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陶瓷的生产工艺原理与加工技术(ppt 40页)
2、广义:由于近代无机非金属材料的发展,陶瓷的概念不仅包 括了硅酸盐材料、氧化物,连单晶硅这种无机材料也属于这个范畴。 其定义为“经高温处理工艺所合成的无机非金属材料”。实际上是 各种无机非金属材料的通称。
四、陶瓷的分类:
陶瓷材料一般可分为普通陶瓷、特殊陶瓷与金属陶瓷三类 1、普通陶瓷:以天然硅酸盐矿物(粘土、长石、石英)经粉碎、压 制成型 、烧结而成的制品,如日用陶瓷、建筑陶瓷、电绝缘陶瓷等。 2、特殊陶瓷:采用高纯度的人工合成材料烧结而成,具有特殊力学、 物理、化学性能的陶瓷。如高温陶瓷、磁性陶瓷、压电陶瓷等。
易从模型上脱离,且不与模型发生反应;浆料应尽可能不含气泡。
特点:制品质量差,产量低,生产周期长,不利于机械化。
B、热压铸成型:利用压缩空气使加热熔化的含蜡配料(铸浆)充满模 具,冷却后凝固成所要形状坯件的成型方法。
浆料的性能要求:稳定性要好,在长时间加热而不搅拌的条件下不分 层与沉淀;可铸性要好,浆料铸满模腔并保持要求形状的能力;收缩率 要小,蜡浆由熔化的液体状态冷却凝固成固态时,会有体积收缩。
一、陶瓷的组织结构。
陶瓷是高温烧结形成的致密固体物质,组织结构比金属要复杂,尽 管不同类别的陶瓷有着不同的显微结构,但可归纳为晶体相(晶相)、 玻璃相和气相。各相的数量、形状、分布不同,陶瓷的性能也不同。
1、晶体相:它是陶瓷的主要组成相,决定陶瓷的主要性能。组成陶 瓷晶体相的晶体通常有硅酸盐、氧化物和非氧化物(氮化物)。其结合 键是离子键或共价键。构成的陶瓷的“骨架”。只有晶料越小,晶界越 多,裂纹扩散阻力越大,晶粒越细,其材料的韧性等性能就越好。
2、玻璃相:它是陶瓷烧结时各组分通过物理化学作用而形成的非晶 态物质。熔点较低,结构疏松。它的主要作用是粘接分散的晶体,抑制 晶粒的长大并填充气孔。还可以获得一定程度的玻璃特性,如透光性。 玻璃相对陶瓷的机械强度、介电性能、耐热耐火等性能是不利的,不能 成为陶瓷的主要组成,工业陶瓷中一般控制20%-40%。
热压铸成型的特点:适合形状复杂,精度要求高的中小型产品,但工 期长,对于壁薄的大而长的制品,不易充满模腔。
2、可塑成型法
可塑成型法是利用泥料具有可塑性的特点,经一定工艺处理浆 料制成一定形状的制品。适合生产管、棒和薄片状的制品,所 有的结合剂要比注浆成型的少。有挤压成型与轧模成型。
A、挤压成型:是将经真空练制的泥料,放入挤制机内,一头可以对泥 料施加压力,另一头装有机嘴即成型模具,通过更换机嘴,能挤出各种 形状的坯体。可以挤制Φ1-30mm管、棒等细管,壁厚可小至0.2mm。
A、硬度:是各类材料中最高的, 是陶瓷的最大特佂
B、刚度:是各类材料中最高的(刚性由弹性模量来衡量) 比金属高数倍
几种常用材料的硬度和弹性模量见表1
表1 几种常用材料的硬度和弹性模量
材料
弹性模量E/MPa
硬度HV
橡胶
6.9
很低
塑料
1380
17
镁合金
41300
30-40
铝合金
72300
170
钢
207000
3、压制(模压)成型法 模压成型法,也叫干压成型法。是将经造粒的配料,通过成型
机和模具,把配料压制成具有一定几何尺寸坯件的方法。其特 点是粘结剂含量较低,只有百分之几(7%),不经干燥直接烧 结,坯体的收缩小。有干压成型与等静压成型两种。 A、干压成型:是将粉料加少量结合剂制成颗粒,在外力作用下,颗粒 在模具内相互靠近,并借内摩擦牢固地把各颗粒联系起来,保持一定的 形状。这种内摩擦力作用在相互靠近的颗粒外围结合剂薄层上。适合压 制高度为0.3-60mm,直径Φ5-500mm形状简单的制品。
4、带式成型法 带式成型法可分流延法(刮片法)和薄片挤压法两种,在此不作详述。
5、小结:
从上所述来看:先要根据所需制品的特征,来选择合适的成型方法,然 后确定坯料采用何种形式配制。
由此可见,陶瓷在现代技术中 占有非常重要的地位。今天,我在 这里与大家一起来探讨陶瓷,其意义是深远的。 1、了解和掌握现有陶瓷的性能状况及制作工艺过程;
2、发掘陶瓷新的性能或改善其性能;
3、研究制品的最佳制作工艺与烧后制品的冷加工技术;
二、陶瓷与工程材料体系
工程材料
金属材料
非金属材料
高分子材料
陶瓷材料
3、电性能:一般是优良绝缘体,个别特殊陶瓷具有导电性与导磁性。 4、化学性能:非常稳定,耐酸、碱、盐等的腐蚀,不老化,不氧化。
思考题:
为什么陶瓷材料能够耐高温呢?
不论何种材料,其性质主要取决于材料的微观结构,有 机材料大多是分子结合,质点间是靠比较弱的分子力 (范德华力)由自 由电子和构成晶格的正离子之间的静电引力结合起来, 这种键的结合力比分子键强,但比共价健弱,除少数金 属外,大多金属的熔点和硬度并不算高,作为无机非金 属材料的陶瓷主要是离子结合和共价结合,结合力最强, 所以它具有高的熔点与硬度,由于正负离子的外层电子 处于稳定结构,电子被牢固地束缚在离子外围不能自由 运动,所以有很好的电绝缘性,化学稳定性和抗氧化性, 这就是陶瓷材料能够耐高温的根本原因。
热压铸的工作原理:将配制成的料浆蜡板放置在热压铸机筒内,加热 至一定的温度熔化,在压缩空气的驱动下(或手动),将筒内的料浆通 过吸铸口压入模腔,根据产品的形状和大小保持一定的时间后,去掉压 力,料浆在模腔中冷却成型,然后脱模,取出坯体,有的还可进行加工 处理,或车削,或打孔等。 高温排蜡:坯体在烧成之前,先要经排蜡处理,否则由于石蜡在高温熔 化、流失、挥发、燃烧,坯体将失去粘结而解体。
排蜡过程:将坯体埋入疏松、惰性的保护粉料(吸附剂,在高温下稳 定,又不易于坯体粘结,工业Al2O3粉料)之中,在升温过程中,石蜡 虽然会会熔化、扩散,但有吸附剂支持着坯体,当温度继续升高,石蜡 挥发,燃烧完全,坯体中粉料之间会有一定的烧结出现,此时,坯体与 吸附剂之间既不发生反应,又不和生粘结,而且坯体具有一定的强度, 排蜡温度为900-1100℃左右,视坯体性质而定,排蜡后的坯体要清理 表面的吸附剂,然后再进行烧结。
挤压法成型对泥料的要求较高,主要是粉料的细度较细,对溶剂、增 塑剂、粘结剂等用量适当而均匀。
B、轧模成型:是将准备好的坯料,拌以一定量的有机粘结剂(一般聚 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,需经冲切加工制成所需的坯 件。
轧辊成型时,坯料只在厚度和前进方向受到碾压,在宽度方向受力较 小,因此,坯料和粘结剂不可避免地会出现定向排列,干燥与烧结时, 横向收缩大,易出现变形与开裂,坯体性以上也会出现各向异性。这是 此成型法无法消除的问题,制品厚度为0.08mm 。
陶瓷的抗拉强度很低,抗弯强度较高,抗压强度非常高
D、塑性:陶瓷在室温下几乎没有塑性。在高温低速加载的条件下,可 表现出一定的塑性。
E、脆性或韧性:陶瓷脆性极高。是其最大的缺点。原因是陶瓷在受载 时其内部的裂纹扩展得快,导致断裂的根本。
2、热性能:陶瓷的熔点很高; 绝大多数陶瓷低温下热容小,高温下热 容大(随温度的变化而变,原因是气相对热容有较大影响);热膨胀系 数和导热系数较小(靠原子的热振动,没有自由电子传热);热稳定性 好,便抗热振性较差,(用急冷到水中破裂所能承受的最高温度表示)。
二、坯料的成型
按照不同的制备过程,坯料可以是可塑泥料、粉料或浆料,以适应 不同的成型方法。成型的目的是将坯料加工成一定形状和尺寸的半成品, 使坯料具有必要的机械强度和一定的致密度。
成型的方法主要有三种,即:可塑成型法、注浆成型法、压制(模压) 成型法。另外还有带式成型法。在这里主要介绍前三种方法:
复合材料
黑
有
按性能与用途分
色 金 属
色 金 属
普特 金
通殊 属
陶 塑橡纤 胶涂 瓷
粘
陶 瓷
陶 瓷
料胶维 剂料
三、陶瓷的定义:
1、狭义:“用火烧结的制品”,在传统上是指陶器与瓷器。后 来发展到泛指整个硅酸盐材料,包括陶器、瓷器、耐火材料、粘土 制品、搪瓷、玻璃和水泥等材料。其共性是含有SiO2的化合物或氧 化物成分。
3、气 相:它是陶瓷孔隙中的气体。在陶瓷的形成过程中除被玻璃 相填充之外,还有少部分残留下来变成气孔。降低陶瓷的强度和抗电击 穿能力,材料的脆性增大。因此应力求气孔越少越好。普通陶瓷气孔率 在5%-10%,特种陶瓷小于5%,金属陶瓷则要求低于0.5%。
二、陶瓷的性能。
陶瓷的性能是受化学键(离子键或共价键)、晶体结构、相分布及 各种缺陷等影响。以下讲述其共性: 1、力学性能:弹性模量比金属高,硬度高,抗压强度高,但脆性大, 抗拉强度低,塑性和韧性也很小。
陶瓷基础知识
主讲:
2008年07月19日
主要内容
第一讲 陶瓷的概念 第二讲 陶瓷的组织结构与性能 第三讲 陶瓷的生产工艺原理 第四讲 陶瓷的加工技术 第五讲 石英及石英玻璃的简介
第一讲 陶瓷的概念
一、研究陶瓷的目的。
随着科学的进步,无机非金属材料研究取得了很大的发展,新技术、 新材料正日益改变着人们的生活。70年代人们把材料与能源、信息称 为现代技术的三大支柱。 我们都知道 ,陶瓷是一种材料(用来制造器 件、构件和其它可供使用物质的总称),是人类生活和现代化建设中不 可缺少的一种材料。陶瓷、金属、高分子材料则是当代固体材料中的三 大支柱。
300-800
氧化铝
400000
1500
碳化钛
390000
3000
金刚石
1171000V
C、强度:陶瓷的强度不高,因为其晶界上存在有晶粒间的局部分离 或空隙,如空位、气孔、析出物,晶界上原子间键被拉长,键强度 被削弱,同时相同的电荷离子的靠近产生斥力,可能造成裂纹,所 以,消除晶界上不良作用,是提高陶瓷强度的基本途径。
特点:可以成型一般方法不能生产的形状复杂、大件及细而长的制品, 且成型质量高; 可以不增加操作难度方便地提高 成型压力,压力效果比干压法要好; 由于坯体各向受压力均匀,其密度高且均匀,烧成收缩小,不易变形; 模具制作方便,寿命长,成本较低; 可以少用或不用结接剂。