无机材料后处理工艺一课件.ppt

1、第八章第八章无机材料后处理工艺无机材料后处理工艺第1页，共25页。一、概述一、概述 后处理是指对制品的外观质量、结构形状、装配后处理是指对制品的外观质量、结构形状、装配与使用规格尺寸等进行最终加工处理，也包括进一与使用规格尺寸等进行最终加工处理，也包括进一步改善与稳定制品的质量、性能以及加工成复合产步改善与稳定制品的质量、性能以及加工成复合产品的生产工艺。品的生产工艺。主要有主要有热处理、去除加工、表面处理热处理、去除加工、表面处理及及结合与包覆结合与包覆等等四种工艺。四种工艺。第2页，共25页。二、热处理二、热处理1、内应力、内应力 无机材料的内应力按其产生的性质可分为三类：无机材料的内应力

2、按其产生的性质可分为三类：热热应力、结构应力、机械应力应力、结构应力、机械应力。（1）热应力）热应力 热应力是由于材料中存在温差而产生的。这种热应力以热应力是由于材料中存在温差而产生的。这种热应力以在玻璃及其制品中存在最具代表性。按其产生的特点又在玻璃及其制品中存在最具代表性。按其产生的特点又可分为可分为暂时应力暂时应力和和永久应力永久应力。第3页，共25页。暂时应力暂时应力 在温度低于应变点时，处在温度低于应变点时，处于弹性变形温度范围内的于弹性变形温度范围内的玻璃在经受不均匀的温度玻璃在经受不均匀的温度变化时所产生的热应力，变化时所产生的热应力，随温度梯度的存在而存在，随温度梯度的存在而存

3、在，随温度的梯度的消失而消随温度的梯度的消失而消失，这种应力称为暂时应失，这种应力称为暂时应力。力。第4页，共25页。永久应力永久应力 当当玻璃内外温度玻璃内外温度相等时所残留相等时所残留的热应力称为的热应力称为永久应力。永久应力。第5页，共25页。（2）结构应力）结构应力 玻璃因化学组成不均导致结构上的不均而产生的玻璃因化学组成不均导致结构上的不均而产生的应力称结构应力。应力称结构应力。（3）机械应力）机械应力 由外力作用在无机材料上引起的应力，当外力除去由外力作用在无机材料上引起的应力，当外力除去时应力随之消失，此应力称机械应力。时应力随之消失，此应力称机械应力。第6页，共25页。2、玻璃

4、的退火工艺、玻璃的退火工艺 为了消除玻璃中的永久应力，必须将玻璃加热到低于玻为了消除玻璃中的永久应力，必须将玻璃加热到低于玻璃转变温度璃转变温度Tg附近的某一温度进行保温均热，以消附近的某一温度进行保温均热，以消除玻璃各部分的温度梯度，使应力松弛。除玻璃各部分的温度梯度，使应力松弛。退火工艺可分为四个阶段：退火工艺可分为四个阶段：加热阶段、均热阶段、加热阶段、均热阶段、慢冷阶段和快冷阶段慢冷阶段和快冷阶段。第7页，共25页。第8页，共25页。（1）加热阶段）加热阶段（2）均热阶段）均热阶段 把制品加热到退火温度进行保温、均热以消除应力。把制品加热到退火温度进行保温、均热以消除应力。（3）慢冷阶

5、段）慢冷阶段 经保温玻璃中原有应力消除后，为了使玻璃制品经保温玻璃中原有应力消除后，为了使玻璃制品在冷却后不再产生永久应力，或减小到制品所要求在冷却后不再产生永久应力，或减小到制品所要求的应力范围内，均热后须进行慢冷，以防止过大的的应力范围内，均热后须进行慢冷，以防止过大的温差。温差。（4）快冷阶段）快冷阶段第9页，共25页。三、去除加工三、去除加工 去除加工是为了达到使用及装配总体要求而进行的外形去除加工是为了达到使用及装配总体要求而进行的外形规格尺寸的形态加工。不同功能用途的制品对去除加工规格尺寸的形态加工。不同功能用途的制品对去除加工的精度要求不同。去除加工通常采用力学性质的机械加的精度

6、要求不同。去除加工通常采用力学性质的机械加工方法，也有采用化学、电化学、光学等方法进行的。工方法，也有采用化学、电化学、光学等方法进行的。第10页，共25页。第11页，共25页。四、表面处理四、表面处理 无机非金属材料表面处理涉及面非常广泛，基本上可归纳为三无机非金属材料表面处理涉及面非常广泛，基本上可归纳为三大类型：大类型：（1）表面化学加工：表面化学加工：通过一定工艺过程，使无机材料具有一个通过一定工艺过程，使无机材料具有一个新的光滑表面或散光表面。实际上是通过表面处理以控制材新的光滑表面或散光表面。实际上是通过表面处理以控制材料的凹凸。如化学蚀刻和化学抛光。料的凹凸。如化学蚀刻和化学抛光

7、。（2）表面改性：表面改性：通过一定工艺过程改善表面性质，赋予表面一通过一定工艺过程改善表面性质，赋予表面一些新的优良性能。如玻璃表面的化学钢化等。些新的优良性能。如玻璃表面的化学钢化等。（3）表面涂层：表面涂层：在基体无机材料表面上用其他物质通过一定的在基体无机材料表面上用其他物质通过一定的工艺方法形成一层薄膜，而得到某些新的性能，如有机涂层工艺方法形成一层薄膜，而得到某些新的性能，如有机涂层等。等。第12页，共25页。1、表面化学加工、表面化学加工（1）化学蚀刻）化学蚀刻 用氢氟酸对玻璃制品的局部表面进行腐蚀，在其表用氢氟酸对玻璃制品的局部表面进行腐蚀，在其表面刻画出各种花纹、图案、刻度、

8、格子等。面刻画出各种花纹、图案、刻度、格子等。（2）化学抛光）化学抛光 原理与化学蚀刻一样，是利用氢氟酸腐蚀掉玻璃表原理与化学蚀刻一样，是利用氢氟酸腐蚀掉玻璃表面原有的硅氧膜形成一层新的硅氧膜，使玻璃表面面原有的硅氧膜形成一层新的硅氧膜，使玻璃表面具有很高的光洁度。具有很高的光洁度。第13页，共25页。2、表面改性、表面改性 使玻璃表面改性的工艺有两类：一类是工艺处理后表层组成使玻璃表面改性的工艺有两类：一类是工艺处理后表层组成有一定改变，如气相或液相处理、化学钢化、表面着色等；另有一定改变，如气相或液相处理、化学钢化、表面着色等；另一类是工艺处理后表面组成没有改变，如物理钢化。一类是工艺处理

9、后表面组成没有改变，如物理钢化。（1）气相处理和液相处理）气相处理和液相处理 气相处理气相处理是将玻璃在是将玻璃在500600时置于时置于SO2、CO2、(NH4)2SO4等酸性气体中，表面的碱与气体反应成盐被除去而形成富硅的等酸性气体中，表面的碱与气体反应成盐被除去而形成富硅的表面表面。液相处理液相处理是将玻璃（主要是光学玻璃）在温度为几十度的盐酸、是将玻璃（主要是光学玻璃）在温度为几十度的盐酸、硝酸、硫酸中浸泡，除去碱金属离子形成折射率小的富硅层。硝酸、硫酸中浸泡，除去碱金属离子形成折射率小的富硅层。第14页，共25页。（2）离子交换法）离子交换法 在低于玻璃退火温度下，玻璃浸于某些金属离

10、子的在低于玻璃退火温度下，玻璃浸于某些金属离子的熔盐中，玻璃表面的碱金属离子与熔盐中的金属离熔盐中，玻璃表面的碱金属离子与熔盐中的金属离子相互扩散，达到离子交换。子相互扩散，达到离子交换。化学钢化：玻璃浸于含有半径比玻璃中碱金属离子化学钢化：玻璃浸于含有半径比玻璃中碱金属离子大的离子的熔盐中，进行离子交换。使玻璃表层产大的离子的熔盐中，进行离子交换。使玻璃表层产生压应力，固而使玻璃强化。生压应力，固而使玻璃强化。表面着色：将玻璃浸于银盐或铜盐的熔盐中。表面着色：将玻璃浸于银盐或铜盐的熔盐中。第15页，共25页。（3）离子注入）离子注入 离子注入是要把注入的杂质元素电离成离子，利离子注入是要把注

11、入的杂质元素电离成离子，利用加速器使离子加速后以很快的速度打入金属表层用加速器使离子加速后以很快的速度打入金属表层内，达到改变表面的物理化学性能。内，达到改变表面的物理化学性能。（4）物理钢化）物理钢化 玻璃的物理钢化是把玻璃加热到低于软化温度后进玻璃的物理钢化是把玻璃加热到低于软化温度后进行均匀的快速冷却，使玻璃表面产生了压应力，而行均匀的快速冷却，使玻璃表面产生了压应力，而内部为张应力。内部为张应力。第16页，共25页。3、表面涂层、表面涂层（1）化学镀）化学镀 定义定义 化学镀是利用合适的还原剂使溶液中的金属离子有选择化学镀是利用合适的还原剂使溶液中的金属离子有选择地在经催化剂活化的镀件

12、表面上还原析出金属镀层的一种地在经催化剂活化的镀件表面上还原析出金属镀层的一种处理方法。处理方法。化学镀镍化学镀镍：第17页，共25页。镀前预处理镀前预处理封闭处理：对于多孔的非金属材料，首先封闭表面封闭处理：对于多孔的非金属材料，首先封闭表面孔隙。方法是将制件浸在熔融石蜡中。孔隙。方法是将制件浸在熔融石蜡中。去应力去应力去除油污去除油污粗化：作用是使非金属表面粗糙化，增大镀层与基粗化：作用是使非金属表面粗糙化，增大镀层与基体的接触面积。方法有机械粗化和化学粗化。体的接触面积。方法有机械粗化和化学粗化。第18页，共25页。敏化：敏化：就是在经过粗化的非金属表面上，吸附一就是在经过粗化的非金属表

13、面上，吸附一层易被氧化的物质。层易被氧化的物质。活化：具有自催化作用的金属离子被还原为金属微粒活化：具有自催化作用的金属离子被还原为金属微粒附着在非金属制品表面形成具有催化作用的金属膜。附着在非金属制品表面形成具有催化作用的金属膜。第19页，共25页。（2）物理气相镀）物理气相镀(PVD)蒸发镀蒸发镀 蒸发镀是在真空条件下，加热熔融金属，使蒸发的金蒸发镀是在真空条件下，加热熔融金属，使蒸发的金属原子或分子沉积在镀件的表面，形成金属膜的方法。属原子或分子沉积在镀件的表面，形成金属膜的方法。第20页，共25页。溅射镀溅射镀溅射溅射：当具有足够能量的带电粒子或中性粒子碰撞物体表面时可：当具有足够能量

14、的带电粒子或中性粒子碰撞物体表面时可把能量传递给表面的原子。只要表面原子获得的能量大于本身的把能量传递给表面的原子。只要表面原子获得的能量大于本身的电离能，就能摆脱周围原子的束缚而离开物体表面，这种现象称电离能，就能摆脱周围原子的束缚而离开物体表面，这种现象称为溅射。为溅射。溅射镀溅射镀：是在真空条件下导入氩气，使之：是在真空条件下导入氩气，使之辉光放电辉光放电，带正电的氩，带正电的氩离于离于(Ar+)在强电场的作用下轰击阴极，使构成阴极的原子被在强电场的作用下轰击阴极，使构成阴极的原子被溅射到镀件表面形成镀层的方法。溅射到镀件表面形成镀层的方法。辉光放电是在真空度为几百帕的真空中在两个电极之

15、间加入高压时产生的放电现象第21页，共25页。离子镀离子镀 在高真空度的密封容器中，通过蒸发源使镀料（金属）在高真空度的密封容器中，通过蒸发源使镀料（金属）气化，金属蒸气在高压直流作用下被电离成正离子，经气化，金属蒸气在高压直流作用下被电离成正离子，经加速猛烈轰击工件（阴极）从而形成镀膜。加速猛烈轰击工件（阴极）从而形成镀膜。第22页，共25页。（3）化学气相镀）化学气相镀(CVD)化学气相镀是利用挥发性金属卤化物和金属的化学气相镀是利用挥发性金属卤化物和金属的有机化合物在高温下的气相有机化合物在高温下的气相化学反应化学反应在工件表面在工件表面形成氮化物、氧化物、碳化物、硅化物、硼化物、高形成

16、氮化物、氧化物、碳化物、硅化物、硼化物、高熔点金属、半导体等镀膜的方法。熔点金属、半导体等镀膜的方法。热分解法：热分解法：在真空或惰性气氛中加热工件至所需在真空或惰性气氛中加热工件至所需的温度后，导入反应气体，使之发生热分解，在的温度后，导入反应气体，使之发生热分解，在工件表面沉积出固体材料镀膜。工件表面沉积出固体材料镀膜。第23页，共25页。化学合成法：化学合成法：两种或多种气态反应物在热工件两种或多种气态反应物在热工件表面相互反应并沉积固体材料镀膜的方法。其表面相互反应并沉积固体材料镀膜的方法。其中最普遍的是用氢气还原金属卤化物沉积各种中最普遍的是用氢气还原金属卤化物沉积各种金属和半导体。金属和半导体。第24页，共25页。四、结合与包覆四、结合与包覆 无机材料的接合和封接可以采用螺钉、铆钉等机械接无机材料的接合和封接可以采用螺钉、铆钉等机械接合法，也可采用粘接法和焊接法等。在玻璃工业中，合法，也可采用粘接法和焊接法等。在玻璃工业中，灯泡、电子管及其它电真空器件等与金属封接时则常灯泡、电子管及其它电真空器件等与金属封接时则常用真空熔封法。用真空熔封法。第25页，共25页。