第六章陶瓷加工及改

1、2021-7-7第六章陶瓷加工及改 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 2021-7-7第六章陶瓷加工及改 陶瓷材料的加工方法 2021-7-7第六章陶瓷加工及改 2021-7-7第六章陶瓷加工及改 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，材料是以整个晶粒 从

2、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。 2021-7-7第六章陶瓷加工及改 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） 2021

3、-7-7第六章陶瓷加工及改 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 2021-7-7第六章陶瓷加工及改 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。 2021-7-7第六章陶瓷加工及改 抛光是使用微细磨粒

4、弹塑性的抛光机对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。 2021-7-7第六章陶瓷加工及改 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 2021

5、-7-7第六章陶瓷加工及改 （1）放电必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 2021-7-7第六章陶瓷加工及改 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

6、、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， 焊接，打孔，切割等加工目的 光刻加工 特点： 2021-7-7第六章陶瓷加工及改 激 光 M1 M3 M2 M4 刀 具 工 件 0 1 0 0 1 8 激光加工原理示意图 6.2.3 激光加工（laser machining） 2021-7-7第六章陶瓷加工及改 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

7、量的表面，而且可以 加工薄壁、窄缝零件 2021-7-7第六章陶瓷加工及改 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。 2021-7-7第六章陶瓷加工及改 2021-7-7第六章陶瓷加工及改 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

8、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。 l1l2 l3 l4 釉料受热变化的行为 2021-7-7第六章陶瓷加工及改 2021-7-7第六章陶瓷加工及改 2021-7-7第六章陶瓷加工及改 2021-7-7第六章陶瓷加工及改 2021-7-7第六章陶瓷加工及改 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

9、釉法：将釉浆浇到坯体上以形成釉层 （4）刷釉法：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 2021-7-7第六章陶瓷加工及改 （2）温度制度及其控制： 温度

10、制度包括：升温速率、烧成温度（止火温度）、保温时间和冷却 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 2021-7-7第六章陶瓷加工及改 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。 2021-7-7第六章陶瓷加工及改 （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：

11、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 2021-7-7第六章陶瓷加工及改 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。 2021-7-7第六章陶瓷加工及改 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

12、 汽 流 蒸 发 器 真空蒸发镀膜示意图 2021-7-7第六章陶瓷加工及改 2021-7-7第六章陶瓷加工及改 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 2021-7-7第六章陶瓷加工及改 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

13、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。 （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 2021-7-7第六章陶瓷加工及改 特点

14、： 2021-7-7第六章陶瓷加工及改 应用于电子元件、器件中的陶瓷金属的封接，虽然种类繁多，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 )

15、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 2021-7-7第六章陶瓷加工及改 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

16、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 2021-7-7第六章陶瓷加工及改 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

17、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

18、而改善陶瓷表面的润湿性能 2021-7-7第六章陶瓷加工及改 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

19、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 2021-7-7第六章陶瓷加工及改 离子注入是一个非平衡过程，注入元素不受扩散系数、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

20、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。 2021-7-7第六章陶瓷加工及改 金属蒸汽真空弧离子源是利用阴、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

21、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。 2021-7-7第六章陶瓷加工及改 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

22、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 2021-7-7第六章陶瓷加工及改 （1）等离子体与表面的相互作用 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 depositi

23、on） 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。 2021-7-7第六章陶瓷加工及改 （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

24、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，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 R C 脉冲高能量密度等离子体 同轴枪原理图 2021-7-7第六章陶瓷加工及改 （4）脉

25、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，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 2021-7-7第六章陶瓷加工及改 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