第3章 特种陶瓷成型与烧结方法

加压方式和压力分布
普通压制成型 不能用于成型 高而细的产品
加压速度和保压时间
加压过快，保压时间过短，气体不易排出； 加压慢，保压时间过长，生产效率低；

优点：
生产过程简单，致密度高，制品尺寸精确，表面 质量高，设备机械化、自动化程度高，可以实现连续 化生产。
局限性：
对于制品形状复杂的制品难于成型，模具磨损大； 压力分布不均，致密度不均，收缩不均，会产生开裂、 分层等现象
二、 特种陶瓷主要成型方法 压力成型方法，可塑成型方法，料浆成型方法， 注射成型
（一）压力成型方法 利用固体颗粒为原料在一定压力下进行成型，也 叫模压成型或干压成型。 常采用干压成型和等静压成型。
粘结剂含量较低（一般为 7～8％ ）
不经干燥可以直接焙烧，坯体收缩小，可以自动 化生产。
湿法等静压成型示意图
干式等静压成型示意图
热等静压成型 设备：热等静压成型机；
气体介质：氦气、氩气；
金属箔
一般100～300MPa气压，温度可达2000℃， 实现成型和烧结。
（二）可塑成型方法
方法：
利用模具或刀具等运动所造成的压力、剪力、
挤压等外力对只有可塑性的坯料进行加工，迫 使坯料在外力作用下发生可塑变形而制成坯的 成型方法。主要有可塑毛坯挤压和轧膜成型。
等静压成形
冷等静压成型（CIP）
湿式冷等静压
干式冷等静压
湿式冷等静压成型工艺
设备：湿式冷等静压机；液体介质：水、油或甘 油；弹性模具：弹性好、抗油性好的橡胶 或塑料。 适用产品：主要适用于成型多品种、形状较复杂、 产量小和大型的制品
放入容器之前要将柔性袋中的气体排出！
干式等静压
模具并不都是处于液体之中，而是半固定式的 坯料的添加和坯件的取出，都是在干燥状态下操作 干式等静压更适合于生产形状简单的长形、壁薄、 管状制品，如果稍作改进，就能运用于连续自动化 生产。
适合产品：
适合生产管、棒和薄片状的制品，所用的结合
剂比注浆成型少
挤压成型 原理 将真空练制的泥料， 放入挤制机内，挤压机 一头可以对泥料施加压 力，通过挤压机嘴成形。 优缺点
污染小，操作易于自动 化，可连续生产，效率高； 坯体收缩大，机嘴加工 精度高。 棒和管材的挤压成型
轧膜成型
原理
将坯料拌以一定量的有机粘结剂和溶剂，通过粗轧和
图 １ PVA有机塑 化剂的塑化结构。
这种高分子是蜷曲线性分子，能 把松散的瘠性粒子粘结在一起， 又由于有水化膜的存在，使其具 有流动性，从而使坯料具有可塑 性。
3） 塑化剂对坯体性能的影响 （1）还原作用的影响： 塑化剂在焙烧时，由于氧 化不完全，而产生CO气体。CO与坯体中某些成分 发生作用，导致还原反应，使制品的性能变坏。 （2）对电性能的影响： 由于塑化剂挥发时产生一 定的气孔，也会影响到制品的绝缘性和电性能。 （3）对机械强度的影响： 塑化剂挥发是否完全、 塑化剂用量的大小，会影响到产生气孔 （4）塑化剂用量的影响： 塑化剂的含量越少越好 ，但塑化剂过低，坯体达不到致密化，容易分层。 （5）塑化剂挥发速率的影响：选择塑化剂其挥发 温度要求低于坯体的烧成温度，而且挥发温度范围 要大一些，有利于控制，否则因塑化剂集中在一个 很窄的温度范围内剧烈挥发而产生开裂等。
1）干压成型 方法与适用条件： 将造粒后的粉料置于钢模中， 在压力机上加压形成一定形状的坯体。适合压制 高度为 0.3～60 mm、直径为 5～500 mm形状简 单的制品。 原理： 在外力作用下，颗粒在模具内相互靠近， 并借内摩擦力牢固地把各颗粒联系起来，保持一定 形状。这种内摩擦力作用在相互靠近的颗粒外围结 合剂薄层上。
第 3章 特种陶瓷成型与烧结方法
3.1 成型工艺
粉料制备
成型工艺
陶瓷性能
成型技术和方法丰富、广泛，且具有不同的特点。
特种陶瓷成型方法的选择，是根据制品的性能要 求、形状、大小、厚薄、产量和经济效益等方面进 行的。
3.1.1
成形前的原料处理
目的： 调整和改善其物理化学性质，使之适宜后 续工序和产品性能的需要。 成型前的原料处理： 1、原料煅烧 2、原料的混合 3、塑化 4、造粒 5、瘠性物料的悬浮 1. 原料的煅烧
（1）加料的次序
用量较多的原 料
用量少的原料 另外用量较大 的原料
微量的添加物主要用于材料的改性或促进烧结 用量很少的原料就夹在两种用量较多的原料中间， 可以防止其粘在球磨筒的筒壁上，或粘在研磨体 上，造成坯料混合不均匀，以至于使制品性能受 到影响。
（2） 加料的方法
在特种陶瓷中，有时少量的添加物并不是一 种简单的化合物，而是一种多元化合物。 不经预先合成，依简单化合物逐次加入，会 产生混合不均匀和称量误差，并会产生化学 计量的偏离，而且物质的量越小，产生的误 差就越大，这样会影响到制品的性能，达不 到改性的目的。 必须事先合成为某一种化合物，然后再加进 去，这样既不会产生化学计量偏离，又能提 高添加作用。
结合剂的分子量大小要适中。要想充分润湿， 希望分子量小，但内聚力弱。随着分子量增大 ，结合能力增强。但当分子量过大时，内聚力 过大而不易被润湿，且易使坯体产生变形。 加入适当增塑剂，帮助分子内的链段运动，在 其容易润湿的同时，使结合剂更加柔软，便于 成形。 防止从结合剂、原材料和配制工序混人杂质， 使产品产生有害的缺陷。
去除原料中易挥发的杂质、化学结合和物理吸附的水分 气体有机物等，从而提高原料的纯度。 使原料颗粒致密化及结晶长大，减少在以后烧结中的收 缩，提高产品合格率； 完成同质异晶的晶型转变，形成稳定的结晶相，如Al2O3煅烧成-Al2O3
2 原料的混合 对特种陶瓷来说，通常采用细粉来进行配料混 合，不需要再进行磨细。就均匀混合要求来说，必 须重视几点：
用盐酸处理Al2O3后，在 Al2O3粒子表面生成AlCl3， AlCl3立即水解.
Al2O3经酸处理后在水中生成 AlCl2+和AlCl2+离子 ，犹如Al2O3粒子表面吸附了一AlCl2+和AlCl2+ ， 使Al2O3成为一个带正电荷的胶粒，然后胶粒吸 附 OH- 而形成一带正电荷的胶粒。
3.1.2
2）塑化机理 无机塑化剂在传统陶瓷中主要指粘土物质，其 塑化机理主要是加水后形成带电的粘土 水系统，使 其具有可塑性和悬浮性。
2）塑化机理
有机塑化剂一般也是水溶性的， 是亲水的，同时又是有极性的。
这种分子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，而且 分子上的水化膜也一起被吸附在 粒子表面上，因而在瘠性粒子的 表面上，既有一层水化膜，又有 一层粘性很强的有机高分子。
3. 塑化
在特种陶瓷生产中，坯料用的原料几乎都是化工原 料，这些原料没有可塑性。通常成型之前先要进行 塑化处理。
1）概念与种类 塑化：指利用塑化剂使原来无塑性的坯裂纹的形变， 当外力去掉后不再恢复原状的性能。 塑化剂：是指使坯料具有可塑性能的物质。
即冻结，使冻结物在低温减压条件厂升华，脱水 后进行热分解，从而获得所需要的成型粉料。
成型坯体的质量与团粒的质量关系密切，所谓的团 粒的质量是指团粒的体积密度、堆积密度和形状。 体积密度越大，成型后坯体的质量越好球状团粒流 动性好切堆积密度大。
5. 瘠性物料的悬浮 特种陶瓷的坯料一般为瘠性物料，不易于悬浮。为 了达到悬浮和便于注浆成型，必须采取一定的措施 。特种陶瓷所用瘠性物料大致可以分为两类：一类 与酸不起作用，另一类与酸起作用。因此，根据不 同情况采用不同方法。不溶于酸中的可以通过有机 表面活性物质的吸附，使其悬浮。
4 . 造粒 特种陶瓷的粉料，一般希望越细越好，有利于高 温烧结，可降低烧成温度。 在成型时却不然，尤其对于干压成型来说，粉料 的假颗粒度越细，流动性反而不好，不能充满模子 ，易产生空洞，致密度不高。 造粒: 就是在很细的粉料中加入一定塑化剂，制成 粒度较粗（20-80目）、具有一定假颗粒度级 配、流动性好的粒子。 常用方法：普通造粒法，压块造粒发，喷雾造粒， 冻结干燥法。
（３） 湿法混合时的分层
由于原料的密度不同，特别是当含密度大的原 料，料浆又较稀时，更容易产生分层现象。对于这 种情况，应在烘干后仔细地进行混合，然后过筛， 这样可以减少分层现象。
（４）球磨筒（或混合用器）的使用
混合设备最好能够专用，或者至少同一类型的 坯料应专用。避免引进杂质而影响到配方组成，从 而影响到制品的性能。 混合设备要根据物料的要求和具体条件决定。
优点：
1、素坯密度高，均匀缺陷少，烧成收缩比一般干压低。能 压制具有凹形、空心、细长件以及其他复杂形状的零件 2、摩擦损耗小，成型压力较低。 3、压力从各个方向传递，压坯密度分布均匀，压坯强度高 4、模具成本低廉。
缺点：压坯尺寸和形状不易精确控制，生产率较低，不易
实现自动化； 热等静压成型（HIP）
一般造粒法
原理：将坯料中加入适当的塑化剂，经混合过筛，得到 一定大小的团粒。
加压造粒
然后破碎过筛而成团粒。
原理：将坯料加入塑化剂，搅拌混合均匀后经预压成块，
喷雾干燥造粒法
再用喷雾器喷入造粒塔进行雾化、干燥。
原理：将混合有适量塑化剂的粉料制成料浆(一般用水)，
冷冻干燥法
原理：将金属盐水溶液喷雾到低温有机液体中，液体立
2）等静压成型 原理：利用流体（水，油）作为传递介质来获得均 匀静压力施加到材料上的一种方法。 即利 用液体介质的不可压缩性和均匀传递压力性， 从各个方向进行加压，获得制品的成型方法。 方法：粉末被包封在与流体隔绝的橡胶或塑料模内 然后将它浸没于加压容器中的液体内。流体 可以是甘油机油水（防锈剂）或者其他非压 缩性液体，通过高压泵将压力通过流体的传 递施加在橡胶模的各个方向。伴随着橡胶模 变形使粉体被均匀加压成型。
结合剂用量（wt%）