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                                                                                                  陶瓷膠態成型方法大全,看看哪個適合您的產品
                                                                                                  2022年04月18日 發布 分類:粉體加工技術 點擊量:175
                                                                                                  覺得文章不錯?分享到:

                                                                                                  陶瓷成型方法分為干法和濕法兩大類。由于濕法成型的陶瓷料是由陶瓷原料粉末和其他介質(水、有機物等)組成的膠態體系,因此濕法成型也稱為膠態成型。與干法成型相比,膠態成型可成型大尺寸、形狀復雜的部件,并且特殊的膠態成型工藝可以很好地控制成型過程中部件內部的各種雜質(夾雜物、團聚體等),制造出高可靠性的陶瓷部件。

                                                                                                  陶瓷膠態成型工藝

                                                                                                  圖例:祖傳的陶瓷膠態成型工藝

                                                                                                  手捏的陶瓷千陶千面,個性十足。但對于工業應用來說,精準的尺寸及高效的產出速度、復制粘貼般的雷同樣相貌才能符合大多數工業應用場景的應用需求。


                                                                                                  多胞胎似的工業產品

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                                                                                                  一、傳統膠態成型

                                                                                                  1、流延成型

                                                                                                  流延成型是使漿料均勻地流到或涂到襯底上,經干燥后形成一定厚度的均勻素坯膜的一種漿料成型方法。該法設備簡單,坯帶易于加工,工藝穩定,可連續操作,生產效率高,可實現高度自動化,適于成型大型薄板陶瓷或金屬部件,基片的厚度可薄至10μm以下,厚至1mm以上。


                                                                                                  流延成型工藝簡介:將陶瓷粉體、溶劑、粘接劑、增塑劑的混合漿料通過刮刀澆筑在一個平面基體上,均勻鋪展、溶劑揮發后,形成具有一定強度和柔韌性的陶瓷坯片(生片)

                                                                                                  流延成型法是制備大面積、超薄陶瓷基片的重要方法,被廣泛應用在電子工業、能源工業等領域,在制備Al2O3、AlN電路基板,BaTiO3基多層陶瓷電容器(MLCC)及ZrO2固體燃料電池等。流延成型技術為電子元件的微型化以及超大規模集成電路的實現提供了廣闊的前景。

                                                                                                  傳統流延成型工藝所使用的有機溶劑(如甲苯、二甲苯等)具有一定的毒性,生產條件惡劣并污染環境,而且生產成本也較高。目前的新型工藝主要有水基流延成型、紫外引發聚合流延成型和凝膠流延成型。

                                                                                                  水基流延成型

                                                                                                  克服了有機溶劑體系環境污染嚴重,成本高,生坯密度低,脫脂過程中坯體易變形開裂等缺點。但水的揮發性較差,水基漿料在干燥過程中比有機溶劑漿料更容易開裂,卷曲,尤其是在干燥速度較快的情況下更為明顯。

                                                                                                  凝膠流延成型

                                                                                                  在加熱條件下由引發劑引發有機單體的氧化還原反應,導致漿料的凝膠化而實現固化成型。該工藝極大地降低了漿料中有機物的使用量,提高了漿料的固相含量,因而生坯的密度和強度高,同時環境污染小,生產成本低。

                                                                                                   

                                                                                                  紫外引發聚合流延成型工藝

                                                                                                  在陶瓷漿料中加入紫外光敏單體和紫外光聚合引發劑,對流延后的漿料實施紫外光輻射,引發單體聚合,使漿料原位固化成型。該法不使用溶劑,因而可以不需干燥而直接脫模,避免干燥收縮和開裂,提高了生產效率。

                                                                                                  相關閱讀:

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                                                                                                  扒一扒陶瓷水基流延成型都用啥添加劑

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                                                                                                  陶瓷注射成型(CeramicInjectionMoulding,簡稱CIM)是通過加入一定量的聚合物及添加劑組元,賦予金屬粉末、陶瓷粉末跟聚合物相似的流動性。

                                                                                                  CIM工藝過程

                                                                                                  圖例:CIM工藝過程

                                                                                                  流程簡述:CIM的第一步始于將超細陶瓷粉原料與聚合物粘合劑等助劑混合成原料 ,隨后原料會塑化并在高壓下注入模腔,成型后根據實際需求例如去除注射點或添加成型時無法實現的其他功能簡單機加工過程,下一步是在爐子中進行排膠或采用化學試劑去除粘合劑,即脫脂工藝過程,脫脂后進入燒結流程 ,在此步驟中,陶瓷顆粒融合在一起并成為致密的特種陶瓷陶瓷組件,在這一階段,陶瓷已經具有出色的陶瓷性能。最后根據產品指標要求,可進一步采取其他表面處理,例如拋光,噴砂和激光加工,以完成零件/產品的定制。

                                                                                                  在傳統的機械加工技術中,對于復雜的零件,先成型出來,再雕刻雕刻,但這對于具有硬脆特性的陶瓷材料而言,顯然不太合理,經過大尺度的“粗暴”機加工后,難保陶瓷材料會留下微裂紋,影響后續的產品穩定性。

                                                                                                  CIM工藝的原料利用率高,可快速、自動地進行批量生產,可制備體積小,三維形狀復雜,厚度較薄,尺寸精度高的異型部件,機加工量少,坯體均一,表面光滑,適合大規模生產,制備成本成本低,因而成為當今國際上發展最快、應用最廣的陶瓷零部件精密制造技術。

                                                                                                  CIM法脫脂時間長,且脫脂過程中坯體易產生開裂、起皮、分層、變形等各種缺陷,不僅降低整個工藝的成品率,還進一步影響到坯體的完好燒結。針對這一問題,目前的解決方法是改變有機載體或選用新的脫脂方法,如超臨界脫脂。另外,適合CIM的微細粉生產成本高,在小批量生產形狀簡單的零件時不經濟。受脫脂限制,CIM工藝也無法制備厚壁的大零件。

                                                                                                  粉末共注成型技術

                                                                                                  使用雙料筒注射成型機,把粉末和粘結劑混合料相繼注入模腔。

                                                                                                  水溶液注射成型

                                                                                                  采用水溶性的聚合物作為有機載體,因此能夠降低注射時的溫度和壓力。

                                                                                                  氣體輔助注射成型

                                                                                                  是把氣體引入聚合物熔體中而使成型過程更易進行,該技術能夠得到更薄的管壁,降低了原料成本,且該法生產的產品的抗彎強度是一般方法的2倍。

                                                                                                  快速凝固注射成型

                                                                                                  快速凝固成型,它首先將陶瓷粉體分散于孔隙流體中,采用有機聚電解質作分散劑,制備體積分數55%~56%的陶瓷濃懸浮體,然后注入非孔封閉的模腔中,降低溫度至孔隙流體的冷凍點以下,使陶瓷濃懸浮體固化,然后降低壓力,使孔隙流體升華,從而獲得均勻的坯體。

                                                                                                  相關閱讀:

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                                                                                                  3、電泳沉積成型功能陶瓷涂層

                                                                                                  電泳沉積功能陶瓷基本原理:懸浮于溶液中的帶電粒子在電場作用下發生定向移動的現象稱之為電泳。懸浮液中荷電的固體陶瓷微粒在電場作用下發生定向移動并在電極表面沉積的現象稱之為電泳沉積。

                                                                                                  隨著現代科學和技術的發展,功能陶瓷/金屬復合材料在各方面應用極為廣泛。用一定的工藝將各種功能陶瓷均勻地涂覆在基底金屬(或合金)材料表面,得到的復合材料既具有金屬(或合金)良好的物理機械性能,又兼具各種功能材料的優點,如耐熱性、耐磨性、耐蝕性、超導性及生物活性等,因而受到世界各國科學家和工程技術人員的高度重視。制備功能陶瓷/金屬復合材料目前主要采用的涂層技術有等離子噴涂、物理和化學氣相沉積、電泳沉積(ElectrophoreticDeposition,EPD)、電化學沉積、粉末冶金及自蔓延高溫合成等方法。

                                                                                                  電泳沉積技術是一種溫和的表面涂覆方法,可避免高溫過程引起的相變和脆裂,有利于增強基底金屬與陶瓷涂層之間的結合力;電泳沉積過程是非直線過程,可以在形狀復雜和表面多孔的金屬材料表面制備均勻的功能陶瓷沉積層,適用于制備不同膜厚的涂層,可控厚度范圍寬(100nm-1mm)。

                                                                                                  電泳沉積法能可用于制備單層復合材料、顆粒補強薄層復合材料、含多孔層薄片、含非平面層薄片、連續纖維補強陶瓷復合材料以及功能梯度材料等材料。

                                                                                                  4、注漿成型

                                                                                                  注漿成型是借助將料漿注入到以石膏磨具做成的多孔模具,利用多孔性模具的吸水(溶液)性,使料漿在貼近模壁的一側被模型吸水而形成一均勻的坯料層,并隨時間的延長而加厚,當達到所需厚度時,將多余的漿料傾出,最后該坯料層繼續脫水收縮而與模型脫離,從模型去除后即為料坯。

                                                                                                  注漿成型整體工藝流程

                                                                                                  圖例:注漿成型整體工藝流程

                                                                                                  注漿一般有空心注漿、實心注漿、壓力注漿、真空輔助注漿、離心注漿等等方式,根據不同的需求進行合理的選擇。由于漿液需要在模具內進行固化成型,因而要求漿料必須具備較高故相含量以及較為良好的流動性沒,一般顆粒的尺寸介于5μm~10μm。而模具的制作是這種工藝的關鍵,通過各種特殊的模具(包括多孔塑料、無機填料、素陶、多孔金屬等)可以做出形狀復雜的陶瓷制品,但也因為需要定制的原因,在大規模生產上效率比較低下,而且其形狀的精密度控制稍顯不足。

                                                                                                  5、軋膜成型

                                                                                                  軋膜成型(doughrolling)是將準備好的陶瓷粉末拌以定量的有機粘結劑和溶劑,通過粗軋和精軋成膜后,再進行沖片成型。其工藝過程主要包括粗軋和精軋兩部分。

                                                                                                  軋膜成型工藝流程

                                                                                                  圖例:軋膜成型工藝流程

                                                                                                  粗扎:將預燒過的粉體(注:預燒環節是為了使粉末顆粒在加熱時產生氣體的分解和體積變化過程提前完成,在后續的脫膠和燒結過程中不再發生,同時使顆粒的比表面積盡可能減小來減少塑化成型劑的用量)磨細過篩,并拌以一定量的有機黏結劑、增塑劑和溶劑,置于兩輥之間進行混煉,使粉料、黏結劑或溶劑等成分充分混合均勻。再將其進行熱風干燥,使溶劑逐步揮發,形成一層厚膜。

                                                                                                  精軋:精軋是逐步調小兩軋輥之間縫隙間距并進行多次折疊,90°轉向反復軋煉以達到良好的均勻度、致密度、粗糙度和厚度。軋好的坯片要放在一定的環境中儲存,防止其干燥脆化,以便進行下一步的沖切工藝。

                                                                                                  軋膜成型示意圖

                                                                                                  圖例:軋膜成型示意圖

                                                                                                  6、擠壓成型法

                                                                                                  擠壓成型(也可叫擠出成型,“壓”可以體現粉體的三向壓應力狀態;“出”可以體現粉體從擠壓嘴被擠出的運動形式,叫法不同而已)是將真空煉制的泥料放入擠制機內,在外力的作用下通過擠壓嘴(也叫壓模嘴)擠成一定形狀的坯體。在擠壓成型方法中,擠壓嘴就是成型模具,通過更換擠壓嘴可以擠出不同形狀的坯體,也有將擠壓嘴直接安裝在真空練泥機,稱為真空練泥擠壓機。

                                                                                                  擠出成型

                                                                                                  圖例:擠出成型

                                                                                                  實際生產中,擠出成型適合于成型管狀和截面一致的制件,擠出的制件長度方向上幾乎不受限制,并且可以通過更換擠壓嘴來控制擠出的形狀。由于擠出成型依靠粉體的塑性流動,因此希望粉體的顆粒度要細,形狀最好為球形。片狀顆粒在擠壓力的作用下會發生定向排列使得成型坯體呈現各向異性,對制件的性能是不利的。

                                                                                                  案例:蜂窩陶瓷的生產常采用擠壓成型法來實現,其配套的設備生產也非常成熟。蜂窩陶瓷是在現代工業各領域中應用非常廣泛的一類材料。利用蜂窩陶瓷的大表面積、優良抗菌性能、耐腐蝕、耐磨損特點,可作為熔融金屬的過濾、油類的分離過濾、水的凈化以及焦爐煤氣、甲烷等氣體的分離;利用蜂窩陶瓷結構緊湊的傳熱面、較好的流通性以及不易積灰堵塞的特點,可用作蓄熱體材料;此外,還可作為催化劑載體、保溫隔熱材料等。

                                                                                                  7、熱壓鑄成型

                                                                                                  熱壓鑄成型是在熱壓鑄機上進行的,它的基本原理是利用石蠟受熱熔化后具有塑性和流動性、冷卻后能凝固的特點,將瘠性陶瓷原料與熱石蠟熔液混合均勻,形成流動性良好的可塑漿料,使用金屬模具,在一定的壓力下將漿料壓入模具內,并在持續壓力下充滿整個模具且凝固,除去壓力拆除模具后,即得到所需形狀的蠟坯,蠟坯在冷凝狀態時能保持其形狀不變。

                                                                                                  熱壓鑄成型設備投資小,生產規??纱罂尚?,比較靈活,在成型形狀復雜的小件產品時具有明顯的優勢,是生產小件復雜、異形陶瓷制品的主要成型方法之一。熱壓鑄成型操作簡單,成型時間短、效率高:其成型的產品尺寸較準確,光潔度好,結構緊密,基本不需要后續加工;對生產設備要求不高,可用原料比較多,如一般氧化物原料、非氧化物原料、各種礦物原料及復合原料均可用。該成型方法現已廣泛用于制造中小尺寸、形狀復雜、精度要求較高的工業陶瓷產品,如結構陶瓷、紡織陶瓷、電子陶瓷、密封陶瓷、絕緣陶瓷、化工陶瓷零部件以及抗熱震陶瓷制品等,其應用廣泛,單位生產成本相對較低。熱壓鑄成型的缺點是產品密度和質量穩定性偏低.后續的排蠟工序周期長、能源消耗大.甚至對環保能帶來一定的影響,是不宜成型壁薄的、大而長的產品。

                                                                                                  8、水解輔助固化成型

                                                                                                  水解輔助固化成型方法建立于AIN等物質在熱激發下的加速水解。AIN加入陶瓷漿料之后發生熱水解,漿料中的水被消耗,固相體積分數增高。同時,氨氣的產生使漿料的pH值升高而引起陶瓷漿料的固化。另一方面,作為AIN的水解產物,AI(OH)3在加熱時可以膠態化,從而起到輔助固化、增加坯體強度的目的。AI(OH)3的存在對固相燒結陶瓷的微觀結構及機械性能有輕微的影響,但對液相燒結陶瓷沒有影響。

                                                                                                  二、原位凝固膠態成型工藝

                                                                                                  原位凝固膠態成型工藝(Colloidal Forming by Consolidationin-situ),是制備形狀復雜的結構陶瓷最有希望的技術,不僅可制備形狀復雜的瓷體,而且可以減少或消除諸如硬團聚、氣孔和裂紋之類的降低結構部件可靠性的缺陷。與注漿成型和流延成型等其他膠態成型工藝相比,這些工藝最主要的優點是它們的料漿可原位固化,達到近凈尺寸成型的效果。

                                                                                                  工藝原理:該工藝主要是通過制備低黏度、高固相體積分數的漿料,再將漿料中的有機單體聚合使漿料原位凝固,從而獲得高密度、高強度、均勻性好的坯體。

                                                                                                  凝膠注模成型工藝流程

                                                                                                  圖例:凝膠注模成型工藝流程

                                                                                                  凝膠注模成型用凝膠體系

                                                                                                  ①非水基凝膠體系。非水基凝膠體系使用的是有機溶劑,環境不友好型。有機溶劑除作為單體的溶劑外,還應具備以下兩個特點:在交聯反應溫度時具有低的蒸汽壓;本身黏度較低。

                                                                                                  ②水基凝膠體系。水基凝膠體系的優點:降低了漿料黏度,干燥過程更容易控制,避免了有機溶劑造成的空氣污染。丙烯酸酯體系需要共溶劑,且有相分離現象,引發預混液凝膠反應不徹底,并且分散效果不佳。目前普遍使用的是丙烯酰胺體系。

                                                                                                  凝膠注模成型

                                                                                                   

                                                                                                  在催化劑和引發劑的作用下,將低粘度、高固相體積分數的濃懸浮體中的有機單體交聯聚合成三維網狀結構,從而使濃懸浮體原位固化成型。

                                                                                                  直接凝固注模成型技術

                                                                                                  利用生物酶催化反應來控制陶瓷漿料的pH值和電解質濃度,使其在雙電層排斥能最小時依靠范德華力而原位凝固。

                                                                                                  溫度誘導成型

                                                                                                   

                                                                                                  利用物質溶解度隨溫度的變化,來產生凝膠化的一種近凈尺寸原位凝固膠態成型方法。它利用了膠體的空間(位阻)穩定特性。

                                                                                                  膠態振動注模成型

                                                                                                   

                                                                                                  膠態振動注模成型是1993年由加州大學Santabarbara分校的F F lange教授在壓濾成型和離心注漿成型基礎上提出的一種原位凝固膠態成型方法。lange利用這一特性,在固相體積分數為20%左右的陶瓷懸浮體中加入NH4Cl使顆粒形成絮凝態,然后采用壓濾或離心的辦法使懸浮體形成密實的結構。

                                                                                                  三、陶瓷3D打印

                                                                                                  增材制造技術,俗稱3D打印技術,其首先將所需打印的零件建立三維模型,將模型按試驗需求進行切片并傳輸到3D打印機,以激光燒結、光固化等技術,將陶瓷、金屬等材料由下至上逐層成型,形成三維結構。在2012年被奧巴馬在公開演講中提到3D打印技術,希望以此技術作為振興美國制造業的手段之一,從而被國內外的學者、企業家廣泛關注。

                                                                                                  3D打印陶瓷件全過程

                                                                                                  3D打印陶瓷件全過程

                                                                                                  和樹脂材料、金屬材料的3D打印技術相比,陶瓷3D打印技術起步較晚,發展速度較慢,但因其具有巨大發展潛力而受到研究所和企業的熱捧。陶瓷件的3D打印包括配置陶瓷漿料、繪制三維模型并切片、3D打印成型、燒結等流程。

                                                                                                  相關閱讀:

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                                                                                                  2、電泳沉積功能陶瓷涂層技術;張建民、楊長春、石秋芝、程鵬里;鄭州大學化學化工學院。


                                                                                                  粉體圈編輯:Alpha

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