陶瓷加工及改进课件.ppt

1、2022-11-17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2022-11-17河南省精品课程陶瓷工艺原理陶瓷材料的加工方法2022-11-17河南省精品课程陶瓷工艺原理2022-11-17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

2、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。2022-11-17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）2022-11

3、-17河南省精品课程陶瓷工艺原理压 力研 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2022-11-17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。2022-11-17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

4、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。2022-11-17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2022-11-17河南省精品课程陶瓷工艺原理（1）放电必

5、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 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2022-11-17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，

6、焊接，打孔，切割等加工目的 光刻加工 特点：2022-11-17河南省精品课程陶瓷工艺原理激 光M1M3M2M4刀 具工 件01 001 8 激光加工原理示意图6.2.3 激光加工（laser machining）2022-11-17河南省精品课程陶瓷工艺原理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 2022-11-17河南省精品课程陶瓷工艺原理6.3.1釉的作

7、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。2022-11-17河南省精品课程陶瓷工艺原理2022-11-17河南省精品课程陶瓷工艺原理一、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

8、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2022-11-17河南省精品课程陶瓷工艺原理2022-11-17河南省精品课程陶瓷工艺原理2022-11-17河南省精品课程陶瓷工艺原理2022-11-17河南省精品课程陶瓷工艺原理2022-11-17河南省精品课程陶瓷工艺原理一、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

9、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2022-11-17河南省精品课程陶瓷工艺原理（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

10、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2022-11-17河南省精品课程陶瓷工艺原理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。2022-11-17河南省精品课程陶瓷工艺原理（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

11、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 2022-11-17河南省精品课程陶瓷工艺原理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。2022-11-17河南省精品课程陶瓷工艺原理镀 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2022-11-17河南省精品课程陶瓷工艺

12、原理2022-11-17河南省精品课程陶瓷工艺原理一、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 2022-11-17河南省精品课程陶瓷工艺原理工艺流程简述如下：（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。（

13、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 2022-11-17河南省精品课程陶瓷工艺原理特点：2022-11-17河南省精品课程陶瓷工艺原理 应用于电子元件、器件中的陶瓷金属的封接，虽然种类繁

14、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。(1)(2)(3)(4)(5)(6)(1)端 头 对 封;(2)夹 层 对 封;(3)平 压 封;(4)斜 压 封;(5)实 心 穿 封;(6)垫 压 穿 封 (黑 色 表 示 金 属 部 分,斜 线 表 示 陶 瓷)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

15、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2022-11-17河南省精品课程陶瓷工艺原理一、热喷涂法（thermal spraying）：利用氧乙炔（丙烷）火焰、电弧或等离子等高温热源将欲涂覆的各种涂层材料熔化或软化，并用高速射流使之雾化成微细颗粒液滴或高温颗粒，喷射到经过预处理的基体表面工件表面，从而与基体形成一层牢固的涂层的技术，达到高度耐磨、减摩、耐蚀、耐高温以及修补恢复尺寸等目的 二、冷喷涂法：利用高压气体携带粉末颗粒从轴向进入喷枪产生超音速流，粉末颗粒经喷枪

16、加速后在完全固态下撞击基体，通过产生较大的塑性变形而沉积于基体表面形成涂层 三、溶胶凝胶法（sol-gel）：用易水解的金属醇盐或无机盐，在某种溶剂中发生水解反应，经水解缩聚形成均匀的溶胶，将溶胶涂覆在金属的表面，再经干燥、热处理（焙烧）后形成涂层 2022-11-17河南省精品课程陶瓷工艺原理四、物理化学气相沉积法（physical chemical vapor deposition）：气相沉积是指以材料的气态（或蒸汽）或气态物质化学反应的产物在工件表面形成涂层的技术，前者称为物理气相沉积（PVD），后者称为化学气相沉积（CVD）。物理气相沉积有溅射法、离子镀法、真空蒸镀法等。对于陶瓷基体来

17、说，用的较多的是溅射法。溅射法是通过待镀材料源和基板一起放入真空室内，然后利用正离子轰击作为阴极的靶，以动量传递的方法使靶材中的原子、分子溢出并在基板表面上凝聚成膜。化学气相沉积是指在相当高的温度下，混合气体与基体的表面相互作用，使混合气体中的某些成分分解，并在基体表面形成一种金属或化合物的固态薄膜或镀层。五、熔盐反应法（molten salt reaction）：其原理是利用过渡金属在熔盐里歧化反应，在陶瓷表面沉积金属薄膜和涂层，从而改善陶瓷表面的润湿性能 2022-11-17河南省精品课程陶瓷工艺原理一、离子注入技术（ion implanting）：它是将所需的元素（气体或金属蒸汽）通入电

18、离室电离后形成正离子，将正离子从电离室引出进入几十至几百千伏的高压电场中加速后注入材料表面，在零点几微米的表层中增加注入元素的浓度，同时产生辐照损伤，从而改变材料的结构和各种性能。（1）离子注入技术原理及装置 离子注入是指从离子源中引出离子，经过加速电位加速，离子获得一定的初速度尔后进入磁分析器，使离子纯化，从磁分析器中引出所需要注入的纯度极高的离子。加速管将选出的离子进一步加速到所需的能量，以控制注入的深度。聚焦扫描系统将粒子束聚焦扫描，有控制地注入陶瓷材料表面。离子注入装置如右图所示离子注入机示意图2022-11-17河南省精品课程陶瓷工艺原理离子注入是一个非平衡过程，注入元素不受扩散系数

19、、固溶度和平衡相图的限制，理论上可将任何元素注入到任何基体材料中去。离子注入是原子的直接混合，注入层厚度为0.1m，但在摩擦条件下工作时，由于摩擦热作用，注入原子不断向内迁移，其深度可达原始注入深度的1001000倍，使用寿命延长。离子注入元素是分散停留在基体内部，没有界面，故改性层与基体之间的结合强度很高，附着性好；离子注入是在高真空（10-410-5Pa）和较低的温度下进行的，因此工件不产生氧化脱碳现象，也没有明显的尺寸变化，故适宜工件的最后表面处理。缺点：有时无法处理复杂的凹面和内腔；注入层较薄；离子注入机价格昂贵，加工成本较高。2022-11-17河南省精品课程陶瓷工艺原理金属蒸汽真空

20、弧离子源是利用阴、阳极间的真空电弧放电原理来建立等离子体的右图为MEVVA源的电源原理。（2）金属蒸汽真空离子源技术（metal vapor vacuum arc）弧阳 极阴 极磁 铁引 出 电 极触 发 器抑 制 栅 极引 出 系 统弧MEVVA源的电源原理特点：（1）能给出的离子种类多（2）注入效率高（3）离子电荷态高，可大幅度地降低注入机的制造成本（4）离子束纯度高，进一步降低注入机的制造成本（5）可实现多种元素的离子在相同条件下的注入和掺杂，并省去重复抽真空的时间。2022-11-17河南省精品课程陶瓷工艺原理离子注入对陶瓷表面材料断裂韧性的影响：陶瓷材料的致命缺陷是脆性大，利用离子注

21、入可以在一定程度上提高陶瓷的断裂韧性。离子注入对陶瓷抗弯强度的影响：因为离子注入使材料表面产生辐照损伤，体积膨胀，产生表面压应力，这是材料强度增加的主要原因，但是如果材料表面的裂纹尺寸超过了注入引起的表面压应力的厚度，其增强效果会减小。离子注入对陶瓷硬度的影响：一般来说，低剂量注入时，离子束引起表面硬化，使得材料硬度会增大，但是剂量增到一定程度时，当陶瓷表面呈无定形后，硬度就会急剧下降。离子注入对陶瓷摩擦性能的影响：陶瓷材料的摩擦损失常与表面性能有密切关系。离子注入可以改善材料的表面性能，从而提高材料表面的抗磨损性能 2022-11-17河南省精品课程陶瓷工艺原理（1）等离子体与表面的相互作用

22、 低温等离子体中存在具有一定能量分布的电子、离子和中性粒子，通过它们与材料表面的撞击，会将自己的能量传递给材料表面的原子或分子，产生解析、溅射、刻蚀、蒸发等各种物理、化学过程。一些粒子还会注入到材料表面引起级联碰撞、散射、激发、重排、异构、缺陷、晶化或非晶化，从而改变材料表面的组织和性能。（2）脉冲等离子沉积（pulse plasma deposition）用于薄膜合成、表面改性技术中的脉冲能量束一般为脉冲激光束、脉冲电子束、脉冲等离子束。与脉冲电子束、脉冲激光束相比，脉冲等离子体具有电子温度高、等离子体密度高、定向速度高、功率大等特点。脉冲等离子体应用于材料表面改性具有设备简单、处理温度可以

23、在室温进行、沉积速率高、薄膜与基底粘结力强等优点，并兼有激光表面处理、电子束处理、冲击波轰击、离子注入、溅射、化学气相沉积等综合性特点。在制备薄膜时可在室温下合成亚稳态相和其他化合物材料。2022-11-17河南省精品课程陶瓷工艺原理（3）脉冲高能量密度等离子体脉冲高能量密度等离子体的基本构思：将高能量密度等离子体，瞬间地作用在材料表面，可以导致材料表面出现局部急剧熔化，紧接着急剧冷却凝固，加热或冷却速率可达108 1010 K/s。因此可以在基材表面形成一层微晶或非晶薄膜，从而达到改善材料表面性能的目的。通过改变同轴枪内、外电极材料，工作气体种类及工艺参数，可以获得不同种类和比例的等离子体束

24、，从而可以在室温下制备各种稳态和亚稳态相的薄膜 脉冲高能量密度等离子体的产生装置是根据同轴等离子体加速器的概念设计的，装置如右图所示+_+_样品等离子气团抽真空外电极绝缘体内电极开关充放电路RC脉冲高能量密度等离子体同轴枪原理图2022-11-17河南省精品课程陶瓷工艺原理（4）脉冲高能量密度等离子体表面改性 脉冲高能量密度等离子体技术用于陶瓷表面金属化的原因：（1）通常用铜代替铝作为集成电路的金属材料，目前方法沉积得到的铜膜由于与氧化铝基底的润湿性很差，造成金属膜与基底结合不牢。（2）脉冲高能量密度等离子体在处理材料时，等离子体能够与基底材料直接发生反应，这样，制备薄膜及膜/基混合可同步实现

25、，能够有效提高膜/基结合力。脉冲高能量密度等离子体技术用于刀具表面改性方面 利用脉冲高能量密度等离子体技术在Si3N4陶瓷刀具和硬质合金刀具表面沉积Ti(C,N)涂层后，具有很好的硬度效果 2022-11-17河南省精品课程陶瓷工艺原理 激光表面处理采用大功率密度的激光束、以非接触性的方式加热材料表面，借助于材料表面本身传导冷却，来实现其表面改性的工艺方法。优点：能量传递方便，可以对被处理工件表面有选择地局部强化；能量作用集中，加工时间短，热影响区小，激光处理后，工件变形小；可处理表面形状复杂的工件，而且容易实现自动化生产线；激光表面改性的效果比普通方法更显著，速度快，效率高，成本低；通常只能

26、处理一些薄板金属，不适宜处理较厚的板材，但可以作为建筑卫生陶瓷的表面修补；激光表面处理包括激光表面硬化、激光冲击硬化、激光表面熔化、激光表面合金化和激光表面涂覆等（1）激光表面处理技术的原理及特点2022-11-17河南省精品课程陶瓷工艺原理 右图为激光表面喷涂喷嘴示意图。该装置有激光发生器、喷涂材料供给装置、高压气体供给装置组成。该方法属于同步吹送法，它的特点是利用高温度、高能量密度的激光作为光源，使喷涂材料和喷涂气氛的气体反应来制作非金属涂层。激 光 发 生 器光 轴激 光 束喷 涂 用 喷 嘴透 镜 保 护 气 体粉 末高 压 气 体高 压 气 体 喷 嘴主 喷 嘴激 光 束 聚 焦 点

27、涂 层基 体 移 动 方 向基 体线 材 或 粉 末送 进 装 置激光喷涂喷嘴示意图2022-11-17河南省精品课程陶瓷工艺原理它是将准分子脉冲激光器所产生的高功率脉冲激光束聚焦作用于靶材料表面，使靶材料表面产生高温及熔蚀，并进一步产生高温高压等离子体（T104K），这种等离子体定向局域膨胀发射并在衬底上沉积而形成薄膜。典型的PLD沉积装置主要由激光扫描系统、真空室制膜系统、监测系统组成（图6.21）。准分子激光器激光束聚光透镜真空室靶材等离子羽辉基片脉冲激光沉积示意图脉冲激光沉积镀膜示意图优点：易于保证镀膜后化学计量比的稳定反应迅速，生长快。定向性强、薄膜分辩率高，能实现微区沉积 生长过程

28、中可原位引入多种气体 易制多层膜和异质膜 易于在较低温度下原位生长取向一致的结构和外延单晶膜高真空环境对薄膜污染少可制成高纯薄膜 可制膜种类多 2022-11-17河南省精品课程陶瓷工艺原理 喷涂时，首先将定量的乙炔和氧由供气口送入水冷喷腔的内腔，再从另一入口送入氮气，同时将粉末从供料口送入，这些粉末在燃烧气体中浮游，火花塞点火，气体爆炸产生的热能和压力转化成动能，使粉末达到熔融状态并高速撞击基材表面从而形成涂层，图6.22是爆炸喷涂的原理示意图。火 花 塞氧 气乙 烯氮 气基 体爆炸喷涂原理示意图2022-11-17河南省精品课程陶瓷工艺原理五、陶瓷粉体的表面包覆改性（surface coa

29、ting）包裹粉体在结构陶瓷领域的应用主要在：提高陶瓷粉体的分散性；提高烧结助剂或弥散相在粉体中的均匀性；阻止弥散体与基体之间的反应。在功能陶瓷领域除可以降低粉体表面的缺陷浓度、提高分散性外，还可以改善其电、磁、光、催化以及烧结性能。从粉体包覆改性过程中颗粒表面发生的物理化学变化的角度，有以下几种包覆改性方法：（1）表面吸附改性（surface adsorption）表面吸附改性是利用物理或化学吸附原理，使包覆材料均匀附着在陶瓷粉体上，以形成连续完整的包覆层。（2）非均相成核法（heterogeneous nucleation）非均匀形核法是利用改性剂微粒在被包覆颗粒基体上的非均匀形核并生长来形成包覆层。