧结成瓷，粉碎，再加入粘结剂加热化浆，并在一定温度压力下铸造成形，脱蜡烧成，产品尺寸精确，结构致密，各种异形产品都能成形，成形后无需干燥，生坯强度大，便于机械化生产。用注浆成形、塑性成形、干压成形的滑石瓷瓷件，均存在多孔性问题，而热压铸成形的滑石瓷则无此现象。,热压铸的工艺过程,用煅烧过的熟瓷粉和石蜡等制成料浆，然后在压缩空气的作用下使之迅速充满模具各个部分，保压冷凝，便可脱模得到蜡坯。在惰性粉粒的保护下，将蜡坯进行高温排蜡，然后清除保护粉粒，得半熟的坯体，再进一步经高温烧结成瓷。,热压铸流程,热压铸成型工艺参数控制,(1)蜡浆温度：在一定温度范围内（如 6090）浆温升高则浆料
27、粘度减小，可使坯体颗粒排列致密，减少坯内缩孔。浆温过高则坯体体积收缩加大，表面容易出现凹坑。,热压铸成型工艺参数控制,铸模温度：决定于坯体冷却凝固速度和质量，也决定于坯体形状、厚度，形状简单和厚壁坯体压铸时，模型温度要低些，形状复杂和薄壁坯体压铸时，模型温度高些。使用有许多零件插入的模型时，模温要高些。但升高模温会降低致密度和增多内部气孔。一般模温在2030。生产上一般用两副模型轮换压铸，一副模型在压铸，另一副模型放在冰块上冷却。,热压铸成型工艺参数控制,压力制度：压力大小：取决于蜡浆的粘度和流动性。采用粘度大的蜡浆和成型薄或大件坯体时，压力应加大。提高压力会降低坯体冷却时收缩率，增大颗粒排列
28、的致密度，减少缩孔。生产上常用的成型压力为0.30.5MPa。加压持续时间：除使蜡浆充满模型外，还可弥补坯体冷凝时发生的体积收缩，并使坯体充分凝固硬化。稳压时间同样和坯体的形状有关。小型坯体在0.30.4MPa下维持515s，大型坯体在0.40.5MPa下稳压lmin左右，这样可使坯体收缩时得到蜡浆补充，减少内部缩孔和总收缩。,热压铸成型工艺参数控制,（4）排蜡排蜡时，坯体需埋在吸附剂（预烧过的Al2O3粉）中，以防排蜡时变形。石蜡熔化时（60100）体积会膨胀，这时要保持一定时间，使坯体内的石蜡完全熔化（100300），石蜡在吸附剂中渗透、扩散，然后蒸发，升温要缓慢，使坯体体积均匀变化，以免
29、起泡、分层和脱皮，一般排蜡温度为9001100，坯体能初步发生化学反应，有一定的力学强度。,热压铸成型工艺参数控制,（5）热压铸成型的优缺点适合形状复杂，精度要求高的中小型产品的生产。设备简单，操作方便，劳动强度不大，生产效率较高，模具磨损小，寿命长，因此在特种陶瓷生产经常采用。但工序比较复杂，耗能大（需要多次烧成），工期长，对于壁薄的大而长的制品，由于不易充满模腔而不太适宜。,胶态成型：首先将陶瓷粉末采用各种稳定机制制成固相含量尽可能高、流动性尽可能好、稳定性高的陶瓷浆料，再采用不同的办法使其固化而获得陶瓷坯体的成型工艺。1）高分散悬浮体，消除或减少团聚2）通过陶瓷颗粒或介质中高分子形成网络
30、结构实现从流动态向凝固态坯体转变3）可实现近净尺寸成型,胶态成型(Ceramic Colloid Forming),20世纪90年代初，美国科学家发明，它是有机聚合理论与陶瓷成型工艺相结合的产物。工艺非常简单；对模具无任何苛刻要求；成型后坯体强度很高，可进行机加工；坯体致密，结构均匀，可成型外形非常复杂的坯体,凝胶注模成型(Gel casting),非水溶性有机凝胶：使用大量有机溶剂，带来环境污染、成本也较高。水溶性有机凝胶：接近的传统制备过程，干燥较容易，并且可以降低料将粘度。,有机凝胶的选择,水溶性聚合物的获得形式：聚合与缩合。缩合反应的聚合度随反应时间缓慢增加，并有小分子（如水）生成，这
31、是不利于大分子的形成。而凝胶成型要求单体迅速聚合成大分子量的高聚物，不宜采用缩合反应。,有机凝胶的选择,聚合反应：离子聚合与游离基聚合。离子聚合对实验条件要求较苛刻，微量水、空气、杂质的存在对么应都有很大的影响，而且实验的重复性差，引发体系往往是非均相的，不宜选用。游离基聚合在单体和引发剂方面具有很大选择余地，且大都能在水溶液中进行反应，反应速度很快，若条件控制得当，可在几秒钟内完成，产物的分子量可在很短的时间内达到一定的值。,有机凝胶的选择,在陶瓷料浆中加入一定量有机单体、交联剂、引发剂和催化剂，待它们均匀分散之后注入模具，置于一定温度的环境中，在引发剂的诱导引发下，单体在很短时间内发生聚合
32、反应形成高聚物长链分子。它们又在交联剂的作用下，相互交联成三维网络结构，把所有溶剂（含陶瓷粉末颗粒）机械地包裹在网络结构内形成凝胶。凝胶成型是在陶瓷料浆中进行的凝胶共聚反应，陶瓷粉末均匀分散于网络中并与高聚物链段发生吸附作用，借此网络料浆转变为凝胶得以固化成型。,成型原理与过程,这种成型坯体可视作类似于粒子补强聚合物，只不过这里粒子远远多于聚合。成型后坯体即可脱模，并在合适条件下（温度、环境）干燥脱水。,成型原理与过程,影响因素,料浆浓度要求料浆固相含量尽可能高，并且具有较好的稳定性。对于多组分料浆，其各组分应分布均匀，这是获得高密度、结构均匀坯体的前提。为此，可在料浆中加入某些有效的高分子分
33、散剂，提高料浆浓度、稳定性和均匀性。,影响因素,有机物（单体与交联剂）比例及含量单体与交联剂比例及含量主要影响聚合成型后湿坯体的强度，有机物含量越大，生坯的强度也越大。有机物含量较低时，湿坯体脱模后强度较低，甚至难以保持成型后形状。凝胶成型所用的有机物含量非常低，占干坯体的24（质量），因此对坯体密度的影响几乎观测不出来。,影响因素,引发剂、催化剂用量 聚合反应表观活化能较低、速度很快。如引发剂和催化剂用量过多，则在室温下瞬间就可完成聚合反应，为了成型工也的需要，在料浆中加入催化剂和引发剂后需要搅拌使之均匀分散，才能均匀引发并发生聚合反应。搅拌会在料浆中造成气泡，需抽真空除气。若用量过少，聚合
34、速度过慢，可通过升温来提高聚合速度。,影响因素,聚合温度只要控制合适的引发剂、催化剂用量，聚合反应在室温下就可发生，这对简化工艺很有必要。如因催化剂、引发剂用量太低，就需要对料浆体系进行稍微加热以加速聚合反应。温主度控制在5070。,影响因素,干燥工艺料浆在聚合反应后转变为凝胶而获得成型。成型后，水分全部保留在凝胶中，由于含水量多，给坯体脱水工艺造成很大困难，需要采取适当的干燥制度，缓慢排除水分。特别是在干燥的初期与中期。常常是先在大气中中蒸发，后在烘箱中逐步升温的工艺，还是会出现有一定的开裂现象。,直接凝固成型(Direct coagulation casting),20世纪90 年代（初）
35、瑞士科学家发明。首先制得高固相含量、低粘度、静电稳定的陶瓷料浆，注入模具后，通过改变料浆的PH值或通过受控延迟反应有料浆内生成盐，增加离子强度，则料浆就向凝固态转变而获得具有一定刚度的湿坯体。可以成型形状非常复杂的近形成型方法。,陶瓷料浆的稳定性,氧化物颗粒与水接触时，表面层应会发生水化反应生成氢氧化物。水化后颗粒表面化学特性是由加入的H+或OH-所发生的化学反应所控制的。其反应常数，决定于颗粒表面的零电点(PZC)。,陶瓷料浆的稳定性,纯氧化铝的零电点大约是pH9，加入H3O+离子后将降低氧化铝料浆的pH值，并使表面变为荷正电。若加入OH-离子则会夺取表面的H而带负电。另外，氧化铝颗粒表面对
36、带电的分子物质（如柠檬酸或其它表面活性剂）具有特殊的吸附能力，因此表面电荷可以在更广泛的范围内节，从而导致料浆的等电点(IEP)在pH值39之间变化。,陶瓷料浆的稳定性,料浆中颗粒周围的离子或极性分子均会与荷电表面发生作用，它们之间的静电排斥同性离子而吸引异性离子，使其进入更加接近表面的区域（即进入吸附层）。与料浆中其它区域相比，这个区域内离子浓度增加了，并且与氧化铝颗粒牢固结合。根据胶体化学知识可知，在颗粒表面附近会形成扩散双电层，颗粒之间因同性电荷相互排斥，这种静电机制就能提高料浆的稳定性。,陶瓷料浆的稳定性,从胶体化学理论知，料浆的絮凝是由范德华吸力造成。范德华势能Ua与双电层势能Ur（
37、排斥能）相互抵消后产生总势能Ut，它决定了料浆的稳定性。调节pH值到IEP或增加料浆中离子强度，可使总的相互作用能由排斥能转变为吸引能。,直接凝固成型原理,借助料浆内部化学反应生成H3O+或OH-离子或盐使料浆失去稳定性，料浆内部化学反应的产物使双电层排斥力降低，料浆由液态向固态过渡而出现凝固，此凝固体即为成型坯体。,DCC成型原理,直接凝固成型原理,当料浆浓度很稀时，凝固化过程并没有使颗粒聚集物之间产生直接搭接，因而得不到坯体。当料浆固相含量提高后，凝固过程就形成连续的具有刚度的坯体，而没有任何宏观收缩。,直接凝固成型原理,为了减少双电层排斥力，使料浆的凝固能够发生，可采取如下措施：改变料浆
38、pH值到IEP；在料浆中生成盐，提高离子强度。,改变pH的方法,内热反应热分解或酶活化分解反应，都可改变溶液的pH值。改变悬浮液中pH值的内反应,改变pH的方法,热激活分解反应使用尿素、甲酰胺、乙酰胺或六甲撑四胺（HMTA）来达到使pH值从强酸性变化到中性区域。所有这些体系在6080之间均缓慢发生分解反应并释放出氨。,改变pH的方法,热激活分解反应采用自分酯，特别是甘油二酯和三酯或可自分解的各类内酯（如葡萄糖酸内酯或已四醇酸内酯）可使pH值从碱性变为中性。在有水存在的情况下，上述两类物质在室温下均发生明显的水解反应，水解速度强烈地受到温度的影响。,改变pH的方法,热激活分解反应由于这些反应大多
39、要求在高于60的条件，给工艺控制带来一定的难度，特别是当将这些反应应用于料浆的凝固成型时，困难较大。再采用这些反应，pH值变化范围非常有限，故凝固的强度较低。,改变pH的方法,酶催化分解反应用酶调节pH值已有较长的历史。有两种重要的反应体系，分别从酸性到碱性或从碱性到酸性调节pH值。前者采用pH9的缓冲剂，后者如葡萄糖/葡萄糖酯。,酶催化反应增加离子强度,酶催化分解反应酰胺化合物被酰胺酶分解的反应或酯被酯酶的分解反应都可以用来从内部调节pH值。其它的如果胶、酷蛋白或蛋白水解酶都可用于特殊陶瓷料浆的凝固成型。,改变pH的方法,通过酶催化的尿素或酰胺化合物分解反应在内部生成盐可使陶瓷料浆凝固，反应
40、体系中盐浓度可超过1mol/l。料浆凝固成型也可通过氢氧化物溶解生成盐来实现。,改变pH的方法,增加离子强度的内反应,应用,瑞士已成功地成型出形状非常复杂的氧化铝瓷件。制备了两种双电层稳定的料浆，一是酸（HCl）稳定的料浆，另一是碱（柠檬酸二铵DAC）稳定的料浆，分别使用尿素酶和尿素作为酶物质使pH从4调节到8.8或在碱性范围内增加离子强度。,应用,国内清华大学等单位采用琼脂、海藻酸盐等物质，通过其它途径使料浆固化，也取得良好效果，成功制得工程陶瓷部件，该技术正在向实用化方向迈进。,压制法成型,将陶瓷粉料添加少量粘合剂，然后造粒，将得到的干燥粉料充填入模型，再加压成型。成型方法主要有模压成型和
41、冷等静压成型。根据陶瓷粉料中所含水分或溶剂的多少，可分为干压法和半干压法。,压制法成型特点,工艺简单、操作方便、生产效率高，有利于连续生产；所得坯体密度高、尺寸精确、收缩少、制成品性能好；模具加工复杂，寿命短、成本高，坯体密度分布不均匀，收缩时易产生开裂和分层现象。,压制法成型基本要求,流动性好；较高的体积密度，以降低其压缩比；合理的颗粒级配；水分要均匀。,压制法成型基本要求,三级颗粒配合后的孔隙率为了获得更高的充填密度，常要考虑颗粒的级配。,压制法成型基本要求,拱桥现象,实际粉料自由堆积孔隙率比理论值大得多，因为实际粉料往往是非球形的，加之颗粒表面的粗糙结构使得颗粒之间互相咬合，形成拱桥现象
42、。,粉末在压力下的运动行为,模压成型就是在外加压力作用下，克服凝聚力、摩擦力，减少相互作用力，破坏拱桥现象，提高粉料之间的结合密度，减少气孔率的过程。,粉末在压力下的运动行为,加压的初期，粉料颗粒产生位移，发生重排，颗粒间的架桥现象被部分消除，接触程度增加，密度急剧提高；随成型压力的增加，颗粒位移填充孔隙的同时，颗粒的弹塑性变形使颗粒间接触面大大增加，密度缓慢增加，强度增加很快。颗粒强塑性变形的大小取决于粉末材料的延性。注意：同样的延性材料一样的压力下，并不一定得到相同的坯体密度，还与粉末的压缩性能有关。进一步提高压力，颗粒发生断裂，形成较小的碎块，但坯体密度、孔隙率和强度变化都不十分明显。,
43、粉末在压力下的运动行为,这三个阶段常相互交叉。总的来说，在压制过程中，随着压力的增加，粉体的密度增加、气孔率降低。,压制法成型工艺条件,（1）一定的颗粒度：它影响坯体致密度、收缩率和强度，一般与可塑坯料的要求基本相同。由几十个甚至更多的坯料细颗粒、水和空气所组成的集合体构成的团粒占3050，其大小在0.253mm间，团粒形状最好是接近圆球状为宜。（2）合适的含水量：它与坯体的形状、干燥性能和成形压力等有关。半干压坯料的含水量可控制在815，一般干压坯料的含水量控制在37。(3）可塑性：在保证生坯强度的前题下，可以少用或不用可塑粘土，以降低干压坯体的收缩率，获得尺寸准确的制品。有些特殊坯可用有机
44、增塑剂。,压制法成型干压工艺,1.成形压力：取决于坯体的形状、高度、粉料的含水量及其流动性、要求坯体的致密度等。一般粘土质坯料的干压成形压强可为250320MPa。坯体尺寸小时取下限；尺寸大，且坯料的含水量低时，压强可再大一些。压力的增加有利于提高坯体的密度，压制过程中的总压力包括克服粉料阻力和克服粉料颗粒与模壁的摩擦力，一般先进陶瓷的成型压力为40100MPa。,压制法成型干压工艺,2.加压方式：有单面加压和双面加压两种形式。后者主要有两种情况：一是两面同时加压，粉料间的空气易被挤压到模型的中部，生坯中部的密度较小；另一是两面先后加压，空气易排出。,压制法成型干压工艺,加压方式与坯体中密度分
45、布,压制法成型干压工艺,密度变化化随坯体高度L与直径D的比值增更加显著。单向加压坯体在上方和近模壁处密度最大，下方和中心部位最小，比向加压坯体在中心部位最低，模压成型时应控制坯体的L/D1，最大不宜超过1.4。密度的不均匀会造成烧成时坯体各部位收缩的不一致，引起产品变形与开裂。,压制法成型干压工艺,单向加压坯体的密度(a)矮模，L/D0.45；(b)高模，L/D1.75；,压制法成型干压工艺,3.加压速度和时间：加压过程中，应该有充分的时间排出空气。加压速度最好是先轻后重多次加压，达到最大压力后要维持一段时间，让空气有机会排出。延长加压时间有利于减少气孔率，也可采取逐步增加压力、多次加压的方式
46、，以利于坯体中空气的排出和压力的传递，提高坯体密度和密度的均匀性。卸压速度过快，也会造成坯体中残留空气急剧膨胀而产生裂纹。,压制法成型冷等静压成型,冷等静压是指在常温下对密封于塑性模具中的粉料各向同时施压的一种成型工艺技术。冷等静压和常规模压在粉料成型过程中的规律基本是一致的，包括致密化过程。影响致密化的主要因素：粉料特性、添加剂的作用等。,压制法成型冷等静压成型,冷等静压设备主要由高压缸、高压发生装置和辅助设备组成。其构成如下图：,压制法成型冷等静压成型,图例1高压缸2带操作机构的盖3带过滤器的储油箱4高压发生装置5卸压系统6液体输送系统7控制系统8模具,冷等静压设备原理图,压制法成型等静压
47、成型,冷等静压的生产工艺流程,压制法成型等静压成型,压制法成型等静压成型,压制法成型等静压成型,等静压成型的特点,有利于把粉料压实到相当的密度，同时粉料颗粒的直线位移小，消耗在粉料颗粒运动时的摩擦功相应小了，提高了压制效率。可以得到较高的生坯密度，且在各个方向上都密实均匀，不因形状厚薄不同而有较大变化。粉料颗粒间和颗粒与模型间的摩擦作用显著地减少，故生坯中产生应力的现象是很少出现的。成型的生坯强度较高。成型采用粉料含水率很低(13)，也不必或很少使用粘合剂或润滑剂。对制品尺寸没有很大限制。另外，可以与高温等静压联动，使成型与烧成合为一个工序。,等静压成型的主要操作过程,备料：对于无塑性的粉料颗
48、粒则要求细一些（20m以下粉料的含水量13）。采用喷雾干燥的料粉颗粒是较好的，它易于均匀填满模具内。装料：采用振动装料，有时还一边振动一边抽真空，效果更好。粉料振紧后，把模具封严，封处涂上清漆，放入高压容器中。加压：一般陶瓷料压力为1.96MPa，无塑性的坯料压力要高些，例如无线电瓷用压力为5.889.8MPa，耐火砖可加压至9.813.7MPa。降压：模具内的粉料，残余空气的体积被压缩（在100MPa下，空气体积会减小到原来体积的0.2），它只占据颗粒之间的空间。成型后要避免突然降压，以免生坯内外气压不平衡会使坯体碎裂，所以要均匀缓慢地降压。,等静压设备特点,等静压成型设备与干压法相比有如下
49、优点：便于采用组合模具，适应复杂产品的成型；同样的生产能力，等静压设备的投资较低的；设备体积较小，占地面积小，建造成本较低；模具成本较低，复制模具方便；便于实现自动化。,等静压成型优越性,用弹性模代替强度低，耐磨性差，易破损，消耗量大，成本高的石膏模；不用干燥，降低能耗，也降低了开裂变形等干燥缺陷。等静压成型干压料含水率13，生坯可直接入窑素烧或上釉本烧。可使用塑性差的瘠性料，有的瓷区原料除塑性剂外，不要进行任何加工。可直接使用原料加工厂的干粉，成型前除加入少量塑性剂外，不要进行任何加工。制品密度均匀，干燥烧成变形小。生坯强度高，破损极小。厂房面积可减小7080。,国外等静压发展概况,美国：1
50、913年H.D.马登最早提出等静压成型法（压制WNO粉）。1915年美国D.W.马克内尔提出压制陶瓷制品的专利。1916年日本优根公司提出盘类等静压成型模具。20世纪30年代，美国用等静压成型法压制火花塞、陶瓷绝缘于金属陶瓷元件。美国用于等静压成型的干压料是由不同大小的球状颗粒组成的，是由喷射法制成的，其含水率为3。,国外等静压发展概况,原联邦德国DORST机械公司20世纪70年代设计了全自动式等静压成型机（PIT250型），每小时生产220mm平盘 600件。1978年原联邦德国WALUELE瓷厂订购了该设备，至1979年2月开始生产中19cm以内的盘子，产量750件小，较原有产量增加了20
