无机非金属材料成形技术

1、无机非金属材料成形技术一般意义上的材料可以根据其化学成分的不同分为金属、无机非金属和有机高分子材料。金属材料主要包括钢铁、有色金属与合金，以及金属问化合物；无机非金属材料主要包括金属(过渡金属或与之相近的金属)与硼、碳、硅、氮、氧等非金属元素组成的化合物，以及非金属元素组成的化合物；有机高分子材料则主要包括各种塑料、合成树脂、合成橡胶和合成纤维。除此而外，这三类材料的相互复合可以制备得到性能更加优异的各种复合材料。无机非金属材料常见的种类：二氧化硅气凝胶、水泥、 玻璃、 陶瓷。材料具有高熔点、高硬度、耐腐蚀、耐磨损、高强度和良好的抗氧化性等基本属性,以及宽广的导电性、隔热性、透光性及良好的铁电

2、性、铁磁性和压电性。传统无机非金属材料: 1.水泥和其他胶凝材料硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、石灰、石膏等;2.陶瓷粘土质、长石质、滑石质和骨灰质陶瓷等;3.耐火材料硅质、硅酸铝质、高铝质、镁质、铬镁质等，玻璃硅酸盐 ;4.搪 瓷 钢片、铸铁、铝和铜胎等;5.铸 石 辉绿岩、玄武岩、铸石等;研磨材料:氧化硅、氧化铝、碳化硅等;多孔材料:硅藻土、蛭石、沸石、多孔硅酸盐和硅酸铝等 ;碳素材料:石墨、焦炭和各种碳素制品等;非金属矿:粘土、石棉、石膏、云母、大理石、水晶和金刚石等;新型无机非金属材料保温材料:1.气凝胶毡绝缘材料：1.氧化铝、氧化铍、滑石、镁橄榄石质陶瓷、石英玻璃和微晶玻璃2.铁电和压电材料

3、 钛酸钡系、锆钛酸铅系材料等磁性材料: 1.锰-锌、镍-锌、锰-镁、锂-锰等铁氧体、磁记录和磁泡材料等;2.导体陶瓷 钠、锂、氧离子的快离子导体和碳化硅等; 3.半导体陶瓷 钛酸钡、氧化锌、氧化锡、氧化钒、氧化锆等过滤金属元素氧化物系材料等。光学材料: 钇铝石榴石激光材料，氧化铝、氧化钇透明材料和石英系或多组分玻璃的光导纤维等高温结构陶瓷:1.高温氧化物、碳化物、氮化物及硼化物等难熔化合物超硬材料 碳化钛、人造金刚石和立方氮化硼等2.人工晶体 铝酸锂、钽酸锂、砷化镓、氟金云母等生物陶瓷:长石质齿材、氧化铝、磷酸盐骨材和酶的载体材料等无机复合材料:陶瓷基、金属基、碳素基的复合材料传统无机非金属材

4、料和新型无机非金属材料的比较:传统无机非金属材料具有性质稳定，抗腐蚀耐高温等优点，但质脆，经不起热冲击。新型无机非金属材料除具有传统无机非金属材料的优点外，还有某些特征如:强度高、具有电学、光学特性和生物功能等。无机非金属材料(包括某些金属材料)在受力的时候只有很少的形变或没有形变发生。这种特性限定了不能采用常用的冶金或加工工艺过程来进行材料制备。已经发展出两种基本的制备工艺：第一种是粉末烧结方法，即用细颗粒原料，加上黏结剂使之成形，然后高温烧结成所需的制品；第二种基本工艺方法是将原料熔融成液体，然后在冷却和固化时成形，例如制备玻璃制品。粉末烧结工艺过程一般可分为4个主要阶段，即原料制备阶段、

5、部件坯体成形阶段、致密化烧结阶段和达到精确尺寸与表面光洁度的加工阶段。其中原料制备又根据采用原料的不同分为“粉料”或“纤维(晶须)”等的制备。重点介绍陶瓷材料。根据成分与结构，用作陶瓷工业的天然矿物原料主要分为黏土类、长石类和石英类原料，此外还有滑石、硅灰石和碳酸盐类等原料。在陶瓷材料没有被制造成具有一定形状的产品之前，陶瓷材料所具有的优良性能与功能并不能得到实际应用。随科学技术的发展，许多装备的使用条件越来越苛刻，传统金属材料的性能已难以满足要求，促使陶瓷材料的应用领域得到迅速扩大。各种不同的应用领域对陶瓷材料零部件的形状提出了越来越高的要求。材料的键合特点决定了烧结陶瓷材料几乎无法通过后续

6、冷加工与热加工，制造成特定的形状，陶瓷产品形状的获得必须在烧结以前完成，因而对陶瓷材料成形技术提出了很高的要求。同时在成形工艺过程中还必须兼顾对后续烧结工艺过程和烧结产品的性能的重要影响。 成形是将陶瓷粉料加入塑化剂等制成坯料，并进一步加工成具有一定形状、尺寸、孔隙度和强度坯体的工艺过程。最基本的无机材料成形方法分干法成形和湿法成形两大类，不同成形方法的选择，需要根据产品的使用要求、形状、大小以及产量和经济效益等综合因素确定。干法成形是指在陶瓷粉末中加入少量甚至不加塑化剂，将具有一定流动性的干粉进行成形，在坯料压实过程中所需要填充的孔隙较少，后续过程中排出气体也相对较少，可获得高密度成形坯体。

7、这种成形方式主要包括模压成形与等静压成形。干法成形是一种最简单、最直观的方法，成形坯体密度较高，但由于在成形过程中粉末与粉末、粉末与模具之间存在着摩擦，导致成形过程中力的传递和分布发生改变，从而造成坯体不同部分之间密度与强度的不均匀分布。模压成形是将加少量黏结剂(一般为78)的粉料，按照前面所讲的造粒方式先造粒，然后将造粒后的粉料置于钢模中，在压力机上加压形成一定形状的坯体的工艺过程。适合压制高度直径比小于15的形状简单的制品。模压成形的实质是在外力作用下，使模具内的粉末颗粒相互靠近，并借助颗粒之间的内摩擦力把颗粒牢固地联系起来，并保持一定的形状。模压成形时要求成形的颗粒与粉料堆积密度较高，以

8、减少压缩时的排气量。随成形压力的增加，造粒粉料改变外形，相互滑动，填充堆积剩余的空间，并逐步加大接触、紧密镶嵌。由于粉料之间的进一步靠近，使塑化剂分子与粉粒颗粒表面间的作用力加强，坯体具有一定的机械强度。如颗粒度配合适当，塑化剂使用正确，模压法可以得到比较理想的坯体密度。等静压成形又叫静水压力成形，它是利用液体介质的不可压缩性和均匀传递压力性的一种成形方法。处于高压容器中的试样所受到的压力如同处于同一深度的静水中所受到的压力，所以叫做静水压或等静压，使用这种原理进行的成形工艺叫静水压成形，或等静压成形。相比一般的模压法，等静压成形能够压制具有凹形、空心等复杂形状的压件；压制过程中粉末颗粒与弹性

9、模具的相对移动很小，摩擦损耗、单位压制压力低；压制得到的产品坯体密度分布均匀；压坯强度较高，便于加工和运输；所采用的模具材料是橡胶和塑料，成本较低廉；能在较低温度下制得接近完全致密的坯体。等静压成形也具有一些明显的缺点：压坯尺寸的精度控制和压坯表面的光洁度比模压法低；生产率低于自动模压；所使用的橡胶或塑料模具的使用寿命比金属模具短。等静压成形方法有冷等静压成形和热等静压成形两种，冷等静压成形又分为湿式等静压成形和干式等静压成形两种。湿式等静压是最早采用，也是目前比较通用的一种等静压成形方式。等静压成形时，首先将配好的原料放入用塑料或橡胶做成的弹性模具内，真空密封后置于耐高压的钢质容器内，容器密

10、封后使用高压泵将流体介质(气体或液体)压入，高压流体的静压力直接作用在模套内的粉末上，粉末体在同一时间内在各个方向上均衡受压而获得密度分布均匀和强度较高的产品坯体，释放压力取出模具，并从模具内取出成形好的坯体湿式等静压成形时模具直接和液体介质接触，对模具的密封性能要求高。这种方法可以在同一高压缸内成形不同形状的制品，适合于小批量、多品种、大型及复杂形状产品的生产。但工序复杂，工艺操作繁琐，不利于生产的自动化。根据粉料特性及产品的需要，容器内的压力可以调整，通常在35300 MPa，实际生产中常用100一-200 MPa。与湿式等静压相比，干式等静压的弹性模具是半固定式的，不浸泡在液体介质中成形

11、时粉料装入橡皮模中通讨上下活塞密封。压力泵将液体介质注入到高压缸和加压橡皮之间，通过液体和加压橡皮将压力传递到坯体上，使之受压成形。干式等静压在成形过程中操作人员不直接和液体介质接触，工序相对简单，便于自动化生产。但这种方法在加压时只有坯体周向受到压力，而上下活塞方向并不加压，因此，适合于较简单的薄壁、管状及长形制品的成形。为了提高坯体精度和压制坯料的均匀性，宜采用振动法加料。湿法成形是在陶瓷粉体中添加适量黏合剂、增塑剂、溶剂等，形成可以流动的原料，利用其流动性质来形成其特定形状的工艺过程。这类成形方法又分为可塑法成形和流态法成形两类。可塑法成形是利用泥料具有可塑性的特点，经过一定工艺制成一定

12、形状制品的过程。在传统陶瓷生产中普遍采用可塑法成形得到具有回转中心的圆形产品。根据可塑法成形的原理，又发展了挤出成形、轧膜成形等多科成形方法。可塑成形为制备特定形状坯体提供了可能，但由于各种有机结合剂的存在，会影响坯体的成形密度，以及后续的干燥、烧结过程。流态法成形是指在陶瓷粉体中添加大量添加剂，形成具有流动性的料浆，利用其流动性质来形成特定形状的工艺过程。这类成形方法有注浆成形、流延成形、熟压注成形、注射成形、压滤成形、印刷成形及胶态成形等。此类成形方法含有较多有机高分子，随后的排胶、脱脂过程漫长而复杂，对材料致密度、结构及性能均有明显影响。塑化剂是指使坯料具有可塑性的物质。塑化剂可以分为无

13、机塑化剂和有机塑化剂两类。特种陶瓷经常采用有机塑化剂。无机塑化剂主要指传统陶瓷中的黏土物质，其塑化机理主要是加水后形成带电的黏土一水系统，使其具有可塑性和悬浮性。有机塑化剂一般是水溶性的，是亲水的，同时又具有极性。特种陶瓷的成形过程一般包括粉体的制备、制品的成形和制品的烧结三道工序。一 粉体的制备陶瓷体在成形前以粉体形式存在它是大量固体粒子的集合系。粉体的粒度与粒度分布、表面特性等性能对随后所制成陶瓷烧结体的性能具有极大的影响。获得陶瓷粉体的方法有以下几种：1 粉碎法它是将团块颗粒陶瓷用机械或气流粉碎而获得细粉。机械方法是将物料置于球磨机中小停地回转，靠球磨机中的磨球与物料相互撞击被粉碎成细颗

14、粒状。气流法是将物料导人粉碎机内部并通过喷嘴通人压缩空气使物料粉碎，并且物料互相碰撞、摩擦而细化。2合成法合成法是由离子、原子、分子通过反应、成核和成长、收集、后处理而获得微细颗粒。陔方法的特点是纯度、粒度可控均匀性好颗粒微细，并且可以实现颗粒在分子级水平上的复合、均化，合丘殳法有围卞H法、液相法和气相法三种二特种陶瓷的成形特种陶瓷的成形过程由配料、成形和烧结组成。1配料(1)混合。将各种组分的粉料混合均匀可在球磨机中进行。i 2)塑化。普通陶瓷由于含有可塑性黏上成分，加入水就具有良好的成形性，特种陶瓷一般不含黏土原料因此成形前须加入可塑性的化工原料。塑化就是利用塑化剂使原来无塑性的坯料具有可

15、塑性的过程。常用的塑化剂有无机和有机两类。无机塑化剂(黏土)用于普通陶瓷；有机塑化剂用于特种陶瓷。有机塑化剂通常|由三种物质组成，即黏结剂(如聚乙烯醇等)、增塑剂（如甘油）、溶剂(水、酒精等)。(3)造粒。对特种陶瓷的粉料一般希望越细越好这样有利于高温烧结可降低烧结温度。但在成形时，尤其对于干压成形来说，粉料的颗粒越细，流动性反而不好，不能充满模腔，易产生空洞。造粒就是在很细的粉料中加人一定的塑化剂，制成粒度较粗、流动性好的粒子(约2080目)，造粒后有利下改善充模性使充模密度提高。(4)物料的悬浮。当用注浆法成形制坯时，为了使浆料悬浮利于注浆成形，常加入悬浮剂，如烷基苯磺酸钠。2成形(1)注

16、浆成形。注浆成形就是向粉料中加入一定量的水分制成流动性好的浆料将制备好的浆料注入模具内，形成特定厚度的坯体后再倒出多余的浆料待沣件干燥收缩后修坯脱模获取制件。该方法适用于制造大型的、形状复杂的、薄壁的陶瓷制品。，近年来在传统注浆成形的基础上：改良出压力注浆、真空注浆、离心注浆等新方法对提高注件质量、减轻劳动强度、提高生产率起到了积极有效的作用。(2 )模压成形。模压成形又称干压成形，它是将含有极少水分的粉状坯料加入少量结合剂进行造粒然后将造粒后的粉料加入钢模中，在压力机上压制成致密生坯的成形方法。压制成形的过程简单，制品形状尺寸准确，便于实现机械化，是现代陶瓷的主要成形方法，但不适于制造大型坯

17、体。(3)可塑成形，它是采用手工或机械的方法对具有可塑性的坯料施加压力，使其发生塑性变形而制成生坯的方法。常用的可塑成形方法有挤压、滚压、旋压、雕塑及印坯等。挤压成形是将真空炼制的泥料放入挤制机内，挤出各种形状坯体的成形方法。这种挤制机一头可以对泥料施加压力，另一头装有机嘴(即成形模具)，通过更换机嘴，能挤出各种形状的坯体。挤出的坯体，待晾干后，可以切割成所需长度的制品。挤压成形常用于挤制直径13 0mm的管、棒等细管壁厚可小至0.2mm左右；也可用来挤至厚0.2一3 mm的片状坯膜 挤压法的污染小操作易自动化可连续生产，效率高。三烧结（1）低温烧结（2）热压烧结（3）气氛烧结陶瓷的去除加工：

18、在陶瓷成品及半成品的去除加工方法中，按使用频率排列的顺序，依次是金刚石砂轮的切割，金刚石砂轮的磨削，一般砂轮的磨削，一般砂轮的切割，研磨和抛光，其次是超声波加工，砂纸、砂布加工，喷丸加工，珩磨加工。陶瓷材料的强度越低，脆性越大，其加工性越好，但高脆性材料的加工表面粗糙度也相应较大。因此，陶瓷材料的加工表面粗糙度值在一定程度上反映了材料的加工性能。此外，陶瓷通常是绝缘体，这也限制了加工方法的选择，除个别材料外，大多不能采用电解加工或电火花加工方法。(1)陶瓷材料的表面抛光以表面平滑化为主要目的的抛光过程中，通常采用软质的具有弹性或黏弹性的工具(抛光器)和微粉磨料。在超精密加工领域，研磨与抛光无本

19、质的区别。有时抛光的目的是为了得到与基体物理或化学性能相近的表面。研磨与抛光所不同的是，所用的磨料、粒径大小、磨料的保持方式，以及去除单位的大小。一些新的加工抛光方法，如弹性发射加工、软质粉末的机械一化学抛光、水合作用抛光、磁流体抛光等，部分方法已在工业上得到应用。(2)陶瓷材料的切割工业上多采用金刚石砂轮对陶瓷进行切割。金刚石切割片在精密切割、切槽或锯切中发挥了很大的作用。如果采用侧面带有锥度的切割砂轮，还能避免侧面磨料变钝引起的不良影响。采用磨料研磨切割方法能得到精度相当高的切割面。由带钢或钢丝供给磨料，可用于石材、水晶、铁氧体的切割，这也是目前硅产业采用的主要切割方法。在进行玻璃的研磨式

20、切割过程中，要求供给磨料时保持使研磨阻力与垂直荷重之比为03以上，整个操作过程稳定可靠，工作效率很高，且不浪费磨料。对于直径在一定范围内的孔，可以采用金刚石钻头(空心钻)进行圆孔加工，也可以将超声波振动附加在空心钻上。实验室中，使用研磨式加工方法比较方便，进行异形孔加工时可使用超声波方法。进行微小孔加工时，采用激光方法比较合适。高能束的加热加工是以熔融、蒸发为主的去除加工。利用激光进行切割时切割宽度窄，并可进行曲线切割，但是切割的厚度受到一定限制。电子束加工是利用加速热阴极发生的电子，通过电磁镜头在一个微小的点上聚焦，实现材料局部高能量密度，进行热加工，其加工特性与激光加工相同。与激光加工相比

21、，其缺点是需要在真空中作业并伴随X射线的发生，不过在加工陶瓷材料时，还存在绝缘性的问题，但其电气控制容易实现自动化，基本不需要手工操作。电子束由带电粒子组成，希望被加工材料是电的良导体，但去除加工的充电时间极短，充电量很小。如果长时间照射的话，在加工点附近最好由导电体构成回路。放电加工是利用液体中电极之间的放电使材料熔融去除的加工方式。在加工电极与另一个电极(被加工材料)之间施加一个脉冲电压，在绝缘油的中间产生微小的放电回路，产生放电，放电能量使被加工材料表面熔融，周围的液体气化造成的爆裂导致熔融体飞散，材料被加工。放电现象是通过液体中的离子化部分的能量流动产生的，在一定程度上具有高能束加工的

22、要素。为了应用放电加工必须使得陶瓷成为导电体。为此开发研究了各种导电陶瓷，如在Si3N4。陶瓷中加入TiN，但加入TiN会影响材料的力学性能；可以使用更微细的TiN，达到同样的导电率的同时尽量减小对力学性能的损害。陶瓷与金属的连接：在大多数情况下，陶瓷和金属间的连接是永久性的。例如密封的透明灯泡中充入惰性气体以防止白炽灯中的钨丝氧化损坏，火花塞金属电极与绝缘氧化铝基体的密封连接，牙齿中金属填充物的连接，微电子电路与绝缘陶瓷基底的连接，用黏接剂修理珍贵的瓷器；在高技术领域，将耐热耐磨、耐腐蚀陶瓷应用到汽车和飞机发动机上，用生物相容的耐磨陶瓷做金属脊椎替代物的包层，引线与高温超导陶瓷材料的连接。

23、陶瓷和金属的机械连接方法主要包括栓接和热套，但这两种方法均有很大局限性。栓接需要在陶瓷上钻孔，加工难度大，且接头缺乏气密性；热套则会产生很大的残余应力，且为保证有效的气密性，连接件工作温度不能过高。黏接操作简单，接头气密性好，但强度通常较低，且不适合在高温下使用，长期使用时接头性能还会随黏接剂的老化而下降。与上述两种方法相比，焊接接头强度高，耐高温，又能保证一定的气密性，且对连接件几何形状和尺寸要求不高，适用范围更广。在表载的连接方法中钎焊与扩散连接方法比较成熟，应用比较广泛；电子束焊与激光焊接也有应用。除此而外，正在研究开发的陶瓷与金属连接的方法有超声波压接、摩擦压接、过渡液相连接等。从原理

24、或实践上说，有许多工艺可用于陶瓷材料的连接，但并没有所谓最佳工艺，每一种工艺都有它的优点和局限。陶瓷材料的焊接连接形式有：陶瓷与金属材料的连接、陶瓷与非金属材料(如玻璃、石墨等)的连接、陶瓷与半导体材料的连接。陶瓷与金属材料的焊接结构无论在电器制造、电子器件，还是在核能工业、航空航天，以及电真空器件生产等方面，都占有非常重要的地位。陶瓷与金属焊接接头要求具有较高的强度、高的真空气密性、低残余应力，焊接接头在使用过程中应具有耐热性、耐蚀性和热稳定性，同时焊接工艺应尽可能简化，工艺过程稳定，生产成本低。另外，介绍几个无机非金属材料加工有关的知识。氧化锆是一种无机非金属材料,它拥有优良的导电性,抗磨

25、损、抗高温、抗腐蚀,且应用领域广泛。目前,氧化锆陶瓷主要应用在口腔修复领域中,即医用氧化锆陶瓷,它是最好的生物高科技材料之一。作为修复材料,氧化锆陶瓷拥有很多优点(如强度和韧性高、生物相容性良好且加工出的义齿性能和美学效果接近真牙等),但是与金属材料相比,由于切削产生的热应力、切削力等因素,医用氧化锆陶瓷易产生裂纹,从而降低断裂韧性、抗弯强度。因此,有必要加强医用氧化锆增韧陶瓷技术和新工艺的研发。陶瓷材料的加工方法有切削加工,磨削加工,研磨抛光和孔加工等。而在氧化锆陶瓷加工中,常用的方法是使用金刚石砂轮进行磨削加工。但是,陶瓷材料的加工比较困难的原因是它的硬度和脆性高,而且各种类型的表面亚表面

26、损伤会出现在大部分被磨陶瓷材料的零件中。利用大的材料去除率能使加工成本下降,因此,陶瓷磨削的重要目的是在获得最大的材料去除率的同时保证材料表面有足够的完整性和尺寸精度。水溶胶法制备氮化硅陶瓷材料具有高耐磨性。采用滑动铸造技术制备了高耐磨的氧化铝陶瓷。滑移的赛隆复相陶瓷生坯从河砂铸造，采用注浆法制备含黄绿色紧凑的河砂和多种添加剂，使紧凑的用于合成Sialon复相陶瓷碳热还原法。用磁控溅射法在硅衬底上生长碳化硅薄膜。以固相反应法用BaCO3、CeO2制备TiO2含量不同BaO-CeO2-TiO2微波介质陶瓷，TiO2粉末为原料的争议观点。烧结特性、相组成、微观结构和微波介电性能的bao-ceo2-

27、ntio2微波介质陶瓷材料在不同温度下烧结不同n值的影响。结果表明，bao-ceo2-ntio 2微波介质陶瓷的烧结温度较低（1300C），和CeO2不倾向于形成多元化合物。当n = 3，烧结陶瓷具有优异的介电性能Mn2+掺杂硼硅酸锌通过溶胶-凝胶法首次制备了玻璃薄膜。一个薄的凝胶薄膜被沉积在石英玻璃衬底上通过浸涂的方法，再经热处理形成Mn2+掺杂锌硼硅玻璃薄膜。通过添加氧化铜、添加剂，Al2O3陶瓷产物降低烧结温度。TiO2开始溶解成Al2O3形成al2ti7o15固溶在1150-1200C烧结温度和扩散系数有很大提高的Al3 +空位浓度的增大而增大，这是重要的原因，氧化铝陶瓷的烧结过程已经

28、由TiO2的加入促进了。但是，TiO2的固溶度极限为2%4%（质量分数），它是无用的多余的TiO2掺杂降低氧化铝陶瓷的烧结温度。二氧化钛溶于Al2O3的温度可降低到1100C 0.4% CuO，并有效促进氧化铝陶瓷的烧结过程。不同掺杂CuO-TiO2复合烧结氧化铝陶瓷的活化能与上述结果是一致的。氧化铝陶瓷的烧结活化能降低到54.15 kJmol-1添加4%的二氧化钛和2.4%氧化。氮掺杂纳米金刚石薄膜具有良好性。无烧结助剂的高压烧结AlN陶瓷溶胶-凝胶法制的备NiO粉体随着烧结温度的增加具有更大和更均匀的颗粒，更完整的晶体结构和电化学性能。利用激光熔覆成形技术制备镍-青铜合金,成形件表面平整无

29、变形。显微组织为细小而致密的柱状晶。无机非金属材料（陶瓷、玻璃）与金属材料的常见连接方法（玻璃-金属封接、陶瓷-金属封接、陶瓷-金属活性钎焊、陶瓷-金属瞬间液相扩散焊、陶瓷-金属熔钎焊）参考文献：1. 高积强，杨建锋，王红洁编著（西安交通大学）无机非金属材料制备方法 西安交通大学出版社2009337页ISBN：978-7-5605-3042-02. 鲍乐（安徽大学）学位论文医用氧化锆陶瓷的磨削仿真与试验研究 安徽大学20143.费群星，张雁，谭永生，赵靖，曹文镍 青铜合金激光熔覆成形工艺研究 Transactions of Materials and Heat Treatment 4. Hao

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