《材料成型工藝基礎(chǔ)》課件第7章

第7章工業(yè)陶瓷及其成型7.1工業(yè)陶瓷

7.2工業(yè)陶瓷的生產(chǎn)過程陶瓷是各種無機非金屬材料的通稱，它同金屬材料、高分子材料一起被稱為三大固體材料。陶瓷在傳統(tǒng)上是指陶瓷與瓷器，但也包括玻璃、搪瓷、耐火材料、磚瓦、水泥、石灰、石膏等無機非金屬材料。由于這些材料都是用天然的硅酸鹽礦物(即含二氧化硅的化合物，如黏土、石灰石、長石、石英、砂子等原料)生產(chǎn)的，因此陶瓷材料也是硅酸鹽材料。

近20多年來，陶瓷材料有巨大的發(fā)展，許多新型陶瓷材料的成分遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了硅酸鹽的范圍，陶瓷的性能也面臨重大的突破，陶瓷的應(yīng)用已滲透到各類工業(yè)、各種工程和各個技術(shù)領(lǐng)域，已成為現(xiàn)代工程材料的主要支柱。

7.1.1陶瓷材料的性能

陶瓷材料的性能主要取決于以下兩個因素：第一是物質(zhì)結(jié)構(gòu)，主要是化學(xué)鍵和晶體結(jié)構(gòu)，它們決定了陶瓷材料本身的性能，如電性能、熱性能、磁性能和耐腐蝕性能等；第二是組織結(jié)構(gòu)，包括相分布、晶粒大小和形狀、氣孔大小和分布、雜質(zhì)、缺陷等，它們對陶瓷材料的性能影響極大。7.1工業(yè)陶瓷

1.陶瓷材料的力學(xué)性能

陶瓷材料的彈性模量和硬度是各類材料中最高的，比金屬高若干倍，比有機高聚物高2~4個數(shù)量級，這是由于陶瓷材料具有強大的化學(xué)鍵所致。陶瓷材料的塑性變形能力很低，在室溫下幾乎沒有塑性，這是因為陶瓷晶體中的滑移系很少，共價鍵有明顯的方向性和飽和性，離子鍵的同號離子接近時斥力很大，當(dāng)產(chǎn)生滑移時，極易造成鍵的斷裂，再加上有大量氣孔的存在，所以陶瓷材料呈現(xiàn)出很明顯的脆性特征，韌性極低。因為陶瓷內(nèi)有氣孔、雜質(zhì)和各種缺陷的存在，所以陶瓷材料的抗拉強度和抗彎強度均很低，而抗壓強度非常高，這是由于在受壓時裂紋不易擴展所致。

2.陶瓷材料的物理性能

1)陶瓷材料的熱性能

陶瓷材料的熔點高，大多在2000℃以上，具有比金屬材料高得多的抗氧化性和耐熱性，并且高溫強度好，抗蠕變能力強。此外，它的膨脹系數(shù)低，導(dǎo)熱性差，是優(yōu)良的高溫絕熱材料。但大多數(shù)陶瓷材料的熱穩(wěn)定性差，這是它的主要弱點之一。

2)陶瓷材料的電性能

陶瓷材料的導(dǎo)電性變化范圍很廣。由于離子晶體無自由電子，因此大多數(shù)陶瓷都是良好的絕緣體。但不少陶瓷既是離子導(dǎo)體，又有一定的電子導(dǎo)電性，因而也是重要的半導(dǎo)體材料。此外，近年來出現(xiàn)的超導(dǎo)材料，大多數(shù)也是陶瓷材料。

3)陶瓷材料的光學(xué)特性

陶瓷材料一般是不透明的，隨著科技發(fā)展，目前已研制出了諸如固體激光器材料、光導(dǎo)纖維材料、光存儲材料等透明陶瓷新品種。

3.陶瓷材料的化學(xué)性能

陶瓷的組織結(jié)構(gòu)很穩(wěn)定，這是由于陶瓷以強大的離子鍵和共價鍵結(jié)合，并且在離子晶體中金屬原子被包圍在非金屬原子的間隙中，從而形成穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)。因此陶瓷材料具有良好的抗氧化性和不可燃燒性，即使在1000℃的高溫下也不會被氧化。此外，陶瓷對酸、堿、鹽等介質(zhì)均具有較強的耐蝕性，與許多金屬熔體也不發(fā)生作用，因而是極好的耐蝕材料和坩堝材料。7.1.2常用的工業(yè)陶瓷

陶瓷的種類繁多，大致可以分為傳統(tǒng)陶瓷(也叫普通陶瓷)和特種陶瓷(也叫近代工業(yè)陶瓷)兩大類。雖然它們都是經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)而合成的無機非金屬材料，但其在所用粉體、成型方法和燒結(jié)制度及加工要求等方面卻有著很大的區(qū)別。兩者的主要區(qū)別見表7-1。表7-1工業(yè)陶瓷與傳統(tǒng)陶瓷的主要區(qū)別傳統(tǒng)陶瓷是以黏土、長石和石英等天然原料，經(jīng)粉碎、成型和燒結(jié)制成的，主要用作日用陶瓷、建筑陶瓷、衛(wèi)生陶瓷，以及工業(yè)上應(yīng)用的電絕緣陶瓷、過濾陶瓷、耐酸陶瓷等。

特種陶瓷是以人工化合物為原料的陶瓷，如氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硅化物陶瓷、硼化物陶瓷，以及石英質(zhì)、剛玉質(zhì)、碳化硅質(zhì)陶瓷等，主要用于化工、冶金、機械、電子、能源和某些高技術(shù)領(lǐng)域。

特種陶瓷是20世紀(jì)發(fā)展起來的，在現(xiàn)代化生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的推動和培育下，它們發(fā)展得非常快，尤其在近30年，新品種層出不窮，令人眼花繚亂。表7-2各種陶瓷的性能特點及應(yīng)用

工業(yè)陶瓷的品種繁多，生產(chǎn)工藝過程也各不相同，但一般都要經(jīng)歷以下幾個步驟：坯料制備、成型、坯體干燥、燒結(jié)以及后續(xù)加工，如圖7-1所示。7.2工業(yè)陶瓷的生產(chǎn)過程

圖7-1陶瓷的生產(chǎn)工藝過程7.2.1坯料制備

1.配料

制作陶瓷制品，首先要按瓷料的組成，將所需各種原料進(jìn)行稱量配料，它是陶瓷工藝中最基本的一環(huán)。稱料務(wù)必精確，因為配料中某些組分加入量的微小誤差也會影響到陶瓷材料的結(jié)構(gòu)和性能。

2.混合制備坯料

配料后應(yīng)根據(jù)不同的成型方法，混合制備成不同形式的坯料，如用于注漿成型的水懸浮液，用于熱壓注成型的熱塑性料漿，用于擠壓、注射、軋膜和流延成型的含有機塑化劑的塑性料，用于干壓或等靜壓成型的造粒粉料等。坯料混合一般采用球磨或攪拌等機械混合法。7.2.2成型

成型是將坯料制成具有一定形狀和規(guī)格的坯體。成型技術(shù)與方法對陶瓷制品的性能具有重要意義，由于陶瓷制品品種繁多，性能要求、形狀規(guī)格、大小厚薄不一，產(chǎn)量不同，所用坯料性能各異，因此可以采用多種不同的成型方法。陶瓷的成型方法大致分為濕塑成型、注漿成型、模壓成型、注射成型、熱壓鑄成型、等靜壓成型、塑性成型、帶式成型等方法。

1.濕塑成型

濕塑成型是在外力作用下，使可塑坯料發(fā)生塑性變形而制成坯體的方法，包括刀壓、滾壓、擠壓和手捏等。這是最傳統(tǒng)的陶瓷成型工藝，在日用瓷和工藝瓷中應(yīng)用最多。

2.注漿成型

注漿成型是將陶瓷懸浮料漿注入石膏?；蚨嗫踪|(zhì)模型內(nèi)，借助模型的吸水能力將料漿中的水吸出，從而在模型內(nèi)形成坯體。該方法適用于形狀復(fù)雜、大型薄壁、精度要求不高的日用陶瓷、建筑陶瓷和美術(shù)陶瓷制品，電子陶瓷行業(yè)由于禁用黏土，因而很少使用該方法成型。

注漿成型工藝簡單，但勞動強度大，不易實現(xiàn)自動化，且坯體燒結(jié)后的密度較小，強度較差，收縮、變形較大，所得制品的外觀尺寸精度較低，因此性能要求較高的陶瓷一般不采用此法生產(chǎn)。但隨著分散劑的發(fā)展，均勻性好的高濃度低黏度漿料的獲得，以及強力注漿的發(fā)展，注漿成型制品的性能與質(zhì)量在不斷提高。

3.模壓成型

模壓成型也叫干壓成型，是將造粒工序制備的團(tuán)粒(水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于6%)松散裝入模具內(nèi)，在壓機柱塞施加的外壓力作用下，團(tuán)粒產(chǎn)生移動、變形、粉碎而逐漸靠攏，所含氣體同時被擠壓排出，形成較致密的具有一定形狀、尺寸的壓坯，然后卸模脫出坯體的過程。

模壓成型的特點是操作方便，生產(chǎn)周期短，效率高，易于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，適宜大批量生產(chǎn)形狀簡單(圓截面形、薄片狀等)、尺寸較小(高度為0.3mm～60mm、直徑為5mm～50mm)的制品。由于坯體含水或其他有機物較少，因此坯體致密度較高，尺寸較精確，燒結(jié)收縮小，瓷件力學(xué)強度高。但模壓成型坯體具有明顯的各向異性，也不適于尺寸大、形狀復(fù)雜制品的生產(chǎn)，并且所需的設(shè)備、模具費用較高。

4.注射成型

注射成型是將陶瓷粉和有機黏結(jié)劑混合后，加熱混煉并制成粒狀粉料，經(jīng)注射成型機，在130℃～300℃溫度下注射到金屬模腔內(nèi)，冷卻后黏結(jié)劑固化成型，脫模取出坯體。

注射成型適于形狀復(fù)雜、壁薄(0.6mm)、帶側(cè)孔制品(如汽輪機陶瓷葉片等)的大批量生產(chǎn)，坯體密度均勻，燒結(jié)體精度高，且工藝簡單、成本低；但生產(chǎn)周期長，金屬模具設(shè)計困難，費用昂貴。

5.熱壓鑄成型

熱壓鑄成型利用蠟類材料熱熔冷固的特點，將配料混合后的陶瓷細(xì)粉與熔化的蠟料黏結(jié)劑加熱攪拌成具有流動性與熱塑性的蠟漿，在熱壓注機中用壓縮空氣將熱熔蠟漿注滿金屬?？涨?，蠟漿在模腔內(nèi)冷凝形成坯體，再進(jìn)行脫模取件。

熱壓鑄成型用于批量生產(chǎn)外形復(fù)雜、表面質(zhì)量好、尺寸精度高的中小型制品，且設(shè)備較簡單，操作方便，模具磨損小，生產(chǎn)效率高；但坯體密度較低，燒結(jié)收縮較大，易變形，不宜制造壁薄、大而長的制品，且工序較繁，耗能大，生產(chǎn)周期長。

6.等靜壓成型

等靜壓成型是利用液體或氣體介質(zhì)均勻傳遞壓力的性能，把陶瓷粒狀粉料置于有彈性的軟模中，使其受到液體或氣體介質(zhì)傳遞的均衡壓力而被壓實成型的一種新型壓制成型方法。

等靜壓成型的特點是坯體密度高且均勻，燒結(jié)收縮小，不易變形，制品強度高、質(zhì)量好，適于形狀復(fù)雜、較大且細(xì)長制品的制造；但等靜壓成型設(shè)備成本高。

等靜壓成型可分為濕式等靜壓成型與干式等靜壓成型兩種。

1)濕式等靜壓成型

如圖7-2(a)所示，將配好的粒狀粉料裝入塑料或橡膠做成的彈性模具內(nèi)，密封后置于高壓容器內(nèi)，注入液體壓力傳遞介質(zhì)(壓力通常在100MPa以上)，此時模具與高壓液體直接接觸，壓力傳遞至彈性模具對坯料加壓成型，然后釋放壓力取出模具，并從模具中取出成型好的坯體。濕式等靜壓容器內(nèi)可同時放入幾個模具，壓制不同形狀的坯體，該法生產(chǎn)效率不高，主要適用于成型多品種、形狀較復(fù)雜、產(chǎn)量小和大型制品。

圖7-2等靜壓成型示意圖

(a)濕式等靜壓成型；(b)干式等靜壓成型

2)干式等靜壓成型

如圖7-2(b)所示，在高壓容器內(nèi)封緊一個加壓橡皮袋，加料后的模具送入橡皮袋中加壓，壓成后又從橡皮袋中退出脫模；也可將模具直接固定在容器橡皮袋中。此法的坯料添加和坯件取出都在干態(tài)下進(jìn)行，模具也不與高壓液體直接接觸。而且，干式等靜壓成型模具的兩頭(垂直方向)并不加壓，適于壓制長型、薄壁、管狀制品。

7.其他成型方法

1)塑性成型

塑性成型包括擠制成型與軋膜成型。這類成型方法的共同特點是要求泥料必須具有充分的可塑性，故其中所含有機黏結(jié)劑和水分比干壓成型時多。

擠制成型是指將煉好并通過真空除氣的泥料置于擠制筒內(nèi)，在壓力的作用下，通過擠嘴擠出各種形狀的坯體，如棒狀、管狀等。

軋膜成型是一種非常成熟的薄片瓷坯成型工藝，大量地用于軋制厚度在1mm以下的薄片狀制品，如瓷片電容、厚膜電路基片等瓷坯。軋膜成型的過程是將預(yù)燒過的陶瓷粉料與一定量的有機黏結(jié)劑和溶劑拌和，置于兩輥軸之間進(jìn)行混煉，使這些成分充分混合均勻，伴隨著吹風(fēng)，使溶劑逐漸揮發(fā)，形成一層厚膜，然后，逐步調(diào)近軋輥間距，多次折疊，90°反向，反復(fù)軋煉，以達(dá)到必需的均勻度、致密度、光潔度和厚度為止。

2)帶式成型方法

對于0.08mm以下的坯體，如獨石電容片等，用軋膜法難以成型，帶式成型法就應(yīng)運而生了。此類成型方法包括刮刀工藝、紙帶澆注工藝和滾筒工藝。其中，以刮刀法(流延法)應(yīng)用最為廣泛，用于制造50μm以下的膜材，見圖7-3。

圖7-3流延成型7.2.3坯體干燥

成型后的各種坯體，一般含有水分，為提高成型后的坯體強度和致密度，需要進(jìn)行干燥，以除去部分水分，同時坯體也失去可塑性。干燥的目的在于提高生坯的強度，便于檢查、修復(fù)、搬運、施釉和燒制。

生坯內(nèi)的水分有三種：一是化學(xué)結(jié)合水，是坯料組分物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一部分；二是吸附水，是坯料顆粒所構(gòu)成的毛細(xì)管中吸附的水分，吸附水膜厚度相當(dāng)于幾個到十幾個水分子，并受坯料組成和環(huán)境的影響；三是游離水，處于坯料顆粒之間，基本符合水的一般物理性質(zhì)。生坯干燥時，游離水很容易排出。隨著周圍環(huán)境濕度與溫度的變化，吸附水也有部分在干燥過程中被排出，但排出吸附水沒有什么實際意義，因為它很快又從空氣中吸收水分達(dá)到平衡。結(jié)合水要在更高溫度下才能排出，這已不是在干燥過程中所能排除的。

生坯的干燥形式有外部供熱式和內(nèi)熱式。在坯體外部加熱干燥時，往往外層的溫度比內(nèi)層高，這不利于水分由坯內(nèi)向表面擴散。若對坯體施以電流或電磁波，使坯體內(nèi)部溫度升高，增大內(nèi)擴散速度，就會大大提高坯體的干燥速度。7.2.4燒結(jié)

燒結(jié)是對成型坯體進(jìn)行低于熔點的高溫加熱，使其內(nèi)的粉體間產(chǎn)生顆粒黏結(jié)，經(jīng)過物質(zhì)遷移導(dǎo)致致密化和高強度的過程。只有經(jīng)過燒結(jié)，成型坯體才能成為堅硬的具有某種顯微結(jié)構(gòu)的陶瓷制品(多晶燒結(jié)體)，燒結(jié)對陶瓷制品的顯微組織結(jié)構(gòu)及性能有著直接的影響。

燒結(jié)的方法很多，如常壓燒結(jié)法、壓力燒結(jié)法(熱壓燒結(jié)法、熱等靜壓燒結(jié)法)、反應(yīng)燒結(jié)法、液相燒結(jié)法、電弧等離子燒結(jié)法、自蔓延燒結(jié)法和微波燒結(jié)法等，以下對部分方法進(jìn)行簡要介紹。

1.常壓燒結(jié)法

普通燒結(jié)有時也稱常壓燒結(jié)，是指在通常的大氣壓下進(jìn)行燒結(jié)的方法。傳統(tǒng)陶瓷大多都是在隧道窯中進(jìn)行燒結(jié)的，而特種陶瓷大都在電窯中燒成。普通燒結(jié)因無需加壓，故成本較低。

2.壓力燒結(jié)法

壓力燒結(jié)法可以分為普通熱壓燒結(jié)法、熱等靜壓燒結(jié)法和超高壓燒結(jié)法。

1)熱壓燒結(jié)法

熱壓燒結(jié)是將干燥粉料充填入石墨或氧化鋁模型內(nèi)，再從單軸方向邊加壓邊加熱，使成型與燒結(jié)同時完成，如圖7-4所示。由于加熱加壓同時進(jìn)行，陶瓷粉料處于熱塑性狀態(tài)，有利于粉末顆粒的接觸、流動等過程的進(jìn)行，因而可減小成型壓力，降低燒結(jié)溫度，縮短燒結(jié)時間，容易得到晶粒細(xì)小、致密度高、性能良好的制品。不過此燒結(jié)法不易生產(chǎn)形狀復(fù)雜的制品，燒結(jié)生產(chǎn)規(guī)模較小，成本高。

圖7-4熱壓(成型)燒結(jié)示意圖

2)熱等靜壓燒結(jié)法

熱等靜壓(HIP)燒結(jié)方法是借助于氣體壓力而施加等靜壓的方法。除SiC、Si3N4使用該法外，Al2O3、超硬合金等也使用該法，它是很有希望的新燒結(jié)技術(shù)之一。熱等靜壓燒結(jié)法可克服普通熱壓燒結(jié)的缺點，適合形狀復(fù)雜制品的生產(chǎn)。目前一些高科技制品，如陶瓷軸承、反射鏡及軍工需用的核燃料、槍管等，也可采用此種燒結(jié)工藝。

3)超高壓燒結(jié)法

超高壓燒結(jié)法與合成金剛石的方法相同，在燒結(jié)金剛石和立方氮化硼時常采用這種方法；在其他難燒結(jié)物質(zhì)的研究中也可采用此法。

3.反應(yīng)燒結(jié)法

反應(yīng)燒結(jié)法是通過氣相或液相與基體材料相互反應(yīng)而對材料進(jìn)行燒結(jié)的方法。最典型的代表性產(chǎn)品是反應(yīng)燒結(jié)碳化硅和反應(yīng)燒結(jié)氮化硅制品。此種燒結(jié)方法的優(yōu)點是工藝簡單，制品可稍微加工或不加工，也可制備形狀復(fù)雜制品；缺點是制品中最終有殘余未反應(yīng)產(chǎn)物，結(jié)構(gòu)不易控制，太厚制品不易完全反應(yīng)燒結(jié)。

4.液相燒結(jié)法

許多氧化物陶瓷采用低熔點助劑促進(jìn)材料燒結(jié)。助劑的加入一般不會影響材料的性能或反而為某種功能產(chǎn)生良好的影響。作為高溫結(jié)構(gòu)使用的添加劑，要注意晶界玻璃是造成高溫力學(xué)性能下降的主要因素。通過選擇使液相有很高的熔點或黏度，或者選擇合適的液相組成，然后作高溫?zé)崽幚恚鼓承┚嘣诰Ы缟衔龀?，以提高材料的抗蠕變能力?/p>

5.電弧等離子燒結(jié)法

電弧等離子燒結(jié)加熱方法與熱壓不同，它在施加應(yīng)力的同時，還在制品上施加一個脈沖電源，材料被韌化的同時也致密化。實驗已證明，此種方法燒結(jié)快速，能使材料形成細(xì)晶高致密結(jié)構(gòu)，預(yù)計對納米級材料燒結(jié)更為適合。但迄今為止仍處于研究開發(fā)階段，許多問題仍需深入探討。

隨著科技進(jìn)步，新的燒結(jié)方法不斷出現(xiàn)。目前，具有一定實用價值和應(yīng)用前景的方法，如