三维连接多孔陶瓷的制造与生坯陶瓷加工粘结的关系.doc

毕业设计（论文）外文文献翻译院 系：材料科学与工程系年级专业：2008材料成型及控制工程姓 名：肖永庐学 号：0808022132附 件： Fabrication of three-dimensional inter-connective Porous ceramics via ceramic green machining and bonding指导老师评语： 指导教师签名：年 月 日三维连接多孔陶瓷的制造与生坯陶瓷加工粘结的关系 学 生：肖永庐 指导老师：胡业齐 （厦门理工学院材料工程系，厦门361024）摘要一种新的方法证明立体间结缔组织多孔陶瓷的制备与加工方法过程有关。该方法是基于对加工和陶瓷板的粘接。对生坯陶瓷片进行了处理，通过一种粘性聚合物的加工（VPP）和使用热塑性粘结剂（聚乙烯醇缩丁醛），使陶瓷具有良好的可加工性和表面处理质量。实验结果还表明，适当的溶剂和适当的施加压力是关键，这是确保生坯陶瓷片与立体间结缔组织陶瓷烧结后界面结合的完整性。坯体的特点和计算机数控加工条件可以很容易地控制制作的陶瓷的架构。关键词：氧化铝;生坯陶瓷加工;孔隙度;微观结构1 .介绍多孔陶瓷已被广泛使用在各种逻辑技术，如重量轻，耐冲击材料，保温和高温燃烧的燃烧器，耐腐蚀的过滤器和骨组织工程支架。传统的复制，牺牲模板和直接发泡法生产多孔陶瓷加工路线已被广泛研究和综述，以确定多孔陶瓷的机械和功能特性，例如，开放式的微观结构特征或封闭的孔隙，孔径分布和孔结构对高度多孔材料的生产加工方法和使用条件的影响。由于对微观结构特征，如形状，尺寸和在上述常规方法间连接的控制有限，一些先进的方法已发展到制作陶瓷产品具有良好定义的3D架构和微观结构。自由曲面加工（SFF）的技术，如PHY（SLA），选择性激光烧结（SLS），三维印刷（3DP），直接喷墨打印，融合的沉积模型（FDM）和微钢笔书写提供了强大的路线来生产与控制架构复杂的三维结构。虽然已取得很多的成功在聚合物和金属的SFF技术，但SFF技术生产的陶瓷元件是较少满足质量要求的。在生产过程中通过粉末，液滴或长丝造成影响为基础的方法中是SFF技术的典型特征。虽然成品的表面质量，可以通过降低层的厚度，如研磨或抛光处理后好转，但是往往在生产时间和成本大幅增加费用。SFF技术已被广泛报道，编造3D陶瓷的晶格结构，主要用于组织工程支架材料的应用，因为目前的SFF技术的特征尺寸和质量能够满足组织工程支架材料的要求。但陶瓷支架产生的机械性能是远不够理想。通过间接的SFF技术，即负聚合物模板是第一个建成使用的SFF技术，如立体三维多孔陶瓷制作与定义架构的替代路线，陶瓷浆料，然后渗入聚合物模板。脱脂和烧结后，控制陶瓷结构的孔隙就可以生产。随着计算机的进步，数控（CNC）加工技术与陶瓷坯体，形成高科技，正在研制环保陶瓷加工陶瓷快速原型的替代。与SFF技术相比，生坯陶瓷加工陶瓷机构的快速制作是一个自上而下的方法。它提供了一个选项来制作陶瓷元件在相对较低的成本，生产速度提高，试样尺寸限制较少。生坯陶瓷加工过程中，应该有足够的力量来承受工装力，并在加工过程中表现出良好的可加工性。因此，选择粘结剂和分散系统是至关重要的，以实现高固体负荷陶瓷，坯体中颗粒分布均匀，陶瓷之间的界面粘结颗粒颗和生坯有足够的强度。此外，高固含量在坯体烧结结果收缩较少。以前的工作表明，如果选择适当的陶瓷坯体和加工条件，表面光洁度和尺寸精度可显着改善。最近的一项研究表明，一种热塑性粘结剂的陶瓷坯体，有良好的可加工性。但不同的是，一旦形成和固化的热固性聚合物，就不能重熔和重塑。热塑性聚合物可以重塑通过加热或采用溶剂扩散到聚合物融合在一起。例如，可以加工的生坯陶瓷热压装配，生坯陶瓷在温度高于玻璃化转变温度粘合剂时（TG）采用单轴高压加入。然而，坯体的精细结构和模式，不能完全地被保留在这样高的温度和高压力。因此，对低温低压层压技术进行了研究。它已被证明可以加入采用低温低压条件下的任何胶带或聚合物粘合剂的方案，生坯胶带脱脂和烧结后，无缝陶瓷体便可以生产。最近报道数控加工/涂布法制作三维多孔陶瓷结构。在此方法中，石墨间结缔组织3D架构，内置双轴的孔道，这是当时作为陶瓷浆料浸涂烧结制备多孔陶瓷的模板使用。在目前的工作，我们建议使用直接数控加工和生坯陶瓷的粘接制作三维间结缔组织陶瓷。独特的多孔陶瓷与控制的开放孔隙的微观结构和三维架构有潜力在许多应用，如强化执行双连续或互相复合材料（IPCS）和骨组织工程支架材料的制备。图1.直接的生坯加工和粘接方法相互关联的多孔陶瓷制造流程图。2. 实验细节在图1所示的是三维间结缔组织定义架构的多孔陶瓷的制造流程图。从本质上讲，氧化铝粉（D50= 0.3米），与聚乙烯醇缩丁醛（PVB）预混，溶剂的选择为粘合剂和环己酮。经过混合和双辊铣床，挤压脱气下10小时获得VPP陶瓷面皮，VPP陶瓷面团压延成所需厚度的纸张。获得最后的陶瓷片VPP的陶瓷片在烤箱加热，温度115C用时14小时。在这项研究中使用的陶瓷板的厚度从0.7毫米至1.5毫米不等。数控铣床生坯的是用罗兰台式（650，Roland公司的MDX有限公司，日本）进行加工。根据先前的研究中，被选定为10立铣刀直径MOND涂层硬质合金刀具数控加工生坯陶瓷。真空表用于保存在加工过程中的样品，生坯陶瓷板，0.8毫米加工成厚度为2020的正方形单位，其中双方的渠道彼此相交在正交方向。差距和通道的大小范围分别从0.8到1.5毫米和1.0至1.5毫米。加工时，把饱和1 - 丁醇溶剂（99.4，Sigma 公司）分别在滤纸过滤15，30，60，90和120秒。三维坯体手工组装溶剂涂层的生坯陶瓷板，在3兆帕压力下压0.2到12小时。对于大批量生产装配精度，可进行自动化装配夹具，控制尺寸精度。最后，多孔陶瓷粘结剂的升温速率为1C /分钟，2小时之后，在10C / min的升温速率烧结2小时500 C。生坯板材的抗弯强度测量样品尺寸为0.8毫米2毫米30毫米的三点弯曲模式。进行测试双立柱试验机（Lloyd仪器有限公司，LR5K）为20毫米和0.5毫米/分钟的十字头速度。用扫描电子显微镜（SEM JEOL JSM5600LV）对生坯板材和陶瓷体进行了表征，表面特性进行了使用非接触式轮廓（Scantron公司Proscan Scantron公司工业产品UCTS有限公司，2000年，英国）。两种不同的加工模式，包括粗加工和精加工进行了调查。生坯片原始表面的加工表面进行比较。3.结果与讨论3.1.切削加工的生坯陶瓷片 陶瓷的生坯切削加工性能在很大程度上取决于陶瓷加工条件和力学特性。先前的研究显示,在使用不同的工具中,使用金刚石涂层刀具达到最好的表面处理。在比较不同切削参数,如纺丝速度、沿x - y和z方向的速度,花叶交织数量和路径间隔距离，在目前的工作优化切削参数为12000 rpm的速度与最大的水平度8毫米/ s。其它因素,如花叶交织数量和路径在不同陶瓷有不同的加工方式。 用电子显微镜(SEM)扫描陶瓷的生坯形象。如图2。可以看出,氧化铝粒子均匀分布，表面缺陷不严重,例如裂纹、孔隙和粒子密集。抗折强度的测量生坯片106.02帕。这表明生坯片加工过程具有足够的强度,细节问题将在以后讨论。图3(a)显示一条直接的、锋利的槽内,生坯板材加工尺寸精度好控制。一边裂缝明显的保持在加工,这一个重要因素是影响加工表面光洁度质量。虽然形成类型的设备可广泛分为阻塞类型或槽类型，但基本形成形式都是相同的。移动设备的限制在一个循环路径和自由结束在边路活动面临的扰设备或工具刀具的。在这一阶段,底屑锚本身对接触点的曲率半径及后续设备的生产效益大幅增加,形成屑。在优化的分析条件下,为设备的大小和半径增加,当应力状态达到太高而屑断裂。图3(b)显示的形态中形成的屑加工。半圆柱型的设备产生的是一个典型的有效工作碎形。在加工过程中很容易观察到成在切削区形成不连续屑。 图2.采用扫描电镜(SEM)的生坯陶瓷原始表面显微图3.a加工通道和b在加工过程中收集屑形态的陶瓷坯体。生坯陶瓷的高分辨率扫描电镜照片的加工表面如图4中。很明显,忽略裂退出粒子去观察加工表面,标志着一个质量好的表面进行分析光洁度。在微加工热塑性材料可以去除球墨,易碎取决于聚合物的特点与它的Tg。如果局部温度低于Tg、材料往往是移到一种易碎的方式。否则,材料往往是有广泛的变形韧性的。因此,建议,以降低表面粗糙度,比如,选择其加工条件,在这种情况下材料会下降-损耗缩放/撕裂不粘塑性和开裂脆性。表面粗糙度测量的结果见（表1）,表面光滑生坯体加工。类似的表面粗糙度都用到粗、整理加工方式,定期标志的它的三维表面轮廓显示在图5,有不同加工的模式。在粗模式每一个标记之间的距离小于整理模式下。这个差别是由于终点模式的区间在较小的路径。颗粒大小和工具也会影响表面加工质量,尤其是当特征尺寸大小,原材料工具的大小。很明显,生坯加工条件与加工成表面的特征有紧密的联系。 图4.扫描电镜显微下的生坯陶瓷表面。表1 生坯陶瓷的特性 密度(g / cm3) 2.58 抗弯强度(MPA) 106.025.68 表面粗糙度(m) 原始表面 17.96 粗表面 2.78精表面 2.60图5.剖面的三维表面粗糙度(a)原生坯(b)加工方式和生坯在粗轧机组(c)下生坯完成加工模式(箭头指示工具移动方向)。图6.扫描电镜显微组织生坯后选择生坯键合工艺(a) 在太多的溶剂粘结而引起变形应用(b)分层界面0.05帕粘结的压力下(c)0.25帕无缝粘合压力下的(d)高倍数放大的框架地区。3.2.生坯的粘接陶瓷表分析中,因为它的相对高沸点117.7C和蒸发率低,加工生坯时使它们之间有足够的时间来扩散。通过比较不同生坯浸泡饱和溶液滤纸时间,发现优化时间是在45-60形成生坯溶剂单就可以。如果溶剂的数量不够,则较低的扩散在粘结层之间发生。相反的,太多的溶剂可引起严重的层间结合，强度降低。此外,可能发生在变形过程中应用的压力键合工艺将影响精度及形状。后续烧结陶瓷体见图6(a)。为了方便生坯陶瓷片层间的结合,对粘结界面垂直压力。结合样品负荷不同压力，对压力的影响进行了比较。实验结果表明,如果压力低于0.05M Pa(见图6(b)发生应用分层。当压力增加到0.15M Pa、界面能见度到附近陶瓷边缘。增加压力到0.25M Pa生坯陶瓷是充分分散的。如图6(c)所示,加工结构和接口看不清楚了。此应用压力是加工变形生坯结构的最优值。图6(d)是图像高倍合区(陷害地区图6(c)。很明显,已经达到良好的接合。使用低压力生坯焊接技术，它几乎是一个可行的无缝连接技术方法。 图7 .扫描电镜显微烧结陶瓷样品的截面显示层间粘结性好。3.3.脱脂和烧结脱脂后,烧结陶瓷样品3D线收缩了15%,但仍然显示了良好的保存。没有开裂或变形可以体现在保税地区(图7)。发现粘合对3D陶瓷结构成品质量的重要作用。一旦一切做好,那么最后烧结陶瓷的结构是最可能完整而无分层和开裂。图8的可行性,制造了一个多孔陶瓷结构连接生坯加工和连接的方法。3D陶瓷生坯是20毫米20毫米8毫米,宽度的差距和渠道都是1毫米（图8(b)。用烧结法多孔陶瓷后为17毫米17毫米6.8毫米。因为VPP技术后生坯具有极高的的强度和韧性,生坯的加工尺寸陶瓷组件可以很容易延伸到更大的尺寸,而弱陶瓷生坯会垮掉的。当生坯机加工陶瓷的特征尺寸主要取决于刀具尺寸和数控机床的公差,就有可能产生三维连接陶瓷的孔径大小500米。这些三维多孔陶瓷集成电路单元与良好的大小定义将应用在许多领域,如纳米相陶瓷远骨组织支架工程，陶瓷的复合材料以及渗透陶瓷微反应器和微观的微型燃料电池系统(MEMS)。图8.展示一个3D连接陶瓷结构(a)计算机辅助设计(CAD)结构(b)加工和组装的生坯陶瓷结构和(c)连接陶瓷烧结结构。4. 结论三维连接多孔陶瓷制作与预定义的结构跟生坯加工和连接技术相结合。VPP方法制成的陶瓷具有高强度、良好的生坯切削性能。双通道生坯板材具有良好的表面加工处理质量。实验结果表明,溶剂的选择和应用压力是至关重要的，生坯键合工艺过程中整合后的烧结陶瓷，刀具数控机床可控制微结构尺寸和公差,以及生坯陶瓷的特点和加工条件优良特点。这种结合陶瓷生坯加工和粘结方法可以潜在的发展为另一种的快速成形工艺生产复杂形状的陶瓷部件。连接三维多孔陶瓷可能作为强化复合材料和应用南在骨组织支架工程。更复杂的细胞结构陶瓷材料的使用可能会在这个方面有更广泛的应用。参考文献1. 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