第六章陶瓷的加工及改性课件.ppt
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- 第六 陶瓷 加工 改性 课件
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1、2022-3-27河南省精品课程陶瓷工艺原理陶瓷加工的特点: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2022-3-27河南省精品课程陶瓷工艺原理陶瓷材料的加工方法2022-3-27河南省精品课程陶瓷工艺原理2022-3-27河南省精品课程陶瓷工艺原理磨粒磨粒磨粒磨粒工件裂纹旋转方向旋转方向工件陶瓷材料金属材料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
2、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。 2022-3-27河南省精品课程陶瓷工艺原理 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)2022-3-27河南省精品课程陶瓷工艺原理压力研
3、磨液工件磨粒研具工件磨粒压力(a)(b)研具 研磨加工示意图2022-3-27河南省精品课程陶瓷工艺原理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。 2022-3-27河南省精品课程陶瓷工艺原理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,
4、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。2022-3-27河南省精品课程陶瓷工艺原理阳极阴极阳极熔蚀区阴极熔蚀区熔融金属微粒凝固金属微粒工作液放电通道气泡+_+_翻起凸边网坑 放电间隙示意图2022-3-27河南省精品课程陶瓷工艺原理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
5、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 高压工作液管电极导电器工作元件 电火花加工示意图 高速电火花穿孔机原理示意图2022-3-27河南省精品课程陶瓷工艺原理灯丝栅极电源阳极排气系统电磁透镜电子束工作室偏转线圈工作台 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:2022-3-27河南省精品课程陶瓷工艺原理激光M1M3M2M4刀具工件010018 激光加工原理示意图6
6、.2.3 激光加工(laser machining)2022-3-27河南省精品课程陶瓷工艺原理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。工件工具磨料液变幅杆聚能器换能器超声波发生器超声波加工机理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 2022-3-27河南省精品课程陶瓷工艺原理第三节 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。
7、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。2022-3-27河南省精品课程陶瓷工艺原理二、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
8、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。2022-3-27河南省精品课程陶瓷工艺原理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
9、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。l1l2l3l4 釉料受热变化的行为2022-3-27河南省精品课程陶瓷工艺原理二、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
10、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。2022-3-27河南省精品课程陶瓷工艺原理三、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
11、,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1.010-6/左右较佳)。2022-3-27河南省精品课程陶瓷工艺原理 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
12、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。2022-3-27河南省精品课程陶瓷工艺原理五、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。2022-3-27河南省精品课程陶瓷工
13、艺原理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。
14、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2022-3-27河南省精品课程陶瓷工艺原理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2022-3-27河南省精品课程陶瓷工艺原理第四节 陶瓷表面金属化6.4.1 陶瓷表面
15、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。 2022-3-27河南省精品课程陶瓷工艺原理一、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
16、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 2022-3-27河南省精品课程陶瓷工艺原理二、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
17、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。2022-3-27河南省精品课程陶瓷工艺原理三、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镀件加热电源真空室镀件支架镀件(三用阀)蒸发制膜材料(锡青铜)加热电源排气口真空密封挡板蒸汽流蒸发器 真空蒸发镀膜示意图2022-3-27河南省精品课程陶瓷工艺原理第五节 陶瓷金属封接技术(bondi
18、ng 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;2022-3-27河南省精品课程陶瓷工艺原理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
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