先进陶瓷成型工艺的简单介绍!

2021年02月28日 06:48:12   [来源:互联网]   [阅读:-]
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对于陶瓷,大多数人还停留在长石、粘土和石英等硅酸盐材料烧结而成的基础认识上,这类陶瓷被称为普通陶瓷,所具有的特点是硬度高、熔点高、绝缘性好、耐酸碱腐蚀和氧化等,一般作为容器和装饰品使用。

而在二十世纪,核工业、航天、冶金和化工等产业的发展,材料的使用环境越为苛刻,找寻一种拥有某方面突出性能的材料作为一项重点课题被提上日程,先进陶瓷应运而生。这类陶瓷区别于普通陶瓷主要在组成成份、显微结构和成型工艺等方面,从普通陶瓷到先进陶瓷的发展历程如图1-1。

先进陶瓷成型工艺的简单介绍

陶瓷的成型工艺

可塑成形

可塑成形是用具有弹-塑性的流体原料在外力作用下发生形变使陶瓷成型的一种方法。传统陶瓷可塑成型的方法多用手制、模制、轮制拉坯等方法。

手制包括捏塑法和泥条筑成法。捏塑法是用手工直接捏制而成;泥条筑成法是将坯泥制成圈状层层相叠,或用一根长泥条从下向上螺旋式盘筑,再将里外抹平,制成器形。手制法是一种最原始的方法,不论时代早晚、地域差别,其共同点是器物造型不规范,器壁厚薄不匀,有的留有手制痕迹,如指纹、泥条盘旋痕等。

轮制法是将泥料放在劝的陶车旋轮上,借其快速转动的力量,用提拉的方式使之成形的方法。轮制法制成的陶瓷厚薄均匀、器行规整,提高了陶瓷的质量和产量。

在现代工业成产中,先进陶瓷运用的是滚压成形、挤压成型和注射成型。

滚压成形是坯泥放在中心转盘上已恒定速率转动,外界滚头对原料进行滚压等成型加工。制作的坯体强度较大、不容易变形、结构规整,但转速过快会表面起皱,过程中坯料容易飞溅,在制作中还容易滚头粘泥。

挤压成型原理是将真空除气的泥料置于挤压筒内,再由螺杆挤出机的机嘴挤出各种形状。优点在于简便操作、污染小、效率高,因为其挤嘴的机构复杂和加工精度高,可用于生产精密的零部件。

注射成型是把坯料和脊性粉料、结合剂再高温下注入金属膜腔,低温下固化成型的一种工艺。注射成型能一步到位进行生产,在CIM中,有机物含量高容易造成脱模困难,温度的梯度变化速率过快产生的温度应力会造成坯体开裂、变形、鼓泡。

可塑成形在传统陶瓷的生产应用中,因为自动化程度底、原材料的选用等原因,形成的粗坯一般在表面的形状不是那么平整,还需要修足、打磨,这也是分辨古董瓷器是否为赝品的一个标准。在先进陶瓷的现代工艺下,成型的陶瓷规整度高、结构精密,在成型的过程中可控性高,产量和出良率也远高于传统工艺。

可塑成形在传统陶瓷的生产应用中,因为自动化程度底、原材料的选用等原因,形成的粗坯一般在表面的形状不是那么平整,还需要修足、打磨,这也是分辨古董瓷器是否为赝品的一个标准。在先进陶瓷的现代工艺下,成型的陶瓷规整度高、结构精密,在成型的过程中可控性高,产量和出良率也远高于传统工艺。

注浆成型

将瘠性料靠温度及塑化剂的作用,制成具有一定流动性及悬浮性的浆料,注入模型中凝固成型的方法。根据实施方法的不同又可分为单面注浆、双面注浆、压力注浆和离心注浆。

因为石膏具有良好的吸水性能,在传统陶瓷的制造中一般用石膏作为模具,成型过程分为三个阶段。第一个阶段是注入泥浆在模具内,利用模具的毛细管力对泥浆中的水分进行吸收,使胚料颗粒靠近,形成一个薄泥层;第二阶段薄泥层逐渐增厚,继续脱水;第三阶段雏坯成型,开始收缩退模。主要运用于形状复杂、壁薄、尺寸要求不严的器物成型,比如花瓶、碗、壶、杯等。

注浆成型工艺主要存在的缺点:

  1. 容易开裂
  2. 脱模困难
  3. 胚体气体排除不好容易产生气泡
  4. 水分过多或不均匀会发生变形

先进陶瓷的生产主要使用热压铸成型和流延成型两种方法。热压铸成型运用石蜡的高温流变特性,摆脱了注浆需要的溶剂。流延成型通过机器让浆料均匀涂抹在衬底上,经过干燥后形成一定厚度的素坯膜,有效的降低了有机物的使用量。

先进陶瓷的生产主要使用热压铸成型和流延成型两种方法。热压铸成型运用石蜡的高温流变特性,摆脱了注浆需要的溶剂。流延成型通过机器让浆料均匀涂抹在衬底上,经过干燥后形成一定厚度的素坯膜,有效的降低了有机物的使用量。

先进陶瓷成型工艺的简单介绍

压制成型

将流动性好、粒径均匀的干粉状坯料装入模具,通过压机施加外力成型的方法。其中包括了模压成型、等静压成型、超高压成型、粉末电磁成型。

模压成型的方法就是把一定量的粉料填充模具内,在一定载荷下压制成型。压制过程也分为单向压制和双向压制,增加压力和严惩压制时间可以减小分体的孔隙率,使坯体结构更均匀致密,压制工业陶瓷需要的压力一般在40~100MPa,塑性较好的坯体,比如含有粘土的坯体 只要10~60MPa的压力即可。而减少颗粒摩擦力和坯体形状也尺寸可以有效减少孔隙率和加强规整度。模压的优点是自动化程度高,操作简便,是工业上的一种主要生产手段。

等静压成型是通过施加各向同性压力使粉料边压缩边成型的方法。这种方法利用了液体介质的均匀传动性和不可压缩性,可以使坯体受力均匀,坯体密度和残余应力都较小,克服的了传统压制方法定向压制受力不均的问题。因为压力打不到吉帕级,通常只能达到几百兆帕,压制的坯体相对密度较低,适用于具有良好烧结性能的分体成型。

超高压成型顾名思义就是在极高的压力下成型,一般成型压力都在1GPa以上。超高压成型非常适用于纳米陶瓷粉体的成型,纳米颗粒由于自身的粒径太小 ,颗粒间的接触大于普通颗粒,分子之间的摩擦力阻碍颗粒的滑动,素坯成型相对密度较低,结构不够致密,在成型时的残余应力,让坯体产生裂纹,烧结时破裂。而超高压成型打破团聚获得较高的成型密度,例如AlO2在成型过程用2~10GPa的压力,得到的生坯有 80%的相对密度。

3D打印

3D打印技术出现于20世纪80年代,是一种固体无模的成型方式,到现在有DIJP、SLS、SLA、ENM、DLP等技术。成型步骤都是先有软件设计出三位图像,再分析横截面把各截面打印出来,通过各种方式黏合各层截面。现在的3D打印技术也可采用喷墨技术进行打印,用纳米陶瓷粉体分散在挥发性有机溶剂当中作为油墨,已喷墨的方式可以打印出几毫米的工件。

3D打印技术发展得到时间太短,主要应用于工程塑料、光敏树脂等高分子材料,在陶瓷中的应用是陶瓷材料本身的限制。陶瓷粉末和黏剂结合后,黏剂用的多容易固话,但后期处理零件收缩大 ,影响零件尺寸精确;陶瓷粉末被激光进行快速烧结会在凝结过程中产生热应力,在表面出现裂纹;并且3D打印技术目前还不成熟,受分辨率的限制,打印零件精确度还达不到要求,需要进一步改善。

先进陶瓷成型工艺的简单介绍

先进陶瓷行业展望

相比较于传统陶瓷,生产工艺的改进和原材料的选择,生产的陶瓷制品结构性能是上得到很大提高,能适用于现代化的生产。

模压和等静压是工业化生产的主要方式,但在精确度存在瑕疵,但自动化程度高,力学和热学性能好,适用于日用陶瓷。塑性成形的方法成本低、操作简便,可以工业化生产精细部件。超高压成型得到的高性能精微零件在航天、核工业、冶金等行业会 大放异彩。注胶成型中新出现的流延成型和原位凝固成型的胶态成型方法代表了一种工艺的新方向,成本低、污染少、自动化程度较高,可以实现自动化生产。

将陶瓷工艺和高分子流变学、陶瓷纳米技术、复合材料工艺学、胶体化学等结合起来,在国防、航天、通讯等行业的发展能得到极大提升,比如坦克的反导弹装甲涂层、飞机的热导涂层、光纤连接陶瓷插芯和现代医疗器械等,随着工业发展的需求,先进陶瓷会在当中作为一个不可替代的成分大放光彩。

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