功能陶瓷的電磁壓制成型工藝

1、功能陶瓷的電磁壓制成型工藝一、電磁壓制成形由來及簡(jiǎn)介成型是制備陶瓷材料的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在成型過程中形成的某些缺陷僅靠燒結(jié)工藝的改進(jìn)是難以克服的，現(xiàn)在成型工藝己成為制備高性能陶瓷材料部件的關(guān)鍵技術(shù)，它對(duì)提高陶瓷材料的均勻性、重復(fù)性和成品率，降低陶瓷制造成本具有十分重要的意義。功能陶瓷制品傳統(tǒng)上多采用靜力壓制后燒結(jié)（或加壓燒結(jié)）的成型方法，壓制密度難以提高，直接影響了功能陶瓷制品的質(zhì)量和性能。因此，開發(fā)行之有效的高密度、高性能陶瓷制品的凈形成型技術(shù)，是推動(dòng)功能陶瓷材料應(yīng)用與發(fā)展的關(guān)鍵。1952年，美國(guó)凱那金屬公司將TIC、TaC與Ni粉混合密封在金屬袋中，置于355mm口徑的大炮尾部，用炸藥在炮膛

2、內(nèi)爆炸，產(chǎn)生的沖擊波使粉末受壓成形，不僅揭開了爆炸壓制成型的序幕，而且開始了高能率成形技術(shù)的道路。為了克服爆炸成形的不易控制、危險(xiǎn)性高等缺陷，電磁成形作為新的高能率成形技術(shù)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。電磁成形（ElectromagneticForming）是利用毛坯或借助于驅(qū)動(dòng)片在強(qiáng)脈沖磁場(chǎng)中受電磁力作用而產(chǎn)生塑性變形的一種高能率成形方法。目前，電磁成形工藝在美、俄、英、法、德、日等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的航空、航天、汽車、核能、電子、化工等領(lǐng)域已經(jīng)得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。在美、俄等國(guó)家，電磁成形機(jī)的制造已經(jīng)系列化、標(biāo)準(zhǔn)化。能夠加工零件的尺寸已達(dá)1200mm（直徑）X1000mm（長(zhǎng)度）X6mm（厚度）。上世紀(jì)八

3、十年代初期，前蘇聯(lián)己有20臺(tái)電磁成形機(jī)用于工業(yè)生產(chǎn)，而美國(guó)有400多臺(tái)電磁成形機(jī)已投入應(yīng)用。電磁成形技術(shù)的研究始于20世紀(jì)60年代的美國(guó)。伴隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和制造業(yè)發(fā)展的要求的提高，電磁成形一開始以一種新型的金屬塑性加工方法進(jìn)入人們的視線。它是通過高壓儲(chǔ)能電容對(duì)線圈瞬間放電產(chǎn)生強(qiáng)脈沖磁場(chǎng)，使坯料（板料或者粉料）在沖擊電磁力作用下高速成形的一種成形方法，相比其它成形技術(shù)，它具有生產(chǎn)效率高、工藝重復(fù)性好、工裝簡(jiǎn)單等一系列優(yōu)點(diǎn)。目前，電磁成形技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天、原子能、汽車、儀器儀表、電子以及玩具等領(lǐng)域。功能陶瓷在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)中具有特別重要的地位，這類材料具有電、磁、光學(xué)、機(jī)械、生

4、物以及化學(xué)等多種卓越功能，用途十分廣泛。在功能陶瓷的研究開發(fā)上，制備工藝和成形技術(shù)歷來是受關(guān)注和重視的焦點(diǎn)之一。電磁成形技術(shù)作為二十一世紀(jì)的新興成形技術(shù)在功能陶瓷行業(yè)有著較高的應(yīng)用價(jià)值。利用電磁成形技術(shù)制備功能陶瓷產(chǎn)品有著巨大的實(shí)用價(jià)值和美好的應(yīng)用前景。最初，英國(guó)曼切斯特大學(xué)理工學(xué)院把電磁成形的思想引入到粉末壓制之中。起初，他們采用的是直接放電壓制（EDC），即不通過線圈，儲(chǔ)能電容組直接對(duì)粉末體放電，瞬間的電能釋放，使金屬粉末顆粒表面的氧化層被擊穿，在金屬離子之間形成金屬鍵，同時(shí)，在電磁場(chǎng)的“收縮效應(yīng)（pincheffect）”下，粉末體沿半徑方向收縮，而使之壓實(shí)。在EDC的研究基礎(chǔ)上，90年

5、代初，一種將壓制過程和燒結(jié)過程集成在一起的放電加壓燒結(jié)法廣為人們所關(guān)注。用這種方法已經(jīng)成功的實(shí)現(xiàn)了許多超硬材料、難熔合金、金屬陶瓷及梯度功能材料的粉末制品加工。隨后，陶瓷材料學(xué)家將其應(yīng)用到了陶瓷粉體的壓制成型中，并取得了良好的效果。從理論上說，以功能陶瓷粉末為材料和以其它粉末材料為原料進(jìn)行壓制，基本原理是一樣的，都是一種突破傳統(tǒng)靜壓方式的高能率成形方法，這種方法不僅為功能陶瓷的制備工藝打開了一條新路，也為研究開發(fā)高密度、高性能、近終成形功能陶瓷制品開辟了新的研究領(lǐng)域。鑒于功能陶瓷行業(yè)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要性，和該行業(yè)越來越迅猛的發(fā)展勢(shì)頭，有必要把電磁成形粉末壓制技術(shù)應(yīng)用到功能陶瓷的制

6、備上來。二、電磁壓制成形的物理學(xué)原理電磁成形的理論基礎(chǔ)是物理學(xué)中的電磁感應(yīng)定律。由定律可知變化的電場(chǎng)周圍產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，而隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)在其周圍空間激發(fā)渦旋電場(chǎng)。所以當(dāng)有導(dǎo)體處于此電場(chǎng)中時(shí)就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流（渦流）。在電磁成形過程中，磁場(chǎng)力是工件成形的動(dòng)力。2xci容（:I渦流2.r.M二線圈4磁山線開關(guān)人國(guó)|電磁成形原理示意圖圖1所示是密繞圓線圈和平板坯料的截面圖。密繞圓線圈與一個(gè)儲(chǔ)能電容器相接，當(dāng)高壓開關(guān)K閉合時(shí)，電容器快速放電，在回路中產(chǎn)生變化的電流，該電流在圓線圈周圍產(chǎn)生變化的脈沖磁場(chǎng)。該脈沖磁場(chǎng)穿過工件而在工件上產(chǎn)生感應(yīng)電流（渦流）。這一過程發(fā)生在幾十到幾百微秒的瞬間，瞬時(shí)放電功率可

7、達(dá)125個(gè)百萬千瓦電站發(fā)出的功率。圖2匚件受力分析如圖2所示，圓線圈所產(chǎn)生的脈沖磁場(chǎng)B穿過坯料時(shí)可以分解成徑向分量Br和軸向分量Bz。由安培定律容易得出線圈脈沖磁場(chǎng)的徑向分量Br作用于坯料中的渦旋電流使工件受到背離線圈平面的電磁沖擊壓力Fz,而脈沖磁場(chǎng)的軸向分量Bz作用于坯料中的渦旋電流則產(chǎn)生徑向電磁壓力Fr。由安培力和壓強(qiáng)公式可得1：P=BJ6,P=BJ6。式中Pz、Pr為作用于坯料上zr0rz0的軸向電磁壓強(qiáng)和徑向電磁壓強(qiáng)；6為坯料電流穿透深度；J為渦旋電流密度。電磁壓強(qiáng)0Pz、Pr作用于坯料的時(shí)間極短,加載期間坯料軸向厚度變化很小,徑向電磁力在坯料平面內(nèi)的彎矩近似為零；由于軸對(duì)稱性,坯料

8、平面內(nèi)徑向電磁力的合力為零,因此徑向電磁力僅影響電磁成形過程中的材料流動(dòng)，坯料成形的壓力是由軸向磁壓強(qiáng)Pz實(shí)現(xiàn)的。電磁成形屬于高能量密度加工工藝,它首先把電能儲(chǔ)存在高壓電容器中,然后向加工線圈瞬間放電（微秒級(jí)），線圈產(chǎn)生的高強(qiáng)度磁場(chǎng)使坯料（板料或者粉料）受力從而產(chǎn)生變形，坯料變形時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)每秒數(shù)百米。從變形時(shí)間短和速度高這一點(diǎn)上來說類似于爆炸成形，故它也表現(xiàn)出了爆炸成形那樣的超塑性。電磁成形時(shí)坯料所受的力F是加工線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)和坯料內(nèi)所產(chǎn)生的感生電流相互作用的結(jié)果，而磁場(chǎng)強(qiáng)度隨線圈中電流I的增大而增大，坯料中的電流I隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增12大和坯料材料電阻的減小而增大，在設(shè)置好其它參數(shù)后，坯

9、料的受力可表示為：=ff（I），311式中，f（I）為加工線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度；ff（I）為在坯料中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì);112L11fLf（I）2L11為坯料中的感生電流。R用電磁成形方法加工粉料時(shí)，其基本原理是一樣的，主要側(cè)重于成形工藝對(duì)制品密度組織，電力學(xué)性能等方面的影響研究。三、電磁壓制成形設(shè)備工伴!交義1fn1亦盡電略1II施鼻矗AAM電路占T4f圖四電磁成形設(shè)備是實(shí)施電磁成形的工具,其結(jié)構(gòu)、參數(shù)和性能對(duì)電磁成形具有決定性的作用。下面對(duì)電磁成形設(shè)備的概況作一簡(jiǎn)單介紹。電磁成形設(shè)備的組成如圖三和圖四所示。它基本由四部分組成：(1)高壓電源系統(tǒng)，由調(diào)壓器、變壓器、整流電路等組成：(2)儲(chǔ)能系統(tǒng)

10、，由數(shù)臺(tái)脈沖電容器組成：(3)放電回路系統(tǒng)，由高壓放電開關(guān)、工作線圈及毛坯組成：(4)控制回路系統(tǒng)，由操作臺(tái)、儀表、控制元器件、觸發(fā)電路等組成。對(duì)于電磁壓制設(shè)備的類型及分類，按工作頻率f和自然頻率f，電磁成形設(shè)備可分為三種：低頻設(shè)備(f=520kHz,f30kHz)；中頻設(shè)備(f=2050kHz,f=3080kHz)；高頻設(shè)備(f=50200kHz,f=80300kHz)。電磁成形設(shè)備的工作頻率(或放電頻率)對(duì)電磁成形工藝有重要影響，對(duì)不同的成形工藝要求，應(yīng)選用不同工作頻率的設(shè)備。一般原則是，較高放電頻率的設(shè)備適用于沖裁、校形、聯(lián)接或焊接等場(chǎng)合；較低放電頻率的設(shè)備適用于變形量較大的脹形、縮口及

11、其他成形場(chǎng)合。因此，三種類型的設(shè)備基本上可滿足不同的電磁加工工藝要求。電磁成形設(shè)備的工作頻率與設(shè)備的電容值有關(guān)，且受設(shè)備固有電感及工作線圈電感的影響,大致有以下關(guān)系：f式中L放電回路的總電感；C設(shè)備的電容值。2兀乂LC對(duì)于電磁壓制設(shè)備從由設(shè)備圖紙到投入工廠使用，同其他工藝設(shè)備一樣，經(jīng)歷了長(zhǎng)期的探索。1958年，美國(guó)通用電力公司在日內(nèi)瓦舉行的第二次國(guó)際和平利用原子能的會(huì)議上展出了世界上第一臺(tái)電磁成形機(jī)。1962年，美國(guó)的布勞爾(Brower)和哈維(Harvey)經(jīng)過改進(jìn)和完善發(fā)明了可用于工業(yè)生產(chǎn)的電磁成形機(jī)，并申報(bào)了專利，注冊(cè)商標(biāo)為magneform。這標(biāo)志著電磁成形技術(shù)真正開始走向?qū)嵱没凸?/p>

12、業(yè)化。從此，電磁成形引起了各工業(yè)國(guó)的廣泛關(guān)注和高度重視，美國(guó)、前蘇聯(lián)、日本、德國(guó)、英國(guó)、加拿大、法國(guó)等國(guó)家紛紛開展了這方面的理論、工藝及應(yīng)用的研究，并取得了不少成果。其中，美國(guó)和前蘇聯(lián)處于遙遙領(lǐng)先的地位。60年代中期,出現(xiàn)了儲(chǔ)能為50、200、400kJ的電磁成形機(jī)；70年代中期，已有400多臺(tái)電磁成形機(jī)運(yùn)行在各種生產(chǎn)線(如脹形、縮徑、裝配、壓印和沖裁)上，使用這種新工藝和設(shè)備的工廠超過150個(gè),且多數(shù)設(shè)備用于大批量生產(chǎn),有的已運(yùn)行了500萬次之多。這些設(shè)備的脈沖電流一般在100000400000A，放電周期多在100ps左右。到80年代中期，電磁成形已在美國(guó)、前蘇聯(lián)、日本的工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣

13、泛的應(yīng)用。美國(guó)和前蘇聯(lián)生產(chǎn)的設(shè)備均已系列化、標(biāo)準(zhǔn)化。如美國(guó)Maxwell公司生產(chǎn)的各種magneform設(shè)備已遍布美國(guó)、日本的十幾家大公司的150多個(gè)生產(chǎn)廠家；且蘇聯(lián)除了生產(chǎn)通用的電磁成形機(jī)外，還制造了一些專用的電磁成形設(shè)備，如My-20/nm型電磁成形機(jī)就是專門為加工鈦合金而設(shè)計(jì)制造的，它具有給工件加熱的裝置，這一時(shí)期，設(shè)備的最大能量為500kJ。國(guó)內(nèi)電磁成形研究一直停留在實(shí)驗(yàn)室階段。用于電磁成形的設(shè)備有進(jìn)口的原裝機(jī)，也有國(guó)內(nèi)部分單位自行開發(fā)設(shè)計(jì)與制造的。60年代初期，中國(guó)科學(xué)院電工研究所曾組織力量系統(tǒng)地研究過電磁成形工藝及設(shè)備，但文革中及以后就沒有人研究了，原有設(shè)備至今已不存在。70年代末

14、，哈爾濱工業(yè)大學(xué)又開始再次組織力量進(jìn)行該設(shè)備與工藝的設(shè)計(jì)、研究及開發(fā)工作，并于1987年研制成功了7.2kJ的電磁成形機(jī)。1980年以后，曾有哈工大、上海交大、中科院電子所和鞍山靜電設(shè)計(jì)研究院等單位先后從前蘇聯(lián)、美國(guó)進(jìn)口了一些電磁成形機(jī)，但進(jìn)入90年代后，電子所、鞍山靜電研究院的設(shè)備或轉(zhuǎn)賣別人，或已壞不能再用，唯有哈工大、上海交大的蘇式、美式進(jìn)口設(shè)備還較完好，但也不常用了。90年代中期，哈工大與兄弟單位合作，分別給上海航天局、北京機(jī)電所開發(fā)制造出一臺(tái)30kJ的電磁成形設(shè)備，共花費(fèi)了70多萬元人民幣；兵器部59所、中南工大，東北大學(xué)等單位也通過合作，制做并擁有了國(guó)產(chǎn)的電磁成形機(jī)。并且哈爾濱工業(yè)大

15、學(xué)在過去研制的7.2kJ電磁成形機(jī)的基礎(chǔ)上，又分別于1990年、19951996年再次研制出14.4、36kJ中型及1.2kJ的小型電磁成形設(shè)備。目前，該校有三臺(tái)自己設(shè)計(jì)與制做的1.2、14.4、36kJ和一臺(tái)從前蘇聯(lián)進(jìn)口的約40kJ的電磁成形機(jī)，是我國(guó)目前電磁成形工藝及設(shè)備的開發(fā)與研究力量最強(qiáng)的單位之一。總的來說，國(guó)產(chǎn)設(shè)備雖然成本比進(jìn)口低，但結(jié)構(gòu)不甚合理且龐大，設(shè)備能量小，很少有超過40kJ的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)實(shí)需要。四、電磁壓制成形在功能陶瓷中的應(yīng)用下面通過武漢理工大學(xué)對(duì)于低電壓電磁壓制在功能陶瓷制備中的應(yīng)用以及探究來簡(jiǎn)單說明這種壓制成型工藝對(duì)于優(yōu)化功能陶瓷的性質(zhì)方面的優(yōu)勢(shì)。1-座套;2-線

16、圖；3-驅(qū)動(dòng)片;4-職大誥；5-沖頭逋-凹模：L粉末；B-F模昵A螺崔10-J;模板；L1-螺母實(shí)驗(yàn)工裝如上圖所示，平板線圈2通過座套1固定在上模板上。當(dāng)放電回路開關(guān)閉合時(shí)，平板線圈中通過強(qiáng)脈沖電流I,此電流在其周圍產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)B,并在驅(qū)動(dòng)片3上激發(fā)感應(yīng)禍流i,i也在其周圍形成另一個(gè)磁場(chǎng)B，i在B和B疊加磁場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生幅值很大的脈沖電磁壓力p,經(jīng)過放大器4傳遞和放大后，作用在沖頭5上，使其壓入凹模，完成粉末壓制。其中,驅(qū)動(dòng)片和沖頭都嵌入放大器中,凸模兼做導(dǎo)向工作。壓制完成后將凹模取出,頂出試件。備宦配方、選取耕料各種丁藝參數(shù)的選頃TT測(cè)試毛坯密度饒結(jié)實(shí)驗(yàn)測(cè)試制品畜度和電學(xué)性能TT電磁成形

17、對(duì)制品密度及性能的影響組織的影響規(guī)律，并與靜力壓制做比較。在他們的工作中，以電子陶瓷要深入地研究功能陶瓷低電壓電磁壓制成形的工藝問題，并對(duì)功能陶瓷制品的內(nèi)部組織和電學(xué)性能做進(jìn)一步的研究，具體研究?jī)?nèi)容有：1、全面系統(tǒng)的研究放電何尺寸等力能工藝參數(shù)對(duì)功能陶2、測(cè)試陶瓷制品的響規(guī)律，并與靜力壓制做比較：3、做掃描電鏡分析陶瓷制品的微觀結(jié)構(gòu)，研究低電壓電磁壓制對(duì)功能陶瓷制品內(nèi)部各項(xiàng)NIJ乞圈結(jié)構(gòu)、放大器錐度、壓制次數(shù)、制品幾并與靜力壓制做比較。對(duì)功能陶瓷制品電學(xué)性能的影勺影響規(guī)律,圖五為試驗(yàn)流程圖。在實(shí)驗(yàn)中，他們選擇介電陶瓷材料TiO和壓電陶瓷材料PZT作為2實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象。4.1壓制密度及分析4.1.

18、1在放電線圈為15匝，放大器錐角為45度的情況下，改變放電電壓和放電電容，分別對(duì)m=2g的PZT和m=1.5g的TiO:粉末進(jìn)行壓制，壓制毛坯密度見下表，其相對(duì)密度2與電壓、電容的關(guān)系如下圖所示。表3-1PZT&坯壓制密度與申玉*電容的關(guān)系線圈帀數(shù)15匝，放大器錐角斗實(shí)m-2g)LUM*)12300102503200&004.6863854.621594.536381700481642d.7491214.6248458005.190085960!94.714227900i5.1533144,951264.764514100Q4.9J2B054.8039084.679305表3-2口毛坯壓制密度

19、與電壓.電容的關(guān)系(線圈匝數(shù)15匝.放大器錐角45m-1.5g)密度p電邑磔打(nF)12300IG2502007002.237652.221593.21364500229137412891212.2867S79002.57027比019Z389B5610002.4963332451262.417562由圖旺1可知，隨著放電電壓的增加，PZT毛坯密度呈梯度增加，當(dāng)電壓增加到一定時(shí)(800900v),毛坯密卜度不再提高，密度分布亍曲線上出現(xiàn)段平臺(tái)1電壓增加到900v以上時(shí)，密度反而出現(xiàn)下降趨勢(shì)，放電電壓增加到1000V時(shí)密度下降較為明顯。由圖3-2同樣可以看出，TiO壓制密度隨電壓的變化與PZT

20、有著相同的變化特征。2l、3綜合圖3一1、3一2可知，在一定電壓范圍內(nèi)，毛坯密度隨電壓增加呈上升趨勢(shì)，但當(dāng)電壓達(dá)到一定值時(shí)，密度開始出現(xiàn)下降，由此可知，陶瓷粉末的壓制電壓有一個(gè)最佳范圍。赳fc真至艮陽(yáng)放電電壓（計(jì)圖PZT毛坯相對(duì)巒度電壓氣電容的關(guān)系（線圈匝數(shù)15匝*放大器錐角45,m=2E）0700900goo10001100磁壓力與放電電壓的平方成正比。成型壓力過低，坯體孔隙率較高，密度分布不均，導(dǎo)致坯體強(qiáng)度差。當(dāng)放電電壓過低時(shí),磁壓力很小，因此壓制后的坯體容易破裂。在其它電參數(shù)不變時(shí)，在一定的電壓范圍內(nèi)，隨著電壓的增大，由于磁壓力幅值增大，所以毛坯的密_度增大。但電壓增大到一定程度時(shí)，密度

21、的增幅不明顯。這是由于當(dāng)電壓較低時(shí)，壓力較小,坯繼續(xù)壓實(shí)所需磁壓力增大；另一方面由于電磁壓制是瞬時(shí)壓制，無保壓過程，在壓制完之后，陶瓷粉產(chǎn)生回彈，使得電壓的增大對(duì)密度的繼續(xù)提高影響并不十分明顯。坯體內(nèi)孔隙較坯體己經(jīng)具疋增加到一定值時(shí)，一方面這些應(yīng)力使毛當(dāng)電壓超過1100v時(shí)，粉末壓制情況極不穩(wěn)定，很容易出現(xiàn)毛坯分層破裂現(xiàn)象。放電電壓越高，分層現(xiàn)象越明顯。放電電壓越高，成型壓力越大，加載速率越快，粉末顆粒間的空氣因來不及排出而被壓縮于坯體內(nèi)，也就是說，電壓越高，坯體內(nèi)殘余空氣越多。壓制結(jié)束后，坯體內(nèi)的殘余空氣將膨脹而使坯體產(chǎn)生層裂。因此要得到致密的陶瓷毛坯，一定的電壓是必需的，但放電電壓不能太高

22、，壓制陶瓷體存在一個(gè)最佳的電壓范圍。從圖3-1也可以看到，在其它電參數(shù)保持不變時(shí)，隨著電容的增大，PZT毛坯密度呈梯度增加，這是由于磁壓力的幅值增加，特別是作用時(shí)間大為延長(zhǎng)，所以粉末的密度是增大的。由圖3-2同樣可以看出，TiO壓制密度隨電容的變化與PZT有著相同的變化特征。24.1.2.在放電電壓為800v，放電電容為12300F,放大器錐角為45度的情況下，改變放電線圈的匝數(shù)，分別對(duì)PZT和TiO粉末進(jìn)行壓制，壓制毛坯密度見下表，其相對(duì)密度2與線圈匝數(shù)、毛坯尺寸的關(guān)系如下圖所示。表PZT毛坯密度與線圈匝數(shù)=毛坯尺寸的關(guān)系（放大器錐角4舁，U-fiOOv,12300nF）痹度饒圈0匝ISE2

23、0匝靜壓.25.2302315.3351625.358871!5.15SM6i3S.I87S975.2654395.2850295.056&5514.95089951446395195254.8175463（兩歡壓制）|5.3016315.3872295.406145a3*4TiO毛坯密度與線圈徂數(shù)、毛坯尺寸的關(guān)系（放大器錐ft45thl-800v,C=12300pF）常8E塢圈10I20匝靜壓1.52.36340542.44272.4773J22.32370F2231044232.41403S24339022.2667172.52.28456122.3552432.3801192,21655

24、82W欲圧制）2.40031252.495132.5JI995由圖3-3可知，當(dāng)放電線圈的匝數(shù)依次增加時(shí)，PZT毛坯的密度也依次上升，由圖3-4同樣可以看出，TiO壓制密度隨線圈匝數(shù)的變化與PZT有著相同的變化特征。同樣在兩次2壓制中，線圈匝數(shù)的增加也使得毛坯的密度增加。3-3PZT毛坯相對(duì)密度與線圈匝數(shù)，毛坯尺寸的關(guān)系（放大器錐角4置U-800vaC-l2300nF）圖芬4TiO?毛坯相對(duì)密度與線圏廂數(shù).毛坯尺寸的關(guān)系放大器錐角4賓U=800vrC-12300F）線圈匝數(shù)的增加使得線圈的電感增加，從而使放電角頻率變小，作用時(shí)間大為延長(zhǎng)，同時(shí)線圈匝數(shù)的增加也提高設(shè)備能量的利用率，因而使得毛坯的

25、密度增加。4.1.3.在放電電壓為800v，放電電容為12300F,放電線圈為15匝的情況下，改變放大器的錐角，分別對(duì)PZT和TiO2粉末進(jìn)行壓制，壓制毛坯密度見下表，其相對(duì)密度與放大器錐角、毛坯尺寸的關(guān)系如下圖所示。表3dPET毛坯密度，片放大器錐角、毛坯尺寸的關(guān)系1U二012300pF,線勰匝數(shù)15匝、冷惶旅大冊(cè)航度）354555詳壓25J06535.3351625.2675.159463352306935.26543?52263託5.Q56S55|44.9495745.1686394.977134.81754613（兩次J*制）5.3456975.3872295.32285表鼻石Ti毛坯

26、卓度與放大器錐角毛坯尺寸的關(guān)系（1.1800vh（12300nF.線幽匝與巧匝）咱度）顧晝泄1354555靜壓152.266142.44272.4J78922.323701223699652.414Q3B23918822667172.52.3252932.35243233192.216S532兩次壓制）2,4623192.4954312.46744由圖3-5可知，當(dāng)放大器的錐角從35度增加到45度時(shí)，PZT毛坯的密度也相應(yīng)上升;當(dāng)放大器的錐角從45度增加到55度時(shí)，PZT毛坯的密度則相應(yīng)下降，可見當(dāng)放大器的錐角為45度時(shí)，PZT毛坯的密度最大，由圖3-6同樣可以看出，TiO2壓制密度隨放大器的

27、錐角的變化與PZT有著相同的變化特征。同樣在兩次壓制中，當(dāng)放大器錐角為45度時(shí)，毛坯的密度最大。*-35度弼度十-砧度給_靜壓13-5PZT毛坯相對(duì)密度丐放大器錐第r毛坯尺5的關(guān)系53%.5g2g2.5g觀兩ifc毛坯相對(duì)密度與放大器錐角.毛坯尺寸的關(guān)系（U=800v.1C-12300nF.線圈止數(shù)15匝）35/S非度-*-55/8-flffE（U=B00v?C=12300pF.純?nèi)υ褦?shù)15匝）電磁成形屬于高速成形，壓制過程中應(yīng)力以沖擊波的形式傳導(dǎo)，不同錐角的放大器對(duì)應(yīng)力沖擊波的傳導(dǎo)率不同，當(dāng)放大器錐角為45度時(shí)，放大器對(duì)應(yīng)力沖擊波的反射最小，傳導(dǎo)率最好，因而毛坯的密度最大。4.1.4由圖3-

28、3、3-4、3-5、3-6我們還可以看出，在其它放電參數(shù)不變的情況下，同種粉末隨著其質(zhì)量的增加，密度呈下降趨勢(shì)。由于壓制時(shí)采用同一套模具，凹模內(nèi)徑不變因此坯體質(zhì)量增加即增加了松裝粉末的高度，隨著高徑比的增加，毛坯密度下降。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是顆粒移動(dòng)和重新排列時(shí)，顆粒之間產(chǎn)生內(nèi)摩擦力，顆粒與模壁之間產(chǎn)生外摩擦力。這二種摩擦力妨礙了壓力的傳遞。使得坯體內(nèi)密度分布不均，高徑比愈大，粉體與凹模之間的摩擦愈大，不均勻分布現(xiàn)象愈嚴(yán)重，而且磁力波克服摩擦力（包括顆粒之間的內(nèi)摩擦和粉體與模壁之間的外摩擦）做功所消耗的能量越大，導(dǎo)致最終試樣密度降低。因此高徑比降低，獲得最大壓制密度所需的放電電壓也隨之降低。4

29、.1.5圖3-3、3-4、3-5、3-6顯示，兩次壓制對(duì)毛坯密度有較明顯的提高，坯體經(jīng)過一次放電壓制后，己經(jīng)具有一定的致密性。但體內(nèi)仍有孔隙，在一定電壓范圍的兩次壓制會(huì)使坯體進(jìn)一步壓實(shí)致密，多次放電壓制(多于兩次)時(shí)，殘存于坯體內(nèi)的壓縮空氣在沖擊力的反復(fù)作用下，會(huì)不斷排出，因此容易出現(xiàn)分層。同樣，兩次壓制的放電電壓越大，壓制力越大，加載速率越快，坯體內(nèi)殘留壓縮空氣越多。因而電壓過大時(shí)也會(huì)導(dǎo)致坯體分層。4.1.6.對(duì)比圖3-1和3-2可以看出，TiO和PZT的壓制情況有一定區(qū)別，1.5gTiO坯22體的最佳放電電壓為900v，根據(jù)咼徑比提咼最佳放電電壓也提咼的規(guī)律，2gTiO坯體的最2佳放電電壓

30、應(yīng)該大于900v，而同等質(zhì)量(m=2g)的PZT的最佳放電電壓卻為800v，但是TiO2坯體的最大相對(duì)密度(59.3%)小于PZT的最大相對(duì)密度(71.8%)。這是粉體的不同機(jī)械性能差異所致。4.1.7使用天津科器高新技術(shù)公司生產(chǎn)的769YP一15A型粉末壓片機(jī)，在靜壓20Mpa下壓制的TiO坯體和PZT坯體的密度分別見下表。2表3-1_靜力床制T0坯體密度(g)密度J2.5絕對(duì)密度(g)2322.272.22甬對(duì)密度(%)54,753.352.1表3-8靜力壓制P2T坯休密度量Q密度2314.5絕則密度金)5.165.06|4.82相對(duì)密度俚)8,867.464.2從圖3-3、3-4、3-5

31、、3-6可以看出，在一定的放電參數(shù)下，電磁壓制的毛坯密度均咼于普通靜力壓制。這是因?yàn)殪o力壓制時(shí)，靠近沖頭的粉末先壓實(shí)，再將壓制力向下傳遞，由于壓實(shí)粉末與模壁的摩擦作用，沖頭施加的壓制力在傳遞到底部時(shí)，已經(jīng)有很大一部分被摩擦力所抵消，使得制品密度沿壓制方向呈梯度下降。而電磁壓制則不同，慣性力在壓實(shí)過程中起主要作用，脈沖電磁力在上層粉末尚未完全壓實(shí)前早既以應(yīng)力波的形式傳遞到粉末底部，壓力傳遞損失主要取決于粉末材料的波阻，因此，沿壓制方向密度分布較為均勻，從而使得電磁壓制坯體密度高于靜力壓制坯體密度。因此，相比靜力壓制，電磁壓制能夠提高陶瓷坯體密度。4.2制品密度分析4.2.1.在放電線圈為15匝，

32、放大器錐角為45度的情況下，改變放電電壓和放電電容，分別對(duì)m=2g的PZT和m=1.5的TiO2粉末進(jìn)行壓制、燒結(jié)，制品密度見下表，其相對(duì)密度與電壓、電容的關(guān)系如下圖所示。表*】燒結(jié)PZT制品密度與電壓=電容的關(guān)系（線圈匝數(shù)15匝放大器錐角E二2商嚴(yán)電電容他壓眄12300102S082006007.167967.0B16MZ0J846B7OT7,2819147.25194771412358007390S1f7J3975272003049(?0-7.324$!730T2S37.2407S810007.296257.2257917.109427表牛2燒結(jié)TiO?制品密度與電壓、電容的關(guān)系（線圈匝數(shù)

33、15放大器錐角卯5“m-1.5g）密Ll屯穿(2300PFJ025011i-S200ixJ腫V匚1216184.1063774,083759800V4.1590844.137477.4.106325900V4163284.1648244J4439B81000V4.1624184.1566974J50232noov4J422874.133GZ514.12*421100.0%97.5%95.0%13300kF-10250liF-a8200uV!92.5%6007008009001000放電電壓W)_W-”I圖4-1燒結(jié)PZT制品密度口電壓、電容的關(guān)系帀數(shù)特帀，放K器錐甫45，m-2g)971230

34、F-10250uF-*-8200pp從圖4-1、4-2可以看出，在一定電壓范圍內(nèi)，陶瓷制品密度隨電壓的增加呈梯度上升,但電壓超過一定值后，密度急劇下降。對(duì)比圖3-1、3-2可知，電壓對(duì)于毛坯密度的影響最終同樣地影響到制品密度，也就是說，在一定的電壓范圍內(nèi)，增加電壓提高了毛坯的密度，從而最終提高了燒結(jié)制品的密度。同樣地，壓制電壓過大，毛坯密度下降，則對(duì)應(yīng)的制品密度急劇下降。由于電子陶瓷的燒結(jié)主要是固相相燒結(jié)，在無外力作用下，燒結(jié)的推動(dòng)力主要來源于坯料的表面能和晶粒界面能。較低電壓下壓制的毛坯孔隙較多，燒結(jié)過程中殘余氣孔較多，阻礙晶粒的長(zhǎng)大，同時(shí)使制品內(nèi)留下較多的氣泡，從而影響制品密度。隨著電壓增

35、加,坯體內(nèi)氣孔減少，燒結(jié)時(shí)晶粒之間更容易凝聚，晶粒容易長(zhǎng)大，最終使制品致密性得到提高但放電電壓過大，加載速率過快，顆粒之間的空氣因來不及排出而被壓縮于坯體內(nèi)。燒結(jié)時(shí)，坯體內(nèi)壓縮空氣會(huì)膨脹外排，從而阻礙晶粒長(zhǎng)大。其中部分空氣排出坯體，另一部分則殘留于制品內(nèi)，形成較多氣泡。另一方面，電壓過大使磁壓力過大，坯體內(nèi)殘余應(yīng)力相應(yīng)增大，燒結(jié)時(shí)應(yīng)變能的釋放使制品產(chǎn)生變形，二者的聯(lián)合作用會(huì)使制品出現(xiàn)開裂和分層。在壓縮空氣膨脹外排過程中，由于晶粒凝聚使部分空氣來不及排出便被封閉于制品內(nèi)，形成較多氣泡，從而導(dǎo)致制品密度顯著下降。4.2.2.從圖4-1也可以看到，在其它電參數(shù)保持不變時(shí)，隨著電容的增大，PZT密度呈

36、梯度增加，原因和放電電容對(duì)毛坯密度的影響一樣，也是由于磁壓力的幅值增加，加上放電電流作用時(shí)間大為延長(zhǎng)，所以制品的密度是增大的。由圖4-2同樣可以看出，TiO制品密2度隨電容的變化與PZT有著相同的變化特征。4.2.3.在放電電壓為800v，放電電容為12300F，放大器錐角為45度的情況下，改變放電線圈的匝數(shù)，分別對(duì)PZT和TiO粉末進(jìn)行壓制、燒結(jié)，制品密度見下表，其相對(duì)密度2與線圈匝數(shù)、制品尺寸的關(guān)系如下圖所示。a4-3燒結(jié)pzt制品密度表m線圈匝數(shù)、制（&尺寸的關(guān)系（放大器錐眉斗寧,12300uF）建巴IL氣質(zhì)歇卽A10!i15匝20匝J27.2405647.27180973373576.

37、9593B437.2014757.225747.2685756,8952&7-17.0437717.0770287.093616.8641073（兩次壓制）,7.3013827.3224277,344957表4衛(wèi)燒結(jié)Ti6制品密度表與線圈匝數(shù)、制品尺寸的關(guān)系放大器錐角4寧,U=800vaC=300nF）嵌席質(zhì)量tt）10Ili15匝20匝1.54J1049094.1827354IWJ54.11206424.0939554.1633994.1676694.0804742.514.0504734.1357654J5096544.046075|2（兩欽壓制）4J27914.185B84.201749

38、PZT制品相對(duì)密度丐線料匝數(shù)*制品尺寸的關(guān)系（放大器錐角4亍,LBOOv.C-12300pF）T55制品相對(duì)密度與線圈匝數(shù).制品尺寸的關(guān)系（放大器錐角4寧-480（X012300pF）從圖4-3也可以看到，在其它電參數(shù)保持不變時(shí)，當(dāng)放電線圈的匝數(shù)依次增加時(shí)，PZT毛坯的密度也依次上升，由圖4-4同樣可以看出，TiO壓制密度隨線圈匝數(shù)的變化與PZT2有著相同的變化特征。原因和放電線圈匝數(shù)的變化對(duì)毛坯密度的影響一樣，線圈匝數(shù)的增加使得線圈的電感增加，從而使放電角頻率變小，作用時(shí)間大為延長(zhǎng)，同時(shí)線圈匝數(shù)的增加也提高設(shè)備能量的利用率，因而使得毛坯的密度增加，燒結(jié)以后的制品保留了這種影響，因而當(dāng)放電線圈

39、的匝數(shù)依次增加時(shí)，制品的密度也依次增加。4.2.4.在放電電壓800v，放電電容12300F,放電線圈巧匝的情況下，改變放大器的錐角，分別對(duì)PZT和TiO粉末進(jìn)行壓制、燒結(jié)，燒結(jié)密度見下表，其相對(duì)密度與放大器錐2角、制品尺寸的關(guān)系如下圖所示。表45燒結(jié)PZT制品密度與放大器錐角、制品尺寸的關(guān)系（U=800v,C=12300mF,線圈匝數(shù)15匝）密放大器理（儀）a（g）35455527.2173637.2718097.1183946.95938436.9256887.225747.0023726.89528746.9053837.0770286.98166.864107|3（兩次壓制）7.199

40、8687.3224277.2214841表46燒結(jié)TiO2制品密度與放大器錐角、制品尺寸的關(guān)系（U=800v,C=12300uF,線圈匝數(shù)】5匝密皮避n?）質(zhì)欽g）放;角（度）354555靜圧1.54.1334144.1827354.16465441206424.123864.1633994.1518554.0704742.54.063614.135765-4.118954.0460752（兩次壓制）4.14459574.1851384.1716962.5fi35度悶度-*-5度-址靜壓(U昭00勺01230QU叭線圈匝數(shù)15匝)tts閩黃舉礙S1-*J2士.J-1X:-rJ95%由圖4-5、

41、4-6可知，與放大器錐角對(duì)毛坯密度的影響一樣：當(dāng)放:器錐角為45度時(shí)，放大器對(duì)應(yīng)器錐角為45度時(shí),卞擊波的反射最小,制品的密度最大，其原因仍然是當(dāng)放-傳導(dǎo)率最好，因而燒結(jié)以后的制品密度最大4.2.5.由圖4-3、4-4、4-5、4-6可以看出，同種放電參數(shù)下，粉末質(zhì)量越大，致使松裝粉末高徑裝粉末高徑比越大，其密度大,坯體內(nèi)氣孑L越多的孔洞，因此燒結(jié)后制品密.度降低。.(由圖4-3、4-4、4-5、4-6可以看出，兩次壓制制成型后的制品密度。由于兩次壓制顯著提高毛坯密度，因此坯體經(jīng)燒結(jié)后也有較高的致密性。對(duì)比圖4-1和4-2可知，不同粉體經(jīng)相同放電參數(shù)壓制并燒結(jié)后，所得制品相對(duì)密度不同，表明粉體

42、性質(zhì)對(duì)于電磁壓制放電參數(shù)的選取有很大的影響，也就是說，不同性質(zhì)的陶瓷粉體具有不同的最佳壓制電壓范圍，經(jīng)燒結(jié)后所能達(dá)到的最大相對(duì)密度也不同。對(duì)比圖4-1、4-2、4-3、4-4、4-5、4-6和圖3-l、3-2、3-3、3-4、3-5、3-6，可以看到，矍結(jié)過程中殘余更多乖/密度明顯高于-次壓。相雖然TiO2坯體的最大相對(duì)密度59.3%小于PZT坯體的最大相對(duì)密度71.8%,但是經(jīng)燒結(jié)后,吃T制品密度弓放大盥錐角=制品尺寸的關(guān)系TiO2制品的最大相對(duì)密度為988，而PZT制品的最大相對(duì)密度為985。表明不同的粉體由于其燒結(jié)性能的不同，最后得到的制品密度也會(huì)不同，因此要獲得高密度的陶瓷制品，必須將

43、合理選用放電參數(shù)和燒結(jié)制度結(jié)合起來進(jìn)行考慮，對(duì)于不同的陶瓷材料，應(yīng)選擇不同的工藝參數(shù)。4.3制品電學(xué)性能的測(cè)試對(duì)于制品電學(xué)性質(zhì)與放電電壓、放電電容參數(shù)的關(guān)系右線圈扎數(shù)、放大器錐角、制品質(zhì)量等工藝下圖表可知。休濟(jì)、也壓（時(shí)相對(duì)介取常皴E=忙；f擰0介質(zhì)損耗tg5（103）壓電當(dāng)數(shù)dn(Wl2C/N)機(jī)撼品頂因數(shù)Qm機(jī)電耦合6005691.81481356177003861.11503220.148005702,21521440.29006971.51401370.2W006352-983261a.14表5-1不同放電電壓條件下PZT制品電學(xué)性能測(cè)試分析_（C=10250F,線圈匝數(shù)15匝,放大器

44、錐角45,m=2g）圖S-lPZT壓電常數(shù)與敝電電壓的關(guān)系（C10250iF,線圈叫數(shù)15匝，放大器錐鶯45m=2g）Y-gEv12300uF.線圈15匝，故大器椎下電5H圖5JPZT壓電常數(shù)口制品高徑比（質(zhì)量）的關(guān)系IJ=8C0v.3230（）nF.線團(tuán)麗融15而*加大器韓苗45表5-2不同質(zhì)量（尺寸）PZT制品電學(xué)性能測(cè)試分析（U=800v,C=l2300uF,線圈匝數(shù)15匝，放大器錐角?5）學(xué)件能粉卜應(yīng)S.（&）相對(duì)介屯常數(shù)介誠(chéng)搦耗圧電常數(shù)機(jī)電輜*E1坯lgfi(IO2)du(lOJ27NJ1*1AQL瘙敷kp25S0L61752080213476L81652160,23.4501L41401990.23制)470L41902010.202（靜壓）563L893214043（轟壓）4412