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陶瓷成型技術及應用(摘)

發布時間:2019-07-16 點擊數:599

引言

陶瓷材料作為一種古老的材料,種類繁多,既可以用作日常用具、建筑材料,又可以作為裝飾品、藝術品使用。陶瓷材料成型工藝最初是由手工可塑成型發展而來的,這種制備技藝通過工匠師徒間的口傳心授而延續。在相當長的一段時問內,陶瓷制品多作為日用品、裝飾品,而日用陶瓷材料的強度相對是比較低的,注重的是外形和修飾,所以當時陶瓷材料的成型以人工可塑成型為主。隨著工業技術的發展,對陶瓷制品的需求日益增長,種類也由日用品向工業產品過渡,同時對陶瓷制品的均勻性、致密度的要求越來越高。特別是在機械行業、化工行業、電子行業中使用的陶瓷制品,不但要求具有高強度,而且還需要其具有一定的尺寸精度,這就對陶瓷制品的成型提出了更高的要求。

工業產品除了對制品的機械性能、尺寸有嚴格要求外,為了使用的目的,通常需要產品具有一定的幾何外形,所以成型方法的選擇需要根據產品形狀的不同而確定。通常規則旋轉體外形的制品多采用可塑成型的方法,片狀制品多以模壓成型、輥壓成型為主,棒狀材料多以擠壓成型為主等等。隨著科學技術的發展和工藝水平的提高,陶瓷成型在注漿成型、可塑成型及模壓成型等傳統方法的基礎上不斷改進創新而研發出凈尺寸成型(Near Net Shaping)[]、固體自由,成型制造技術(Solid Free Forming Fabrication)L2]、溫度誘導絮凝成(Temperature Induced Fabrication)[3 ]、膠態振動注模成型(Colloidal Vibration Casting)E 等新方法,同時借鑒金屬材料、高分子材料的成型方法,并且與計算機技術相結合,開發出電泳沉積成型(Electrophoresis Casting)C6-~]、水解輔助固化成型(H ·rolysis Assisted Solidification)L8J、噴墨打印成型(Ink-jetPrintingFabrication)[g]等現代成型工藝,滿足制備高致密度、復雜形狀、尺寸精準、性能要求嚴格的均勻陶瓷坯體的要求。

1 陶瓷成型方法的選擇

陶瓷材料的成型是指將分散體系(粉料、可塑料、漿料等)轉變成具有一定幾何形狀和機械強度的塊體。成型的最基本要求是保證坯體具有一定的均勻性和致密性。均勻性是指組分的均勻,坯體中不存在組分的偏析,保證坯體各部分密度的均勻一致;致密性指的是坯體的密度高,能夠使粉體顆粒相互靠近成具有較大機械強度的密實體。為了獲得均一、密實的坯體,常采用兩種方法來實現,一是用模具給出所需要的外形,并盡量保證模腔內的原料顆粒之間盡可能地密堆積,使坯體密實化;二是先不考慮坯體的外形,將粉體密實化成原坯,然后利用工具對密實的原坯機加工,獲得具有精確尺寸的坯體。

制備工程陶瓷材料時,一般需要其具有特定的幾何形狀滿足工程需要,對尺寸也有著嚴格的限制,成型時需要根據產品的形狀來選擇合適的方法。材料的形狀主要可分為板狀、管狀、棒狀、規則幾何旋轉體、復雜不規則體等。一般,成型某種特定形狀的材料時往往有幾種不同的方法,如輥棒的成型,既可以采用擠出成型的方法也可以采用等靜壓成型的方法,具體選用哪種方法還必須根據制品的性能要求,如強度、大小等;成型用的原料的狀態、性質,如粉體顆粒尺寸、粒徑分布、比表面積等來決定。

11 板狀、片狀陶瓷材料的成型

111 模壓法

模壓法是最常見的板、片狀陶瓷材料的成型方法,它將加有一定量有機添加劑的粉料注入模具中,通過模具的外形來確定產品的大小。在對模具內的粉料施以外加壓力的同時,需克服凝聚力、摩擦力的作用,破壞拱橋現象,提高粉體之間的結合密度,減少氣孔率。其中最主要的影響因素是粉料的粒度及粒度分布;粘結劑、潤滑劑和分散劑等有機添加劑的性質;粉末的再加工后制得的假顆粒的性質等。通常模壓成型的壓力不大于100MPa,但由于壓力在軸向和徑向上分布不均勻,易使坯體出現分層、局部剝離、開裂、密度不均勻、粘膜等缺陷。

模壓成型時為了使坯體密實化,需要將顆粒之間的空氣盡可能地排除,這需要通過加大壓力來實現,但由于顆粒之間以及顆粒與模具壁之間較大摩擦力,成型壓力在向模具內粉體深處傳遞的過程中不僅會發生衰減,而且會沿著徑向和軸向同時發生變化,尤其壓頭不是平面的模具,成型時壓力分布不均勻性更加明顯。除此以外,干法成型獲得的素坯質量還取決于粉料顆粒的性質,一般要求顆粒呈球狀,大小適度,分布適當,流動性好、堆積密度高且不影響流動性、粘結劑與水分含量適中,在保證粒子具有一定強度的同時又不影響流動性和成型時氣孔排除。

112 流延成型、壓延成型

對于更薄的材料,如壓電陶瓷基片、厚度在幾毫米的平板多孔陶瓷支撐體、對稱膜等,可以采用流延成型、壓延成型的方法。

流延法是將粉料分散在溶劑、增塑劑、粘結劑和懸浮劑組成的無水溶液中,形成可塑且能流動的漿料。漿料在流延機的運輸帶上流動,在刮刀的控制下形成薄層的坯帶,隨著坯帶地緩慢前移,溶劑逐漸揮發,粉料固體顆粒聚集在一起,形成較為致密的、柔韌的坯帶,最后通過沖壓的方法獲得具有一定形狀的坯體。采用流延法成型不但可以精確控制基片的厚度,還能保證材料的均勻。

壓延法是將粉料、添加劑和水均勻混合后制得塑性物料經兩個相向運動的滾柱壓延,形成板狀素坯,而素坯的厚度則由兩輥間距決定。

113 離心沉積成型

離心沉積成型是一種制備板狀、層狀納米級多層復合材料的方法,它使不同的漿料在離心力的作用下一層層地均勻沉積形成一個整體,采用離心沉積成型層狀材料具有①通過沉積不同的材料,達到改善材料的韌性;② 沉積的各層可以是電、磁、光性質的結合,具有多功能性;③ 可以制成各向異性的新型材料的優點,目前越來越被青睞。

114 電泳沉積成型

電泳沉積成型(E1ectroph0resis Casting,EC)是一種簡單易行,靈活可靠的適用于薄層、多層陶瓷材料的成型方法。它利用直流電場促使帶電顆粒發生遷移,進而沉積到極性相反的電極上而成型。EC分為顆粒電泳遷移和顆粒在電極上放電沉積兩個相繼的過程,為了使顆粒能單獨沉淀到電極上而不受其他帶電顆粒的影響,需要陶瓷漿料具有很好的分散性

12 管狀、棒狀陶瓷材料的成型

121 擠壓成型

管狀、棒狀材料目前使用較為廣泛,如多通道陶瓷管、蜂窩陶瓷輥棒、空心套管、耐腐蝕陶瓷管道等等,這類材料具有一個顯著特點就是長徑比較大,干壓或沉積的方法容易導致成型坯體的不均勻。為了保證在較大長徑比的情況下獲得密度均勻的棒狀、管狀坯體,工業上普遍采用擠壓成型的方法擠壓成型是將粉料、粘結劑、潤滑劑等與水均勻混練后的可塑料用擠壓機擠出,通過機嘴成型的方法。成型的管材、棒材的斷面形狀由機嘴控制。擠壓成型的缺點是擠制壓力過大會產生較大的摩擦阻力,增加設備負擔;而壓力過小則會使物料強度降低,坯體易于變形,表面可能產生凹坑或起泡、開裂及內部裂紋等缺陷。針對以上缺點,擠壓成型時一方面需要粘結劑或水作為塑性載體,并且用量適當;另一方面則要求粉料粒度較細、分布較窄,外形要成球形。擠壓成型時只要通過機嘴模具的改變可以方便地制備出各種不同管徑的空心管,并且能方便的根據需要適時地截斷擠出的坯體。其缺點是由于擠制的坯體的強度主要取決于擠出壓力和粉體自身的性質,所以制備出的坯體往往致密度并不是很高,在燒結過程中容易產生變形。

122 冷等靜壓成型

擠壓成型的坯體的強度與模壓成型等其他方法獲得的坯體相比較低,為了獲得致密、均勻的高致密陶瓷管棒,還經常采用冷等靜壓工藝。

冷等靜壓成型根據壓力傳輸介質的不同分為干袋法、濕袋法兩種。干袋法是用液體作為壓力傳遞介質,壓力施加于柱狀模具的徑向外壁,在軸向上基本不受力。濕袋法是將粉末或顆粒密封于成型橡膠模具內,置于高壓容器的液體中,施加各項同性壓力而被壓縮成型。無論采用哪種方法,成型棒狀材料時只需將干粉料裝入模具內,然后置人高壓容器內加壓即可。采用這種方法成型后燒結出來的制品密度均勻、強度高,適合高強度棒材的制備。

除了上述方法外,溫度誘導絮凝成型(Temperature Induced Flocculation,TIF)和膠態振動注模成型(Colloidal VibrationCasting,CVC)等方法也可用于棒狀、管狀材料的成型。

1-3 規則幾何旋轉體的成型

131 旋坯成型

在日用陶瓷制品中,絕大部分都是具有規則幾何外形的旋轉體,如茶杯、湯碗、花瓶、花盆等,目前廣泛采用的主要是旋坯成型這種傳統的方法,它是使旋轉的坯體在型刀的作用下獲得需要的形狀。這種方法的特點是成型時間短,效率高。但獲得的坯體的強度不高,其主要決定因素是可塑料本身的性質,并且在型刀的剪切力作用下,坯體在干燥過程中容易開裂。

132 滾壓成型

滾壓成型是利用滾壓頭對泥料施加壓力,使成型的坯體具有與模具形狀相同的幾何外形。根據模具的不同,滾壓成型可以分為陽模成型和陰模成型兩類。成型時,滾壓頭在自轉的同時與底模一起按同一方向公轉,泥料在滾壓頭的擠壓作用下成型。成型的坯體的外形(或內形)由模具的內壁(或外壁)給出。

133 離心注漿成型

離心注漿成型(Centrifugal Sli PCasting,CSC)l1  是在傳統注漿成型(SC)基礎上開發出來的適合大體積規則幾何旋轉體的凈尺寸成型方法。CSC是使制備好的一定體積分數的懸浮體在高速旋轉的離心機的作用下沉積成型。CSC是將濕法化學粉末制備與無應力致密化技術相結合,一方面可以防止粉體的團聚及其他缺陷;另一方面可以借助獲得的粉體的粒徑的不同達到分別沉積的目的。除此以外CSC工藝對制備的懸浮體的固相量沒有嚴格要求,幾乎無須粘結劑,避免了脫脂工藝造成的不良影響,此外,此方法成本較低,易于控制,但由于不同粒徑顆粒的沉降速度不同,容易導致坯體的分層。

14 復雜不規則體的成型

陶瓷渦輪增壓器轉子、水煤漿泵噴嘴等陶瓷部件具有尺寸精密,形狀復雜的特點,采用常規的方法,如注漿成型、等靜壓成型等方法難以滿足制成的需要。由于這些部件的結構比較復雜,注射成型、膠態成型技術的發展為這類部件的成型帶來了便利。

141 注射成型

陶瓷的注射成型(Injection Molding,IM)[13-14]技術是從塑料成型技術發展而來的,陶瓷的注射成型是將陶瓷粉料與15 wt 3O wt 的熱塑性樹脂、石蠟、增塑劑、溶劑等加熱混勻后放入注射成型機中,經加熱熔融后獲得塑性得以成型,冷卻后形狀得以固定的方法。注射成型可以成型形狀復雜的部件,并且具有較高的尺寸精度和均勻的顯微結構,但是注射成型用模具的設計加工成本和有機添加劑的排除成本較高,同時燒結前的低溫脫脂會導致有機物的富集和顆粒的重排,使坯體均勻性變差,易于開裂,所以這是目前采用注射成型工藝時亟待解決的問題。水溶液注射成型和氣相輔助注射成型是在逐步克服傳統注射成型缺點的基礎上發展起來的兩種成型技術。

水溶液注射成型是采用水溶性的聚合物,如瓊脂,瓊脂糖等作為有機載體的一種注射成型技術,它可以降低注射成型的溫度和壓力。成型用料由陶瓷粉體、水、水溶性聚合物、分散劑、潤滑劑等組成。成型前,陶瓷漿料中的陶瓷懸浮體需要充分分散,一般采用添加分散劑的方法來實現;成型時,有機載體在模具中轉變為膠態,給坯體提供一定的強度;由于水很容易除去,所以干燥后的坯體不用脫脂也能直接進行燒結。

氣體輔助注射成型是將氣體引入聚合物熔體進行成型的方法。采用這種方法可以獲得更薄的管壁,降低了原料成本同時由這種方法生產的產品的抗彎強度是一般方法的2倍。

142 壓力注漿成型

壓力注漿成型(Pressure Sli PCasting,PSC)Ⅱ 是在注漿成型的基礎上,通過對模具內的漿料施加壓力,提高模具對漿料的吸漿效果,增強坯體的機械強度的一種方法。由于注漿過程是在壓力驅動下完成的,所以壓力注漿成型適用于具有復雜結構的精密部件的成型。JMFFerreira等人[1 的研究表明漿料的pH值、注漿時的壓力等對漿料的流動性和最終獲得的坯體的強度有著至關重要的影響。

143 凝膠注模成型

凝膠注模成型(Gel Casting,GC)是上世紀9O年代由美國橡樹嶺國家重點實驗室(Oak Ridgo National Laboratory)研發的一種新型成型工藝。它將傳統注漿工藝和聚合物化學結合,在懸浮介質中加入乙烯基有機單體,利用催化劑和引發劑通過自由基反應使有機單體交聯,原位聚合固定陶瓷粉體。采用這種方法制備棒材,由于粉體有機單體交聯成型,并且漿料中固含量高,成型后的坯體強度較大,可以直接通過機加工獲得合適的形狀、尺寸,并且燒成收縮小,適合精準尺寸的管材、棒材的成型,但其也由一個致命缺點,就是干燥條件苛刻,即使在室溫和高濕度條件下長時間干燥,坯體仍易開裂。

144 直接凝固注模成型

直接凝固注模成型(Direct Coagulation Casting,DCC)是由蘇黎世聯邦工業學院開發的一種凈尺寸成型方法。具有良好流動性的漿料填充于復雜模具中,利用靜電穩定的機理,通過調節pH值或增加粒子強度來改變懸浮粉體的表面電荷,使顆粒在Van der waals吸引力的作用下原位凝聚成型。采用這種方法制備大尺寸、形狀復雜的陶瓷部件不需要或只需少量的有機添加劑(<1 ),坯體密度均勻,相對密度高(55 57 ),無須脫脂即能燒結。

145 水解輔助固化成型

水解輔助固化成型(Hydrolysis Assisted Solidification,HAS)是結合了DCC、GC等方法的優點,利用A1N等物質在熱激條件下加速水解,使固相量增加,加速沉積固化,提高坯體致密度。A1N在水解過程中,生成的膠態AI(OH)。還能起到輔助固化,增強坯體強度的作用。這種方法適合于形狀復雜的小尺寸制品的成型,但還不能適用于所有類型的陶瓷。

146 膠態振動注模成型

膠態振動注模成型(Colloidal Vibration Casting,CVC)1993年由ProfFFLange發明的一種膠態成型技術。含有高離子強度的低固相量懸浮液(2O30vol )在壓濾機或離心機的作用下獲得高固相含量的漿料,然后在振動作用下注入模具中,而后實現原位固化。這種方法便于連續生產復雜形狀的陶瓷部件,但成型后的坯體強度較低,容易開裂和變形。

147 溫度誘導絮凝成型

瑞典表面化學研究所的LBergstrom教授利用膠體的空間位阻穩定成型的原理發明了一種凈尺寸膠態成型技術—— 溫度誘導絮凝成型(Temperature Induced Flocculation,TIF)。該方法首先在有機溶劑中加入一種溶解度隨溫度變化的分散劑,然后將懸浮液倒入,懸浮體的一端吸附于顆粒表明,另一端在溶劑中伸展,起到空間穩定分散粉體的作用。然后將分散好的高固相含量的漿料注入模具,隨著溫度的降低,分散劑的溶解度逐漸下降,失去了分散能力,實現了漿料的原位固化。此種方法利用較高溫度下分散劑的作用使漿料具有較好的流動性,可以成型比較尺寸精密的零件,但由于分散劑對不同的陶瓷體系有很大的局限性,所以還未能廣泛使用。

148 快速部件制造技術

快速部件制造技術(Rapid Part Manufacturing,RPM)是在固體自由成型技術基礎上提出的成型方法,它將部件分解為二維薄層,通過計算機輔助設計(CAD)獲得制造部件的幾何信息,利用多維數控成型系統,采用激光或其它方法將材料層層疊加或堆積成所需部件。這種技術首先應用于機械制造業,隨后美國3DSystem公司應用這種技術推出應用于塑料工業的第一代光造型機SLA1,到了上世紀90年代,Helisys公司制造出用于制造紙、金屬或陶瓷等制品的疊層物件制造機。目前比較成熟的快速部件制造技術有立體光刻裝置(SLA)、分層實體造型(LOM)、熔融沉積成型(FDM)、選擇性激光燒結(SLS)E2o]。但開發較早,目前應用比較成熟的則是三維印刷成型技術(3DP)。

三維印刷成型技術l21](Three Dimensional Printing)或者稱為噴墨打印成型法(Intjet Printing Fabrication)。這種技術最先由3D System公司推出,并應用于復雜形狀陶瓷部件的成型它利用計算機依據所需部件形狀所提供的信息通過連續噴霧印刷頭有選擇地逐層將粉體粘結迭加并熱處理成最終的部件。其原理是將特制的“墨水”加壓后霧化,經一帶電管子,在計算機的控制下,使“墨滴”有選擇地帶電,“墨滴”由水平及垂直偏轉板以靜電偏轉方式投射到基板上,逐層疊加,經加熱處理后得到最終部件。當印刷頭經過不需要成型的部位時,“墨滴”不帶電,經過偏轉板時“墨滴”不發生偏轉,被捕捉收回,不落在基板上。如此方法通過層層堆積可以獲得具有復雜形狀的坯體。

2 陶瓷成型工藝發展

新興的陶瓷成型技術是在各學科相互交融、相互借鑒的前提下涌現出來的。材料化學、計算機技術的迅速發展,高分子材料、金屬材料、陶瓷材料等三大材料成型技術的相互借鑒,一些金屬、塑料、橡膠的成型方法相繼在陶瓷材料上得到應用,一方面促進了陶瓷成型工藝的發展,另一方面對陶瓷材料的成型也提出了更高的要求。

21 均勻性與致密性仍是坯體成型的首要目標

均勻性和致密性一直都是對陶瓷制品的客觀要求,各種新興的陶瓷成型技術也都是在滿足制品密度均勻、結構致密的前提下為了適應各種形狀、強度的要求而開發出來的。坯體的致密性和均勻性直接關系到制品的性能。高效分散劑的選用對陶瓷的均勻性、致密性也有很大影響。分散劑可以保證在成型是粉料顆粒的均勻分散,使得坯體性質均勻;其次較高的成型壓力可以保證坯體的密實度。

22 不規則形狀坯體的成型技術成為今后發展的主流

由于以往對規則旋轉體外形的陶瓷坯體的成型技術的開發研究力度較大,目前已經相對成熟,所以目前的研究熱點主要集中在不規則形狀的陶瓷坯體的快速成型上。在研究的各種技術中,膠態成型技術.如直接凝固注模、水解輔助固化、溫度誘導成型等發展較快。這種技術是在材料化學的研究基礎上利用合適的化學反應,使處于流動態的料漿或者粉體能迅速凝聚,形成密實體。但目前膠態固化技術的研究力度還不夠,在生產上還沒有得到推廣,并且對固化機理、固化條件方面的研究深度不足。

23 經濟性、可靠性決定著成型方法的發展趨勢

經濟性是新的成型技術能否獲得推廣和應用的關鍵。一些成型方法由于成本太高,雖然成型性能較好,能保證復雜形狀坯體的密實度較高,但工藝復雜,不利于推廣應用??煽啃允侵赋尚头椒ㄔ谝幎ǖ臈l件下、在規定的時間內成型

坯體的能力。成型方法的可靠性決定著生產效率,雖然成型技術保證了高強度、復雜形狀坯體的機械性能,但較高的生產成本也是一般企業難以接受,使技術的廣泛推廣陷入困境。所以如何提高成型方法的經濟性和可靠性應該成為

后一個時期內陶瓷成型技術研發的關鍵。

 

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