第6章 无机复合材料的成型

1、程伟东 材料科学与工程学院 1、引言 p 陶瓷粉体的烧成并致密化过程中，必须进行成型 处理，获得不同的形状， 提高坯体密度，利于烧成的致密化。 p陶瓷粉体成型的方法很多：如手工、轮转、冲压、 半干压制和挤制等方法。 成型方法分类成型方法分类 冷法冷法 坯料含水量坯料含水量 3040% 石膏模石膏模 常压冷法注浆常压冷法注浆 加压冷法注浆加压冷法注浆 抽真空冷法注浆抽真空冷法注浆 有模有模 无模无模 等静压成型法：使用橡皮膜，坯料含水量等静压成型法：使用橡皮膜，坯料含水量1.53% 干压成型法：使用钢模干压成型法：使用钢模 ，坯料含水量，坯料含水量68% 可塑成型法可塑成型法 成型方法成型方法

2、坯料含水量坯料含水量1826% 注浆成型注浆成型 法法 热法（热压注法）：钢模热法（热压注法）：钢模 轮转成型 冲压成型（以铝合金为例） 半干压制成型（视频制砖机） 挤制成型（视频） p 将挤制陶瓷坯料放入专用挤 制成型设备，通过施加一定 压力，使用活塞或螺杆通过 开放式的压模嘴挤出成型坯 体，挤出后的坯体可保持原 有形状。 p 压模嘴即为成型模具，通过 更换压模嘴可挤出不同形状 的坯体。 陶瓷粉体成型的原因： p利用来实现成型。 p粉体的塑性：，其以下为弹性；外加应力 高于屈服点时，粉体产生永久形变，可用于模压 成型。应力去除后，保持模压形状。 p采用压力将陶瓷粉体压制成一定形状的坯 体。

3、I.粒度和粒度分布 粒度是指粉体的颗粒大小，通常以半径r或 直径d来表示。 粒度分布指各种大小颗粒所占的百分比。 II.粉体堆积性质 III. 粉体的拱桥效应 粉体自由堆积的孔隙率比理论计算值大得 多。实际粉体不是球形，加上表面粗糙， 使颗粒互相交错咬合，形成拱桥形空间， 增大孔隙率，这种现象称为拱桥效应。 。压制成型过程中，随着压力 增加，松散的粉料迅速形成坯体。坯体的 相对密度有规律地发生变化。分为三个阶分为三个阶 段：段： 。坯体强度随成型压力的变化坯体强度随成型压力的变化 大致分为三个阶段：大致分为三个阶段：第一阶段压力较低，颗粒间接 触面积仍小，所以强度并不大。第二阶段是成型压力增加

4、， 颗粒位移和填充孔隙继续进行，颗粒间接触面积大大增加， 出现原子间力的相互作用，因此强度直线提高。第三阶段， 坯体密度和孔隙变化不明显，强度变化也较平坦。 1 2 2坯坯 体体 强强 度度 成型压力成型压力 成型压力的影响成型压力的影响 压制过程中，加于粉料上的压力主要消耗在 以下两个方面： (1)克服粉料的阻力P1，称为静压力。它包括颗 粒相对位移时所需克服的内摩擦力及使粉料颗粒 变形所需的力； (2)克服粉料颗粒对模壁摩擦所消耗的力P2，成 为消耗压力。 加压方式的影响。加压方式的影响。单面加压时，坯体中压力分布单面加压时，坯体中压力分布 是不均匀的（图是不均匀的（图4.4a）。不但有低

5、压区，还有死角。）。不但有低压区，还有死角。双双 面同时加压时，可消失底部的低压区和死角，但坯体中面同时加压时，可消失底部的低压区和死角，但坯体中 部的密度较低部的密度较低(图图4.4b)。若两面先后加压，两次加压之若两面先后加压，两次加压之 间有间歇，利于空气排出，使整个坯体压力与密度都较间有间歇，利于空气排出，使整个坯体压力与密度都较 均匀均匀(图图4.4c)。如果在粉料四周都施加压力如果在粉料四周都施加压力(也就是等静也就是等静 压成型压成型)，则坯体密度最均匀，则坯体密度最均匀(图图4.4d)。 加压速度的影响。加压速度的影响。 u 开始加压时，压力应小些，以利于空气排出，然后短开始加

6、压时，压力应小些，以利于空气排出，然后短 时间内释放此压力，使受压气体逸出。时间内释放此压力，使受压气体逸出。 u 当用高压使颗粒紧密靠拢后，必须缓慢加压，以免残当用高压使颗粒紧密靠拢后，必须缓慢加压，以免残 余空气无法排出，在释放压力后，空气膨胀，回弹产余空气无法排出，在释放压力后，空气膨胀，回弹产 生层裂。生层裂。 u 当坯体较厚，或者粉料颗粒较细、流动性较低，则宜当坯体较厚，或者粉料颗粒较细、流动性较低，则宜 减慢加压速度、延长持压时间。为了提高压力的均匀减慢加压速度、延长持压时间。为了提高压力的均匀 性，通常采用多次加压。性，通常采用多次加压。 p注浆成型工艺简单，适于生产一些形状复杂

7、且不 规则、外观尺寸要求不严格、壁薄及大型厚胎的 制品。 p基本注浆方法 ：空心注浆(单面注浆) 实心 注浆(双面注浆) 空心注浆空心注浆( (单面注浆单面注浆) ) 实心注浆实心注浆( (双面注浆双面注浆) ) （一）注浆成型的特点及影响因素（一）注浆成型的特点及影响因素 p注浆成型所用的料浆必须具备如下性能： 1. 料浆的流动性好； 2. 料浆的稳定性要好（即不易沉淀和分层）； 3. 料浆的触变性要小； 4. 料浆的含水量尽可能少，渗透性要好； 5. 料浆的脱膜性要好； 6. 料浆中应尽可能不含气泡。 影响泥浆流动性的因素 p注浆成型的泥浆应具有一定的流动性和稳 定性才能满足成形的要求。

8、一定浓度的 泥浆中，固相颗粒越细，颗粒间的平均距离越小，吸 引力增大，位移时所需克服的阻力增大，流动性减小。 由于水有偶极性和胶体粒子带有电荷，每个颗粒周 围都形成，固相颗粒所呈现的体积比真实体积 大得多，因而阻碍泥浆的流动。泥浆流动时，固相 颗粒既有运动。当颗粒形状不同时，对 流动所产生的阻力必然不同。对于体积相同的固相颗 粒来说，产生的阻力最小；颗粒形状不规则， 流动阻力大，浆料流动性差。 将泥浆加热时，分散介质(水)的 粘度下降，泥浆粘度也因而降低。提高泥浆温度除增 大流动性外，还可加速泥浆脱水，增加坯体强度。 生产中采用热膜热浆进行浇注的方法。若泥浆温度为 3540、模型温度为35左右

9、，则吸浆时间可缩短 一半，脱膜时间也相应缩短。 50 生产实践发现，粘土原 料经过干燥后配成的泥浆其流动性有所改变。如图所 示，粘土干燥温度升高时，一定量泥浆流出时间缩短， 即其流动性增加。在某一温度下干燥粘土时，泥浆流 动性可达最大值。而进一步升高干燥温度，泥浆的流 动性却又降低。这和粘土干燥脱水后，表面吸附离子 的吸附性质发生变化（这种现象称为固着现象）有关。 干燥温度干燥温度 / 流出时间流出时间 / s 13 15 17 100110 瘠性泥浆不含粘土，容易聚沉下 降，控制这类泥浆的稳定性和流动性更显得重要。提 高瘠性泥浆流动性的方法通常有两种：控制泥浆的pH 值；加入有机胶体或表面活

10、性物质作稀释剂。瘠性泥 浆中的原料多为两性物质。这类物质在酸性和碱性介 质中都能胶溶，但离解的过程不同，形成的胶团构造 也不同。泥浆的pH值改变时，会改变胶粒表面作用力 和影响电位，因而使泥浆在一定范围内粘度显著下降。 泥浆注入模型后，在毛细管的作用下， 泥浆中的水分沿着毛细管排出。可以认为毛细管力是泥 浆脱水过程的推动力。当模型内表面形成一层坯体后， 水分要继续排出必先通过坯体的毛细孔，然后再达到模 型的毛细孔中。这时注浆过程的阻力来自石膏模和坯体 两方面。注浆开始时，模型的阻力起主要作用。随着吸 浆过程的不断进行，坯体厚度继续增加，坯体所产生的 阻力越显得重要，最后起主导作用。 泥浆与石膏

11、模接触时，在其 接触表面上溶有一定数量的CaSO4。它和泥浆中的Na-粘 土及水玻璃发生离子交换反应： 靠近石膏模表面的Na-粘土变成Ca-粘土，泥浆由悬浮状 态转为聚沉。石膏起着絮凝剂的作用，促进泥浆絮凝硬化， 缩短成坯时间。生成溶解度很小的CaSiO3，促使反应不断向 右进行；生成的Na2SO4是水溶性的，被吸进模型的毛细管 中。当烘干模型时，Na2SO4以白色丛毛状结晶的形态析出。 Na-粘土粘土 CaSO4 Na2SiO3 Ca-粘土粘土 CaSiO3 + Na2SO4 p阿德科克推导出吸浆速率的定量公式： p l 为坯体厚度mm，s为坯体中固体颗粒的比表面积m2/g；t 为吸浆时间s

12、；p为泥浆与模型间的压力差Pa；为水的黏 度Pas；N为常数。dl/dt为吸浆速率。 p K为吸浆速率常数，依赖泥浆和石膏的性质和注浆温度。 ls p N dt dl1 2 K s p N t l 2 2 2 p可塑成型是古老的成型方式，我国古代的 就是最原始的可塑法。 p常用的可塑成型方法主要是、热压铸成 型、胶态成型等。 可塑料团被挤压机的螺旋或活塞挤 压向前、经过出来达到要求的形状。坯体外 形由挤压机所决定，坯体长度根 据需要进行切割。 陶瓷挤制： p将陶瓷原料加入有机黏结剂和塑化成型助剂，经 练泥、陈腐、塑化等工序，得到挤制用坯料后， 将挤制坯料放入专用挤制成型设备，通过施加一 定压力

13、，使用活塞或螺杆通过开放式的压模嘴挤 出成型坯体，挤出后的坯体可保持原有形状。在 这种成型方法中，压模嘴即为成型模具，通过更 换压模嘴可挤出不同形状的坯体。 挤制的压力挤制的压力 挤制压力主要决定于锥角。锥角过小，挤 出坯体强度低。锥角过大，阻力大，设备 负荷增加。 Dd L 机嘴出口直径机嘴出口直径d / mm锥角锥角 / 101720 另一个影响因素是，机嘴出口直径d和机筒 直径D的比值。 一般比值在0.50.625之间。电瓷工厂挤制实 心泥时比值在0.33330.60241。 p热压铸成型工艺是在压力作用下，把熔化 的含蜡浆料注满金属膜中，等到坯体冷却 凝固后，再行脱模。 p这种方法可成

14、型尺寸准确，形状复杂，质量要求 高的陶瓷产品。如电子装置陶瓷、电容器陶瓷、 氧化物陶瓷、金属陶瓷、铁氧体磁性瓷等。 p制备工艺（视频视频）。 p以一卷具有韧性的、低灰份的纸（如电容纸）带 作为载体。让这种纸带以一定的速度通过泥浆槽， 粘附上合适厚度的浆料。通过烘干区并形成一层 薄瓷坯，卷轴待用。在烧结过程中，这层低灰份 衬纸几乎被彻底燃尽而不留痕迹。如泥浆中采用 热塑性高分子物质作为粘结剂，则在加热软化的 情况下，可将坯带加压定型。 p等静压成型是指粉体的各个方向同时均匀 受力。传递压力的介质通常为液体。 p室温下的操作称为常温（冷）等静压。高温下操 作的称为热等静压。 备料装料加压脱模 冷等静