氧化鋁陶瓷材料快速成形制備工藝_圖文

1、氧化鋁陶瓷材料快速成形制備工藝張宇民1,盛永華2,韓杰才1,赫曉東1(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所,哈爾濱150001;2.荊門職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系,荊門448000摘要:采用快速成形技術(shù)中的分層實(shí)體造型工藝制備氧化鋁陶瓷材料。所用原料為平均粒度2m的氧化鋁粉末,經(jīng)過軋膜法制成厚度為0.7mm的片材,熱分析后可以確定脫脂工藝。燒結(jié)產(chǎn)物為各向異性材料,測試了材料的抗彎強(qiáng)度和硬度,并進(jìn)行了微觀組織分析。關(guān)鍵詞:陶瓷;快速成形;制備工藝中圖分類號(hào):TB33文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1004244X(200206002603隨著中國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展,在高技術(shù)、國防、機(jī)械、電子等工業(yè)領(lǐng)域,對(duì)工程陶瓷產(chǎn)

2、品的需求量不斷加大,需求品種不斷增多。今后陶瓷材料和產(chǎn)品的需求趨勢是:品種多,批量小;研制、生產(chǎn)周期縮短。而陶瓷材料自身,尤其是復(fù)雜形狀的陶瓷零件,也存在難成形、難加工、成本高等問題。解決以上問題的關(guān)鍵是開發(fā)低成本、高效率陶瓷產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)。快速成形技術(shù)(Rapid Prototyping and Manufac2 turing是八十年代中期發(fā)展起來的一種造型新技術(shù),由于快速成形技術(shù)無需機(jī)械加工或任何模具,直接從CAD模型生成復(fù)雜形狀的制件,因而產(chǎn)品研制周期縮短,生產(chǎn)率提高,生產(chǎn)成本降低14。分層實(shí)體造型(Laminated Object Manufacturing,簡稱LOM是將薄膜材料逐層激

3、光切割成所需形狀,然后疊加在一起的造型方法。分層實(shí)體造型技術(shù)在陶瓷領(lǐng)域中的應(yīng)用包括,Dayton大學(xué)的Donald A. K losterman等57應(yīng)用分層實(shí)體造型技術(shù)制備了陶瓷件、陶瓷基復(fù)合材料。Lone Peak工程公司的E. Alair Griffin等8采用分層實(shí)體造型技術(shù)制備了ZrO2和Al2O3陶瓷件。該公司的Curtis Griffin9等采用LOM技術(shù)制備了Al2O3試樣和零件。Case Western Reserve大學(xué)的James D.Cawley等10采用CAM-L EM(Computer-Aided Manufacturing of Laminated Enginee

4、ring Materials技術(shù)制作陶瓷件,其成形原理與分層實(shí)體造型技術(shù)相同。氧化鋁這種常用陶瓷材料作為研究對(duì)象,采用軋膜法制備陶瓷片,快速成形技術(shù)中的分層實(shí)體造型工藝成型,然后脫脂、燒結(jié),得到氧化鋁陶瓷件。1試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法用軋膜法制備用于快速成形的氧化鋁片材。氧化鋁純度為96%,平均粒度2m,圖1為粉末粒度分布,粘結(jié)劑為7%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)PVB,片材厚度為0.7mm,密度2.34g/cm3,相對(duì)密度65.4%,厚度均勻 。圖1Al2O3粉末粒度分布陶瓷件的成型采用分層實(shí)體造型工藝,設(shè)備為M-RPMS-II多功能快速成型系統(tǒng)。首先采用Pro/Engineer造型軟件進(jìn)行三維實(shí)體造型,生成STL

5、文件,根據(jù)STL文件進(jìn)行工藝規(guī)劃。然后對(duì)STL文件進(jìn)行分層,生成單層的控制指令,通過數(shù)控卡控制硬件的各種動(dòng)作,加工零件。因?yàn)樘沾善膹?qiáng)度低且脆,所以對(duì)陶瓷片材進(jìn)行單層加工,然后手動(dòng)粘結(jié)、搬運(yùn)。陶瓷燒結(jié)之前要將坯體中的粘結(jié)劑去除,主要的參照依據(jù)是材料的熱分析結(jié)果。脫脂之后,進(jìn)行燒結(jié),其燒結(jié)工藝視具體材料而定。圖2是氧化鋁坯片的TG-D TA分析。脫脂工藝在240520溫度區(qū)間為緩慢升溫,燒結(jié)溫度為1580。第25卷第6期2002年11月兵器材料科學(xué)與工程ORDNANCE MATERIAL SCIENCE AND EN GINEERIN GVol.25No.6Nov.2002收稿日期:2002-0

6、5-16;修訂日期:2002-07-25基金項(xiàng)目:黑龍江省青年基金項(xiàng)目資助作者簡介:張宇民(1970-,男,副研究員,博士,主要從事陶瓷材料成型與合成工藝方面的研究,已發(fā)表論文20余篇 圖2Al2O3陶瓷坯片TG-DTA分析對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行SEM微觀組織分析,進(jìn)行機(jī)械性能測試,主要測抗彎強(qiáng)度和硬度。2結(jié)果與分析陶瓷件燒結(jié)后,尺寸要發(fā)生變化。LOM工藝的原料是陶瓷片,陶瓷片通過粘結(jié)劑結(jié)合在一起,所以尺寸變化和性能在各個(gè)方向是不一樣的,表現(xiàn)為各向異性。陶瓷片在燒結(jié)過程中,x、y方向(垂直于厚度z方向的收縮阻力較大,因而收縮比較小;在LOM工藝中,層間結(jié)合依靠的是有機(jī)粘結(jié)劑,密度較低,燒結(jié)時(shí)有機(jī)物揮發(fā)去除

7、,所以相比單層陶瓷片,燒結(jié)后收縮略大。具體結(jié)果為:厚度方向線收縮率34%,單層平面方向線收縮率5%,多層平面方向線收縮率8%。在Instron-1186電子萬能試驗(yàn)機(jī)上測量三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看,機(jī)械性能表現(xiàn)為各向異性,當(dāng)載荷方向平行于厚度方向時(shí),陶瓷試樣的抗彎強(qiáng)度較低,為145MPa;當(dāng)載荷方向垂直于厚度方向時(shí),抗彎強(qiáng)度較高,為228MPa。這是由于陶瓷片之間的結(jié)合力不強(qiáng)所造成的。陶瓷材料燒結(jié)前后的密度變化為65.4%到97.1%,燒結(jié)后的相對(duì)密度不是很高,這也是造成材料抗彎強(qiáng)度不高的原因之一。測定陶瓷材料的維氏硬度,載荷為5kg,硬度值為391。采用SEM進(jìn)行微觀組織分析,圖3為陶瓷疊

8、層坯件的微觀組織,(a為Al2O3陶瓷片的兩層結(jié)構(gòu), (b為Al2O3陶瓷片的層內(nèi)顆粒形貌。從結(jié)果看, Al2O3陶瓷片的層間結(jié)合較好,這是由于Al2O3陶瓷片厚度較大不易變形、具有光潔的表面的原因。圖4為燒結(jié)后陶瓷組織結(jié)構(gòu)掃描照片。可以看到:層間間隙已經(jīng)消失,說明陶瓷片材已經(jīng)燒結(jié)成為一體;Al2O3陶瓷組織較均勻 。a 兩層結(jié)構(gòu)b顆粒組織圖3氧化鋁陶瓷疊層坯件的SEM 照片a 斷口組織b顆粒組織圖4氧化鋁陶瓷燒結(jié)組織的SEM照片72第6期張宇民等:氧化鋁陶瓷材料快速成形制備工藝通過燒結(jié)前后陶瓷顆粒的微觀組織比較,可以看到:Al2O3顆粒在燒結(jié)后,有一定程度的增長; Al2O3顆粒變圓,由原來

9、的長片狀變?yōu)殚L圓形狀,得到圓整。從得到的陶瓷組織可以得出結(jié)論:所采用的燒結(jié)工藝(包括燒結(jié)溫度,燒結(jié)時(shí)間是適宜的。應(yīng)該注意的是,升溫速度和降溫速度都應(yīng)盡可能地慢,以確保陶瓷件的形狀和完整。還應(yīng)提到的是,對(duì)于體積較大的陶瓷件,不容易得到控制,極易產(chǎn)生變形和裂紋。3結(jié)論軋膜法制備氧化鋁陶瓷片,厚度為0.7mm,密度2.34g/cm3,相對(duì)密度65.4%。采用快速成形技術(shù)成型中的分層實(shí)體造型工藝成型,燒結(jié)后相對(duì)密度97.1%,三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度228MPa,維氏硬度391。通過組織性能分析可以得出結(jié)論:陶瓷片層之間的間隙在燒結(jié)后消失;燒結(jié)后的陶瓷件的機(jī)械性能表現(xiàn)為各向異性,由于燒結(jié)后陶瓷片之間的結(jié)合力仍然不

10、強(qiáng),當(dāng)載荷方向平行于厚度方向時(shí),抗彎強(qiáng)度較低;陶瓷片坯件在燒結(jié)過程中,x、y方向的收縮阻力較大,因而收縮比較小。從結(jié)果看,制備的氧化鋁件強(qiáng)度不高,但形狀可以很復(fù)雜,并且無需開模具,對(duì)于單件小批量、強(qiáng)度要求不高或設(shè)計(jì)階段的復(fù)雜陶瓷零件生產(chǎn)具有一定意義。例如,復(fù)雜陶瓷模具可以作為一種可能的應(yīng)用。作為成型工藝,分層實(shí)體造型工藝在制備一維梯度功能材料具有優(yōu)勢,由于膜厚均勻致密,成分易于控制,并且可以做一定程度的變形,對(duì)比其它成分分布控制手段,分層實(shí)體造型工藝更靈活而有效。參考文獻(xiàn):1尹希猛,王運(yùn)贛,黃樹槐.快速成型技術(shù)90年代新的造型工具J.中國機(jī)械工程,1993,4(6:25-27.2賓鴻贊,楊明.

11、生長型制造技術(shù)制造技術(shù)的新突破J.中國機(jī)械工程,1993,4(6:22-24.3黃樹槐,張祥林,馬黎等.快速原型制造技術(shù)的進(jìn)展J.中國機(jī)械工程,1997,8(5:8-12.4樊自田,黃乃瑜,羅吉榮等.用快速造型技術(shù)生產(chǎn)金屬零件的方法及評(píng)價(jià)J.中國機(jī)械工程,1997,8(5:25-26.5Don K losterman A,et al.Laminated object manufacturing,a new process for the direct manufacture of monolithic ce2ramics and continuous fiber CMCsA.Proceedin

12、gs of the 199721st Annual Conference on Com posites,Advanced Ce2 ramics,Materials,and Structures-BC.1997,18 (114B:113-120.6Don K losterman A,et al.Automated fabrication of struc2tural polymer and ceramic matrix composites via laminated object manufacturing(LOMA.Proceedings of the1997 42nd Internatio

13、nal SAMPE Symposium and Exhibition, Part1(of2C.1997,42(1:764-774.7Don K losterman A,et al.Affordable rapid composite tool2ing via laminated object ManufacturingA.Proceedings of the41st International SAMPE Symposium and Exhibition, Part1(of2C.1996,41(1:220-229.8Alair Griffin E,et al.Rapid prototyping

14、 of functional ce2ramic compositesJ.The American Ceramic S ociety Bul2 letin,1996,75(7:65-68.9Griffin Curtis,et al.Desktop manufacturing:LOM vspressingJ.The American Ceramic S ociety Bulletin, 1994,73(8:109-113.10Cawley James D,et al.Computer-aided manufacturingof laminated engineering materialsJ.Th

15、e American Ce2 ramic S ociety Bulletin,1996,75(5:60-65.R apid prototyping and manufacturing technology for alumina ceramics preparationZHA N G Y u-m i n1,S H EN G Yong-hua2,HA N Jie-cai1,H E Xiao-dong1(1.Center for Composite Materials,Harbin Institute of Technology,Harbin150001,China;2.Department of

16、Mechanics and Electronics Engineering,Jingmen Vocational Technical College,Jingmen448000,China Abstract:Alumina ceramic green parts were formed by LOM(Laminated Object Manufacturing,one of RP(Rapid Pro2 totypingtechnique.The raw materials were2micron alumina powder and alumina ceramics green tapes with0.7mm thickness fabricated by roll forming technique.The debindering process was determined through the thermal analysis of green tapes.Final products gained by pressureless si