第6章 無機復合材料的成型

1、程偉東 材料科學與工程學院 1、引言 p 陶瓷粉體的燒成并致密化過程中，必須進行成型 處理，獲得不同的形狀， 提高坯體密度，利于燒成的致密化。 p陶瓷粉體成型的方法很多：如手工、輪轉(zhuǎn)、沖壓、 半干壓制和擠制等方法。 成型方法分類成型方法分類 冷法冷法 坯料含水量坯料含水量 3040% 石膏模石膏模 常壓冷法注漿常壓冷法注漿 加壓冷法注漿加壓冷法注漿 抽真空冷法注漿抽真空冷法注漿 有模有模 無模無模 等靜壓成型法：使用橡皮膜，坯料含水量等靜壓成型法：使用橡皮膜，坯料含水量1.53% 干壓成型法：使用鋼模干壓成型法：使用鋼模 ，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% 注漿成型注漿成型 法法 熱法（熱壓注法）：鋼模熱法（熱壓注法）：鋼模 輪轉(zhuǎn)成型 沖壓成型（以鋁合金為例） 半干壓制成型（視頻制磚機） 擠制成型（視頻） p 將擠制陶瓷坯料放入專用擠 制成型設(shè)備，通過施加一定 壓力，使用活塞或螺桿通過 開放式的壓模嘴擠出成型坯 體，擠出后的坯體可保持原 有形狀。 p 壓模嘴即為成型模具，通過 更換壓模嘴可擠出不同形狀 的坯體。 陶瓷粉體成型的原因： p利用來實現(xiàn)成型。 p粉體的塑性：，其以下為彈性；外加應力 高于屈服點時，粉體產(chǎn)生永久形變，可用于模壓 成型。應力去除后，保持模壓形狀。 p采用壓力將陶瓷粉體壓制成一定形狀的坯 體。

3、I.粒度和粒度分布 粒度是指粉體的顆粒大小，通常以半徑r或 直徑d來表示。 粒度分布指各種大小顆粒所占的百分比。 II.粉體堆積性質(zhì) III. 粉體的拱橋效應 粉體自由堆積的孔隙率比理論計算值大得 多。實際粉體不是球形，加上表面粗糙， 使顆?；ハ嘟诲e咬合，形成拱橋形空間， 增大孔隙率，這種現(xiàn)象稱為拱橋效應。 。壓制成型過程中，隨著壓力 增加，松散的粉料迅速形成坯體。坯體的 相對密度有規(guī)律地發(fā)生變化。分為三個階分為三個階 段：段： 。坯體強度隨成型壓力的變化坯體強度隨成型壓力的變化 大致分為三個階段：大致分為三個階段：第一階段壓力較低，顆粒間接 觸面積仍小，所以強度并不大。第二階段是成型壓力增加

4、， 顆粒位移和填充孔隙繼續(xù)進行，顆粒間接觸面積大大增加， 出現(xiàn)原子間力的相互作用，因此強度直線提高。第三階段， 坯體密度和孔隙變化不明顯，強度變化也較平坦。 1 2 2坯坯 體體 強強 度度 成型壓力成型壓力 成型壓力的影響成型壓力的影響 壓制過程中，加于粉料上的壓力主要消耗在 以下兩個方面： (1)克服粉料的阻力P1，稱為靜壓力。它包括顆 粒相對位移時所需克服的內(nèi)摩擦力及使粉料顆粒 變形所需的力； (2)克服粉料顆粒對模壁摩擦所消耗的力P2，成 為消耗壓力。 加壓方式的影響。加壓方式的影響。單面加壓時，坯體中壓力分布單面加壓時，坯體中壓力分布 是不均勻的（圖是不均勻的（圖4.4a）。不但有低

5、壓區(qū)，還有死角。）。不但有低壓區(qū)，還有死角。雙雙 面同時加壓時，可消失底部的低壓區(qū)和死角，但坯體中面同時加壓時，可消失底部的低壓區(qū)和死角，但坯體中 部的密度較低部的密度較低(圖圖4.4b)。若兩面先后加壓，兩次加壓之若兩面先后加壓，兩次加壓之 間有間歇，利于空氣排出，使整個坯體壓力與密度都較間有間歇，利于空氣排出，使整個坯體壓力與密度都較 均勻均勻(圖圖4.4c)。如果在粉料四周都施加壓力如果在粉料四周都施加壓力(也就是等靜也就是等靜 壓成型壓成型)，則坯體密度最均勻，則坯體密度最均勻(圖圖4.4d)。 加壓速度的影響。加壓速度的影響。 u 開始加壓時，壓力應小些，以利于空氣排出，然后短開始加

6、壓時，壓力應小些，以利于空氣排出，然后短 時間內(nèi)釋放此壓力，使受壓氣體逸出。時間內(nèi)釋放此壓力，使受壓氣體逸出。 u 當用高壓使顆粒緊密靠攏后，必須緩慢加壓，以免殘當用高壓使顆粒緊密靠攏后，必須緩慢加壓，以免殘 余空氣無法排出，在釋放壓力后，空氣膨脹，回彈產(chǎn)余空氣無法排出，在釋放壓力后，空氣膨脹，回彈產(chǎn) 生層裂。生層裂。 u 當坯體較厚，或者粉料顆粒較細、流動性較低，則宜當坯體較厚，或者粉料顆粒較細、流動性較低，則宜 減慢加壓速度、延長持壓時間。為了提高壓力的均勻減慢加壓速度、延長持壓時間。為了提高壓力的均勻 性，通常采用多次加壓。性，通常采用多次加壓。 p注漿成型工藝簡單，適于生產(chǎn)一些形狀復雜

7、且不 規(guī)則、外觀尺寸要求不嚴格、壁薄及大型厚胎的 制品。 p基本注漿方法 ：空心注漿(單面注漿) 實心 注漿(雙面注漿) 空心注漿空心注漿( (單面注漿單面注漿) ) 實心注漿實心注漿( (雙面注漿雙面注漿) ) （一）注漿成型的特點及影響因素（一）注漿成型的特點及影響因素 p注漿成型所用的料漿必須具備如下性能： 1. 料漿的流動性好； 2. 料漿的穩(wěn)定性要好（即不易沉淀和分層）； 3. 料漿的觸變性要小； 4. 料漿的含水量盡可能少，滲透性要好； 5. 料漿的脫膜性要好； 6. 料漿中應盡可能不含氣泡。 影響泥漿流動性的因素 p注漿成型的泥漿應具有一定的流動性和穩(wěn) 定性才能滿足成形的要求。

8、一定濃度的 泥漿中，固相顆粒越細，顆粒間的平均距離越小，吸 引力增大，位移時所需克服的阻力增大，流動性減小。 由于水有偶極性和膠體粒子帶有電荷，每個顆粒周 圍都形成，固相顆粒所呈現(xiàn)的體積比真實體積 大得多，因而阻礙泥漿的流動。泥漿流動時，固相 顆粒既有運動。當顆粒形狀不同時，對 流動所產(chǎn)生的阻力必然不同。對于體積相同的固相顆 粒來說，產(chǎn)生的阻力最?。活w粒形狀不規(guī)則， 流動阻力大，漿料流動性差。 將泥漿加熱時，分散介質(zhì)(水)的 粘度下降，泥漿粘度也因而降低。提高泥漿溫度除增 大流動性外，還可加速泥漿脫水，增加坯體強度。 生產(chǎn)中采用熱膜熱漿進行澆注的方法。若泥漿溫度為 3540、模型溫度為35左右

9、，則吸漿時間可縮短 一半，脫膜時間也相應縮短。 50 生產(chǎn)實踐發(fā)現(xiàn)，粘土原 料經(jīng)過干燥后配成的泥漿其流動性有所改變。如圖所 示，粘土干燥溫度升高時，一定量泥漿流出時間縮短， 即其流動性增加。在某一溫度下干燥粘土時，泥漿流 動性可達最大值。而進一步升高干燥溫度，泥漿的流 動性卻又降低。這和粘土干燥脫水后，表面吸附離子 的吸附性質(zhì)發(fā)生變化（這種現(xiàn)象稱為固著現(xiàn)象）有關(guān)。 干燥溫度干燥溫度 / 流出時間流出時間 / s 13 15 17 100110 瘠性泥漿不含粘土，容易聚沉下 降，控制這類泥漿的穩(wěn)定性和流動性更顯得重要。提 高瘠性泥漿流動性的方法通常有兩種：控制泥漿的pH 值；加入有機膠體或表面活

10、性物質(zhì)作稀釋劑。瘠性泥 漿中的原料多為兩性物質(zhì)。這類物質(zhì)在酸性和堿性介 質(zhì)中都能膠溶，但離解的過程不同，形成的膠團構(gòu)造 也不同。泥漿的pH值改變時，會改變膠粒表面作用力 和影響電位，因而使泥漿在一定范圍內(nèi)粘度顯著下降。 泥漿注入模型后，在毛細管的作用下， 泥漿中的水分沿著毛細管排出?？梢哉J為毛細管力是泥 漿脫水過程的推動力。當模型內(nèi)表面形成一層坯體后， 水分要繼續(xù)排出必先通過坯體的毛細孔，然后再達到模 型的毛細孔中。這時注漿過程的阻力來自石膏模和坯體 兩方面。注漿開始時，模型的阻力起主要作用。隨著吸 漿過程的不斷進行，坯體厚度繼續(xù)增加，坯體所產(chǎn)生的 阻力越顯得重要，最后起主導作用。 泥漿與石膏

11、模接觸時，在其 接觸表面上溶有一定數(shù)量的CaSO4。它和泥漿中的Na-粘 土及水玻璃發(fā)生離子交換反應： 靠近石膏模表面的Na-粘土變成Ca-粘土，泥漿由懸浮狀 態(tài)轉(zhuǎn)為聚沉。石膏起著絮凝劑的作用，促進泥漿絮凝硬化， 縮短成坯時間。生成溶解度很小的CaSiO3，促使反應不斷向 右進行；生成的Na2SO4是水溶性的，被吸進模型的毛細管 中。當烘干模型時，Na2SO4以白色叢毛狀結(jié)晶的形態(tài)析出。 Na-粘土粘土 CaSO4 Na2SiO3 Ca-粘土粘土 CaSiO3 + Na2SO4 p阿德科克推導出吸漿速率的定量公式： p l 為坯體厚度mm，s為坯體中固體顆粒的比表面積m2/g；t 為吸漿時間s

12、；p為泥漿與模型間的壓力差Pa；為水的黏 度Pas；N為常數(shù)。dl/dt為吸漿速率。 p K為吸漿速率常數(shù)，依賴泥漿和石膏的性質(zhì)和注漿溫度。 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，我國古代的 就是最原始的可塑法。 p常用的可塑成型方法主要是、熱壓鑄成 型、膠態(tài)成型等。 可塑料團被擠壓機的螺旋或活塞擠 壓向前、經(jīng)過出來達到要求的形狀。坯體外 形由擠壓機所決定，坯體長度根 據(jù)需要進行切割。 陶瓷擠制： p將陶瓷原料加入有機黏結(jié)劑和塑化成型助劑，經(jīng) 練泥、陳腐、塑化等工序，得到擠制用坯料后， 將擠制坯料放入專用擠制成型設(shè)備，通過施加一 定壓力

13、，使用活塞或螺桿通過開放式的壓模嘴擠 出成型坯體，擠出后的坯體可保持原有形狀。在 這種成型方法中，壓模嘴即為成型模具，通過更 換壓模嘴可擠出不同形狀的坯體。 擠制的壓力擠制的壓力 擠制壓力主要決定于錐角。錐角過小，擠 出坯體強度低。錐角過大，阻力大，設(shè)備 負荷增加。 Dd L 機嘴出口直徑機嘴出口直徑d / mm錐角錐角 / 101720 另一個影響因素是，機嘴出口直徑d和機筒 直徑D的比值。 一般比值在0.50.625之間。電瓷工廠擠制實 心泥時比值在0.33330.60241。 p熱壓鑄成型工藝是在壓力作用下，把熔化 的含蠟漿料注滿金屬膜中，等到坯體冷卻 凝固后，再行脫模。 p這種方法可成

14、型尺寸準確，形狀復雜，質(zhì)量要求 高的陶瓷產(chǎn)品。如電子裝置陶瓷、電容器陶瓷、 氧化物陶瓷、金屬陶瓷、鐵氧體磁性瓷等。 p制備工藝（視頻視頻）。 p以一卷具有韌性的、低灰份的紙（如電容紙）帶 作為載體。讓這種紙帶以一定的速度通過泥漿槽， 粘附上合適厚度的漿料。通過烘干區(qū)并形成一層 薄瓷坯，卷軸待用。在燒結(jié)過程中，這層低灰份 襯紙幾乎被徹底燃盡而不留痕跡。如泥漿中采用 熱塑性高分子物質(zhì)作為粘結(jié)劑，則在加熱軟化的 情況下，可將坯帶加壓定型。 p等靜壓成型是指粉體的各個方向同時均勻 受力。傳遞壓力的介質(zhì)通常為液體。 p室溫下的操作稱為常溫（冷）等靜壓。高溫下操 作的稱為熱等靜壓。 備料裝料加壓脫模 冷等靜