第3次课-特种陶瓷的成型方法

特种陶瓷材料及工艺授课教师：任帅材料科学与工程学院绪论第一章特种陶瓷生产工艺原理第二章结构陶瓷第三章功能陶瓷第四章特种玻璃第五章人工晶体第六章无机纤维第七章薄膜材料第八章生物陶瓷第九章新能源材料第十章环境材料第一章特种陶瓷工艺原理1.1特种陶瓷粉体的物理性能1.2特种陶瓷粉体的制备方法1.3特种陶瓷的成型方法1.4特种陶瓷的烧结1.2特种陶瓷粉体的制备方法粉体的制备方法一般分为有两大类：机械法：合成法：捣磨法，切磨法，涡旋磨法，球磨法，气体喷射粉碎法，高能球磨法固相法液相法气相法制备方法物理方法化学方法粉碎法构筑法干式粉碎湿式粉碎气体蒸发法真空沉积法溅射法活化氢熔融金属反应法加热蒸发法混合等离子体法喷雾法水解法沉淀法氧化还原法喷雾水解法喷雾焙烧法喷雾干燥法共沉淀法化合物沉淀法冻结干燥法激光合成法火花放电法1.2特种陶瓷粉体的制备方法化合反应分解反应氧化还原反应固溶反应出溶反应相变固相法液相法1、沉淀法①直接沉淀法；②均匀沉淀法；③共沉淀法；④醇盐水解法；⑤特殊沉淀法：a.溶胶-凝胶(Sol-gel)法；b.凝胶-沉淀法2、溶剂蒸发法①冷冻干燥法;②喷雾干燥法;③喷雾热分解法1、蒸发-凝聚法(PVD)；2、气相化学反应法(CVD)气相法1.2.2合成法2.液相法制备粉末1）沉淀法⑤溶胶-凝胶法：1.2特种陶瓷粉体的制备方法纳米氧化铝溶胶b.喷雾干燥法喷雾干燥装置的模型图1.2特种陶瓷粉体的制备方法1.2.2合成法3.气相法(gasphasemethod)制备粉末从气相析出的固相形态有以下几种：a.在固体表面上生长薄膜、晶须和晶粒，b.在气体中生长的微粒。1.2特种陶瓷粉体的制备方法对于单相：粒度，粒径分布，纯度对于多相：分布均匀性此外，成本、生产效率、后期采用的成型方法。粉体制备方法的选取：第一章特种陶瓷工艺原理1.1特种陶瓷粉体的物理性能1.2特种陶瓷粉体的制备方法1.3特种陶瓷的成型方法1.4特种陶瓷的烧结1.3特种陶瓷的成型方法花瓶-注浆成型1.3特种陶瓷的成型方法特种陶瓷的成形也沿用传统陶瓷成型的浇注法、可塑性法及压制成形法；但所采用的设备与具体技术有明显差异。陶瓷成型方法的选择，应当根据制品的性能要求、形状、尺寸、产量和经济效益等综合确定。1.3特种陶瓷的成型方法注浆成形主要采用热压铸法，此外，还常采用一些特殊的制备方法，如流延法等；塑性成形法则常采用挤压、注射、轧制(如轧膜)等方法；干压成形，最常用的压制成形方法，包括:单向模压、冷等静压及热等静压等。1.3特种陶瓷的成型方法坯料含水量30～40%成型方法冷法石膏模普通注浆强化注浆有模无模等静压成型法：使用橡皮膜，坯料含水量1.5～3%干压成型法：使用钢模，坯料含水量6～8%可塑成型法坯料含水量18～26%注浆成型法热法（热压铸法）：钢模1.3特种陶瓷的成型方法特种陶瓷在成形前，为了满足其成形要求，需对粉体进行一系列操作，具体工艺如下:配料计算配料制备混合塑化造粒成型前的原料处理1.3特种陶瓷的成型方法1.3.1配料计算混合料配方的计算的两种方法：1）根据已知的化学计量式的配料计算；(P39）Ca(Ti0.54Zr0.46)O3方法：通过化学分子式计算出各原料的质量百分组成2）根据坯料预定化学组成进行坯料计算。(P41)Al2O3,MgO,CaO,SiO293%1.3%1%4.7%1.3特种陶瓷的成型方法1.3.2成型前的原料处理过程目的：调整和改善其物理、化学性质，使之适应后续工序和产品性能的需要。包括：①原料煅烧②原料混合③塑化④造粒1.3特种陶瓷的成型方法1.3.2成型前的原料处理过程①原料煅烧作用：a、去除原料中易挥发的杂质——化学结合和物理吸附的水分、气体、有机物等，从而提高原料的纯度；b、使原料颗粒致密化及结晶长大，这样可以减小在以后烧结中的收缩，提高产品的合格率；c、完成同质异晶的晶型转变，形成稳定的结晶相，如β-Al2O3煅烧成α-Al2O3。1.3特种陶瓷的成型方法配料计算配料制备混合塑化造粒1.3特种陶瓷的成型方法1.3.2成型前的原料处理过程②原料混合混合可以在球磨机、V型混料机、锥形混料机、螺旋混料机以及其他形式的混料机中进行。其中，球磨机除混合外还可以附加以磨细功能甚至使被混物料之间产生“合金化”。1.3特种陶瓷的成型方法1.3特种陶瓷的成型方法1.3.2成型前的原料处理过程混料的两种基本形式：1）干混2）湿混混料时应注意的问题：1）加料的次序（用量多的两头加，用量少的中间加）2）加料的方法3）湿法混合时的分层（烘干后，再混合，然后过筛）4）设备专用1.3特种陶瓷的成型方法配料计算配料制备混合塑化造粒1.3特种陶瓷的成型方法1.3.2成型前的原料处理过程③塑化利用塑化剂使原来无塑性的坯料具有可塑性的过程。塑化剂：指使坯料具有可塑性能力的物质。1）无机塑化剂：粘土等（用于传统陶瓷）2）有机塑化剂：粘结剂（如聚乙烯醇）增塑剂（如甘油）溶剂（如水、无水乙醇）有机塑化剂1.3特种陶瓷的成型方法1.3.2成型前的原料处理过程塑化剂选用和加入的原则1）在保证坯料一定可塑性的条件下，尽可能减少塑化剂的用量。2）选用塑化剂时，需考虑塑化剂在烧结时排除的难易和排除温度等因素。3）成型方法、坯料性质、制品的性能要求，以及塑化剂的性能、价格及其对制品性能的影响；1.3特种陶瓷的成型方法配料计算配料制备混合塑化造粒1.3特种陶瓷的成型方法1.3.2成型前的原料处理过程④造粒造粒：在很细的粉料中加入一定塑化剂，制成粒度较粗，具有一定假颗粒度级配、流动性好的混合料。造粒方法一般造粒法加压造粒法喷雾造粒法冻结造粒法1.3特种陶瓷的成型方法1.3.3注浆成型注浆成型(Slipcasting)适用于制造大型的、形状复杂的、薄壁的产品。一种是石膏模注浆成型，另一种是热压铸成型。冷法坯料含水量30～40%石膏模普通注浆强化注浆注浆成型法热法（热压铸法）：钢模1.3特种陶瓷的成型方法1.3.3注浆成型1、石膏模注浆成型工艺一、石膏模注浆成型流动性好、稳定性好、触变性小、含水量少、细度合适、渗透性好、脱模性好、气泡少2、石膏模注浆成型方法1）普通注浆成型：空心注浆成型和实心注浆成型2）强化注浆成型：压力注浆、真空注浆、离心注浆等浆料性能1.3特种陶瓷的成型方法1.3.3注浆成型一、石膏模注浆成型2、石膏模注浆成型方法1）普通注浆成型：空心注浆成型和实心注浆成型空心注浆(单面注浆)1.3特种陶瓷的成型方法1.3.3注浆成型一、石膏模注浆成型2、石膏模注浆成型方法1）普通注浆成型：空心注浆成型和实心注浆成型实心注浆(双面注浆)1.3特种陶瓷的成型方法1.3.3注浆成型一、石膏模注浆成型2、石膏模注浆成型方法2）强化注浆成型：离心注浆、压力注浆、真空注浆等离心注浆1.3特种陶瓷的成型方法1.3.3注浆成型二、热压铸成型这种成型方法借鉴了金属压铸成型的工艺思路，利用石蜡的高温流变特性，对陶瓷石蜡流体进行压力下的铸造成形。成型工艺蜡浆制备高温排蜡热压铸机成型1.3特种陶瓷的成型方法1.3.3注浆成型二、热压铸成型1）石蜡料浆的制备（70～80℃）蜡浆粉料表面活性物质石蜡加热真空脱气具有良好的稳定性、可铸性；适合的收缩率1.3特种陶瓷的成型方法1.3特种陶瓷的成型方法1.3.3注浆成型二、热压铸成型2）热压铸的工作原理铸浆压力：0.3～0.5MPa蜡浆温度：65～75℃模具温度：15～30℃在压缩空气作用下充型，保压冷却，脱模。1.3特种陶瓷的成型方法1.3.3注浆成型二、热压铸成型3）高温排蜡吸附剂：煅烧Al2O3、煅烧MgO、SiO2等将坯体埋入疏松、惰性的保护粉料之中，升高温度，使石蜡挥发、燃烧完全，坯体发生部分烧结而具有一定强度的过程。一般排蜡温度为900~1100℃左右，在60～100℃有一定的恒温时间。1.3特种陶瓷的成型方法1.3.3注浆成型二、热压铸成型4）热压铸成型优缺点热压铸成型工艺适合形状复杂，精度要求高的中小型产品的生产。优点：设备简单，操作方便，劳动强度不大，生产效率高，模具磨损小，寿命长。缺点：其工序比较复杂，耗能大，工期长。1.3特种陶瓷的成型方法1.3.4可塑法成型可塑性成型(plasticmolding)是利用泥料具有可塑性的特点，经一定工艺处理浆料制成一定形状的制品。在传统陶瓷生产中，较为普遍采用成型具有回转中心的圆形产品。在特种陶瓷生产中也经常使用。有模无模可塑成型法坯料含水量18～26%1.3特种陶瓷的成型方法1.3.4可塑性成型一、挤压成型原理污染小，操作易于自动化，可连续生产，效率高；坯体收缩大，机嘴加工精度高。棒和管材的挤压成型优缺点将具有可塑性的泥料，通过挤机嘴成形。1.3特种陶瓷的成型方法1.3.4可塑性成型二、轧膜成型原理轧膜成型原理图将坯料拌以一定量的有机粘结剂和溶剂，通过粗轧和精轧成膜片后，经冲切工序制成所需的坯件。1.3特种陶瓷的成型方法1.3.4可塑性成型二、轧膜成型轧膜成型的工艺流程陶瓷粉料精轧增塑剂水混合，搅拌粗轧冲片优缺点适合生产1mm以下的薄片制品；工艺简单、生产效率高、膜片厚度均匀；制品横向收缩大，易出现变形和开裂。1.3特种陶瓷的成型方法1.3.5模压成型模压成型(stampingprocess)也叫干压成型。即将粉料加少量结合剂，先经造粒，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。适合压制高度为0.3-60mm，直径Ø5-500mm形状简单的制品。干压成型法：使用钢模，坯料含水量6～8%等静压成型法：使用橡皮膜，坯料含水量1.5～3%1.3特种陶瓷的成型方法1.3.5模压成型一、工艺原理为：在外力作用下，颗粒在模具内相互靠近，并借内摩擦力牢固地把各颗粒联系起来，保持一定形状。1.3特种陶瓷的成型方法1.3.5模压成型一、工艺原理为：随着压力增大，坯料将改变外形，相互滑动，间隙被填充减少，逐步加大接触，相互贴紧。由于颗粒之间进一步靠近，使胶体分子与颗粒之间的作用力加强，因而坯体具有一定的机械强度。如果坯料颗粒级配合适，结合剂使用正确，加压方式合理，干压法可以得到比较理想的坯体密度。1.3特种陶瓷的成型方法1.3.5模压成型一、工艺原理为：1.3特种陶瓷的成型方法1.3.5模压成型二、坯料性能要求颗粒大小及分布流动性容重压缩比结合性1.3特种陶瓷的成型方法1.3.5模压成型三、加压方式和压力分布加压方式和压力分布关系图(横条线为等密度线)a－单面加压；b－双面同时加压；c－双面先后加压；d－四面加压1.3特种陶瓷的成型方法1.3.6等静压成型利用液体介质的不可压缩性和均匀传递压力性，从各个方向进行加压，获得制品的成型方法。等静压成形热等静压成型（HIP）冷等静压成型（CIP）湿式冷等静压干式冷等静压1.3特种陶瓷的成型方法1.3.6等静压成型1）湿式等静压将预压好的坯料包封在弹性的橡胶或塑料模具内，然后置于高压容器施以高压液体(压力通常在100MPa以上)，成型坯体。特点：模具处于高压液体中，各方受压，所以叫做湿式等静压。其主要适用于成型多品种、形状复杂、产量小和大型的制品。1.3特种陶瓷的成型方法1.3.6等静压成型2）干式等静压干式等静压其模具并不都是处于液体之中，而是半固定式的，坯料的添加和坯件的取出，都是在干燥状态下操作。干式等静压更适合于生产形状简单的长形、壁薄、管状制品，如果稍作改进，就能运用于连续自动化生产。干式等静压1.3特种陶瓷的成型方法1.3.7带式成型法对于要求表面光洁、超薄型(厚度1mm以下)的制品，常采用带式成型法。带式成型法可分为流延法和薄片挤压法两种。前者成型用的坯料为料浆状，后者为泥团状。1.3特种陶瓷的成型方法1.3.7带式成型法流延法1、工艺过程1.3特种陶瓷的成型方法1.3.7带式成型法流延法2、料浆要求坯料的粒度要细、粒形圆润要求合适的颗粒级配料浆不能有气泡优点：生产光洁度好的超薄型制品，成型设备不复杂，工艺稳定，可实现生产自动化，生产效率高。缺点：收缩率高达20%3、优缺点1.3