材料合成与制备(材料概论)

3.5成型材料只有经过成型加工，形成最终产品或制品，才能体现其功能和价值。材料的加工工艺涉及三个方面：材料、成型加工与制品。制品的性能取决于材料的内在性能和成型加工过程中所赋予的附加性能。一、成型①附加性能：成型过程所引起的材料的物理、化学变化造成的性能。制品的性能是由材料的内在性能和成型加工所赋予的附加性能决定的。②成型：泥料或熔液借助于外力或模具，成为具有一定尺寸、形状和强度的坯体或制品的过程。12021/10/10星期日1ppt课件3.5成型③成型加工：将各种状态的原料转变成具有固定形状制品的工艺过程。成型加工通常包括两个过程：Ⅰ.使原料变形或流动并取得需要的形状；Ⅱ.进行固化以保持所取得的形状成为制品。材料成型加工工艺是将材料通过成型加工转变成实用性制品的工程技术。由成型与加工两部分组成。22021/10/10星期日2ppt课件3.5成型二、材料的成型特性材料的成型特性主要表现为可流动性和可塑性变形性。①可流动性：材料在加热作用下或添加溶剂时表现出来的流动性。②可塑性变形性：材料在加热作用下或添加溶剂、增塑剂等助剂时，同时受外力作用下，表现出来的塑性变形行为。③材料成型方法的成型特性分类：根据材料的成型特性，成型方法可分为自由流动成型、受力流动成型、受力塑性成型和其他成型。32021/10/10星期日3ppt课件3.5成型④自由流动成型：成型时无外力作用下，将呈流动状态的物料倒入模具型腔，或使其附在模具表面，经改变温度、反应或溶剂挥发等作用，使之固化或凝固，从而形成具有模具形状的产品，最终产品可以是成品，也可以是半成品(如表所示)。成型类型材料成型方法自由流动成型金属材料浇铸无机非金属材料玻璃陶瓷人工自由成型、浇铸注浆成型、流延成型高分子材料塑料橡胶纤维浇铸、搪塑、浸渍浸渍、浇铸浸渍42021/10/10星期日4ppt课件3.5成型⑤受力流动成型：在受力作用下，将呈流动状态的物料注入模具型腔，或使物料通过一定形状的口模，或附在模具表面，经温度变化、反应或溶剂挥发等作用，使物料冷凝、固化，形成产品，产品一般无需后续加工即可直接使用(如表所示)。成型类型材料成型方法受力流动成型金属材料特种铸造无机非金属材料水泥玻璃陶瓷注浆成型(？)吹制、拉制、压制、压延成型压力注浆、热压成型高分子材料塑料橡胶纤维注塑、挤出、压延、压制、反应注射注射、注压成型熔体纺丝、干法纺丝、湿法纺丝复合材料手糊、模压、挤出、注射成型等52021/10/10星期日5ppt课件3.5成型☆教材错误：P22表2-6成型方法的类别中水泥没有“注浆成型”。⑥受力塑性成型：在高温或常温，或塑化条件下，受力使固态物料产生塑性变形而获得所需尺寸、形状及力学性能的成型方法(如表所示)。成型类型材料成型方法受力塑性成型金属材料锻造、冲压、轧制、挤压、拉拨、超塑性非金属材料陶瓷挤压、车坯、旋坯、滚压、压制高分子材料塑料橡胶真空成型压出、压延、压制62021/10/10星期日6ppt课件3.5成型⑦其他成型(如表所示)。成型类型材料成型方法其他成型金属材料粉末冶金、焊接非金属材料玻璃烧结成型高分子材料塑料泡沫塑料成型、烧结成型复合材料缠绕成型72021/10/10星期日7ppt课件3.5成型二、成型方法成型的目的：将材料转变成具有一定形状的半成品或成品。金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料的成型方法具有各自的系统和特点。但相互之间又有许多相似之处，可相互借鉴。82021/10/10星期日8ppt课件3.5成型各类材料的主要成型方法如表所示。材料类型材料品种成型方法金属材料黑色金属有色金属铸造、塑性成型(锻造、冲压、轧制、挤压、拉拨、超塑性成型)、粉末冶金、焊接等无机非金属材料水泥注浆成型(？)玻璃人工成型(吹制、自由成型、拉制等)机械成型(压制、吹制、拉制、压延、浇铸、烧结等)陶瓷可塑成型(挤压、车坯、旋坯、滚压)注浆成型(空心、实心、压力、离心、真空、热压等)压制成型(流延法)高分子材料塑料注射、压制、压延、中空成型、热成型、浇铸、搪塑、浸渍、真空成型、泡沫塑料成型、烧结橡胶压制、压延、压出、浸渍、浇铸、涂层等合成纤维熔体纺丝、干法纺丝、湿法纺丝等复合材料手糊成型、模压成型、缠绕成型、挤出成型、注射成型等92021/10/10星期日9ppt课件3.5成型☆教材错误：P22表2-5各类材料的主要成型方法中水泥没有“注浆成型”。材料成型方法有数十种之多，主要有压制法、可塑法、注浆法、振动法、热压法、熔铸法、拉制法、喷吹法、等静压法、压延法、流延法、挤压法、注射法等。最常用的是压制法、可塑法和注浆法，其余方法实质上是这三种方法的特殊应用。采用何种方法成型，应根据材料自身的成型特性、产品性质、工艺要求及经济性等因素来决定。102021/10/10星期日10ppt课件3.5成型①压制成型(受力塑性成型典型方法)：压制成型包括干压法和半干压法。干压法坯料不含或含水很少，半干压法坯料含水5%左右。半干压法成型：利用外部机械压力，使具有一定可塑性的预混料或预浸料(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。各类烧结材料的坯料，都是由固体物料、水(或结合剂)和空气组成的三相系统，在压制过程中，随着压力的增高，坯料中空气被压缩和减少，坯体的气孔率下降，密度增大，强度随之提高。112021/10/10星期日11ppt课件3.5成型压制过程：在压力作用下，泥料中的颗粒开始移动，重新配置成较紧密的堆积，空气排出，压缩明显，坯体变得致密。压力进一步增大，颗粒发生塑性变形及弹性变形，坯料被压缩到一定程度后，会阻碍压缩。达到极限压力后，坯料的致密度不再提高。压制成型机械设备：摩擦压砖机和液压压砖机(如图所示)。压制成型的用途：用于生产几何形状规整的致密制品。广泛应用于砖瓦、耐火材料、建筑陶瓷、磨具等烧结材料的坯体的压制(如图所示)。摩擦压砖机液压压砖机122021/10/10星期日12ppt课件3.5成型②注浆成型(自由流动成型典型方法)：将泥浆注入多孔模具内，借助于模具的吸水能力而成型的方法。将制备好的坯料泥浆注入多孔性模具(石膏模)内，泥浆在贴近模壁处的一层被模子吸去水分，形成均匀的泥层，并随时间延长而逐渐加厚。达到一定厚度后，倒出多余的泥浆，泥层继续脱水收缩，并与模具脱离，最后按模具形状形成坯体。注浆成型泥料含水30%～40%。空心注浆成型过程：装模→注浆→倒余浆→修口→注件(如图所示)。石膏模注浆倒余浆修口注件132021/10/10星期日13ppt课件3.5成型泥浆的调制：注浆成型最重要的是泥浆的调制。一般希望浓稠，易流动，有粘性，稳定性好，有适当的触变性，不含气泡。对于中空薄壁的杯、壶、管类制品，一般采用空心注浆方式，泥浆应具有较好的流动性，粘度要小。厚胎大件制品，多用实心注浆方式，泥浆稠度要大。注浆成型后的坯体结构较均匀，但其含水量大，且不均匀，干燥与烧结收缩也较大。注浆成型的用途：主要用于形状复杂、不规则的、薄的、体积较大且尺寸要求不严的制品成型，如花瓶、茶壶等日用陶瓷、美术瓷、卫生瓷。特别适合制造中空的薄型制品(如图所示)。142021/10/10星期日14ppt课件3.5成型③可塑成型(受力流动成型典型方法)：用可塑泥料制成坯体的方法。将预制好的坯料挤入挤泥机中，挤成泥条，然后切割，按所需制成荒坯，再用手工或压机压制，使坯体具有规定的尺寸和形状。可塑成型坯料含水15%～25%。可塑成型基于坯料有可塑性，有雕塑、拉坯、印坯、旋压、滚压、注射、挤制、压制、车坯和轧膜等成型操作。一般希望可塑坯料有一个较高的屈服值和较大的延伸变形量，使坯料被可塑成各种形状而不变形开裂。可塑成型坯料含水量一般在16%以上。152021/10/10星期日15ppt课件3.5成型可塑成型的典型工艺流程如图所示。可塑成型最重要的是泥料混练。可塑成型的用途：用于制造尺寸较大的异形制品(如图所示)。按一定配比的干料双轴混粒机干混双轴混料机湿混水蒸气湿润湿碾机真空挤泥机困料(静置)切割成毛坯修坯再压机干燥162021/10/10星期日16ppt课件3.5成型④模具：在外力作用下使坯料成为有特定形状和尺寸的制品的工具。在成型工艺中，模具占有重要地位。模具设计与制作的好坏，对坯体及制品质量、产量和成本有直接影响。根据材质，模具可分为5类：Ⅰ.木质模具(手工成型及振动成型)；Ⅱ.橡胶模具(等静压成型)；Ⅲ.石膏模具(注浆成型)；Ⅳ.金属模具(压制成型)；Ⅴ.石质模具(熔铸成型)。近期发展较快的还有橡塑模具和多孔陶瓷模具。172021/10/10星期日17ppt课件3.6干燥一、坯体所含水分的类型成型后的各种坯体，一般都含有较高的水分，尤其是可塑成型和注浆成型坯体，还呈可塑状态，在运输和再加工过程中很容易变形或破损，为提高成型坯体的强度，需要对坯体进行干燥，以去除部分水分，使坯体失去可塑性。坯体所含水分大体可分为三类。①自由水：分布在颗粒之间和毛细管中，结合松弛，较易排除。182021/10/10星期日18ppt课件3.6干燥②吸附水(平衡水)：附着于颗粒表面，其数量与环境温度和湿度相关，并有一定的平衡关系，即随周围介质条件的变化而发生可逆性变化。③结合水(结构水)：包含在矿物的分子结构中，结合牢固，排除时需要较大能量。从工艺观点看，干燥过程只需排除自由水即可，赶走平衡水没有实际意义，因为物料很快又会从空气中吸附水分达到平衡。而结合水的排除已属于烧结范围的问题。192021/10/10星期日19ppt课件3.6干燥二、干燥①干燥：使含水物料(如原料、泥浆等)或成型坯体(如湿坯)中的液态水汽化而排除水分的过程。②干燥器：完成干燥过程的机械设备。③干燥原理：将热量传给物料或坯体，物料或坯体中的水分获得热量后，汽化蒸发，由液态水变成水蒸气，离开物料或坯体，使之得到干燥。因此，干燥过程既有传热过程，也有水分扩散的传质过程。202021/10/10星期日20ppt课件3.6干燥④干燥过程：分为四个阶段(如图所示)。时间/t温度/℃干燥速度/kgcm-2h-1物料水分/%坯料含水量%与干燥时间的关系干燥速度与干燥时间的关系坯体的表面层温度与干燥时间的关系等速阶段降速阶段平衡阶段升速阶段212021/10/10星期日21ppt课件3.6干燥第一阶段：升速干燥阶段，即随着干燥时间的增长，坯体含水量减少，干燥速度升高，坯体表面层温度也随之升高。第二阶段：等速干燥阶段，是干燥过程中主要阶段。在此阶段中，水分的蒸发仅发生在坯体表面上，干燥速度等于自由水的蒸发速度，虽然水分大量排出，但速度恒定。因此，干燥速度取决于干燥介质(空气)的温度、湿度及运动速度，与坯体的厚度(或粒度)及最初含水量无关。222021/10/10星期日22ppt课件3.6干燥第三阶段：降速干燥阶段，随着干燥时间的增长，坯体含水量减少，水分从表面蒸发的速度超过自坯体内部向表面扩散的速度。因此干燥速度受水分的扩散速度控制，受空气的温度、湿度及运动速度的影响较小。第四阶段：平衡干燥阶段，即干燥速度逐渐接近于零，最终坯体水分不再减少。当空气的温度低于100℃时，保留在坯体中的水分称为平衡水分。这部分水分被固体颗粒牢固地吸附着。232021/10/10星期日23ppt课件3.6干燥⑤干燥制度：坯体进行干燥时的条件总和，包括干燥时间、干燥温度和相对湿度、坯体干燥前后的残余水分要求等，一般根据实验数据来确定。可塑成型坯体机械强度很低，不超过0.05MPa，体积收缩达10%左右，干燥速度不能太快。多熟料和熟料坯体的机械强度较高，约为1.5～5.0MPa，体积收缩一般小于6%～8%，不经干燥直接入窑烧结。⑥干燥方法：分为自然干燥和机械干燥。相应的热源有窑炉余热、电热、远红外辐射、微波等多种(如图所示)。余热干燥器微波干燥器隧道干燥器双锥回转真空干燥机242021/10/10星期日24ppt课件3.7烧结一、气孔与气孔率①气孔类型：显气孔(开口气孔和贯穿气孔)、封闭气孔(如图所示)。封闭气孔开口气孔贯通气孔252021/10/10星期日25ppt课件3.7烧结②气孔率：材料中气孔体积占总体积的百分数。③显气孔率：材料中显气孔(开口气孔和贯穿气孔)体积占总体积的百分数。④封闭气孔率：材料中封闭气孔体积占总体积的百分数。⑤真气孔率或总气孔率：显气孔率与封闭气孔率之和。262021/10/10星期日26ppt课件3.7烧结二、烧结①烧结：使坯体显气孔率接近于零，达到完全致密状态的过程。烧结工艺在耐火材料等烧结材料生产中是十分重要的。坯体在烧结过程中发生一系列物理化学变化，如膨胀、收缩、液相的出现、晶相的产生、转变等等，形成稳定的结构和矿物相，从而使坯体气孔率降低，体积密度增大，变成具有一定尺寸形状、结构强度和使用性能的制品。烧结分为固相烧结和液相烧结。272021/10/10星期日27ppt课件3.7烧结②固相烧结：发生在纯粹的固体之间的烧结。③液相烧结：具有两种或多种组分的粉末或坯体在液相与固相同时存在的状态下烧结。也就是有液相参与下的烧结。液相烧结类型可进一步分为三类。Ⅰ.纯液相烧结：如纯玻璃粉末的烧结；Ⅱ.固相在液相中不溶解的烧结：如以氧化物为基的金属陶瓷的烧结；Ⅲ.固相在液相中有一定溶解度的烧结：如以碳化物为基的金属陶瓷的烧结。液相烧结与固相烧结的推动力都是表面张力。282021/10/10星期日28ppt课件3.7烧结④固相反应：指所有包含固相物质参加的化学反应，包括固-固相反应、固-气相反应和固-液相反应等。⑤烧结与固相反应的异同。烧结过程中可能会包含有某些化学反应的作用，但烧结并不依赖化学反应的发生。它可以在不发生任何化学反应的情况下，简单地将固体粉料加热转变成坚实的致密烧结体，如氧化物陶瓷的烧结，这是烧结区别于固相反应的一个重要方面。292021/10/10星期日29ppt课件3.7烧结三、烧结方法材料的烧结方法有常压烧结、热压烧结、热等静压烧结、超高压烧结、反应烧结、爆炸烧结、微波烧结等。硅酸盐制品主要采用常压烧结。①热压烧结：将粉末充填于模具内，在高温下边加压边烧结的方法，SiC、Si3N4等常用该法烧结。②超高压烧结：与金刚石合成方法相同，烧结金刚石和氮化硼等难烧结材料时采用此法。302021/10/10星期日30ppt课件3.7烧结③反应烧结：通过化学反应而烧结的方法，如氮化硅是在Si粉中通入氮气，通过化学反应烧结而成的。④爆炸烧结：粉末在由炸药爆炸产生的高温高压冲击波作用下实现烧结的方法。⑤微波烧结：将坯体或粉末置于微波电磁场中，在高频交变电磁场的作用下，微波能转变为热能，产生高温快速烧结的技术。312021/10/10星期日31ppt课件3.7烧结⑥常压烧结(以硅酸盐制品为例)：烧结过程中的物理化学变化主要取决于制品的化学成分和矿物成分、烧结制度等。硅酸盐类制品的烧结大致经历五个主要阶段。Ⅰ.坯体排出水分阶段(10～200℃)：在该阶段中，主要是排出坯体中残存的自由水和吸附水。水分的排除，使坯体中留下气孔，具有透气性，有利于下一阶段反应的进行。Ⅱ.分解、氧化阶段(200～1000℃)：这一阶段发生的物理化学变化因原料种类而异，有结合水排除、硅酸盐或硫酸盐分解、有机物的氧化燃烧等。此外，还可能有晶型转变发生或少量低熔液相生成。此时，坯体的重量减轻，气孔率进一步增大，强度亦有较大变化。322021/10/10星期日32ppt课件3.7烧结Ⅲ.液相形成和晶相合成阶段(>1000℃)：分解作用将继续进行，随温度升高，液相生成量增加，液相粘度降低，某些新矿物相开始形成，并进行溶解重结晶。由于液相的扩散、流动、溶解、沉析传质的进行，颗粒在液相表面张力作用下，进一步靠拢而促使坯体致密化，使其强度增大、体积缩小、气孔率降低、烧结急剧进行(如图所示)。(a)→(b)，开始产生颗粒间的键合和重排过程，颗粒因重排而相互靠拢。(a)中大空隙逐渐消失，(b)中气孔总体积逐渐减少。颗粒间仍以点接触为主。332021/10/10星期日33ppt课件3.7烧结Ⅳ.烧结阶段：坯体中各种反应趋于完全、充分，液相数量继续增加，结晶相进一步成长而达到致密化，即所谓“烧结”(如图所示)。(b)→(c)，开始有明显的传质过程，颗粒间由点接触逐渐扩大为面接触，颗粒间界面积增加，固－气表面积相应减少，但仍有部分空隙是连通的。342021/10/10星期日34ppt课件3.7烧结Ⅴ.冷却阶段：从最高烧结温度至室温的冷却过程中，主要发生玻璃相的析晶、某些晶相的晶型转变、玻璃相的固化等过程。在此过程中，坯体的强度、密度、体积都有相应的变化(如图所示)。(c)→(d)，随着传质的继续，颗粒界面进一步发育长大，气孔逐渐缩小和变形，最终转变成孤立的封闭气孔。同时，颗粒粒界开始移动，颗粒长大，显气孔逐渐迁移到粒界上消失，烧结体致密度增高。352021/10/10星期日35ppt课件3.7烧结⑥烧结的影响因素。烧结必须在高温下进行，高纯物料在烧结温度下很少有液相出现，而多组分物料常有液相熔出。有无液相参加，烧结机理有原则区别。烧结的影响因素主要有：Ⅰ.物料的晶体化学特性。表示晶体键强大小的晶格能是决定物料烧结难易的重要参数。晶格能大、极性低的物质结构牢固，高温下质点的可动性较小，烧结较困难，如Al2O3等。由于多晶体内部含有许多晶界，所以比单晶体容易烧结。Ⅱ.物料的分散度。物料的分散度高则比表面积大，表面结构缺陷多，表面自由能越大，使质点的迁移具有强大的动力，有利于烧结。362021/10/10星期日36ppt课件3.7烧结Ⅲ.温度和保温时间。温度和保温时间是烧结的重要外因条件。提高温度和延长保温时间，都有利于烧结的进行。烧结过程中随温度不断提高，物料的气孔率不断降低，致密度和强度不断提高。若继续升温可能使物料软化变形(或膨胀)。Ⅳ.物料颗粒的接触情况和压力的影响。坯体致密，颗粒接触良好有利于质点的扩散，促进烧结。烧结过程中采用高压手段也能促进烧结。Ⅴ.添加剂的作用。在烧结物料中加入适当的添加剂，对物料的烧结有相当的促进作用。但当超过一定量的限度以后，反而会起阻碍作用。372021/10/10星期日37ppt课件3.7烧结Ⅵ.液相的作用。液相对烧结作用主要体现在固体颗粒在液相表面张力作用下的重排，以及重排过程结束后溶解沉析和颗粒长大。因此，液相本身的表面张力大小，粘度以及对固相颗粒的润湿能力直接影响液相的作用。Ⅶ.气相在烧结中的作用。烧结过程中，若添加剂具有高温挥发性，就会形成一部分气相，气相的存在和逸出会增加坯体的气孔率，不利于烧结。Ⅷ.气氛的影响。材料和烧结条件的不同，气氛对烧结的影响是不同的，应具体问题具体分析。382021/10/10星期日38ppt课件3.7烧结⑦烧结制度：包括温度制度(升温速度、最高烧结温度、在最高烧结温度下的保温时间以及冷却速度)、压力制度和气氛制度等三个部分。纯物料的烧结温度与其熔点之间有一近似关系，金属的开始烧结温度约为其熔点的0.3～0.4倍，无机盐类约为0.57倍，硅酸盐类约为0.7～0.9倍。在烧结制度中，升温速度或冷却速度的允许值取决于坯料在烧结或冷却时所受到的应力作用。这种应力主要来源于两个方面，一是热应力；二是由于制品内部一系列物理化学反应形成的应力。392021/10/10星期日39ppt课件3.7烧结⑧烧结设备。常压烧结生产陶瓷和耐火材料制品，需要很长的烧结时间，且很难制备非常致密的材料。如烧结耐火材料气孔率达15%～25%，陶瓷气孔率达3%～5%。采用真空烧结或热压烧结可以提高烧结速度，降低烧结温度，制得非常致密的产品。Ⅰ.普通硅酸盐制品的烧结设备：主要有隧道窑、辊道窑、梭式窑、回转窑、倒焰窑、直焰窑、电阻炉及各类熔窑等(如图所示)。Ⅱ.特种陶瓷的烧结设备：主要有电阻炉、真空烧结炉、热压烧结炉、微波烧结炉等(如图所示)。隧道窑辊道窑梭式窑回转窑电阻炉真空烧结炉热压烧结炉微波烧结炉402021/10/10星期日40ppt课件3.8成品加工无机非金属材料可按设计的各种几何形状制成板、块、棒、管、球等，或平整表面，或弯曲表面，但其整齐程度却不同于金属材料和高分子材料，往往显得较为粗糙，不经机械加工，其尺寸精度和表面光洁度很差，所以许多制品需要按使用要求进行成品加工，对于大部分民用制品，如陶瓷、玻璃、搪瓷、玉器等还需进行外观装饰。成品加工的作用，除了改善表面光洁度、消除尺寸偏差外，还可通过表面处理改善制品的性能。412021/10/10星期日41ppt课件3.8成品加工①成品加工方法。无机非金属材料的成品加工方法有很多种，但主要为去除加工法，其中力学加工法(如金刚石切割、磨削、抛光)的生产率较高，工业上应用广泛。加工是以加工点部位的材料微小破碎、变形或化学反应的积累方式进行的。加工方法的选择取决于材料的结构特点。无机非金属材料的强脆性限制了热塑性加工方法的应用，高硬度加大了加工的难度，绝缘性限制了加工方法的使用。422021/10/10星期日42ppt课件3.8成品加工②表面处理与改性。无机非金属材料的表面存在大量缺陷和裂纹，去除或减少缺陷及裂纹，可提高材料的强度，改善表面性能。目前已开发的表面处理与改性技术主要有：Ⅰ.通过抛光(化学或机械)技术消除表面缺陷；Ⅱ.通过微氧化技术，使非氧化物材料表面裂纹愈合或用化学刻蚀使裂纹端部曲率半径增大；Ⅲ.采用表面退火处理工艺消除内应力和加工应力；Ⅳ.激光热处理；Ⅴ.低温深冷表面处理；Ⅵ.离子注入技术；Ⅶ.通过有机涂层、离子镀膜、溅射、化学气相沉积等形成表面保护膜等。432021/10/10星期日43ppt课件3.8成品加工③材料的接合与封装。无机非金属材