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材料系列科普5:先進陶瓷材料制備工藝
2020年08月03日 發布 分類:粉體入門 點擊量:681
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先看一段經典的表述:先進陶瓷制品的一致性,是它能否大規摸推廣應用的最關鍵問題之一。現今的先進陶瓷制備技術可以做到成批地生產出性能很好的產品,但卻不容易保證所有制品的品質一致在實驗室規模下能夠穩定重復制造的材料,在擴大的生產規模下常常難于重現在生產規模下可能重復再現的陶瓷材料,常常在原材料波動和工藝裝備有所變化的條件下難于實現這是陶瓷制備中的關鍵問題之一。

 

陶瓷材料的質量與其制備工藝有很大的關系在實際生產中的情況是相當復雜的,陶瓷與金屬的一個重要區別就在于它對制造工藝中的微小變化特別敏感,而正是這些細微的變化,分分鐘給成品埋下“缺陷的地雷”,因此優秀的陶瓷制品的順利生產需得實際經驗的積累來輔助。

本文將整理資料為吃瓜群眾們貫通一下陶瓷制備的工藝路線。陶瓷材料的幾個基本工藝組成。

 

圖表1:陶瓷材料的基本工藝過程

一、粉體制備

對于先進陶瓷材料而言,其所用粉體原料都是人工精選的材料,粉體的制取工藝通常,會包括物理方法化學方法。不同制備方法適用于不同應用范疇及材料。下文將對粉體材料的常用的制備方法進行一個簡要的介紹

1、物理方法:

物理粉碎法:通過機械粉碎、電火花爆炸等方法得到粉體材料。其特點操作簡單、成本低,但產品純度相對較低,顆粒分布不均勻。物理粉碎也可以用于化學法制備的粉體材料后處理,可以粉體材料更加微細化,在合適的控制手段下,也可制備出粒度分布均勻,顆粒小的粉體材料。物理粉碎法方法涉及的設備有球磨機、砂磨機、氣流粉碎等等各種設備。

真空冷凝法:用真空蒸發、加熱、高頻感應等方法使原料氣化或形成等離子體,然后驟冷。其特點純度高、結晶組織好、粒度可控,但技術設備要求高。

 

圖表2:以角形硅微粉作為原料,通過火焰熔融法制備的球形氧化鋁

2.?化學方法?

氣相沉積法:利用金屬化合物蒸氣的化學反應合成納米材料。其特點產品純度高,粒度分布窄。?

沉淀法:把沉淀劑加入到鹽溶液中反應后,將沉淀熱處理得到納米材料。其特點單易行,但純度低,顆粒半徑大,適合制備氧化物。

水熱合成:高溫高壓下在水溶液或蒸汽等流體中合成,再經分離和熱處理得納米粒子。其特點純度高,分散性好、粒度易控制。?

溶膠凝膠法:金屬化合物經溶液、溶膠、凝膠而固化,再經低溫熱處理而生成納米粒子。其特點反應物種多,產物顆粒均一,過程易控制,適于氧化物和Ⅱ~Ⅵ族化合物的制備。?

微乳液法:兩種互不相溶的溶劑在表面活性劑的作用下形成乳液,在微泡中經成核、聚結、團聚、熱處理后得納米粒子。其特點粒子的單分散和界面性好,Ⅱ~Ⅵ族半導體納米粒子多用此法制備。

二、坯料成型

成型的目的是將坯料加工成為一定形狀和尺寸的半成品,使坯料具有必要的機械強度和一定的致密度。

 

圖表3:傳統的陶瓷成型方法“憑空捏造”

很明顯無法滿足各種要求,因此我們有如下成型技術

 

圖表4:各種陶瓷成型方法

漿料成型,例如注漿成型和流延成型的對象是漿料,液體占比一般在30%以上,具有較好的流動性,可填充模具的各個角落;塑性成型,例如擠壓成型、軋膜成型的對象是坯料,液體占比一般在10%-30%之間,塑性較好,成型后幾乎不變形;干法壓制成型,例如干壓成型和等靜壓成型的對象是造粒粉,液體占比一般低于10%,依靠壓力提高造粒粉的堆積密度,燒結收縮小。至于固體無模成型則可以理解成為3D打印陶瓷范疇。

圖表5:部分成型工藝特點小結

成型工藝

漿料性能要求

應用場合

注漿成型

觸變性小;流動性、穩定性、滲透性和脫模性佳;不含氣泡

大型、形狀復雜、薄壁制品

熱壓鑄成型

漿料具備穩定性和可鑄性

形狀較復雜、精度要求高的中小型制品

流延成型

粉體粒度小、粒形圓潤;漿料流動性好

超薄型、多層結構制品

擠壓成型

粉體細度小且圓潤;泥料均勻、塑性高

管狀、棒狀、片狀等制品

軋膜成型

1mm以下的薄片狀制品

干壓成型

用少量液體對粉體造粒后,直接壓制

形狀簡單、基板類制品

等靜壓成型

液體占比一般3%以下,瘠性粉體細度應小于20μm

熱等靜壓適用于特種陶瓷,冷等靜壓適用于日用陶瓷

 

三、干燥與排膠

干燥是借助熱能使坯料中水分汽化,由干燥介質帶走的過程。這個過程是坯料和干燥介質之間傳熱傳質過程。對注漿成型坯件來說,干燥過程極為重要。

先進陶瓷原料多為瘠性料,成型時多采用有機/塑化劑或粘合劑。在煅燒時,粘合劑在坯體中大量熔化、分解、揮發,會導致坯體變形、開裂,機械強度也會降低。有時由于粘合劑中含碳較多,當氧氣不足產生還原氣氛時,會影響燒結質量,增加燒銀、極化的困難,降低制品的最終性能。因此需要對其進行排除粘合劑的處理,這個工藝稱為排膠。通過排膠處理可以將坯體中粘合劑排除,可以為下一步燒成創造條件使坯體獲得一定的機械強度避免粘合劑在燒成時的還原作用。

排膠時必須嚴格控制溫度制度可以借助吸附劑的作用可使坯料中的塑化劑、粘合劑等全部或部分揮發吸附劑的作用是包圍坯體,并將熔化的塑化劑及時吸附并蒸發出來吸附劑應是多孔性、有一定吸附能力和流動性,能全部包圍產品,在一定溫度范圍內,不與產品起化學反應的材料。常用的吸附劑有煅燒氧化鋁粉、石英粉、滑石粉、高嶺土等,其中以煅燒氧化鋁粉的效果為佳。

圖表6:煅燒氧化鋁

 

四、坯體燒結

燒結是通過一定的高溫處理,使成型的陶瓷坯體發生預期物理化學反應和充分致密化,形成需要的化學組成、礦物和微觀結構,得到具有要求的物理化學性能陶瓷的全過程。該工藝過程坯體在高溫熱能的激活下體系總表面積下降和缺陷濃度減少并使坯體致密化。燒結過程包括燒結動力和物質傳遞機構、固相燒結、固-液相燒結、晶粒生長、溶質晶界分凝及脫溶和二次再結晶。

影響燒結主要因素是陶瓷配料在高溫時液相的產生與作用、陶瓷配料中少量加入物、原料細度和活性對燒結的影響及機理。燒結過程大致分為三個階段從室溫至最高燒結溫度的升溫階段在高溫下的保溫階段從最高溫度至室溫的冷卻階段有些陶瓷材料還需要燒結后的熱處理。目前可選的燒結大法有很多,詳見下圖。

圖表7:坯體燒結技術大全

 

五、精密加工

先進陶瓷材料常見的后續加工處理方式主要有表面施釉、機械加工及表面金屬化。

施釉:①提高瓷件的機械強度與耐熱沖擊性能;②防止工件表面的低壓放電;③使瓷件的防潮功能提高。

機械加工:可以使陶瓷制品適應尺寸公差的要求,也可以改善陶瓷制品表面的光潔度或去除表面的缺陷。方法有磨削、激光和超聲波加工等。

金屬化:為了滿足電性能的需要或實現陶瓷與金屬的封接,需要在陶瓷表面牢固地鍍上一層金屬薄膜,常見的陶瓷金屬化方法有被銀法、電鍍法等。陶瓷與金屬的封接形式包括玻璃釉封接、金屬焊接封接、活化金層封接、激光焊接、固相封接等。

圖8:某氧化物陶瓷金屬化樣件

 

 

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編輯:粉體圈小白

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