1、成型工艺原理及方法 (1) 成形方法分类与选择 模压成型、注浆成型、塑性成型原理及工艺 浆料原位固化成型技术 薄型陶瓷膜片成型 计算机辅助无膜成型技术原理成型方法分类及选择 成型是将制备好的坯料，用各种不同的方法制成具有一定形状和尺寸的坯体 (生坯 )的过程 成型需满足的要求： 坯体符合产品要求的生坯形状和尺寸 (考虑收缩 ) 坯体应具有相当的机械强度，便于后续工作的操作 坯体结构均匀，具有一定的致密度 成型过程适合于多、快、好、省的组织生产从工艺上来讲，根据坯料的性能和含水量的不同，陶瓷的成型方法可分为三类：注浆成型、可塑成型和压制成型成型方法分类成型方法 可塑成型法注浆成型法干压成型法：
2、使用钢模，坯料含水量 6%8%等静压成型法：使用橡皮模， 坯料含水量 1.5%3%热法（热压铸法）：钢模常压冷法注浆加压冷法注浆抽真空冷法注浆坯料含水量 18%26%冷法 石膏模坯料含水量30%40%有模无模成型方法的选择(1) 产品的形状、大小、厚薄。一般形状复杂、大件、薄壁产品，可采用注浆成型法。而具有简单回转体形状的器皿则采用旋压或滚压成型(2) 坯料的工艺性能。可塑性好的坯料适用于可塑成型，可塑性差的坯料适用注浆或干压成型。(3) 产品的产量和质量要求。产量大的产品可采用可塑成型，产量小的产品可采用注浆成型。(4) 成型设备要简单，劳动强度要小，劳动条件要好。(5) 技术指标要高，经济
3、效益要好模压成型 成型原理： 将经过造粒 、 流动性好 、 颗粒级配合适粉料 ， 装入模具内 ， 通过施加外压力 ， 使粉料压制成一定的坯体 。 造粒粉的制备工艺： 在原料细粉中加入一定量的塑化剂 ， 制成颗粒较粗 、 具有一定颗粒级配 、 流动性的团粒 (一般 2080目 )， 以利于先进陶瓷坯体的压制成型(1)手工造粒法：实验室(2)加压造粒法：塑化剂混合均匀 ， 在液压机上用压模以 1825MPa的压力保压 1min， 压成圆饼 ， 破碎过筛(3)喷雾干燥造粒法：将混有适量塑化剂的粉料预先做成浆料 ， 再用喷雾器喷入造粒塔进行雾化和热风干燥(4)冻结干燥法：将金属盐水溶液喷雾到低温有机液
4、体中 ， 液体立即冻结 ， 冻结物在低温减压条件下升华 ， 脱水后热分解 ， 得成型坯料压制过程坯体的变化 密度的变化：加压第一阶段，坯体密度急剧增加；第二阶段，当压力继续增加时，坯体密度增加缓慢，后期几乎无变化；第三阶段，当压力超过某一数值后，坯体的密度又随压力增高而加大。 强度的变化：第一阶段压力较低，颗粒间接触面积较小，所以强度不大。第二阶段成型压力增加， 颗粒位移 、 填充孔隙 、 颗粒发生弹 -塑性变形 ，颗粒间接触面积大大增加，出现原子间力的相互作用，因此强度呈直线提高。压力继续增大至第三阶段，坯体密度和孔隙变化不明显，强度变化也比较平坦。 坯体中压力的分布：最大问题是 压力分布不
5、均匀 ，即不同部位受到的压力不等，因而导致坯体各部分的密度出现差别。加压方式与压力分布 单向加压一端加压 ， 受压面密度大 ， 未加压端密度小 双向加压：坯体两边受压 ， 两端密度大 ， 中间密度小 改进的双向加压：(1) 先上加压 ， 后下加压(2) 加润滑剂并造粒模压成型工艺参数控制及特点 成型压力取决于坯体的形状、高度、粘合剂种类与用量、粉体的流动性、坯体的致密度 加压速度与保压时间加压快、保压时间短，坯体中气体不容易排出，压力未传递到应有的深度，压力不均匀；加压慢、保压时间长，效率低 模型成型特点优点：工艺简单、容易实现机械化自动化生产；坯体密实、烧结收缩小，机械、抗电击穿强度较高缺点
6、：必须具备一定功率 P的加压设备；模具成本高，且磨损大，需经常更换；具有明显的各向异性，影响其坯体的均匀性。 目前主要用于圆片、薄片状电子元件干压成型设备注浆成型(1)石膏模注浆成型利用石膏吸水性的一种成形方法。其过程： (水粉料 )倒入事先制作好、吸水性很强的石膏模中，浆料中之水分向石膏模壁渗透，因而浆料便沿 石膏模 壁固化。到一定厚度后，可倾出剩余浆料。 对注浆成型所用的料浆，必须具备以下性能：流动性和稳定性好 (不易分层和沉淀 )、触变性要小、含水量尽可能少、渗透性要好、脱模性要好、尽可能不含气泡 注浆成型特点优点 : 技术简单、成本低、适用各种复杂坯体；缺点 : 自动化程度低，强度差、
7、收缩大、形变显著 注浆成型改进压力注浆： 外加压力 代替毛细管力，控制注浆厚度真空注浆：模具周围被 抽真空 (1bar)离心注浆：被 旋转的模具 可保证浆料完全填满模腔超声注浆：增加密度或改善触变性浆料的流变行为，有利于促进气泡排除，改善均匀性(2) 热压铸成型右图为热压铸机示意图1. 工作台 2. 热油浴锅3. 腊浆桶 4. 加热装置5.9阀门 6. 活塞7. 模具 8. 温度计10.脚控踏板 11. 压缩空气进口工艺原理 : 将煅烧过的熟瓷粉和石蜡 等制成之蜡块熔化，后在压缩空气的作用之下，使之迅速充满模具各个部分，保压冷凝，便可脱模获得腊坯体。在惰性粉粒的保护之下，将蜡坯进行 高温排蜡
8、，清除保护粉粒后得半熟的坯体 蜡浆制备12 0 1 30 熟瓷粉 预 热 石 蜡 硬脂酸 搅 拌 熔 化 除气， 进热压 铸机 浇 成腊饼存放 6 0 8 0 要点 1: 热压铸成型必须用熟料，目的 : (1) 保证铸浆有良好的流动性； (2) 减少坯体的收缩率和变形。要点 2: 石蜡是亲油而憎水的 , 而瓷粉与油之间缺乏很大的亲和力，需加入硬脂酸或油酸一类两性物质。CH3-(CH2)16-COOH 硬脂酸表面活性剂的用量一般约为 0.11%重量之间石蜡的用量在 612%之间 高温脱腊 蜡坯直接进入窑炉烧结，会导致蜡浆流失、挥发、燃烧，瓷料将失去支持粘结而解体，不能保持原有形状 高温脱蜡，将蜡
9、坯埋入疏松、惰性的保护粉粒中 (高温煅烧料 ) 进行排蜡 通常排蜡温度 900-1100左右3 2 7 2 7( ) ( )CH CH CH CH CH CO O H = 油酸热压铸工艺优缺点 优点 适用于矿物原料、氧化物、氮化物等多种原料成型 对于外型复杂、精密度高的中小型元件特别适合 操作简易、劳动强度不大，生产效率高热压铸是各种复杂电子陶瓷元件的主要成型工艺 缺点工序过于复杂，粉料煅烧、高温排蜡、耗能大塑性成型 可塑法成型与注浆成型不同，注浆成型是利用浆料的流动性特点填充模具而制成一定形状的坯体，而 塑性成型是利用泥料具有可塑性的特点 ，经一定工艺处理泥料制成一定形状的坯体。包括挤压成型
10、、注射成型、轧膜成型等，适合于 生产管、棒和薄片状的制品 塑性成型的核心和基础： 坯料具有一定的可塑性 塑化处理：利用塑化剂使原来无塑性的泥料具有可塑性的过程。塑化剂一般是无机塑化剂 (传统陶瓷中的粘土 )和有机塑化剂两类。一般采用有机塑化剂，塑化剂由粘合剂、增塑剂和溶剂组成。 有机塑化剂一般是水溶性，同时具有极性。它在水溶液中能生成水化膜，对坯料表面有活性作用，能被坯料的粒子表面所吸附。这样，在瘠性粒子表面既有一层水化膜，又有一层粘性很强的有机高分子。这种高分子卷曲线性分子，能把松散的瘠性粒子粘结在一起，使其具有流动性，从而使泥料具有可塑性。 塑化剂对坯体性能的影响 PVA聚合度对成型性能的
11、影响： PVA聚合度 1500-1700 对坯体机械强度的影响 对电性能的影响 对烧成气氛的影响 塑化剂挥发速率的影响塑化机理(1) 挤压成型 原理 ：将经真空练制的泥料，置于挤制机内，通过挤制机的机嘴，挤压出各种形状的坯体 挤压成型泥料的性能要求(1) 粉料有足够的细度和圆润的外形，以保证必要的流动性(2) 溶剂、增塑剂等用量适当、混合均匀，否则产生扭曲变形 挤压成型的特点适用于连续化生产，生产效率高，环境污染小，易于自动化操作。但机嘴结构复杂，加工精度要求高，耗泥量多，制品烧成收缩大。适用于挤制直径 130mm的管、棒形制品 (细管壁厚薄至 0.2mm左右 )，或用于挤制直径 800mm、
12、 100-200孔 /cm2的蜂窝状、筛格式穿孔瓷筒1-喂料斗； 2-滚刀练泥； 3-真空除气室；4-螺旋推进； 5-模嘴(2) 轧膜成型 原理 ：将准备好的陶瓷材料，拌以一定量的有机粘合剂 (如聚乙烯醇 )和溶剂，通过粗轧和精轧成膜片再进行冲片成型 轧膜成型工艺流程：瓷粉 粘合剂 增塑剂 水混合、粉碎干燥混料辊压（粗轧）成型压延辊（精轧） 粗轧是将粉料、粘结剂和溶剂等成分置于两辊轴之间充分混合均匀，伴随着吹风，使溶剂逐渐挥发，形成一层厚膜。 精轧是逐步调进轧辊间距，多次折叠， 900转向反复轧练，以达到良好的均匀度、致密度、光洁度和厚度。 轧好的坯片，在一定湿度的环境下储存，防止干燥脆化，最
13、后在冲片机上冲压成型 轧膜成型具有工艺简单、生产效率高、膜片厚度均匀、生产设备简单、粉尘污染小、能成型厚度很薄的膜片等优点。但用该法成型的产品干燥收缩和烧成收缩较干压制品的大。浆料原位固化成型技术 陶瓷浆料原位凝固成型技术，其成型原理不同于依赖多孔模吸浆的传统注浆成型，而是借助一些可操作的 物理反应 (温度诱导絮凝成型和胶态振动注模成型等 )或化学反应 (如凝胶注模成型和直接凝固注模成型等 )使注模后的陶瓷浆料快速凝固为陶瓷坯体。同时该技术使得坯体在固化过程中避免收缩，浆料进行原位固化，这样避免了浆料在固化过程中可能引起的浓度梯度等缺陷，从而为成型坯体的均匀性和可靠性提供保证 近 10多年来，
14、陶瓷 原位凝固 技术已经受到人们的高度重视， 注凝成型、直接凝固成型、温度诱导絮凝成型和胶态振动注模成型 等得到迅速发展，在随后的一段时期内，这一技术仍将是陶瓷成型工艺的发展主流 陶瓷原位凝固成型具有如下特点(1) 减少了有机物的添加量，减少了脱脂时间；(2) 陶瓷浆料具有很高的固相体积分数，一般大于 50vol%，使成型坯体具有高密度；(3) 近净尺寸成型，可成型复杂形状的部件；(4) 成型坯体内部均匀、缺陷少，保证烧结后材料的高可靠性；(5) 成型坯体具有较高的强度，可对坯体进行各种机加工，从而使烧结后陶瓷机加工量减少或为零。(1) 注凝成型 注凝成型是美国橡树岭国家实验室 M.A.Jan
15、ney和 O.O.Omatete于20世纪 90年代初发明的。 该工艺是传统胶态成型与化学理论的完美结合，其构思 是将有机聚合物单体及陶瓷粉末颗粒分散在介质中制成低粘度、高固相体积含量的浓悬浮体，并加入交联剂、引发剂及催化剂，然后将这种浓悬浮体 (浆料 )注凝合成三维网络状聚合物凝胶 ，陶瓷颗粒被原位固化成坯体 由于该工艺与其他传统成型工艺相比具有许多优越的特点，引起陶瓷界内专家的普遍关注，使该技术得到很快的发展，并已在实际中获得推广应用 根据使用的介质不同可分为 水基注凝成型和非水基注凝成型 。非水基注凝成型所使用的介质为有机溶剂，它适合于那些遇水反应的陶瓷颗粒的成型。水基注凝成型用水作介质
16、，可适用于大多数陶瓷颗粒 (Al2O3、 SiC、 ZrO2等 )的成型，而成为一种普适工艺 对于水基注凝成型，目前最有效的 有机聚合物单体是丙烯酸胺 ，它分散在陶瓷颗粒中间，在交联剂、引发剂和分散剂的作用下聚合，形成聚丙烯酸胺，把陶瓷颗粒结合在一起，形成很强的坯体天然凝胶大分子如明胶、琼脂糖也可作为凝胶剂使用注凝成型的工艺流程水 预混液最终制品有机单体、交联剂烧结 排有机物 干燥脱模凝胶浆料 浇注陶瓷粉末、分散剂催化剂、引发剂凝胶干燥体气泡注凝成型关键影响因素 固体体积分数、单体或交联剂的比例及含量、引发剂、催化剂的用量、 pH及分散剂 浆料的除气处理气泡不处理，在凝胶过程中会引起氧阻隔问题
17、 ，结果会在凝胶坯体内部或表面会残留远大于气泡本身尺寸的缺陷，烧结后就成为瓷体缺陷或开裂源除气手段 ：筛网过滤、振动除气、真空搅拌除气 凝胶固化的氧阻隔问题及解决办法注凝技术基本原理是有机单体被引发可发生碳自由基聚合反应。 但是反应过程中产生的碳自由基遇到空气中的氧会迅速与之结合形成极稳定的过氧自由基，体系中自由基失去活性，使得链反应不能继续进行，成为氧阻隔现象，其结果 导致与空气接触的表面料浆不发生凝胶固化，干燥后这部分未凝胶化的粉体发生开裂或剥落。这是丙烯酸胺凝胶体系用于陶瓷注凝成型的一个普遍存在问题。解决氧阻隔的方法(1) 真空或气氛保护凝胶固化：将注凝装置置于真空或充入非氧气氛的装置中
18、进行。(2) 抗氧阻隔剂的应用：例如在氧化铝料浆中加入非离子型水溶性聚乙烯吡咯烷酮 (PVP)(3) 隔离空气法：将料浆浇注入模具后，在发生凝胶固化以前向其表面覆盖一薄层 醇类有机溶剂 (乙二醇、丙三醇等 )，把料浆与空气隔离(4) 浇冒口的应用 凝胶坯体的干燥与收缩湿度、温度和通风条件对湿凝胶坯体的干燥脱水和变形收缩至关重要。坯体干燥速度太快会产生较大的变形，同时会出现裂纹，影响坯体和产品的最终性能。为防止变形和开裂，坯体干燥的初期阶段应在湿度相对较低的环境下进行。 有些人认为脱模开裂是应为单体和交联剂比例不协调造成的，干燥开裂的主要原因是固体体积分数过低引起坯体中无机相收缩过大等 有机物的
19、烧除工艺考虑有机物在不同温度下的分解速度及完全烧除的最高温度来制定合理的烧除工序或方法制度，以缩短烧除时间并避免坯体的翘曲和开裂注凝成型工艺特点 整体均匀性好，部件可靠性高。 由于低粘度、高固相含量的浆料呈液态，可流动并填充模具，且颗粒原位固化，成型坯体各部位具有相同的密度，产品的均匀性和可靠性提高 坯体强度高，可加工成复杂形状的部件。 由于有机聚合物的作用，坯体强度达 20-40MPa，可加工出形状复杂、尺寸更精确的部件。 有机物含量少，排除容易。 浆料有机物一般只占液相介质的 1020%，相当于陶瓷粉末重量的 35wt%，容易去除，节约能源、降低成本 近净尺寸成型。 凝胶定型过程与注模操作是完全分离的，成型坯体组分和密度均匀、缺陷少，坯体收缩很小， 提高了可靠性 由于该工艺无需贵重设备，且对模具的材质无特殊要求， 成本低
