2陶瓷成型技术

陶瓷成型技术 景德镇陶瓷学院石棋 1 陶瓷定义 以天然 化工原料制备的以陶瓷生产工艺制备的满足日常生活 科技等需要的石状制品陶瓷生产工艺 配料 成型 烧成 通过一定的方法或手段 迫使坯料发生形变 制成具有一定形状大小坯体的工艺过程称谓成型 2 成形的目的 生坯形状和尺寸 以产品图纸和产品样品为依据时 生坯尺寸是根据坯料的收缩率放尺计算后的尺寸 坯体的机械强度 以适应后续工序的操作 坯体结构均匀 具有一定的致密度 成型适应生产组合 尽可能与前后工序联动 3 陶瓷成型追求的目标 最高密度最均匀密度 4 成型需要粉料间的结合力来源 常温结合力 氢键 粘附 吸附 机械绞合高温结合力 颈部粘连 晶界结合力 液相粘连 5 材料的制备方法 6 陶瓷成型技术Themoldingtechnologyofceramicmaterials 干法湿法 7 陶瓷成型技术Themoldingtechnologyofceramicmaterials 浆料成型浆料含水量或其它溶剂 38 泥团成型泥料含水量或其它溶剂 26 粉料成型粉料含水量或其它溶剂 8 8 选择成型方法最基本的依据 产品的形状 大小和厚薄等 一般情况下 简单的回转体宜用可塑法中的滚压法或旋压法 大件且薄壁产品可用注浆法 板状和扁平状产品 宜用压制法 坯料的工艺性能 可塑性能良好的坯料宜用可塑法 可塑性能较差的坯料可选择注浆法或压制法 产品的产量和质量要求 产量大宜用可塑法或压制法 产量小可用注浆法 产品尺寸要求高时用压制法 产尺寸规格要求不高时用注浆法或手工可塑成型 成型设备易操作 操作强度小 操作条件好 并便于与前后工序联动化或自动化 技术指标高 经济效益好 9 一 浆料成型 注浆Thecasting热压铸流延Tapecasting凝胶注模Gel Casting 10 注浆成型 注浆成形是基于石膏模 或多孔模 能吸收水分的特性 泥浆注浆过程实质上是通过石膏模的毛细管吸力从泥浆中吸取水分因而在模壁上形成泥层 注浆的基本方法可分为单面注浆与双面注浆 11 单面注浆 12 双面注浆 13 压力注浆离心注浆 14 热压铸 热压铸工艺是在粉料中 加入石蜡 油酸 蜂蜡等 加热混合成浆 在一定的温度压力下铸入钢模中 冷凝成形 脱蜡烧成 15 16 热压铸工艺流程 瓷粉和瓷球 球磨机 干磨 过筛 称量 干燥 投入铝锅 和蜡搅拌 蜡饼备用 化浆搅拌 热压铸成型 蜡坯 装钵 排蜡和素烧 出钵 扫除吸附剂 吹灰 烧成 成品 吸附剂Al2O3 油酸 17 油酸 C17H33COOH CH3 CH2 7CH CH CH2 7COOH 亲油基团 亲水基团 18 排蜡升温制度 40 100 10 h100 保温2h100 180 10 h180 保温4h100 260 10 h260 保温4h260 300 10 h300 保温3h300 400 10 h300 保温2h400 500 15 h500 1050 50 h1050 保温3h共72h 19 热压铸成型的特点 适用于以矿物原料 氧化物 氮化物等为原料的新型陶瓷或其它瘠性坯料的成型 外形复杂 精密度高的中小制品适宜 设备不复杂 模具磨损小 操作方便 生产效率高 缺点 工序较复杂 长 能耗大 制品致密度一般 不宜制作壁薄大而长的产品 20 流延 流延成形法 Tapecasting 也称括刀成形法 doctorblading或knifecoating生产单层电容器和多层陶瓷基片的支柱技术 也是生产电子元器件的必要技术 此外 流延成型技术还可以用于造纸 塑料和涂料等行业 该工艺是由GlennN Howatt于1947年首次提出并于1952年获得专利 21 流延成形原理 22 23 24 陶瓷粉未 烧结助剂 一次球磨 溶剂 分散剂 二次球磨 粘结剂 塑化剂 消除气泡 流延成型 干燥 排胶 烧结 质量控制 25 流延陶瓷粉体要求 陶瓷粉体的化学组成和特性 瘠性陶瓷粉体的颗粒尺寸最好在1 4 m之间 比表面积2 5m2 g之间 陶瓷粉体中少有硬团聚 26 流延产品 20 m厚 27 凝胶注模 陶瓷浆料原位凝固成型技术凝胶铸成型直接凝固成型温度诱导絮凝成型高分子凝胶注模成型等 28 凝胶注模成型 Gel Casting 首先将陶瓷粉体分散于含有有机单体和交联剂的水溶液或非水溶液中 室温下制备出稳定分散的低粘度高固相体积分数的浓悬浮体 50 然后加入引发剂和催化剂 将除过气的浓悬浮体注入非孔模具中 在一定温度下 引发有机单体聚合 浓悬浮体粘度剧增 从而导致原位凝固成形 经较长时间的低温干燥后得到密度高 均匀性好 强度高且可进行机加工的坯体 29 凝胶铸模成型工艺特点 成形坯体强度高 可机械加工成形状复杂的部件20MPa 40MPa 有机物含量少 排胶较易 净尺寸成型 表面光洁 可避免或减少烧成后的加工 陶瓷浆料具有很高的固相体积分数 一般大于50vol 由于陶瓷颗粒原位凝固 成形坯体内部均匀 缺陷少 保证烧结后材料的高可靠性 30 工艺流程 31 单体AM 丙烯酰胺交联剂MBAM 亚甲基双丙烯酸胺分散剂 小 大分子电解质非电解质引发剂 过硫酸铵催化剂 四甲基乙二胺TEMED 32 链引发反应 初级自由基M 单体自由基M 33 链增长反应 单体 34 链终止反应 35 36 浆料成型的共同难点 高固相 低粘度浆料的分散与稳定悬浮 37 浆料的分散与悬浮原理 静电排斥稳定DLVO理论空间位阻稳定机理静电稳定机理 38 分散剂pH值 39 二 泥团成型 滚压成型旋压成型车坯成型雕塑 印坯与拉坯成型等挤压成型注射成型轧膜成型 40 滚压成型 盛放泥料的模型和滚头分别绕自己轴线以一定速度同方向旋转 滚头一面旋转一面逐渐靠近盛放泥料的模型 并对坯泥进行 滚 和 压 而成型 41 全自动滚压成型设备 42 旋压成型 主要利用作旋转运动的石膏模与只能上下运动的样板刀来成型 43 车坯成型 车坯成型适用于外形复杂的园柱状产品 如园柱形的套管 棒形支柱和棒形悬式绝缘子的成型 根据坯泥加工时装置的方式不同 车坯成型分为立车和横车 根据所用泥料的含水率不同 又分为干车和湿车 湿法立车 44 拉坯 印坯与雕塑成型 45 塑压成型 46 挤压成型 采用真空练泥机 螺旋或活塞式挤坯机 将可塑料团挤压向前 经过机嘴定型 达到制品所要求的形状 陶管 劈离砖 辊棒和热电偶套管等管状 棒状 断面和中孔一致的产品 均可采用挤压成型 坯体的外形由挤压机机头内部形状所决定 坯体的长度根据尺寸要求进行切割 挤压成型便于与前后工序联动 实现自动化生产 47 挤坯机机头示意图 劈离砖成型模具的示意图 48 49 传统可塑性成型方法的总结 图泥团的应力应变曲线 利用粘土可塑性 结合力经典配方 长石 高岭 石英 50 51 塑化 52 注射成型 金属 陶瓷粉末 粘接剂或塑料母粒 混炼 注射成型 脱除粘接剂 烧结 深加工 根据需要 检验 成品 53 注射机结构示意图 54 注射成型 注塑成型 55 56 粘接剂热塑性树脂 聚乙烯 聚苯乙烯 聚丙烯 微晶石蜡加入量为10 30wt 57 高密度95 99 理论密度 无成分偏析现象锁模力为40 3000KN注射压力1800kg cm2高表面光洁度 0 1 0 5 一次性可达Ra3 2材质适用范围广难熔 难铸和难加工材料形状复杂零部件大小通常为0 1 100g高效大批量 降低成本 58 59 光纤接头 60 61 光纤连接器生产制造的关键是其中的氧化锆陶瓷套圈规格1 5cm 2 5mm 为精确传递讯号其制造精度要求相当高单模态其中心轴偏心量必需小于0 7 m 多模态偏心量也必须小于2 0 m 其用量大致为连接器1个 一条跳接线需要2个 此外在光收发器上也需要套圈 在光纤到家的发展中 各种设备的连接 对于套圈需求量之大可想而知 陶瓷套圈Ferrule占连接器整体成本高达50 因此 掌握其生产制造技术就成为光连接器产品的重中之重 62 注射成型 脱脂问题 63 轧膜成型 1 料2 钢辊 64 轧膜成型 65 冲片 66 67 封装 68 轧膜成型的特点 成型过程中兼有练泥的作用 轧制过程中膜片两面受压 厚度方向致密均匀 但较厚膜片则中间部分致密度较差 可获得预期厚度的膜片 膜片在宽度方向上没有受压力 当它由厚变薄时向四周延展往往在边缘造成开裂 膜片密度分布不均匀 沿膜片轧制前进方向致密 垂直方向致密度较差 因此烧成收缩率不同 前者小后者大 适于生产1mm以下的薄片状制品 对于要求厚度在0 08mm以下的超薄片 轧膜成型是很难轧制的 质量也难以控制 69 三 粉料成型 粉料成型方法 干压成型 等静压成型 单面加压双面加压 湿法等静压成型干袋等静压成型 70 干压成型 单面加压双面加压复合模 71 干压成型 利用外部机械压力 使具有一定可塑性的泥料压缩并形成具有一定尺寸 形状和强度的坯体的成型方法 72 73 干压成型的问题 适用于简单形状密度不均匀 双面加压 单面加压 74 架桥问题 真颗粒表面粗糙 磨擦系数大 难滑移大小不一 自然堆积形成高强度架桥 75 粉料的流动性 自然休止角 76 粉料与模壁间的磨擦 77 造粒 将粉料制成团粒的过程 78 造粒方法 传统造粒喷雾造粒 79 传统造粒方法 第一步 干燥使含水22 24 的泥饼成为含水为5 8 干燥泥饼 地坑干燥在烟道上覆盖薄板 50mm泥饼散摊在其上 勤翻动结构简单 投资低 余热干燥将窑炉冷却带的热风抽送进干燥室内 链板干燥练泥机挤出 20mm 5 10 mm 泥饼在链板80 热交换 第二步 造粒 打粉 干燥泥饼 段粉碎到成型时所需的颗粒料轮碾造粒干燥后的泥料 轮碾机碾压 刮板 过筛 送陈腐锤击式打粉干燥后的泥料 锤击粉碎机破碎 过筛 送陈腐辊筒式造粒干燥后的泥料 辊筒辊压 过筛 送陈腐 80 轮碾辊扎 水冷 81 喷雾干燥造粒 泥浆在高压力作用下 通入热空气的干燥塔内雾化成细滴 与热空气进行换热传质 瞬时完成干燥而成颗粒状粉料 1865年美国的Lamant申请了专利 早期应用在医药 食品 化工 染料等领域 20世纪50年代初开始在陶瓷工业中应用 我国在20世纪60年代初才开始研究应用 70年代初咸阳陶瓷研究设计院 咸阳陶瓷厂 西北建筑设计院 沈阳陶瓷厂等先后研制投产了一批喷雾干燥器 1980年代初 咸阳陶瓷研究设计院 华南理工大学等单位联合设计了一个系列化产品 我国 气流 机械及机电一体的雾化器 每小时处理量45t水 杭州 西宁 无锡 靖江等专业的雾化器制造厂 离心式喷雾干燥器每小时处理量从几千克到几十吨系列化机型 82 喷雾干燥设备的构成 1 泥浆输送 供给 雾化系统 有筛网 柱塞泵 管道 喷嘴等 2 热风发生 输送系统 热风炉 配风机 管道 分风器等 3 干燥系统 干燥塔 4 粉料收集系统 干粉收集装置 筛分装置 提升装置等 5 尾气净化系统 旋风除尘器 袋式除尘器 83 喷雾干燥设备示意图 84 燃油热风炉燃煤热风炉 85 柱塞式计量泵0 32 50Mpa 液压隔膜计量泵0 32 25Mpa 86 喷雾干燥用喷嘴 87 袋式除尘器 对烟气中二氧化硫的控制使粉尘比电阻上升袋式除尘器主机强力清灰为特征的脉冲袋式除尘器约35mg m3袋式除尘器用滤料 滤袋耐高温滤料多样化 除了诺梅克斯 美塔斯外 P84 莱登 RrTUN 滤料的应用越来越多 特氟纶滤料已有少量应用 由微细玻璃纤维与耐高温P84等化学纤维复合 利用特殊工艺制成的新型FMS 氟美斯耐高温针刺毡在钢铁 水泥 天然气 化工等行业已有不少成功的应用 88 旋风分离器 89 水雾化除尘器 当气体冲击到湿润的器壁时 尘粒被器壁所粘附或当气体与喷洒的液滴相遇时 液体在灰尘质点上凝集 增大了质点的重量 而使之降落回收 90 水雾化除尘器 91 喷雾 干燥设备 类型 压力式喷雾干燥器离心式喷雾干燥器气流式喷雾干燥器 92 压力式喷雾干燥器 93 离心式喷雾干燥器 空气经空气过滤器和加热器后 切向旋转进入 并经均风器扩散均布于干燥塔内 料液经过滤器过滤后 由泵输送至干燥室顶部的离心雾化器里 在雾化盘高速旋转离心力的作用下 料液在雾化盘的表面形成较薄的液膜 扩散至喷咀出口处 被分裂成小雾滴 以极大的表面积同热空气接触 水份迅速蒸发 在极短的时间内干燥成颗粒制品 干品在塔底及旋风分离器中收集 含尘气体经过布袋等除尘器过滤后放空 94 离心式喷雾干燥器 95 气流式喷雾干燥机的雾化器 也叫气流式喷嘴 用高速气流 蒸汽或压缩空气 对液膜产生摩擦分裂作用把液体雾化 溶液被分裂成细雾化的过程 是当高速气流以很高的速度 一般为200 300m s 有时甚至达到超音速 从喷嘴喷出时 溶液的流出速度并不大 气流与液流之间存在相当高的相对速度 与此产生摩擦 使液体被拉成一条条细长的丝 这些丝状体在较细处很快断裂 而形成球状小雾滴 相对速度越高 丝越细 存在时间越短 所得雾滴越细 溶液粘度越高 丝状体存在的时间越长 往往没有断裂就干燥了 气流式喷雾干燥器 96 气流式喷雾干燥器结构特点 1 气流式雾化器结构简单 磨损小2 对于低粘度或高粘度料液 特别是含有少量杂质的物料 均可雾化 适用范围很广 如泥浆状物 糊状物 凝胶 塑料 胶水以及胶化的淀粉等 3 所得雾滴较细 约5 30微米 4 操作弹性大 处理量有一定伸缩性 且调节气液比可控制雾滴大小 因而也就控制了成品的粒度 缺点用于雾化的压缩空气的动力消耗较大 当用于高粘度料液或分子量较大的有机料液的雾化干燥时能耗明显 97 气流式喷雾干燥流程 一种是上喷式 即喷嘴设置在干燥塔的顶部 雾化后的料液和热风从上向下并流完成干燥过程 适合于粘度较大且具有一定热敏性物料的干燥 第二种是下喷式 雾化后的料液和热风一起从下向上完成干燥过程 适合于耐温性能较好的物料的干燥 传统的小规模的减水剂的干燥原来都采用这种方式 98 气流式喷雾干燥器 99 团粒性能及其影响因素 1 含水量适中4 7 水分分布均匀 2 堆积密度较大 3 团聚颗粒成球形 表面光滑 流动性能好 团粒表面光滑 滑移方便流动 自然堆积难形成架桥团粒强度小 架桥易塌有机物吸附在粒子表面 磨擦系数小 100 含水量 相同成型压力P下 当粉料的含水量处于某一适宜的值时 颗粒表面的水化膜可确保颗粒移动而不出现多余 使坯体被压实 含水率低于WC时 水化膜过薄 颗粒间相互移动磨擦阻力增大 有效压力下降 坯体不易压实 粉料含水率高于WC时 颗粒表面水膜过厚 连成一片 多余的水占据了空间 且颗粒变软 易碎 空气排不出 也不易压实 101 水分均匀分布程度 水分不均匀 压制后坯体各部位的干湿程度不同 在干燥中 因收缩不同而造成局部热应力 导致变形 严重时出现开裂 102 真颗粒 一次颗粒 粒度 真颗粒必须有一定的细度 才能保证烧结过程顺利进行 同时保证坯体具有一定的可塑性和结合性 防止在干燥时 因坯体强度不够 排水时汽化张力使坯体开裂 一般情况下 泥浆必须过两次筛 或双层筛 筛目为80目 100目 或100目 120目 细度控制为万孔筛余0 1 1 103 假颗粒 二次颗粒 粉料 粒度 如果假颗粒过细或是还保留许多真颗粒 则在成型过程中 排气困难 易造成夹层缺陷 如果假颗粒过粗 则坯体表面不平整 颗粒之间的空隙不能填满 同样会影响产品质量 104 成型时要排除的气孔 大气孔 架桥孔 团粒间孔中气孔 团粒内团聚粉粒间孔 105 小气孔 团聚粒内一次粒子间的孔微气孔 一次粒子内的气孔 106 等静压成型 湿法等静压成型干袋等静压成型 107 Isostaticpressing湿法等静压成型 108 干袋等静压成型 109 习题 1 陶瓷成型是赋予制品一定形状的手段或方法 除此之外 成型所追求的坯体性能目标是什么 为什么 2 浆料成型对浆料有何要求 如何实现这些要求 3 塑法成型技术的基础是什么 影响坯体可塑性的因素 4 干压成型为何要将粉体造粒 110 THEEND欢迎提问 111 112 坯料的性能与影响因素 坯料定义按一定的工艺手段和方法加工 满足一定的工艺参数要求 如含水量 粒度 可塑性 流动性等 具有成型性能的多种原料的混合物 质量要求 1 配方准确 干基换算为湿基 2 各组分要混合均匀 宏观 微观上均匀 3 粒度要符合要求 4 含空气量尽可能少 5 坯料的稳定性要好 6 坯料的各项工艺参数尽可能与预定目标相同 113 可塑成型坯料性能及其影响因素 可塑坯料是指用于挤压成型的坯料 质量要求 1 保证有足够的可塑性 以满足成形和半成品的干燥强度的需要 通常南方地区可塑指标 3 北方地区可塑指标 5 2 要有良好的成型稳定性 既不粘模 也不开裂 3 干燥后的坯体要具有足够的强度 保证后道工序 4 坯料具有高的屈服强度 114 影响可塑成型坯料性能的因素 1 粘土原料用量坯料的可塑性正比于粘土原料的用量 粘土有水化膜 用量多 则增加坯料的含水量 导致干燥时脱水反应大 增加收缩 进而造成坯体开裂或变形 2 粘土原料的种类二次粘土的坯料可塑性 使用原生粘土坯料的可塑性 蒙脱石的的坯料可塑性 使用高岭石的坯料可塑性 3 粘土吸附的阳离子种类粘土颗粒表面带电荷 往往其表面吸附有阳离子 因阳离子种类的不同 使得颗粒之间的吸力及颗粒间水膜厚度发生变化 因而表现出来的可塑性有所不同 同种类阳离子的影响作用如下 H Al3 Ba2 Sr2 Ca2 Mg2 NH K Na Li 吸附位于序列左边离子的可塑性料 屈服值都较吸附位于序列右边离子的粘土要大 115 4 粘土颗粒的大小和形状 5 含水量的影响必须要有一定量的水 才能表现出可塑性 因而调整坯料的含水量在一定程度范围内可以调整坯料的可塑性 尤其是可以调节可塑坯料的屈服值 6 陈腐与练泥毛细管力 水分更均匀 性能稳定 原料进一步水化 在高温低湿环境下 大量繁殖厌氧细菌 同时又死亡 变成腐植酸 坯料可塑性提高 7 增塑剂 塑化剂 对于少数坯料 在天然原料无法保证其可塑性时 可考虑适当添加增塑剂 塑化剂 如 CMC PVA等 116 影响半干压粉料质量的因素 117 压制成型用粉料颗粒最大尺寸满足 118 最常见粒度分布如表3 10所示 119 坯料 粉料 制备工艺 确定制备工艺流程的原则 1 必须保证制备好的粉料满足成型的要求 2 根据所用的原料性质来制定工艺流程 3 根据产品质量的要求来选择工艺流程 4 根据本厂的条件来选择工艺流程 5 在保证质量前提下 尽可能地使用工序短 经济的流程 6 要选择保护工人合法权益的流程 120 粉料制备工艺干法制备的流程 1 轮碾造粒2 干粉造粒机造粒原理 在中心轴叶片的机械作用下 干粉粉料处于悬浮或湍流状态 这样 粉料就能和喷入的水雾充分接触混合 当粉料不断地湿化达到成粒临界点时 众多的粉粒就以某一较大的粉粒为核心 渐渐地聚集成较大颗粒 优点流程简单 投资低 约为湿法的60 少蒸发水分 能耗低 约为湿法的2 3 甚至1 3 颗粒含空气少 实心 节约劳动力 全自动化 维修费用低 缺点粉尘污染 原料要含水率稳定 除铁效率低 粉料流动性稍差 121 在干法制粉工艺中 采用的造粒设备是连续式造粒机 细碎后的粉料在混料筒内进行湿混造粒 混料筒里装置带有销钉和叶片的旋转轴 同时装有喷水用的喷雾喷嘴 造粒时 粉料可以连续不断地送入混料筒里 在轴的高速旋转下 粉料与水和粘结剂充分地混合 润湿聚集成球 粉料在混料筒里停留时间约为30s 然后被送往流化干燥床 使其进一步干燥 直至符合成形要求 这种造粒机制备的粉料 体积密度大 形状规则 成形性能好 其特点是 粉料密度高 堆积密度大 成形压缩比小 能量消耗小 为喷雾干燥的37 左右 自动化程度高