第三章陶瓷材料.ppt

第八章 陶瓷材料,需要掌握的知识点 了解陶瓷材料的定义、制备工艺 了解陶瓷材料的组织特构及作用 了解陶瓷材料的性能特点 了解陶瓷材料的分类及应用,陶瓷材料的定义及制备工艺 定义：陶瓷是无机高分子材料，用天然的或人工合成粉状化合物通过成型、高温烧结而制成的多晶固体材料。 陶瓷材料的制备工艺 制粉 压坯 烧结 成品,二 陶瓷材料的组织结构 1 晶相：主要组成相，由离子键或共价键结合而成，决定陶瓷的性能：高熔点、高耐热性、高化学稳定性、高绝缘性、高脆性。,2 玻璃相：非晶态固体，将晶相粘结在一起，降低烧结温度，抑制晶相晶粒长大和填充气孔。,3 气相：气孔（510）。 对性能的不利影响：增加脆性、降低强度、电击穿强度降低，绝缘性能降低。 对性能的有利影响：提高吸振性，使陶瓷密度减小,三、 陶瓷的性能 1、力学性能： 硬度极高： （ 1500HV） 高弹性模量; 高脆性； 高的抗压强度； 低的抗拉强度： 低的塑性、韧性； 抗热振性能较低。,2、物理化学性能 高熔点 （ Tm 2000°C） (高温强度、高温蠕变抗力) 低的热膨胀系数、热导率，良好的绝缘性。 特殊的光、电、磁性能：如压电性能、激光性能等 结构稳定，化学稳定高。,四、陶瓷的分类及应用 （按用途分 ）,普通陶瓷： 由粘土、长石、石英为原料配制，烧结而成。 组织：主晶相 莫来石2530% ， 次晶相 SiO2 ； 玻璃相 3560% 气相 13%,性能特点：质地坚硬，不氧化、不生锈、耐高温； 成型性好，成本低。强度低，绝缘性、耐高温性不如其它陶瓷。 应用： 生活中常用的各类陶瓷制品；电瓷绝缘子，耐酸、碱的容器和反应塔管道，纺织机械中的导纱零件。,2、特种陶瓷 （1）氧化铝陶瓷 组织：AL2O3 主晶相，还有少量SiO2； 性能：硬度高； 耐高温（抗氧化性能，高的蠕变抗力）； 耐腐蚀，绝缘性好； 脆性大，抗热振性差； 缺点,应用：内燃机火花塞；火箭导弹的导流罩； 用于制造耐磨零件，如轴承，纺织机上的导纱器等； 用于冶炼金属的坩埚；合成纤维喷嘴，和各种切削刀具等,（2）氮化硅陶瓷 主要成分：Si3N4 制备有两种方法：热压烧结；反应烧结 性能特点：硬度高，摩擦系数小，极优异的耐磨材料。蠕变抗力高，热膨胀系数小，抗热振性能最好。化学稳定性好(除氢氟酸外)，优异的绝缘性能。,应用：用于耐磨、耐高温、耐腐蚀、且形状复杂、尺寸精度高的陶瓷制品，如高温轴承、燃气轮机转子叶片。热电偶套管、石油化工泵的密封环（动密封） ；切削刀具。,（3）碳化硅陶瓷： 主要成分：SiC. 制备：反应烧结；热压烧结； 性能特点：高温强度高，导热性好。耐放射元素辐射； 热稳定性、抗蠕变、耐腐蚀性能好； 应用：高温结构材料； 火箭尾喷管的喷嘴；高温轴承； 热交换器，核燃料包封材料。,（4）氮化硼陶瓷： 主要成分：BN； 晶体结构为六方结构，与石墨相似，称“白石墨”。 性能特点：耐热性、导热性好；热稳定好，抗热振性好；核反应堆中吸收热中子的控制棒,3、金属陶瓷 （1）成分：金属氧化物或碳化物 +添加适量的金属粉末 （AL2O3 ，ZrO2 ,TiC, WC 等+ Co,Ni,Cr,Fe,Mo,等） （2）制备：粉末冶金(过程：制粉 压制成型烧结后处理等),（3）金属陶瓷硬质合金（金属陶瓷的一种）： WC（TiC,TaC） + Co,Ni，Mo; 基体 粘结剂,(4) 性能特点： 高的硬度、高的热硬性、高的耐磨性（由于高速刚）； 抗压强度高，抗弯强度低，弹性模量高。 耐蚀性好，热膨胀系数比钢低； 缺点：脆性大，导热性好，不能用于切削的方法加工,（5）分类，编号，应用： 钨、钴类：YG3，YG6 ，YG8 . 成分：WC + Co （数字为Co的含量 应用：制造的刀具可以切削脆性材料，如铸铁、一些有色金属和胶木等,钨、钴、钛类： YT5 ，YT15 ，YT30 . 成分：WC + Ti + Co 应用：制造的刀具可以切削韧性材料，如钢等。,万能硬质合金：YW1 ，YW2 . 成分： WC + TiC + TaC + Co 制造的刀具既可切削脆性材料，又可切削韧性材料，加工效果好。,第七章 粉末冶金与陶瓷材料的成型工艺 粉末冶金（Powder Metallurgy）与陶瓷(Ceramic)的主要制备工艺过程包括粉末制备、成型和烧结。其生产工艺过程可简单地表示为：粉末制备坯料制备成型干燥烧结后处理热压或热等静压烧结成品 本章将讨论粉末冶金与陶瓷的成型原理、粉体制备技术、粉末冶金的成型工艺和陶瓷材料的成型工艺，最后介绍快速成型工艺。,第一节 粉体成型原理 一、 粉料的基本物理性能 1.粒度(Particle Size)和粒度分布(Particle Size Distribution) 粒度是指粉料的颗粒大小，通常以颗粒半径r或直径d表示。粒度分布是指多分散体系中各种不同大小颗粒所占的百分比。,2. 颗粒的形态与拱桥效应 人们一般用针状、多面体状、柱状、球状等来描述颗粒的形态。 粉料自由堆积的空隙率往往比理论计算值大得多，就是因为实际粉料不是球形，加上表面粗糙图表，以及附着和凝聚的作用，结果颗粒互相交错咬合，形成拱桥型空间，增大了空隙率。这种现象称为拱桥效应（见图7-1）。,3. 粉体的表面特性 （1）粉体颗粒的表面能(surface energy)和表面状态 粉体颗粒表面的“过剩能量”称为粉体颗粒的表面能。 表7-1是当粒径发生变化时，一般物质颗粒其原子数与表面原子数之间的比例变化。 （2）粉体颗粒的吸附与凝聚(Coagulation) 一个颗粒依附于其它物体表面上的现象称之为附着。而凝聚则是指颗粒间在各种引力作用下的团聚。,4. 粉料的堆积（填充）特性(Packing Property) 单一颗粒（即纯粗颗粒或细颗粒）堆积时的空隙率约40%。若用二种粒度（如平均粒径比为10:1）配合则其堆积密度增大；而采用三级粒度的颗粒配合则可得到更大的堆积密度。 5. 粉料的流动性(Flowing Property) 粉料虽然由固体小颗粒组成，但由于其分散度较高，具有一定的流动性。当堆积到一定高度后，粉料会向四周流动，始终保持为圆锥体（图7-2），其自然安息角（偏角）保持不变。,二、 压制成型原理 压制成型是基于较大的压力，将粉状坯料在模型中压成块状坯体的。 1. 压制成型过程中坯体的变化 （1）密度的变化 （2）强度的变化 （3）坯体中压力的分布 图7-3为单面加压是坯体内部压力分布情况。,2. 影响坯体密度(Density)的因素 （1）成型压力 压制过程中，施加于粉料上的压力主要消耗在以下二方面： 1）克服粉料的阻力P1，称为净压力。 2）克服粉料颗粒对模壁摩擦所消耗的力P2，称为消耗压力。 压制过程中的总压力P=P1+P2，即成型压力。 （2）加压方式 图7-4为加压方式和压力分布关系图。 （3）加压速度 （4）添加剂的选用,3. 对压制用粉料的工艺性能要求 由于压制成型时粉料颗粒必须能充满模型的各个角落，因此要求粉料具有良好的流动性。为了得到较高的素坯密度，粉料中包含的气体越少越好，粉料的堆积密度越高越好。,三、 可塑泥团的成型原理 1.可塑泥团的流变特性(Rheological Behavior) 图75为粘土泥团的应力应变曲线。 图76表示了粘土的含水量与其应力应变曲线的关系。,第一节 粉体成型原理,2. 影响泥团可塑性的因素 （1）固相颗粒大小和形状 一般地说，泥团中固相颗粒愈粗，呈现最大塑性时所需的水分愈少，最大可塑性愈低；颗粒愈细则比表面愈大，每个颗粒表面形成水膜所需的水分愈多，由细颗粒堆积而成的毛细管半径越小，产生的毛细管力越大，可塑性也高。不同形状颗粒的比表面是不同的，因而对可塑性的影响也有差异。 （2）液相的数量和性质 水分是泥团出现可塑性的必要条件。泥团中水分适当时才能呈现最大的可塑性，如图7-7所示。,3. 对可塑坯料的工艺性能要求 可塑性好，含水量适当，干燥强度高，收缩率小，颗粒细度适当，空气含量低。,第一节 粉体成型原理,四、 泥浆/粉浆的成型原理 1. 泥浆的流变特性 （1）泥浆的流动曲线 图7-8为一些陶瓷原料泥浆的流动曲线。 （2）影响泥浆流变性能的因素 1）泥浆的浓度 图7-9为不同浓度的可塑泥浆的流动曲线。 2）固相的颗粒大小 一定浓度的泥浆中，固相颗粒越细、颗粒间平均距离越小，吸引力增大，位移时所需克服的阻力增大，流动性减少。,3）电解质的作用 向泥浆中加入电解质是改善其流动性和稳定性的有效方法。 4）泥浆的pH值 pH值影响其解离程度，又会引起胶粒-电位发生变化，导致改变胶粒表面的吸力与斥力的平衡，最终使这类氧化物胶溶或絮凝。,2.注浆成型对泥浆的工艺性能的要求 制备出的泥浆应能够满足下列基本要求：流动性好，稳定性好，适当的触变性，含水量少，滤过性好，坯体强度高，脱模容易，不含气泡。,第一节 粉体成型原理,第二节 粉体制备技术 一、粉碎(Porphyrization)与机械合金化(Mechanical Alloying)方法 粉碎的过程是由机械能转变为粉料表面能的能量转化过程。机械粉碎法因其设备定型化，产量大，容易操作等特点，被广泛地应用于粉末生产中。 在相同的工艺条件下，添加少量的助磨剂往往可使粉碎效率成倍地提高（图7-10）。,第二节 粉体制备技术,二、 合成法(Synthetic) 1. 原料合成的目的和作用 2. 合成方法 （1）金属粉末的合成方法 1）还原法(Reduction Method) 还原法的基本原理就是所使用的还原剂对氧的亲和力比相应金属对氧的亲和力大，因而能够夺取金属氧化物中的氧而使金属被还原出来。 2）雾化法(Atomization Method) 雾化法生产金属和合金粉末就是利用高压气体（空气、惰性气体）或高压液体（通常是水）通过喷嘴作用于金属液流使其迅速地碎化成粉末。 3）电解法(Electrolysis Method) 电解法既可以在水溶液中进行，也可以在熔盐状态下进行。,（2）化合物粉末的合成方法 1）固相法(Solid Reaction Process) 固相法就是以固态物质为初始原料来制备粉末的方法。 化合反应法 热分解反应法 氧化物还原法 2）液相法制备粉末 液相法分为溶液法和熔液法两大类。 溶液法 生成沉淀法(Precipitation Method) a. 直接沉淀法 b. 均匀沉淀法 c. 共沉淀法,溶剂蒸发法(Solvent Vaporization Process) 冰冻干燥法 喷雾干燥法 喷雾热分解法 熔液法 等离子体喷射法 典型的等离子喷管如图7-11所示 激光法 图7-12为激光法制超微粉工艺原理图。 3）气相法制备粉末 蒸发凝聚法 气相化学反应法,第二节 粉体制备技术,第三节 粉末冶金（Powder Metallurgy）的成型工艺 一、 压制成型 1. 物料准备 （1）粉末的分级 （2）配料混合 圆锥形混料器如图7-13所示。 （3）混合料湿磨,第三节 粉末冶金的成型工艺术,2. 压制工艺 （1）称料 称料量通常称为压坯的单重（允许一定的误差）。压坯的单重可按以下公式计算： Q = V × d × K 式中：Q-单件压坯的称料量（单重），kg； V-制品的体积（由制品图算出），m3； d-制品要求密度，kg/m3； K-重量损失系数。 称料方法有两种：（1）重量法；（2）容量法。 （2）装料 将所称量的粉末装入模具中时，要求粉末在模腔内分布均匀、平整，以保证压坯各部分压缩比一致。,（3）压制 压制通常在液压机或机械压力机上进行。压制的总压力按下式计算： P = p × S 式中：P-总压力，kg； p-单位压制压力，kg/m3； S-与压力方向垂直的压坯受压面积，m2。 （4）脱模 压力去掉以后，压坯要从压模内脱出，从整体压模中脱出的方法有两种，即将压坯向上顶出或向下推出。,二、 粉浆浇注成型 粉浆的制备 2.模具材料 浇注用的模具是用石膏做成的。 3. 浇注方法 可以用手工浇注，即所谓倾倒浇注法。也可以用压缩空气浇注，即用压缩气体将粉浆压入模具内。,第三节 粉末冶金的成型工艺术,三、 楔形压制 楔形压制又称循环压制。其方法是用一只楔形的上模冲，将粉末分段压制而成制品。如图7-14所示。这种方法可以用一组楔形压制循环示意图表示。,第三节 粉末冶金的成型工艺术,第四节 陶瓷材料的成型工艺 一、 普通日用陶瓷的成型工艺 1. 注浆成型 （1）基本注浆方法 基本注浆法可分为空心注浆(Slush Casting)（单面注浆）和实心注浆（solid casting-或叫双面注浆）两种。 图715为空心注浆示意图。 图716为实心注浆示意图。,第四节 陶瓷材料的成型工艺,（2）强化注浆方法 强化注浆方法是在注浆过程中人为地施加外力，加速注浆过程的进行，使得吸浆速度和坯体强度得到明显改善的方法。 根据所加外力的形式，强化注浆可以分为真空注浆、离心注浆和压力注浆等。 1）真空注浆（Suction Casting） 2）离心注浆（Centrifugal Casting） 3）压力注浆（Pressure Casting）,第四节 陶瓷材料的成型工艺,2. 可塑成型 可塑成型是对具有一定可塑变形能力的泥料进行加工成型的方法。 （1）滚压成型（Roller Forming） 成型时，盛放着泥料的石膏模型和滚压头分别绕自己的轴线以一定的速度同方向旋转。滚压头在转动的同时，逐渐靠近石膏模型，并对泥料进行滚压成型（图7-17）。 （2）塑压成型（Plastic Pressing） 它是将可塑泥料放在模型内在常温下压制成坯的方法。 塑压成型的成型步骤如下（图7-18）。 3. 压制成型 粉料含水量为3-7%时为干压成型；粉料含水量为8-15%时为半干压成型。,二、 高技术陶瓷的成型工艺 1. 注浆成型法 （1）注浆成型 （2）热压铸成型（Hot Injection Moulding） 热压铸成型法是利用石蜡的热流性特点，与坯料配合，使用金属模具在压力下进行成型的，冷凝后坯体能保持其形状。它的成型过程如下： 1）蜡浆料的制备 此工序的目的是为了将准备好的坯料加入到以石蜡为主的粘结剂中制成蜡板以备成型用。 2）热压铸 图7-19为热压铸机的结构示意图。 3）高温排蜡 （3）流延成型（Doctor-Blade Casting Process） 又叫带式浇注法、刮刀法。如图7-20所示。,2. 可塑成型法 （1）挤压成型（Extruding） 挤压成型一般是将真空练制的泥料，放入挤制机内，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型模具，通过更换机嘴，能挤出各种形状的坯体。如图7-21所示。 （2）轧膜成型（Roll Forming） 这是新发展起来的一种可塑成型方法，适宜生产1mm以下的薄片状制品，如图7-22所示。,3. 模压成型 （1）压制成型 （2）等静压成型（Isostatic Pressing） 等静压成型如图7-23所示。 等静压成型方法有冷等静压和热等静压两种类型。 冷等静压又分为湿式等静压和干式等静压。 1）湿式等静压 如图7-24所示。 2）干式等静压 如图7-25所示。,第五节 烧结（Sintering） 一、 烧结工艺 1.烧结温度与保温时间（Soaking Time）的确定 烧结温度(TS)和熔融温度(TM)的关系有一定规律：金属粉末：TS(0.3-0.4)TM，盐类： TS0.57TM ，硅酸盐： TS(0.8-0.9)TM 。 烧结保温时间与烧结温度有关。通常，烧结温度较高时，保温时间较短；相反，烧结温度较低时，保温时间要长。 2.烧结气氛的选择 3.升温和降温（冷却）速度的确定 升温和降温时间由制品尺寸和性能要求而定。,二、 烧结方法 表7-2列出各种先进或特殊的烧结方法以及它们的优缺点和适用范围。,第五节 烧结（Sintering）,第六节 陶瓷与粉末快速 成型工艺 一、快速成形原理 快速成形技术（RPT-Rapid Prototyping Technique）的本质是采用积分法制造三维实体，在成形过程中，先用三维造型软件在计算机中生成部件的三维实体模型，然后用分层软件对其进行分层处理，即将三维模型分成一系列的层，将每一层信息传递到成型机，通过材料的逐层添加得到三维实体模型。快速成形的原理框图见图7-26)。,二、快速原型技术的发展现状 三、快速成形技术的加工特点 与传统的切削加工方法相比，快速原型加工具有以下优点： (1)可迅速制造出自由曲面和更为复杂形态的零件，如零件中的凹槽、凸肩和空心部分等，大大降低了新产品的开发成本和开发周期。 (2)不需要机床切削加工所必需的刀具和夹具，无刀具磨损和切削力影响。 (3)无振动、噪声和切削废料。 (4)可实现夜间完全自动化生产。 (5)加工效率高，能快速制作出产品实体模型及模具。,四、粉体的分层实体制造技术 分层实体制造(LOM)的工艺原理图见图7-27。 五、选择性激光烧结工艺 SLS工艺原理见图7-28。 六、三维打印法 三维打印法(3DP),也叫喷墨打印法(Ink Jet Methods),由美国麻省理工学院率先研制成功, 其工作原理如图7-29所示。,本章学习指南 本章的主要内容包括：粉体的三种成型原理，粉末冶金的成型工艺，普通陶瓷的成型工艺，高技术陶瓷的成型工艺。读者应通过对粉体成型基本理论的学习和对粉体制备技术的了解，着重掌握粉末冶金成型工艺和陶瓷材料的成型工艺。成型理论是基础，工艺方法是关键，只有在充分理解成型理论的基础上，才能更好地掌握各种成型方法。 本章所述成型工艺所使用的原料为细小的粉体，其颗粒大小一般在100m以下；成型得到的坯件还需要经过进一步的烧结才能得到成品。当然，它也是一种制备块体材料的有效方法，与其它制备方法互为补充。其中的一些方法与第九章某些部分相似，可相互参照。,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,a),b),c),图7-16 实心注浆法示意图,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,3.3 陶瓷的加工及改性,第一节 陶瓷的机械加工方法,陶瓷加工的特点： 陶瓷都有尺寸和表面精度要求，但由于烧结收缩率大，无法保证烧结后瓷体尺寸的精确度，因此烧结后需要再加工,陶瓷材料有高硬度、高强度、脆性大的特性，属于难加工材料,陶瓷材料的加工方法,6.1.1 陶瓷的切削加工（cutting） 一、陶瓷材料的切削加工特点 （1）陶瓷材料具有很高的硬度、耐磨性，对于一般工程陶 瓷的切削，只有超硬 刀具材料才能够胜任 （2）陶瓷材料是典型的硬脆材料 （3）陶瓷材料的切削特性由于材料种类、制备工艺 不同而有很大差别,二、陶瓷材料的切削加工,（1）选择切削性能优良的新型切削刀具,（2）选择合适的刀具几何参数,（3）切削用量的选择,（4）设计的专用夹具、缓冲震动、施冷却润滑,6.1.2 陶瓷的机械磨削加工 一、磨削加工机理（grinding）,陶瓷材料和金属材料的磨削机理, 材料脆性剥离是通过空隙和裂纹的形成或延展、剥落及碎裂等方式来完成的 在晶粒去除过程中，材料是以整个晶粒从工件表面上脱落的方式被去除的。 陶瓷和金属的磨削过程模型如右图。金属材料依靠剪切作用产生带状或接近带状的切屑，而磨削陶瓷时，材料内部先产生裂纹，随着应力的增加，间断裂纹的逐渐增大，连接，从而形成局部剥落。,二、磨削加工设备, 砂轮（grinding wheel）和磨料（abrasives）的选择 磨削工艺及条件的选择 a砂轮磨削速度 b工件给进速度（feeding speed） c冷却液的选择（cooling media） d 磨削深度ap（rubbing depth） e磨削方式（rubbing way）、方向及机床刚性 （machine rigidity）,6.1.3 陶瓷的研磨、抛光加工 一、陶瓷的研磨（grinding） 研磨加工是利用涂敷或压嵌游离磨粒与研磨剂的混合物在一定刚性的软质研具上，研具与工件向磨粒施加一定压力，磨粒作滚动与滑动，从被研磨工件上去除极薄的余量，以提高工件的精度和降低表面粗糙度的加工方法，研磨加工示意图如下图。,研磨加工示意图,研磨过程材料剥离的机理主要是以滚碾破碎为主。磨粒越粗，材料剥离率越大， 研磨效率越高，但表面粗糙度增大；磨粒硬度越高，研磨效率越高，但却容易使球面出现机械损伤，导致表面粗糙度相对较低。,研磨工程陶瓷用的磨料一般采用B4C和金刚石粉，磨料粒度范围为250600目，冷却液可选用煤油或机油。但对于较大尺寸的制品，不适合采用端面研磨机加工，通常采用研磨砂布进行加工。,二、陶瓷的抛光（polishing）,抛光是使用微细磨粒弹塑性的抛光机对工件表面进行摩擦使工件表面产生塑性流动，生成细微的切屑，材料的剥离基本上是在弹性的范围内进行。 抛光的方法：一般的抛光使用软质、富于弹性或粘弹性的材料和微粉磨料。 抛光加工的用途：它是制备许多精密零件如硅芯片、集成电路基板、精密机电零件等的重要工艺。 抛光时在加工面上产生的凹凸，或加工变质层极薄，所以尺寸形状精度和表面粗糙度比研磨高。,第二节 陶瓷的特种加工技术 6.2.1 电火花加工 电火花加工的原理是基于工件和工具（正、负电极）之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来蚀除（corrosion removing）多余的金属，以达到对零件的尺寸、形状以及表面质量预定的加工要求。下图为放电加工示意图,放电间隙示意图,电火花加工必须具备以下几个条件：,（1）放电必须是瞬时的脉冲性放电。 （2）火花放电必须在有较高绝缘强度的介质中进行。 （3）要有足够的放电强度，以实现金属局部的熔化和气化。 （4）工具电极与工件被加工表面之间要始终保持一定的放电间隙,绝缘陶瓷的电火花放电加工原理示意图和高速电火花穿孔机原理示意图如下图所示,电火花加工示意图,高速电火花穿孔机原理示意图,6.2.2 电子束加工 电子束加工（electron beam machining）是在真空的条件下，利用聚焦后能量密度极高（106109W/cm2）的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小的面积上，在极短的时间（几分之一微秒）内，其能量的大部分转变为热能，使被冲击的大部分的工件材料达到数千度以上的高温，从而引起材料的局部融化或气化。下图为电子束加工工作原理示意图。,电子束加工工作原理示意图,工件变形小、效率高、清洁 制电子束能量密度的大小与能量注入时间，达到热处理，焊接，打孔，切割等加工目的 光刻加工,特点：, 原理：激光加工是利用能量密度极高的激光束照射到被加工陶瓷工件表面上，工件局部表面吸收激光能量，使自身温度上升，从而能够改变工件表面的结构和性能，甚至造成不可逆的破坏。 材料在高温、熔融、汽化和冲击波的作用下被蚀除，从而进行打孔、画线、切割以及表面处理等加工。 特点： （1）加工速度快、无噪声，能实现各种复杂面型的高精度的加工目的。 （2）可以进行微区加工，也可以进行选择性加工 （3）因此其热影响区很小 （4）大气中进行，便于大工件加工 （5）数控机床机器人连接起来构成各种加工系统。 （6）难保证重复精度和表面粗糙度；设备复杂昂贵，加工成本高。,激光加工原理示意图,6.2.3 激光加工（laser machining）,超声波磨削加工是利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液加工硬脆材料的一种加工方法。加工原理如图所示。,超声波加工机理,6.2.4 超声波加工（ultrasonic machining）,特点：,（1）适合加工各种硬脆材料，特别是不 导电的非金属材料,（2）加工设备结果简单，操作、维修方便,（3）可以得到高质量的表面，而且可以加工薄壁、窄缝零件,第三节 施釉 陶瓷的施釉是指通过高温的方式，在陶瓷体表面上附着一层玻璃态层物质。施釉的目的在于改善坯体的表面物理性能和化学性能，同时增加产品的美感，提高产品的使用性能。,6.3.1釉的作用与分类 一、釉的作用 （1）釉能够提高瓷体的表面光洁度。 （2）釉可提高瓷件的力学性能和热学性能。 （3）提高瓷件的电性能，如压电、介电和绝缘性能。 （4）改善瓷体的化学性能。 （5）使瓷件与金属之间形成牢固的结合。 （6）釉可以增加瓷器的美感，艺术釉还能够增加陶瓷制品的艺术附加 值，提高其艺术欣赏价值。,二、釉的分类 （1）按釉中主要助熔物划分： 如铅釉、石灰釉、长石釉等。 （2）按釉的制备方法划分： 生料釉：即指釉料配方组成中未使用熟料熔块的釉。 熔块釉：即指由熔块与一些生料按配比制作而成的釉料。 （3）按照釉的烧成温度划分： 易熔釉或低温釉：指熔融温度一般不超过1150的釉 中熔釉或中温釉：指熔融温度一般在11501300的釉 难熔釉或高温釉：指熔融温度一般达1130的釉 （4）按釉烧成后外观特征和具有的特殊功能划分： 透明釉、乳浊釉、画釉、结晶釉、纹理釉、无光釉、腊光釉、 荧光釉、香味釉、金属光泽釉、彩虹釉、抗菌釉、自洁釉等。 （5）按釉的用途划分： 装饰釉、电瓷釉、化学瓷釉、面釉、底釉、钧釉等。,6.3.2 釉的特点和性质,一、釉的熔融性能 （1）釉的熔融温度范围 定义：我们把釉随着温度的升高，从开始出现液相的始熔温度到完全成为液相的流淌温度之间的温度区域范围称为釉的熔融温度范围。 釉的始熔温度和流淌温度的测定： 釉的熔融性质通常用高温显微镜测定。首先，将待测釉料制作成高度和直径均为3mm的圆柱体，并置于高温电炉中加热升温，升温速度为810/mm，对釉料受热变化的行为照相记录，如下图。,釉料受热变化的行为,二、釉的高温粘度（viscosity） （1）釉的高温粘度对釉面质量的影响：如果粘度过小，引起堆釉、流釉或干釉等缺陷并易使装饰纹样模糊或消失；如果粘度过大，会使釉面出现桔釉或光泽度差等缺陷。 （2）影响釉高温粘度的主要因素：配方中助熔剂种类及含量；烧成温度 （3）釉的高温粘度测定：首先用5g釉粉加工成圆球或小圆柱体，然后将该釉粉试样置于以45度角放置的瓷质粘度测定板的圆槽中，试样在高温炉中升温至成熟温度，然后冷却并取出试样测定其在流动槽中的流动长度L，它即代表着釉的粘度大小。,三、釉的膨胀系数及坯釉膨胀系数的适应性 （1）坯釉膨胀系数互不适应时的两种表现： 当釉坯时：冷却时釉层会受到坯体所给予的拉伸应力作用，即在釉层中产生张应力。当此张应力超过釉层的抗张应力极限时，釉层被拉断形成釉裂。 当釉坯时：冷却时坯层收缩大于釉层，使釉层受到压应力作用，当此压应力超过一定极限时即发生釉层的剥落现象，即剥釉。 （2）膨胀系数的选择确定：对于有釉面的陶瓷制品，一般希望釉的膨胀系数比坯体的略小（两者差值为1.0×10-6/左右较佳）。,四、釉的力学性能 （1）釉层的强度：釉面机械强度与釉、坯之间的应力分布有很大关系。 （2）釉的弹性： 釉的弹性对釉面质量的影响：如果釉的弹性很小，有裂纹产生； 釉的弹性大可以缓解机械外应力的破坏作用。 釉的组成对弹性的影响：配方中引入离子半径较大、电荷较低的 金属氧化物（如Na2O、K2O等）可使弹性模量减少，而弹性值 增大；反之，引入离子半径小、极化能力强的金属化合物（BeO、 MgO、Li2O等）则使弹性提高釉的弹性模量，使釉的弹性减小。 （3）釉面硬度： 影响釉硬度的因素：釉的组成，在釉层中适当增加Al2O3、B2O3、 ZrO2、CaO、ZnO、MgO的含量有利于增加釉的硬度；K2O、 Na2O的增加会降低其硬度；适当提高烧成温度，可使其硬度得到 提高。,五、釉面光泽度 定义：光泽度是表示釉面对入射光作镜面反射的能力。 影响因素： 釉面光泽度与釉面的折射率、烧成制度有关。反射率R提高，则光泽度越大； 在釉中增加高折射率的金属氧化物，如PbO、ZnO有利于使折射率增大，同时可以提高釉面的密度，从另一方面来提高釉面的光泽度。,6.3.3 施釉工艺,一、基本施釉方法 （1）浸釉法：即将产品用手工全部浸入釉料中，使之附着一层釉浆 （2）喷釉法：喷釉法是利用压缩空气将釉浆喷成雾状，使粘附于坯体上 （3）浇釉法：将釉浆浇到坯体上以形成釉层 （4）刷釉法：用于在同一坯体上施几种不同釉料,二、新型施釉方法 （1）流化床法 ：利用压缩空气设法使加有少量有机树脂的干釉粉在流化床内悬浮而呈现流化状态，然后将预热到100200 坯体浸入到流化床中，与釉粉保持一段时间的接触 （2）热喷施釉法 ：先进行坯料的素烧，后在炽热状态的素烧坯体上进行喷釉 （3）干压施釉法 ：压施釉法是将成型、上釉一次完成的一种方法。釉料和坯体均通过喷雾干燥来制备。成型时，先将坯料装入模具加压一次，然后撒上少许有机结合剂，再撒上釉粉，然后加压。 （4）机器人施釉,6.3.5 烧釉,（1）制定烧成制度的依据： 以坯釉的化学组成及其在烧成过程中的物理化学变化为依据。 以坯件的种类、大小、形状和薄厚为依据。 以窑炉的结构、种类、燃料种类以及装窑疏密等为依据。 以相似产品的成功烧成经验为依据。,（2）温度制度及其控制： 温度制度包括：升温速率、烧成温度（止火温度）、保温时间和冷却 速度等。,（3）气氛制度及其控制： 气氛类型 烧成气氛的选择依据,第四节 陶瓷表面金属化,6.4.1 陶瓷表面金属化的用途 一、制造电子元器件 二、用于电磁屏蔽 三、应用于装饰方面生产美术陶瓷,6.4.2 陶瓷表面金属化的方法 陶瓷的金属化方法很多，在电容器，滤波器及印刷电路等技术中，常采用被银法。此外还有采用化学镀镍法、烧结金属粉末法、活性金属法、真空气相沉积和溅射法等。,一、被银法,被银法又名烧渗银法。这种方法是在陶瓷的表面烧渗一层金属银，作为电容器，滤波器的电极或集成电路基片的导电网络,（1）瓷件的预处理：瓷件金属化之前必须预先进行净化处理。清洗的方法很多，通常可用7080的热肥皂水浸洗，再用清水冲洗 。,（2）银浆的配置：银浆的配方主要是由含银的原料，熔剂及粘合剂组成。,（3）银电极浆料的制备：将制备好的含银原料，熔剂和粘合剂按一定配比进行配料后，在刚玉或玛瑙磨罐中球磨4090h，使粉体粒度5m并混合均匀。,（4）涂敷工艺：有手工，机械，浸涂，喷涂或丝网印刷等,（5）烧银：烧银的目的是在高温作用下使瓷件表面上形成连续、致密、附着牢固、导电性良好的银层,二、化学镀镍法,优点： （1）镀层厚度均匀，能使瓷件表面形成厚度基本一致的镀层。 （2）沉积层具有独特的化学、物理和机械性能，如抗腐蚀、表面光洁、硬度高、耐磨良好等。 （3）投资少，简便易行，化学镀不需要电源，施镀时只需直接把镀件浸入镀液即可。,化学镀的工艺流程为： 陶瓷片水洗除油水洗粗化水洗敏化水洗活化水洗化学镀水洗热处理。,三、真空溅射镀膜（vacuum sputtering coating）,它是在功能陶瓷表面形成导电层的方法，如镀铝，金等，具有镀膜质量较高，简便实用等优点。该方法配合光刻技术可以形成复杂的电极图案，也可形成合金和难熔金属的导电层以及各种氧化物，钛酸钡等化合物薄膜。真空蒸发镀膜原理如下图所示,真空蒸发镀膜示意图,常用的有电阻加热法和电子束加热法。 （1）电阻加热法是用高熔点金属（钨、钼）做成丝或舟型加热器，用来存放蒸发材料，利用大电流通过加热器时产生的热量来直接加热膜料。 （2）电子束加热法由一个提供电子的热阴极、加速电子的加速极和阳极（膜料）所组成，其特点是能量高度集中能使膜料源的局部表面获得极高的温度，对高、低熔点的膜料都能加热气化,第五节 陶瓷金属封接技术 （bonding of ceramics and metals）,作为陶瓷金属的连接，不管采用哪种类型的封接工艺，都必须满足下列性能要求： （1）电气特性优良，包括耐高电压，抗飞弧，具有足够的绝缘，介电能力等； （2）化学稳定性高，能抗耐适当的酸、碱清洗，不分解，不腐蚀。 （3）热稳定性好，能够承受高温和热冲击作用，具有合适的线膨胀系数； （4）可靠性高，包括足够的气密性，防潮性和抗风化作用等；,6.5.1 玻璃焊料封接（glass welding）,玻璃焊料封接又称为氧化物焊料法，即利用附着在陶瓷表面的玻璃相（或玻璃釉）作为封接材料。 玻璃焊料适合于陶瓷和各种金属合金的封接（包括陶瓷与陶瓷的封接），特别是强度和气密性要求较高的功能陶瓷。,一、玻璃焊料金属封接条件 （1）两者的膨胀系数接近 （2）玻璃能润湿金属表面,二、封接前金属的处理 （1）金属的清洁处理：机械净化；去油 ；化学清洗 ；电化学清洗 ；烘干 （2）金属的预氧化：即将金属置于氢气或真空中进行高温加热使金属表面能形成一层氧化物而达到润湿的效果。,三、玻璃焊料金属封接的工艺参数 （1）温度 （2）时间 （3）气氛,6.5.2 烧结金属粉末法封接（powder metallurgy bonding）,用这种方法将陶瓷和金属件焊接到一起时，其主要工艺分为两个步骤：陶瓷表面金属化和加热焊料使陶瓷与金属焊封。其中，最关键的工艺是陶瓷表面的金属化,工艺流程简述如下 ： （1）浆料制备 ：其中主要成分为金属氧化物或金属粉末，还含有一些无机粘合剂，有机粘合剂。再加上适量的液体，就可置入球磨机中湿磨1260小时，直到平均粒径到13m为止。 （2）刷浆 ：将上述制得的金属浆料，以一定方式涂刷于需要金属化的陶瓷表面上，这层金属浆料的厚度，以干后达到1226m为宜。 （3）烧渗：在高温及还原性气氛的作用下，一部分金属氧化物将被还原成金属，另一部分则可能熔融并添加到陶瓷的玻璃相中，或与陶瓷中之某些晶态物质，通过化学反应而生成一种新的化合物，形成一种粘稠的过渡层，并将陶瓷表面完全润湿。而在冷却过程中这粘稠的过渡层，则凝固为玻璃相，填充于陶瓷表面与金属粉粒之间。 （4）将陶瓷金属化表面与金属进行焊接,6.5.3 活性金属封接法（active metallic bonding）,在直接焊封之前，陶瓷表面不需要先进行金属化，而采用一种特殊的焊料金属，直接置于需要焊接的金属和陶瓷之间，利用陶瓷金属母材之间的焊料在高温下熔化，其中的活性组员与陶瓷发生反应，形成稳定的反应梯度层，从而使两种材料结合在一起。这种金属焊料可以直接制成薄层垫片状，或采用胶态悬浊浆涂刷。 必须严格控制焊封的温度和时间，以防止焊料对瓷件的过分侵蚀，才能保证必要的焊封质量；活化金属焊接工艺，必须在高度真空下进行，通常真空度必须高于10-4Pa。对于大型工件来说，是非常麻烦且难以实现的。因此，这种工艺至今未得到广泛的应用。,特点：,6.5.4 封接的结构形式（configuration）,应用于电子元件、器件中的陶瓷金属的封接，虽然种类繁多，形式不一，但就基本结构而言，不外乎对封、压封、穿封三种，如图6.16所示。如果元件本身结构比较简单，则可以使用其中之一种，如小型密封电阻，电容，电路基片等。如元器件本身比较复杂，则可能有其中的23种形式组合而成，如穿心式电容器，陶瓷绝缘子，真空电容器等。,一、对封：对封是通过焊封将金属直接平焊于金属化后的陶瓷端面上。如右图（1）、（2）所示,二、压封：即金属件在外，瓷件在内。如右图（3）、（4）所示,三、穿封：当穿过瓷件的金属件的直径较细，可以直接采用如右图（5）所示的实心穿封；金属件较粗应改用如右图（6）所示压穿封,陶瓷金属封接的主要结构形式,第六节 陶瓷表面改性新技术