第6章无机复合材料的成型

无机复合材料的成型程伟东材料科学与工程学院1、引言陶瓷粉体的烧成并致密化过程中，必须进行成型处理，获得不同的形状，排除堆积粉体内的气孔，提高坯体密度，利于烧成的致密化。陶瓷粉体成型的方法很多：如手工、轮转、冲压、半干压制和挤制等方法。成型方法分类冷法坯料含水量30～40%石膏模常压冷法注浆加压冷法注浆抽真空冷法注浆有模无模等静压成型法：使用橡皮膜，坯料含水量1.5～3%干压成型法：使用钢模，坯料含水量6～8%可塑成型法成型方法坯料含水量18～26%注浆成型法热法（热压注法）：钢模轮转成型冲压成型（以铝合金为例）半干压制成型（视频制砖机）挤制成型（视频）将挤制陶瓷坯料放入专用挤制成型设备，通过施加一定压力，使用活塞或螺杆通过开放式的压模嘴挤出成型坯体，挤出后的坯体可保持原有形状。压模嘴即为成型模具，通过更换压模嘴可挤出不同形状的坯体。陶瓷粉体成型的原因：利用无机复合粉体的塑性来实现成型。粉体的塑性：屈服点，其以下为弹性；外加应力高于屈服点时，粉体产生永久形变，可用于模压成型。应力去除后，保持模压形状。2、干压成型采用压力将陶瓷粉体压制成一定形状的坯体。（一）粉体的工艺性质I.粒度和粒度分布粒度是指粉体的颗粒大小，通常以半径r或直径d来表示。粒度分布指各种大小颗粒所占的百分比。II.粉体堆积性质III.粉体的拱桥效应粉体自由堆积的孔隙率比理论计算值大得多。实际粉体不是球形，加上表面粗糙，使颗粒互相交错咬合，形成拱桥形空间，增大孔隙率，这种现象称为拱桥效应。（二）压制过程坯体的变化密度的变化。压制成型过程中，随着压力增加，松散的粉料迅速形成坯体。坯体的相对密度有规律地发生变化。分为三个阶段：强度的变化。坯体强度随成型压力的变化大致分为三个阶段：第一阶段压力较低，颗粒间接触面积仍小，所以强度并不大。第二阶段是成型压力增加，颗粒位移和填充孔隙继续进行，颗粒间接触面积大大增加，出现原子间力的相互作用，因此强度直线提高。第三阶段，坯体密度和孔隙变化不明显，强度变化也较平坦。122坯体强度成型压力（三）加压制度对坯体质量的影响①成型压力的影响压制过程中，加于粉料上的压力主要消耗在以下两个方面：(1)克服粉料的阻力P1，称为静压力。它包括颗粒相对位移时所需克服的内摩擦力及使粉料颗粒变形所需的力；(2)克服粉料颗粒对模壁摩擦所消耗的力P2，成为消耗压力。②加压方式的影响。单面加压时，坯体中压力分布是不均匀的（图4.4a）。不但有低压区，还有死角。双面同时加压时，可消失底部的低压区和死角，但坯体中部的密度较低(图4.4b)。若两面先后加压，两次加压之间有间歇，利于空气排出，使整个坯体压力与密度都较均匀(图4.4c)。如果在粉料四周都施加压力(也就是等静压成型)，则坯体密度最均匀(图4.4d)。③加压速度的影响。开始加压时，压力应小些，以利于空气排出，然后短时间内释放此压力，使受压气体逸出。当用高压使颗粒紧密靠拢后，必须缓慢加压，以免残余空气无法排出，在释放压力后，空气膨胀，回弹产生层裂。当坯体较厚，或者粉料颗粒较细、流动性较低，则宜减慢加压速度、延长持压时间。为了提高压力的均匀性，通常采用多次加压。3.注浆成型注浆成型工艺简单，适于生产一些形状复杂且不规则、外观尺寸要求不严格、壁薄及大型厚胎的制品。基本注浆方法：空心注浆(单面注浆)实心注浆(双面注浆)空心注浆(单面注浆)实心注浆(双面注浆)（一）注浆成型的特点及影响因素注浆成型所用的料浆必须具备如下性能：1.料浆的流动性好；2.料浆的稳定性要好（即不易沉淀和分层）；3.料浆的触变性要小；4.料浆的含水量尽可能少，渗透性要好；5.料浆的脱膜性要好；6.料浆中应尽可能不含气泡。影响泥浆流动性的因素注浆成型的泥浆应具有一定的流动性和稳定性才能满足成形的要求。固相的含量、颗粒大小和形状的影响。一定浓度的泥浆中，固相颗粒越细，颗粒间的平均距离越小，吸引力增大，位移时所需克服的阻力增大，流动性减小。由于水有偶极性和胶体粒子带有电荷，每个颗粒周围都形成水化膜，固相颗粒所呈现的体积比真实体积大得多，因而阻碍泥浆的流动。泥浆流动时，固相颗粒既有平移又有旋转运动。当颗粒形状不同时，对流动所产生的阻力必然不同。对于体积相同的固相颗粒来说，等轴颗粒产生的阻力最小；颗粒形状不规则，流动阻力大，浆料流动性差。泥浆温度的影响。将泥浆加热时，分散介质(水)的粘度下降，泥浆粘度也因而降低。提高泥浆温度除增大流动性外，还可加速泥浆脱水，增加坯体强度。生产中采用热膜热浆进行浇注的方法。若泥浆温度为35～40℃、模型温度为35℃左右，则吸浆时间可缩短一半，脱膜时间也相应缩短。50粘土及泥浆处理方法的影响。生产实践发现，粘土原料经过干燥后配成的泥浆其流动性有所改变。如图所示，粘土干燥温度升高时，一定量泥浆流出时间缩短，即其流动性增加。在某一温度下干燥粘土时，泥浆流动性可达最大值。而进一步升高干燥温度，泥浆的流动性却又降低。这和粘土干燥脱水后，表面吸附离子的吸附性质发生变化（这种现象称为固着现象）有关。干燥温度/℃流出时间/s131517100110泥浆的pH值的影响。瘠性泥浆不含粘土，容易聚沉下降，控制这类泥浆的稳定性和流动性更显得重要。提高瘠性泥浆流动性的方法通常有两种：控制泥浆的pH值；加入有机胶体或表面活性物质作稀释剂。瘠性泥浆中的原料多为两性物质。这类物质在酸性和碱性介质中都能胶溶，但离解的过程不同，形成的胶团构造也不同。泥浆的pH值改变时，会改变胶粒表面作用力和影响电位，因而使泥浆在一定范围内粘度显著下降。（二）注浆过程的物理化学变化1.物理脱水过程。泥浆注入模型后，在毛细管的作用下，泥浆中的水分沿着毛细管排出。可以认为毛细管力是泥浆脱水过程的推动力。当模型内表面形成一层坯体后，水分要继续排出必先通过坯体的毛细孔，然后再达到模型的毛细孔中。这时注浆过程的阻力来自石膏模和坯体两方面。注浆开始时，模型的阻力起主要作用。随着吸浆过程的不断进行，坯体厚度继续增加，坯体所产生的阻力越显得重要，最后起主导作用。2.注浆时的化学凝聚过程:泥浆与石膏模接触时，在其接触表面上溶有一定数量的CaSO4。它和泥浆中的Na-粘土及水玻璃发生离子交换反应：靠近石膏模表面的Na-粘土变成Ca-粘土，泥浆由悬浮状态转为聚沉。石膏起着絮凝剂的作用，促进泥浆絮凝硬化，缩短成坯时间。生成溶解度很小的CaSiO3，促使反应不断向右进行；生成的Na2SO4是水溶性的，被吸进模型的毛细管中。当烘干模型时，Na2SO4以白色丛毛状结晶的形态析出。Na-粘土＋CaSO4＋Na2SiO3→Ca-粘土＋CaSiO3↓+Na2SO4（三）吸浆速率的定量描述阿德科克推导出吸浆速率的定量公式：l为坯体厚度mm，s为坯体中固体颗粒的比表面积m2/g；t为吸浆时间s；p为泥浆与模型间的压力差Pa；为水的黏度Pas；N为常数。dl/dt为吸浆速率。K为吸浆速率常数，依赖泥浆和石膏的性质和注浆温度。lspNdtdl12KspNtl2224.可塑成型可塑成型是古老的成型方式，我国古代的手工拉坯就是最原始的可塑法。常用的可塑成型方法主要是挤压成型、热压铸成型、胶态成型等。①挤压成型。可塑料团被挤压机的螺旋或活塞挤压向前、经过机嘴出来达到要求的形状。坯体外形由挤压机机头的内部形状所决定，坯体长度根据需要进行切割。真空陶瓷挤管机陶瓷挤制：将陶瓷原料加入有机黏结剂和塑化成型助剂，经练泥、陈腐、塑化等工序，得到挤制用坯料后，将挤制坯料放入专用挤制成型设备，通过施加一定压力，使用活塞或螺杆通过开放式的压模嘴挤出成型坯体，挤出后的坯体可保持原有形状。在这种成型方法中，压模嘴即为成型模具，通过更换压模嘴可挤出不同形状的坯体。挤制的压力挤制压力主要决定于锥角α。锥角过小，挤出坯体强度低。锥角过大，阻力大，设备负荷增加。DdLα机嘴出口直径d/mm锥角α/°1012~131017~20另一个影响因素是，机嘴出口直径d和机筒直径D的比值。一般比值在0.5~0.625之间。电瓷工厂挤制实心泥时比值在0.3333~0.60241。②热压铸成型工艺热压铸成型工艺是在压力作用下，把熔化的含蜡浆料注满金属膜中，等到坯体冷却凝固后，再行脱模。这种方法可成型尺寸准确，形状复杂，质量要求高的陶瓷产品。如电子装置陶瓷、电容器陶瓷、氧化物陶瓷、金属陶瓷、铁氧体磁性瓷等。制备工艺（视频）。③纸带成型以一卷具有韧性的、低灰份的纸（如电容纸）带作为载体。让这种纸带以一定的速度通过泥浆槽，粘附上合适厚度的浆料。通过烘干区并形成一层薄瓷坯，卷轴待用。在烧结过程中，这层低灰份衬纸几乎被彻底燃尽而不留痕迹。如泥浆中采用热塑性高分子物质作为粘结剂，则在加热软化的情况下，可将坯带加压定型。④等静压成型等静压成型是指粉体的各个方向同时均匀受力。传递压力的介质通常为液体。室温下的操作称为常温（冷）等静压。高温下操作的称为热等静压。备料装料加压脱模冷等静压技术室温工作压力100~630MPa温等静压技术不超过500℃300MPa左右热等静压技术1000~2200℃100~200MPa等静压成型原理图a)高压泵把流体介质（气体或液体）压入耐高压的钢质密封容器内。b)高压流体的静压力直接作用在弹性模套内的粉料上。c)粉料在同一时间内、在各个方向上均衡地受压而获得密度分布均匀和强度较高的压坯。