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ZrO2精细陶瓷成型工艺及应用

文章出处:微汉迪 人气:发表时间:2018-02-07 14:08

ZrO2精细陶瓷成型工艺及应用
    精细陶瓷(精密陶瓷的一种)材料制备工艺包括精细陶瓷材料的粉体制备工艺、成型工艺和烧结工艺。粉体制备、成型和烧结这三者互相联系,相互制约,相辅相承。
 
    目前陶瓷制备工艺的发展水平来看,成型工艺在整个陶瓷材料的制备过程中起着承上启下的作用,是保证陶瓷材料及部件的性能可靠性及生产可重复性的关键,与规模化和工业化生产直接相关。
     一、ZrO2 精细陶瓷成型工艺
ZrO2 精细陶瓷成型工艺主要分为:干法成型和湿法成型。
 
    1 干法成型。分为干压成型和等静压成型。
干压成型:
 
     采用压力将陶瓷粉料压制成一定形状的坯体。其实质是在外力作用下,粉体颗粒在模具内相互靠近,并借内摩擦力牢固地结合起来,保持一定的形状。它主要用来成型简单形状的制品,且长径比要小。
 
  优点:
   ①坯体尺寸准确,操作简单,便于实现机械化作业;
   ②干压生坯中水分和结合剂含量较少,干燥和烧成收缩较小。
 缺点:
   模具磨损造成的生产成本增高是干压成型的不足之处。
 
等静压成型:
 
    等静压成型是在传统干压成型基础上发展起来的特种成型方法。等静压成型有湿袋式等静压和干袋式等静压之分。它利用流体传递压力,从各个方向均匀地向弹性模具内的粉体施加压力。

    等静压原理图 a:干袋式 b:湿袋式
                                       等静压原理图 a:干袋式 b:湿袋式
    1、高压缸2、包套3、粉末4、支撑5、模芯6、压力
 
 特点:
    湿袋式等静压可以成型形状较为复杂的制品,但只能间歇作业。干袋式等静压可以实现自动化连续作业,但只能成型截面为方形、圆形、管状等简单形状的制品。等静压成型可以获得均匀致密的坯体,烧成收缩较小且各个方向均匀收缩,但设备较为复杂、昂贵,生产效率也不高,只适合生产特殊要求的材料。
 
   2、湿法成型。分为:注浆成型、热压铸成型、流延成型、凝胶注模成型、直接凝固注模成型、注射成型及胶态注射成型。

 
氧化锆全瓷牙

                                                                   氧化锆全瓷牙
 
·     注浆成型:
·          
    注浆成型过程与流延成型类似,物理脱水通过多孔的石膏模的毛细作用排除浆料中的水分,化学凝聚过程是因为在石膏模表面CaSO4的溶解生成的Ca2+提高了浆料中的离子强度,造成浆料的絮凝。
 
优点:
注浆成型适合制备形状复杂的大型陶瓷部件;
缺点:
坯体质量,包括外形、密度、强度等都较差,工人劳动强度大且不适合自动化作业。
 
·          
   热压铸成型:
·          
  热压铸成型是在较高温度下(60~100℃)使陶瓷粉体与粘结剂(石蜡)混合,获得热压铸用的浆料,浆料在压缩空气的作用下注入金属模具,保压冷却,脱模得到蜡坯,蜡坯在惰性粉料保护下脱蜡后得到素坯,素坯再经高温烧结成瓷。

加热、热压、冷却脱模
                                                 加热、热压、冷却脱模
 
  优点:
  热压铸成型的生坯尺寸精确,内部结构均匀,模具磨损较小,生产效率高,适合各种原料。
  缺点:
  由于蜡浆和模具的温度需严格控制,否则会引起欠注或变形,因此不适合用来制造大型部件,同时两步烧成工艺较为复杂,能耗较高。
 
流延成型:
    流延成型是把陶瓷粉料与大量的有机粘结剂、增塑剂、分散剂等充分混合,得到可以流动的粘稠浆料,把浆料加入流延机的料斗,用刮刀控制厚度,经加料嘴向传送带流出,烘干后得到膜坯
  优点:
  该工艺适合制备薄膜材料,
  缺点:
  其成型所用的有机物有毒性,会产生环境污染,应尽可能采用无毒或少毒体系,减少环境污染。
凝胶注模成型:
    其核心是使用有机单体溶液,该溶液能聚合成为高强度的、横向连接的聚合物-溶剂的凝胶。陶瓷粉体溶于有机单体的溶液中所形成的浆料浇注在模具中,单体混合物聚合形成胶凝的部件。
 
该方法存在主要问题是:
    致密化过程中胚体的收缩率比较高,容易导致胚体变形;有些有机单体存在氧阻聚而导致表面起皮和脱落;由于温度诱导有机单体聚合工艺,引起温度剃度导致内应力存在使坯体开列破损等。
直接凝固注模成型:
    将溶剂水、陶瓷粉体和有机添加剂充分混合形成静电稳定、低粘度、高固相含量的浆料,在其中加入可改变浆料PH值或增加电解质浓度的化学物质,然后将浆料注入到无孔模中。
 
优点:
  不需或只需少量的有机添加剂(小于1%),坯体不需脱脂,坯体密度均匀,相对密度高 (55%~70%),可以成型大尺寸复杂形状陶瓷部件。
缺点:
  添加剂价格昂贵。
注射成型:
    该方法通过添加大量有机物来实现瘠性物料的塑性成型,是陶瓷可塑成型工艺中最普遍的一种方法。
 
优点:该工艺自动化程度高、成型坯体尺寸精密。
胶态注射成型:
    其基本思路是将液态成型与注射成型相结合,利用专用的注射成型设备和胶态原位凝固成型的固化技术,进行陶瓷材料的注射成型。
 
    该成型工艺既区别于一般的胶态成型,又区别于传统的注射成型,将既具有胶态原位凝固成型坯体均匀性好,有机物含量低的特色,又具有注射成型自动化程度高的优点,是胶态成型工艺的一种质的升华,将成为高技术陶瓷走向产业化的希望所在。
 
 
二、ZrO2 精细陶瓷的应用
 
  氧化锆全瓷牙
 
  氧化锆陶瓷作为一种新型陶瓷材料,具有优异的物理和化学性能,是耐火材料、高温结构材料、生物材料和电子材料的重要原料,在工业生产中得到广泛应用。
 
1、ZrO2 结构陶瓷
ZrO2 结构陶瓷具有高韧性、抗弯强度和耐磨性,优异的隔热性能,热膨胀系数接近于金属等优点。 用于生产:Y-TZP磨球、分散和研磨介质、喷嘴、球阀球座、氧化锆模具、微型风扇轴心、光纤插针、光纤套筒、拉丝模和切割工具等。
 
2
、ZrO2功能陶瓷
广泛应用于电力、冶金、石化等行业的氧化锆氧传感器

    广泛应用于电力、冶金、石化等行业的氧化锆氧传感器
 
    Y2O3的 ZrO2陶瓷具有敏感的电性能参数,是近几年来发展和开发应用的新材料,主要应用于各种传感器、第三代燃料电池和高温发热体等领域。而且 ZrO2材料高温下具有导电性及晶体结构存在氧离子缺位的特性,可制成各种功能元件。
 
目前主要有下列几个方面的应用: 


 
(1)氧传感器  
传感器主要用于工业生产、监控、品质检验,用来提高设备的自动化程度,提高产品的性能,目前氧化锆氧传感器已大量应用于钢铁制造过程中,用来测量溶融钢水及加热炉所排放气体的含氧量,从而了解钢铁制造过程中钢铁的品质是否达到标准。
 
(2)固体氧化物燃料电池
利用ZrO2作为固体电解质来研制第三代燃料电池—固体氧化物燃料电池,它由用氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)陶瓷给氧离子通电的电解质和由多孔质给电子通电的燃料和空气极构成。与其他燃料电池比,发电系统简单,可以期望从容量比较小的设备发展到大规模设备。
 
(3)高温发热体
ZrO2室温电阻极高,但当温度升至 600℃时,即可导电,1000 ℃时,具有导体的性能。目前已将它成功地用于 2000℃以上氧化气氛下的发热元件及其设备中。
 
(4)压电材料  
以 ZrO2 作为主要成分,可制成 PZT(锆钛酸铅),PLZT(锆绀钛酸铅)等压电材料,在超声、水声及各种蜂鸣器等压电元件制备中,起到重要的作用。  
 
(5)ZrO2 涂层
 
涡轮叶片是航天发动机热障涂层
 
热障涂层是为在高温临界状态下工作的气冷金属部件提供隔热作用。纳米级氧化钇、稳定的氧化锆(YSZ)用于热障涂层显示出突出的性能。YSZ 具有很高的热反射率,化学稳定性好,与基材的结合力和抗热震性能均优于其他材料,因此,YSZ 是目前理想的热障涂层材料。其具体应用有航空航天发动机的隔热涂层,潜艇、轮船柴油发动机气缸的衬里等。

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