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高技术陶瓷产品的精密注射成型制备技术的应用

文章出处:wzfb1234 人气:发表时间:2017-07-27 13:14

高技术陶瓷产品的精密注射成型制备技术的应用与发展
    摘 要:讨论了陶瓷粉末注射成型制备精密陶瓷部件这一新技术及其国内外发展状况。先进陶瓷精密注射成型的科学基础是现代高分子精密注塑理论和现代陶瓷制造技术,它将高分子流变学、 陶瓷粉体技术、陶瓷工艺学和金属模具精密制造技术结合在一起。该技术突出的优点有:①可净近成型各种复杂形状的陶瓷零部件,使烧结后的陶瓷产品无需进行机加工或少加工,从而减少昂贵的陶瓷成本;②成型制品具有极高的尺寸精度和表面光洁度;③可实现微成型(MicroInjectionMolding),制备μm-mm范围内的微型陶瓷零件;④成型过程机械化和自动化程度高,重复性好,便于规模化低成本生产。该技术已用于陶瓷发动机、 通讯产业中光纤连接器插芯(Ferrule)、计算机工业中光盘盒磁盘驱动用陶瓷轴承和生物医学用陶瓷制品等精密陶瓷件的制造。随着微注射成型新技术的发展,微型陶瓷部件将应用于环境要求苛刻、结构复杂的MEMS系统。
多种形状的高技术精密陶瓷产品
    1前言 先进陶瓷(又称精细陶瓷、高技术陶瓷)因其具有优异的性能,如耐磨损、耐腐蚀、耐高温、高硬度、高强度和电、磁、光等功能,而在计算机、通讯、生物、航天、新能源和精密机械等领域获得越来越广泛的应用。然而,传统的成型制造技术(如:模压成型和注浆成型)无论是在陶瓷部件的成型质量,还是在成型精度等方面,都满足不了要求。特别是对于近几年发展起来的,在电子、通讯、生命科学与微机电系统中的微细陶瓷零部件,陶瓷的传统成型制造技术已无法制备。陶瓷粉末精密注射成型技术是近10年来国际上快速发展起来的新型制造技术[1-2]。其科学基础是现代高分子精密注塑理论和现代陶瓷制造技术,它将高分子流变学、陶瓷粉体技术、陶瓷工艺学和金属模具精密制造技术结合在一起。该技术突出的优点有:①可净近成型各种复杂形状的陶瓷零部件,使烧结后的陶瓷产品无需进行机加工或少加工,从而减少昂贵的陶瓷成本;②成型制品具有极高的尺寸精度和表面光洁度,精度已高达5μm;③可实现微成型(MicroInjectionMoulding),制备μm~mm范围内的陶瓷微型零件;④成型过程机械化和自动化程度高,重复性好,便于规模化低成本生 产。因此, 注射成型已成为陶瓷成型技术中高精度和高效率的成型制备方法。正因为这一技术具有如此多的综合优势,一些发达国家投入大量人力和资金进行系统研究,美国已将粉末注射成型技术列入对国家的经济繁荣和持久安全起至关作用。
    2陶瓷精密注射成型过程分析 图1示出了陶瓷零部件精密注射成型的制造过程,主要 分四个环节:①注射喂料制备。将合适的有机载体(具有不同性质和功能的有机物)与陶瓷粉末在一定温度下混炼、干燥、造粒,得到注射用喂料。有机载体的作用是提供陶瓷注射成型所需的流动性及成型坯体强度。这一阶段聚合物粘结剂和添加剂与陶瓷粉末界面作用至关重要,粉末应无团聚均匀分散在有机载体中,并具有良好的流变学特征;②注射成型。混炼后注射用喂料送入注射成型内,再被加热转变为粘稠性熔体,在一定的温度和压力下高速注入冷模具内,熔体固化为所需形状的坯体,然后脱模。这一阶段中,模具设计和注射熔体充模流动状态直接影响成型坯体的质量;③脱脂。通过加热或其他物理化学方法,将注射成型坯体内有机物排除。这一阶段耗时长,且成型坯体易产生缺陷。因此,脱脂的方法、机理和动力学研究十分重要;④烧结。脱脂后的陶瓷坯体在高温下致密化烧结,获得所需外观形状、尺寸精度和显微结构的致密陶瓷部件。
多个圆柱形精密陶瓷
    3注射成型应用领域的拓展 以前,陶瓷注射成型主要用于陶瓷发动机中涡轮转子这 类复杂形状的陶瓷零部件开发,当时由世界上近40余家公司和研究机构发起,美国贝特尔纪念协会组织制定了“陶瓷注射成型”(CeramicInjectionMolding)研发计划。美国RUTGERS大学陶瓷研究中心、Ford汽车公司、Columbus实验室、日本九 州工业大学、 日本京瓷公司、英国Brunel大学和伯明翰大学等都参与了这一研究。图2示出了日本东芝陶瓷公司注射成型技术制备的Si3N4涡轮转子等精密陶瓷部件,这一产品在日 本和美国已用于赛车和军用装甲车。近几年来,陶瓷注射成型 技术开始应用于通讯、 半导体与计算机、生物医学等领域[8-10]。通讯产业中光纤连接器用四方相氧化锆陶瓷插芯(Ferrule)就 是一典型实例(见图3),其外径为2.5mm,内孔直径仅有125μm,而且还要求极高的同心度,目前只有陶瓷注射成型技术可以制造该产品,才能保证其不变形和尺寸精度要求,并且一次注模可成型出8个样品,效率高,重复性好。计算机工业中的光盘驱动用陶瓷轴承,均采用注射成型。生物医学陶瓷制品,如:陶瓷牙根、牙齿矫形(又称正畸)用陶瓷托槽,因形状复杂,产品精细,注射成型是它最有效的制造方法。目前,粉末注射成型陶瓷部件的尺寸精度达到±0.3%或更高。
   
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