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ZrO2 精細陶瓷材料細分化工藝

  粉料成型技術的目的是為了得到內部均勻和高密度的坯體,提高成型技術是提高陶瓷產品可靠性的關鍵步驟。成型是陶瓷生產過程的一個重要步驟。成型過程就是將分散體系(粉料、塑性物料、漿料)轉變為具有一定幾何形狀和強度的塊體,也稱素坯。ZrO2 精細陶瓷材料成型工藝較為廣泛使用的主要有下面幾種:

 

干法成型  


干壓成型

干壓成型是采用壓力將陶瓷粉料壓制成一定形狀的坯體。其實質是在外力作用下,粉體顆粒在模具內相互靠近,并借內摩擦力牢固地結合起來,保持一定的形狀。干壓生坯中主要的缺陷為層裂,這是由于粉料之間的內摩擦以及粉料與模具壁之間的摩擦,造成坯體內部的壓力損失。


干壓成型優點是坯體尺寸準確,操作簡單,便于實現機械化作業;干壓生坯中水分和結合劑含量較少,干燥和燒成收縮較小。它主要用來成型簡單形狀的制品,且長徑比要小。模具磨損造成的生產成本增高是干壓成型的不足之處。




等靜壓成型

等靜壓成型是在傳統干壓成型基礎上發展起來的特種成型方法。它利用流體傳遞壓力,從各個方向均勻地向彈性模具內的粉體施加壓力。由于流體內部壓力的一致性,粉體在各個方向承受的壓力都一樣,因此能避免坯體內密度的差別。等靜壓成型有濕袋式等靜壓和干袋式等靜壓之分。


濕袋式等靜壓可以成型形狀較為復雜的制品,但只能間歇作業。干袋式等靜壓可以實現自動化連續作業,但只能成型截面為方形、圓形、管狀等簡單形狀的制品。


等靜壓成型可以獲得均勻致密的坯體,燒成收縮較小且各個方向均勻收縮,但設備較為復雜、昂貴,生產效率也不高,只適合生產特殊要求的材料。



 濕法成型


注漿成型

注漿成型過程與流延成型類似,不同的是其成型過程包括物理脫水過程和化學凝聚過程。


物理脫水通過多孔的石膏模的毛細作用排除漿料中的水分,化學凝聚過程是因為在石膏模表面CaSO4的溶解生成的Ca2+提高了漿料中的離子強度,造成漿料的絮凝。在物理脫水和化學凝聚的作用下,陶瓷粉體顆粒在石膏模壁上沉積成型。


注漿成型適合制備形狀復雜的大型陶瓷部件,但坯體質量,包括外形、密度、強度等都較差,工人勞動強度大且不適合自動化作業。





熱壓鑄成型

熱壓鑄成型是在較高溫度下(60~100℃)使陶瓷粉體與粘結劑(石蠟)混合,獲得熱壓鑄用的料漿,漿料在壓縮空氣的作用下注入金屬模具,保壓冷卻,脫模得到蠟坯,蠟坯在惰性粉料保護下脫蠟后得到素坯,素坯再經高溫燒結成瓷。


熱壓鑄成型的生坯尺寸精確,內部結構均勻,模具磨損較小,生產效率高,適合各種原料。蠟漿和模具的溫度需嚴格控制,否則會引起欠注或變形,因此不適合用來制造大型部件,同時兩步燒成工藝較為復雜,能耗較高。





流延成型

流延成型是把陶瓷粉料與大量的有機粘結劑、增塑劑、分散劑等充分混合,得到可以流動的粘稠漿料,把漿料加入流延機的料斗,用刮刀控制厚度,經加料嘴向傳送帶流出,烘干后得到膜坯。


此工藝適合制備薄膜材料,為了獲得較好的柔韌性而加入大量的有機物,要求嚴格控制工藝參數,否則易造成起皮、條紋、薄膜強度低或不易剝離等缺陷。所用的有機物有毒性,會產生環境污染,應盡可能采用無毒或少毒體系,減少環境污染。





凝膠注模成型

凝膠注模成型技術核心是使用有機單體溶液,該溶液能聚合成為高強度的、橫向連接的聚合物-溶劑的凝膠。陶瓷粉體溶于有機單體的溶液中所形成的漿料澆注在模具中,單體混合物聚合形成膠凝的部件。


由于橫向連接的聚合物-溶劑中僅有 10%~20%(質量分數)的聚合物,因此,易于通過干燥步驟去除凝膠部件中的溶劑。同時,由于聚合物的橫向連接,在干燥過程中,聚合物不能隨溶劑遷移。


此方法可用于制造單相的和復合的陶瓷部件,可成型復雜形狀、準凈尺寸的陶瓷部件,而且其生坯強度高達 20~30Mpa 以上,可進行再加工。


該方法存在主要問題是致密化過程中胚體的收縮率比較高,容易導致胚體變形;有些有機單體存在氧阻聚而導致表面起皮和脫落;由于溫度誘導有機單體聚合工藝,引起溫度剃度導致內應力存在使坯體開列破損等。


直接凝固注模成型

直接凝固注模成型是將溶劑水、陶瓷粉體和有機添加劑充分混合形成靜電穩定、低粘度、高固相含量的漿料,在其中加入可改變漿料 pH 值或增加電解質濃度的化學物質,然后將漿料注入到無孔模具中。


工藝過程中控制化學反應的進行,使注模前反應緩慢進行,漿料保持低粘度,注模后反應加快進行,漿料凝固,使流態的漿料轉變為固態的坯體。得到的生坯具有很好的機械性能,強度可以達到 5kPa。生坯經脫模、干燥、燒結后,形成所需要形狀的陶瓷部件。


它的優點為不需或只需少量的有機添加劑(小于 1%),坯體不需脫脂,坯體密度均勻,相對密度高 (55%~70%),可以成型大尺寸復雜形狀陶瓷部件。它的缺點是添加劑價格昂貴,反應過程中一般有氣體放出。

注射成型

注射成型早應用于塑料制品的成型和金屬模的成型,利用熱塑性有機物低溫固化或熱固性有機物高溫固化,將粉料與有機載體在專用的混練設備中混練,然后在高壓下(幾十到上百 MPa)注入模具成型。


此工藝成型壓力大,得到的坯體尺寸精確,光潔度高,結構致密;采用專門的成型裝備,使生產效率大大提高。





膠態注射成型

為解決傳統注射成型工藝中有機物加入量大、排除困難等問題,清華大學創造性的提出了陶瓷的膠態注射成型新工藝,自主開發了膠態注射成型樣機,實現了瘠性陶瓷料漿的注射成型。其基本思路是將膠態成型同注射成型相結合,利用專有的注射設備與膠態原位凝固成型工藝所提供的新型固化技術來實現。


這一新工藝,使用的有機物多不超過 4wt.%,利用水基懸浮體中少量的有機單體或有機化合物在注入模具后快速誘發有機單體聚合生成有機網絡骨架,將陶瓷粉體均勻包裹其中,不但使排膠時間大為縮短,同時也大大降低了排膠開裂的可能性。


陶瓷的膠態注射成型新工藝,既區別于一般的膠態成型,又區別于傳統的注射成型,將既具有膠態原位凝固成型坯體均勻性好,有機物含量低的特色,又具有注射成型自動化程度高的優點,是膠態成型工藝的一種質的升華,將成為高技術陶瓷走向產業化的希望所在。




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ZrO2 精細陶瓷材料細分化工藝

  粉料成型技術的目的是為了得到內部均勻和高密度的坯體,提高成型技術是提高陶瓷產品可靠性的關鍵步驟。成型是陶瓷生產過程的一個重要步驟。成型過程就是將分散體系(粉料、塑性物料、漿料)轉變為具有一定幾何形狀和強度的塊體,也稱素坯。ZrO2 精細陶瓷材料成型工藝較為廣泛使用的主要有下面幾種:

 

干法成型  


干壓成型

干壓成型是采用壓力將陶瓷粉料壓制成一定形狀的坯體。其實質是在外力作用下,粉體顆粒在模具內相互靠近,并借內摩擦力牢固地結合起來,保持一定的形狀。干壓生坯中主要的缺陷為層裂,這是由于粉料之間的內摩擦以及粉料與模具壁之間的摩擦,造成坯體內部的壓力損失。


干壓成型優點是坯體尺寸準確,操作簡單,便于實現機械化作業;干壓生坯中水分和結合劑含量較少,干燥和燒成收縮較小。它主要用來成型簡單形狀的制品,且長徑比要小。模具磨損造成的生產成本增高是干壓成型的不足之處。




等靜壓成型

等靜壓成型是在傳統干壓成型基礎上發展起來的特種成型方法。它利用流體傳遞壓力,從各個方向均勻地向彈性模具內的粉體施加壓力。由于流體內部壓力的一致性,粉體在各個方向承受的壓力都一樣,因此能避免坯體內密度的差別。等靜壓成型有濕袋式等靜壓和干袋式等靜壓之分。


濕袋式等靜壓可以成型形狀較為復雜的制品,但只能間歇作業。干袋式等靜壓可以實現自動化連續作業,但只能成型截面為方形、圓形、管狀等簡單形狀的制品。


等靜壓成型可以獲得均勻致密的坯體,燒成收縮較小且各個方向均勻收縮,但設備較為復雜、昂貴,生產效率也不高,只適合生產特殊要求的材料。



 濕法成型


注漿成型

注漿成型過程與流延成型類似,不同的是其成型過程包括物理脫水過程和化學凝聚過程。


物理脫水通過多孔的石膏模的毛細作用排除漿料中的水分,化學凝聚過程是因為在石膏模表面CaSO4的溶解生成的Ca2+提高了漿料中的離子強度,造成漿料的絮凝。在物理脫水和化學凝聚的作用下,陶瓷粉體顆粒在石膏模壁上沉積成型。


注漿成型適合制備形狀復雜的大型陶瓷部件,但坯體質量,包括外形、密度、強度等都較差,工人勞動強度大且不適合自動化作業。





熱壓鑄成型

熱壓鑄成型是在較高溫度下(60~100℃)使陶瓷粉體與粘結劑(石蠟)混合,獲得熱壓鑄用的料漿,漿料在壓縮空氣的作用下注入金屬模具,保壓冷卻,脫模得到蠟坯,蠟坯在惰性粉料保護下脫蠟后得到素坯,素坯再經高溫燒結成瓷。


熱壓鑄成型的生坯尺寸精確,內部結構均勻,模具磨損較小,生產效率高,適合各種原料。蠟漿和模具的溫度需嚴格控制,否則會引起欠注或變形,因此不適合用來制造大型部件,同時兩步燒成工藝較為復雜,能耗較高。





流延成型

流延成型是把陶瓷粉料與大量的有機粘結劑、增塑劑、分散劑等充分混合,得到可以流動的粘稠漿料,把漿料加入流延機的料斗,用刮刀控制厚度,經加料嘴向傳送帶流出,烘干后得到膜坯。


此工藝適合制備薄膜材料,為了獲得較好的柔韌性而加入大量的有機物,要求嚴格控制工藝參數,否則易造成起皮、條紋、薄膜強度低或不易剝離等缺陷。所用的有機物有毒性,會產生環境污染,應盡可能采用無毒或少毒體系,減少環境污染。





凝膠注模成型

凝膠注模成型技術核心是使用有機單體溶液,該溶液能聚合成為高強度的、橫向連接的聚合物-溶劑的凝膠。陶瓷粉體溶于有機單體的溶液中所形成的漿料澆注在模具中,單體混合物聚合形成膠凝的部件。


由于橫向連接的聚合物-溶劑中僅有 10%~20%(質量分數)的聚合物,因此,易于通過干燥步驟去除凝膠部件中的溶劑。同時,由于聚合物的橫向連接,在干燥過程中,聚合物不能隨溶劑遷移。


此方法可用于制造單相的和復合的陶瓷部件,可成型復雜形狀、準凈尺寸的陶瓷部件,而且其生坯強度高達 20~30Mpa 以上,可進行再加工。


該方法存在主要問題是致密化過程中胚體的收縮率比較高,容易導致胚體變形;有些有機單體存在氧阻聚而導致表面起皮和脫落;由于溫度誘導有機單體聚合工藝,引起溫度剃度導致內應力存在使坯體開列破損等。


直接凝固注模成型

直接凝固注模成型是將溶劑水、陶瓷粉體和有機添加劑充分混合形成靜電穩定、低粘度、高固相含量的漿料,在其中加入可改變漿料 pH 值或增加電解質濃度的化學物質,然后將漿料注入到無孔模具中。


工藝過程中控制化學反應的進行,使注模前反應緩慢進行,漿料保持低粘度,注模后反應加快進行,漿料凝固,使流態的漿料轉變為固態的坯體。得到的生坯具有很好的機械性能,強度可以達到 5kPa。生坯經脫模、干燥、燒結后,形成所需要形狀的陶瓷部件。


它的優點為不需或只需少量的有機添加劑(小于 1%),坯體不需脫脂,坯體密度均勻,相對密度高 (55%~70%),可以成型大尺寸復雜形狀陶瓷部件。它的缺點是添加劑價格昂貴,反應過程中一般有氣體放出。

注射成型

注射成型早應用于塑料制品的成型和金屬模的成型,利用熱塑性有機物低溫固化或熱固性有機物高溫固化,將粉料與有機載體在專用的混練設備中混練,然后在高壓下(幾十到上百 MPa)注入模具成型。


此工藝成型壓力大,得到的坯體尺寸精確,光潔度高,結構致密;采用專門的成型裝備,使生產效率大大提高。





膠態注射成型

為解決傳統注射成型工藝中有機物加入量大、排除困難等問題,清華大學創造性的提出了陶瓷的膠態注射成型新工藝,自主開發了膠態注射成型樣機,實現了瘠性陶瓷料漿的注射成型。其基本思路是將膠態成型同注射成型相結合,利用專有的注射設備與膠態原位凝固成型工藝所提供的新型固化技術來實現。


這一新工藝,使用的有機物多不超過 4wt.%,利用水基懸浮體中少量的有機單體或有機化合物在注入模具后快速誘發有機單體聚合生成有機網絡骨架,將陶瓷粉體均勻包裹其中,不但使排膠時間大為縮短,同時也大大降低了排膠開裂的可能性。


陶瓷的膠態注射成型新工藝,既區別于一般的膠態成型,又區別于傳統的注射成型,將既具有膠態原位凝固成型坯體均勻性好,有機物含量低的特色,又具有注射成型自動化程度高的優點,是膠態成型工藝的一種質的升華,將成為高技術陶瓷走向產業化的希望所在。




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