无机非金属材料成形技术

无机非金属材料成形技术一般意义上的材料可以根据其化学成分的不同分为金属、无机非金属和有机高分子材料。金属材料主要包括钢铁、有色金属与合金，以及金属问化合物；无机非金属材料主要包括金属(过渡金属或与之相近的金属)与硼、碳、硅、氮、氧等非金属元素组成的化合物，以及非金属元素组成的化合物；有机高分子材料则主要包括各种塑料、合成树脂、合成橡胶和合成纤维。除此而外，这三类材料的相互复合可以制备得到性能更加优异的各种复合材料。无机非金属材料常见的种类：二氧化硅气凝胶、水泥、玻璃、陶瓷。材料具有高熔点、高硬度、耐腐蚀、耐磨损、高强度和良好的抗氧化性等基本属性,以及宽广的导电性、隔热性、透光性及良好的铁电性、铁磁性和压电性。传统无机非金属材料:1.水泥和其他胶凝材料硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、石灰、石膏等;2.陶瓷粘土质、长石质、滑石质和骨灰质陶瓷等;3.耐火材料硅质、硅酸铝质、高铝质、镁质、铬镁质等，玻璃硅酸盐;4.搪瓷钢片、铸铁、铝和铜胎等;5.铸石辉绿岩、玄武岩、铸石等;研磨材料:氧化硅、氧化铝、碳化硅等;多孔材料:硅藻土、蛭石、沸石、多孔硅酸盐和硅酸铝等;碳素材料:石墨、焦炭和各种碳素制品等;非金属矿:粘土、石棉、石膏、云母、大理石、水晶和金刚石等;新型无机非金属材料保温材料:1.气凝胶毡绝缘材料：1.氧化铝、氧化铍、滑石、镁橄榄石质陶瓷、石英玻璃和微晶玻璃2.铁电和压电材料钛酸钡系、锆钛酸铅系材料等磁性材料:1.锰-锌、镍-锌、锰-镁、锂-锰等铁氧体、磁记录和磁泡材料等;2.导体陶瓷钠、锂、氧离子的快离子导体和碳化硅等;3.半导体陶瓷钛酸钡、氧化锌、氧化锡、氧化钒、氧化锆等过滤金属元素氧化物系材料等。光学材料:钇铝石榴石激光材料，氧化铝、氧化钇透明材料和石英系或多组分玻璃的光导纤维等高温结构陶瓷:1.高温氧化物、碳化物、氮化物及硼化物等难熔化合物超硬材料碳化钛、人造金刚石和立方氮化硼等2.人工晶体铝酸锂、钽酸锂、砷化镓、氟金云母等生物陶瓷:长石质齿材、氧化铝、磷酸盐骨材和酶的载体材料等无机复合材料:陶瓷基、金属基、碳素基的复合材料传统无机非金属材料和新型无机非金属材料的比较:传统无机非金属材料具有性质稳定，抗腐蚀耐高温等优点，但质脆，经不起热冲击。新型无机非金属材料除具有传统无机非金属材料的优点外，还有某些特征如:强度高、具有电学、光学特性和生物功能等。无机非金属材料(包括某些金属材料)在受力的时候只有很少的形变或没有形变发生。这种特性限定了不能采用常用的冶金或加工工艺过程来进行材料制备。已经发展出两种基本的制备工艺：第一种是粉末烧结方法，即用细颗粒原料，加上黏结剂使之成形，然后高温烧结成所需的制品；第二种基本工艺方法是将原料熔融成液体，然后在冷却和固化时成形，例如制备玻璃制品。粉末烧结工艺过程一般可分为4个主要阶段，即原料制备阶段、部件坯体成形阶段、致密化烧结阶段和达到精确尺寸与表面光洁度的加工阶段。其中原料制备又根据采用原料的不同分为“粉料”或“纤维(晶须)”等的制备。重点介绍陶瓷材料。根据成分与结构，用作陶瓷工业的天然矿物原料主要分为黏土类、长石类和石英类原料，此外还有滑石、硅灰石和碳酸盐类等原料。在陶瓷材料没有被制造成具有一定形状的产品之前，陶瓷材料所具有的优良性能与功能并不能得到实际应用。随科学技术的发展，许多装备的使用条件越来越苛刻，传统金属材料的性能已难以满足要求，促使陶瓷材料的应用领域得到迅速扩大。各种不同的应用领域对陶瓷材料零部件的形状提出了越来越高的要求。材料的键合特点决定了烧结陶瓷材料几乎无法通过后续冷加工与热加工，制造成特定的形状，陶瓷产品形状的获得必须在烧结以前完成，因而对陶瓷材料成形技术提出了很高的要求。同时在成形工艺过程中还必须兼顾对后续烧结工艺过程和烧结产品的性能的重要影响。成形是将陶瓷粉料加入塑化剂等制成坯料，并进一步加工成具有一定形状、尺寸、孔隙度和强度坯体的工艺过程。最基本的无机材料成形方法分干法成形和湿法成形两大类，不同成形方法的选择，需要根据产品的使用要求、形状、大小以及产量和经济效益等综合因素确定。干法成形是指在陶瓷粉末中加入少量甚至不加塑化剂，将具有一定流动性的干粉进行成形，在坯料压实过程中所需要填充的孔隙较少，后续过程中排出气体也相对较少，可获得高密度成形坯体。这种成形方式主要包括模压成形与等静压成形。干法成形是一种最简单、最直观的方法，成形坯体密度较高，但由于在成形过程中粉末与粉末、粉末与模具之间存在着摩擦，导致成形过程中力的传递和分布发生改变，从而造成坯体不同部分之间密度与强度的不均匀分布。模压成形是将加少量黏结剂(一般为7％～8％)的粉料，按照前面所讲的造粒方式先造粒，然后将造粒后的粉料置于钢模中，在压力机上加压形成一定形状的坯体的工艺过程。适合压制高度／直径比小于1．5的形状简单的制品。模压成形的实质是在外力作用下，使模具内的粉末颗粒相互靠近，并借助颗粒之间的内摩擦力把颗粒牢固地联系起来，并保持一定的形状。模压成形时要求成形的颗粒与粉料堆积密度较高，以减少压缩时的排气量。随成形压力的增加，造粒粉料改变外形，相互滑动，填充堆积剩余的空间，并逐步加大接触、紧密镶嵌。由于粉料之间的进一步靠近，使塑化剂分子与粉粒颗粒表面间的作用力加强，坯体具有一定的机械强度。如颗粒度配合适当，塑化剂使用正确，模压法可以得到比较理想的坯体密度。等静压成形又叫静水压力成形，它是利用液体介质的不可压缩性和均匀传递压力性的一种成形方法。处于高压容器中的试样所受到的压力如同处于同一深度的静水中所受到的压力，所以叫做静水压或等静压，使用这种原理进行的成形工艺叫静水压成形，或等静压成形。相比一般的模压法，等静压成形能够压制具有凹形、空心等复杂形状的压件；压制过程中粉末颗粒与弹性模具的相对移动很小，摩擦损耗、单位压制压力低；压制得到的产品坯体密度分布均匀；压坯强度较高，便于加工和运输；所采用的模具材料是橡胶和塑料，成本较低廉；能在较低温度下制得接近完全致密的坯体。等静压成形也具有一些明显的缺点：压坯尺寸的精度控制和压坯表面的光洁度比模压法低；生产率低于自动模压；所使用的橡胶或塑料模具的使用寿命比金属模具短。等静压成形方法有冷等静压成形和热等静压成形两种，冷等静压成形又分为湿式等静压成形和干式等静压成形两种。湿式等静压是最早采用，也是目前比较通用的一种等静压成形方式。等静压成形时，首先将配好的原料放入用塑料或橡胶做成的弹性模具内，真空密封后置于耐高压的钢质容器内，容器密封后使用高压泵将流体介质(气体或液体)压入，高压流体的静压力直接作用在模套内的粉末上，粉末体在同一时间内在各个方向上均衡受压而获得密度分布均匀和强度较高的产品坯体，释放压力取出模具，并从模具内取出成形好的坯体湿式等静压成形时模具直接和液体介质接触，对模具的密封性能要求高。这种方法可以在同一高压缸内成形不同形状的制品，适合于小批量、多品种、大型及复杂形状产品的生产。但工序复杂，工艺操作繁琐，不利于生产的自动化。根据粉料特性及产品的需要，容器内的压力可以调整，通常在35～300MPa，实际生产中常用100一-200MPa。与湿式等静压相比，干式等静压的弹性模具是半固定式的，不浸泡在液体介质中．成形时粉料装入橡皮模中．通讨上下活塞密封。压力泵将液体介质注入到高压缸和加压橡皮之间，通过液体和加压橡皮将压力传递到坯体上，使之受压成形。干式等静压在成形过程中操作人员不直接和液体介质接触，工序相对简单，便于自动化生产。但这种方法在加压时只有坯体周向受到压力，而上下活塞方向并不加压，因此，适合于较简单的薄壁、管状及长形制品的成形。为了提高坯体精度和压制坯料的均匀性，宜采用振动法加料。湿法成形是在陶瓷粉体中添加适量黏合剂、增塑剂、溶剂等，形成可以流动的原料，利用其流动性质来形成其特定形状的工艺过程。这类成形方法又分为可塑法成形和流态法成形两类。可塑法成形是利用泥料具有可塑性的特点，经过一定工艺制成一定形状制品的过程。在传统陶瓷生产中普遍采用可塑法成形得到具有回转中心的圆形产品。根据可塑法成形的原理，又发展了挤出成形、轧膜成形等多科成形方法。可塑成形为制备特定形状坯体提供了可能，但由于各种有机结合剂的存在，会影响坯体的成形密度，以及后续的干燥、烧结过程。流态法成形是指在陶瓷粉体中添加大量添加剂，形成具有流动性的料浆，利用其流动性质来形成特定形状的工艺过程。这类成形方法有注浆成形、流延成形、熟压注成形、注射成形、压滤成形、印刷成形及胶态成形等。此类成形方法含有较多有机高分子，随后的排胶、脱脂过程漫长而复杂，对材料致密度、结构及性能均有明显影响。塑化剂是指使坯料具有可塑性的物质。塑化剂可以分为无机塑化剂和有机塑化剂两类。特种陶瓷经常采用有机塑化剂。无机塑化剂主要指传统陶瓷中的黏土物质，其塑化机理主要是加水后形成带电的黏土一水系统，使其具有可塑性和悬浮性。有机塑化剂一般是水溶性的，是亲水的，同时又具有极性。特种陶瓷的成形过程一般包括粉体的制备、制品的成形和制品的烧结三道工序。一．粉体的制备陶瓷体在成形前以粉体形式存在．它是大量固体粒子的集合系。粉体的粒度与粒度分布、表面特性等性能对随后所制成陶瓷烧结体的性能具有极大的影响。获得陶瓷粉体的方法有以下几种：1．粉碎法它是将团块颗粒陶瓷用机械或气流粉碎而获得细粉。机械方法是将物料置于球磨机中小停地回转，靠球磨机中的磨球与物料相互撞击被粉碎成细颗粒状。气流法是将物料导人粉碎机内部并通过喷嘴通人压缩空气使物料粉碎，并且物料互相碰撞、摩擦而细化。2．合成法合成法是由离子、原子、分子通过反应、成核和成长、收集、后处理而获得微细颗粒。陔方法的特点是纯度、粒度可控．均匀性好．颗粒微细，并且可以实现颗粒在分子级水平上的复合、均化，合丘殳法有围卞H法、液相法和气相法三种．二．特种陶瓷的成形特种陶瓷的成形过程由配料、成形和烧结组成。1．配料(1)混合。将各种组分的粉料混合均匀．可在球磨机中进行。i2)塑化。普通陶瓷由于含有可塑性黏上成分，加入水就具有良好的成形性，特种陶瓷一般不含黏土原料．因此成形前须加入可塑性的化工原料。塑化就是利用塑化剂使原来无塑性的坯料具有可塑性的过程。常用的塑化剂有无机和有机两类。无机塑化剂(黏土)用于普通陶瓷；有机塑化剂用于特种陶瓷。有机塑化剂通常|由三种物质组成，即黏结剂(如聚乙烯醇等)、增塑剂（如甘油）、溶剂(水、酒精等)。(3)造粒。对特种陶瓷的粉料．一般希望越细越好．这样有利于高温烧结．可降低烧结温度。但在成形时，尤其对于干压成形来说，粉料的颗粒越细，流动性反而不好，不能充满模腔，易产生空洞。造粒就是在很细的粉料中加人一定的塑化剂，制成粒度较粗、流动性好的粒子(约20～80目)，造粒后有利下改善充模性．使充模密度提高。(4)物料的悬浮。当用注浆法成形制坯时，为了使浆料悬浮．利于注浆成形，常加入悬浮剂，如烷基苯磺酸钠。2．成形(1)注浆成形。注浆成形就是向粉料中加入一定量的水分制成流动性好的浆料．将制备好的浆料注入模具内，形成特定厚度的坯体后再倒出多余的浆料．待沣件干燥收缩后修坯脱模获取制件。该方法适用于制造大型的、形状复杂的、薄壁的陶瓷制品。，近年来．在传统注浆成形的基础上：．改良出压力注浆、真空注浆、离心注浆等新方法．对提高注件质量、减轻劳动强度、提高生产率起到了积极有效的作用。(2)模压成形。模压成形又称干压成形，它是将含有极少水分的粉状坯料加入少量结合剂进行造粒．然后将造粒后的粉料加入钢模中，在压力机上压制成致密生坯的成形方法。压制成形的过程简单，制品形状尺寸准确，便于实现机械化，是现代陶瓷的主要成形方法，但不适于制造大型坯体。(3)可塑成形，，它是采用手工或机械的方法对具有可塑性的坯料施加压力，使其发生塑性变形而制成生坯的方法。常用的可塑成形方法有挤压、滚压、旋压、雕塑及印坯等。挤压成形是将真空炼制的泥料．放入挤制机内，挤出各种形状坯体的成形方法。这种挤制机一头可以对泥料施加压力，另一头装有机嘴(即成形模具)，通过更换机嘴，能挤出各种形状的坯体。挤出的坯体，待晾干后，可以切割成所需长度的制品。挤压成