第九章 陶瓷技術(1 / 3)

1.蜂窩陶瓷的理化指標分析

除了免燒結的蜂窩陶瓷外,基本上都屬於耐火材料製品,其材料采用粘土質、矽質、半矽質、鎂質、白雲石、鎂橄欖石、鉻鐵礦等材料製作。由於用途不同其理化性質也不同,其質量也不相同。蜂窩陶瓷的質量取決它們的性質。用來間接地表征製品的質量有機械強度、氣孔率等,另一些則直接地表征製品的質量有耐火度、高溫荷重軟化點、熱穩定性、導電性、透氣性、抗渣性等。

蜂窩陶瓷的質量在很大程度上取決於製造這些製品時所采用的配料組成,泥料的製備方法,成型方法和燒成製度等等,即使化學組成相同,蜂窩陶瓷製品也會有並且常常有不同的性質。化學組成符合要求及質量的坯體要想轉化為質量好的製品,最主要的關鍵是燒成到一定的溫度(1414—1450°),使比重達到2.36—2.39。

機械強度主要測定耐壓強度、抗拉強度、抗剪強度、抗彎強度和抗扭強度。所有這些強度指標,和化學組成一樣,並不能單獨地說明製品的質量。但是知道了這些指標,同時又知道化學組成和其它性質,就不僅可以判斷製品的質量,而且也可以在一定程度上推想工藝過程。如果耐壓強度或抗彎強度大,這就可以說明製品的配料正確,混練和製造製品的方法良好,燒成溫度高。機械性質還取決於製品的氣孔率。不過,這一關係對每一類的蜂窩陶瓷製品來說都是獨特的,而且一般不是直線關係。氣孔率、體積密度和比重,雖然是在常溫下測定的性質,但它們對評價各種蜂窩製品的質量,卻有著特別重大的意義,這是因為,所有蜂窩陶瓷的抗渣性都與氣孔率的大小有著直接關係,對於某些材料而言,氣孔率與荷重軟化點之間存在著一定的關係。知道比重和體積密度就可以測定完全氣孔率。比重是一個常數,它的數值取決於原料的性質和製品燒成時原料內部所發生的相成分的質和量的變化。生產工藝對氣孔率的影響,較對其它性質為大,蜂窩陶瓷製品的開口氣孔率,可以小到1.5%或大到75—80%(絕熱製品),一般的開口氣孔率波動於10—28%之間,封閉氣孔率波動於0.7—4.0%之間,用低溫燒結的製品則具有較大的封閉氣孔率。

耐火度或熔點是蜂窩陶瓷製品在無荷重時抵抗高溫作用的穩定性,高溫荷重軟化點是說明蜂窩陶瓷的結構強度,抗渣性是蜂窩陶瓷接觸其它材料時抵抗化學作用和物理作用。導熱性也是決定於組成和氣孔率。對於每一種製品而言,它也與熱容和熱膨脹一樣,決定於溫度。透氣性是製品在低溫下所引起的炭的沉積的緣故,但很少測定。蜂窩陶瓷製品都屬介電體,他們絕大多數是由彼此以靜電結合的離子所構成。熱穩定性不僅與製品的機械強度有關,而且與決定應力大小的熱膨脹有關,同時也與製品的導熱性和熱容有關,因為導熱性和熱容與密度在一起能說明製品的溫度傳播速度。

根據試驗的經驗,蜂窩陶瓷的理化指標,根據材質和工藝不同,大致可在這些指標:容重0.5—1.15g\/cm3,熱膨脹係數(20—1000℃)×10—6℃≤2—7,導熱係數(1000℃(w.cm.k)—1)≥1.0—1.40,耐壓強度kMp≤9.0—40。耐火度1580—2000℃。

所有的蜂窩陶瓷,盡管可以根據耐火度、耐壓強度、軟化點、比重、氣孔率、氧化矽和氧化鋁的含量來決定它們的用途級別,還要分等。分等標誌是與規定尺寸相差的大小、扭曲(彎曲度)、缺角、缺邊和鈍邊,有無個別熔洞、火痣、裂紋和裂縫等。

2.納米陶瓷隔熱膜

20世紀50年代,人們在玻璃上使用一種特殊的有色噴霧劑來避免眩光,70年代,金屬薄膜誕生,但是質量低劣,金屬薄膜不僅反光而且隔熱效果不佳,同時金屬塗層不均勻。80年代開始使用濺射工藝生產金屬薄膜,使之具有更好的質量和均勻性,但是隔熱性能卻是以犧牲可見光透過性和反射率為代價的。90年代末,琥珀光學國際尋找完全不同的技術和材料來引領這一場薄膜工業的革命。而後由著名的隔熱膜製造商韶華科技在德國生產出世界上第一款也是惟一一款納米陶瓷隔熱膜。

琥珀納米陶瓷隔熱膜是將氮化鈦陶瓷材料用真空濺射技術在優質的杜邦聚脂薄膜上形成納米級的陶瓷層,從而形成全世界獨一無二的陶瓷隔熱膜。琥珀納米陶瓷隔熱膜是針對金屬隔熱膜的種種缺陷開發設計的,具有以下六項優點:

(1)具有光譜選擇性:對無線電信號無任何幹擾,特別是衛星的短波信號(GPS),絕無金屬膜的屏蔽效應。

(2)絕不氧化:因為陶瓷超乎尋常的穩定性,陶瓷隔熱膜不會像金屬膜那樣經過一段時間後會逐漸被氧化,從而保證隔熱性能始終如一。

(3)永不褪色:陶瓷隔熱膜采用陶瓷固有的顏色,不添加任何顏料,而金屬膜要消除金屬粒子的色彩,一般都會添加染料,因此陶瓷隔熱膜絕不會像染色金屬那樣發生褪色現象。

(4)超長耐用:陶瓷隔熱膜保質期為10年,金屬膜一般為5年。

(5)經典美感:陶瓷隔熱膜具有像琥珀一樣的晶瑩剔透的美感,色澤柔和,可以取得最舒適的視覺效果。

(6)降低車內溫度5—10攝氏度,降低空調使用負荷,從而節約能源。

3.陶瓷成型新技術

隨著現代科學技術的迅猛發展,陶瓷成型技術不斷取得突破性進展。近年來,發展起來的膠態原位成型技術就是這類陶瓷新技術之一。該技術工藝設備簡單,成本低廉,能淨尺寸成型複雜的陶瓷製品,而且製品組分均勻,缺陷少,強度大,易於機械加工,已在國內外得到廣泛應用。如國外利用注凝成型製造汽車零件;製造電磁材料,如PZT陶瓷和高能變速器中的圓形磁鐵。我國的科技工作者也成功地使用該技術生產出高質量的氧化鋁、碳化矽、氮化矽陶瓷零件,氧化鋁、PTC陶瓷薄片以及耐火材料等。

膠態原位成型技術主要包括:注射成型、直接凝固注模成型和注凝成型。現在分別予以介紹。

1.陶瓷注射成型技術

注射成型技術是陶瓷粉料與熱塑性樹脂等有機物混練後得到混合料,裝入注射機於一定溫度注入模具,迅速冷凝後脫模而製成坯體。該技術適合製備濕坯強度大,尺寸精度高,機械加工量少,坯體均一的產品,適於大規模生產。對形狀複雜、厚度較薄產品的製備有著明顯的優越性。但由於成型中加入的有機添加劑量大,脫模時間長,不適合大尺寸部件的成型。

陶瓷注射成型使用的有機載體包括粘接劑、增塑劑、潤滑劑等。有機載體的選擇應重點考慮:體係內的相容性;注射懸浮體的流變特性;脫模特性與生坯強度。通常有機載體與陶瓷粉體混練後的結合強度主要取決於熱塑性樹脂高聚物;脫脂特性亦可由耐熱性好的高聚物調節;可塑劑和潤滑劑可改善體係流動性及脫模性能;表麵活性劑具有綜合調節作用。

在熔體注射充模冷凝形成坯體的過程中,坯體內產生的應力有兩種,即溫度應力和成型應力。對異型、大尺寸坯體的注射參數和充模過程的研究表明,過高的注射壓力和注射溫度使坯體內產生較大的成型應力和溫度應力,增大了坯體變形和開裂的危險性。

由於注射成型加入大量有機載體,燒結前必須將其排除,即進行脫脂。脫脂耗時較長,容易使坯體產生缺陷。因此,脫脂是注射成型工藝的關鍵。影響脫脂過程的因素主要有:氣氛、壓力和溫度製度。惰性氣氛可避免有機物的氧化分解。一定的氣氛壓力,可縮小有機物揮發及分解產生的有效體積,從而減少由於體積膨脹引起的坯體開裂。另外,脫脂速率也直接受溫度影響。在坯體軟化,內部尚未形成氣孔通道的溫度段150—300℃,升溫速率必須嚴格控製。否則,坯體易發生變形、產生鼓泡及開裂等缺陷。

2.陶瓷的直接凝固注模成型技術

陶瓷直接凝固注模成型技術是在陶瓷粉料中加入反絮凝劑和分散劑,利用膠體顆粒的靜電或位阻效應製備出高固相體積分數、分散均勻、流動性好的漿料,同時引入生物酶作為陶瓷漿料的催化劑。利用生物酶催化反應來控製陶瓷漿料的PH值和電解質濃度,使其在放電層排斥能最小時依靠範德華力而原位凝固。

該技術的優點是,漿料中隻加入少量生物酶外,不用或隻需微量有機添加劑。凝固的陶瓷坯體密度高而且均勻,有較高的強度,無須脫脂。陶瓷坯體在整個成型和燒結過程中,尺寸、形狀變化微小,燒結密度高。而且,模具選擇範圍廣,加工成本低。

在直接凝固注模成型過程中,陶瓷漿料的固相含量一般要達到50%以上,同時,漿料濃度不能太高。成型中,一般不加入有機表麵活性劑,它會導致酶催化劑失效,也會改變陶瓷微粒表麵的電荷狀態和等電點位置。在選擇好最佳微粒尺寸後,可采用造粒和過篩方法製備所需微粒尺寸的陶瓷粉體。

酶催化劑反應不僅改變漿料的PH值,而且隨著反應的進行,漿料的離子強度也不斷加強,使漿料的放電層電位減小,促使漿料凝固。但過高的離子強度會增加漿料中的電解質含量,對製品的燒結及力學性能有不利影響。所以,對酶催化反應應進行嚴格控製,主要是控製加入量。一般酶催化劑含量越高,凝固時間越短。不同的酶催化反應都有不同的最佳溫度,低於或高於此溫度,都會延長凝固時間。

3.陶瓷的注凝成型技術

陶瓷的注凝成型因溶劑的不同分為:水基凝膠注模成型和有機基凝膠注模成型,但它們的原理基本相同。現僅就水基凝膠注模成型予以介紹。

水基凝膠注模成型技術的核心是使用低濃度的有機單體水溶液,加入較高體積分數的陶瓷粉末且具有良好的流動性,在催化劑和引發劑的作用下,澆注後漿料中的有機單體交聯聚合成三維網狀結構,從而使濃懸浮體原位固化成型。然後脫模、幹燥、燒除有機結合劑進行燒結,即獲得所需的陶瓷部件。

該工藝技術的優點是,對粉體沒有特殊要求,適合各類複雜形狀陶瓷製品的生產,注模操作與凝膠定型過程完全分離,漿料凝膠膠化時間完全可控,濕凝膠坯體堅韌且有彈性,容易脫模,給生產帶來便利。坯體定型靠有機單體原位聚合反應形成凝膠體,坯體各組分結構均勻、缺陷少、坯體密度大。因粉料中有機物含量低,坯體幹燥脫水及有機物燒除簡單,成型坯體內在質量的,成品率高。另外,幹燥後坯體非常堅固,可以采用各類機械進行加工,從而真正實現陶瓷部件的淨尺寸精密成型。

在水基凝膠注模成型中,通常選用丙烯酰胺作為有機單體,亞甲基雙丙烯酰胺作為交聯劑,過硫酸銨水溶液作為引發劑,四甲基乙二胺作為催化劑,同時使用JA—281作為分散劑。

基凝膠注模成型技術的關鍵是配製出高陶瓷粉體含量還具有良好流動性的漿料,分散劑對顆粒的穩定分散作用下僅與分散劑性質有關,還與其用量,使用條件有關。對複相陶瓷來說,影響懸浮體流變性的還有各相的膠體特性。為製備分散均勻的低粘度、高固相混合懸浮體,需對各相進行表麵修飾改性,即調整各相的膠體特性,使懸浮體中的各固相均具有相似的膠體穩定性和近似的等電點。

引發劑、催化劑和溫度條件對不同陶瓷漿料凝膠化有著不同的影響。有效、準確地控製漿料的凝膠化時間,是水基凝膠注模成型的重要一環。凝膠的形成是通過氫鍵機理,高分子骨架上的親水基團與凝膠網中水分子強烈反應,從而把水分子固定。近年來,采用天然水溶性凝膠物質,如瓊脂糖、明膠等的熱熔膠特性,即加熱時溶解,冷卻時形成凝膠而產生固化,將其用於膠態成型,收到了良好的效果。

排膠是水基凝膠注模成型極為重要的環節,排膠速度過快會導致坯體開裂,形成在燒成後期難以消除的孔洞。排膠速度慢,則會影響生產效率。對於不同的有機結合劑,需對它的熱分解溫度、不同溫度下的分解速度及完全燒除的最高溫度進行認真觀測、研究,才能製定出合理的燒除工藝製度。

4.中溫色釉陶瓷

中溫色釉陶瓷按其燒結溫度和產品吸水率等幾個指標來劃分,應該屬於炻器的範疇。它采用比普通日用細瓷較劣質的原料製坯,在經過一係列工藝之後並采用比普通日用細瓷較低的溫度煆燒而成。其色釉著色劑大多采用事先經過合成的色基;花色有黃色、綠色、黑色、紅色、藍色、咖啡色及很多的複合色;產品器型有圓口的、六角形或八角形的盤、碟類、各種形狀的奶杯、咖啡杯、啤酒杯、茶杯及各種形狀的壺類,可配成20頭西餐具、15頭咖啡具、15頭茶具等成套產品或單杯單碟進行銷售,產品主要銷往歐美、中東、日本等地。

1.采用的工藝技術

嚴格色釉配方和製釉工藝

色釉的釉料配方和製釉工藝是製作色釉產品的關鍵,也就是說色釉釉料配方的好壞和製釉過程中的各種工藝參數關係到色釉產品的質量好壞。對此,我們是非常重視的,特意安排一名工程技術人員專門從事色釉的釉料配方和工藝控製的工作,準確稱料,科學配方;對各種著色劑的使用我們做到認定商標,決不亂用;釉漿出磨後要經過三次過篩(180目、200目和250目各一次)、三次除鐵;釉漿濃度:內釉控製在54—55波美度,外釉控製在53—54波美度之間。

采用先進工藝成形

我們開發的中溫色釉產品大多具有日用和藝術欣賞兩方麵的價值(如:六角形或八角形的盤、碟和半月形的啤酒杯等),如果采用通常的轆轤刮出坯和低位注漿成形的方法,產品收縮較大,變形也較大,難以滿足外商的質量要求。對此,我們采用目前國內較先進的成形工藝,即:盤、碟類產品采用陽模滾壓成形,坯泥含水量控製在20%—21%之間,杯類產品采用陰模滾壓成形,坯泥含水量控製在22%—23%之間;壺類等異型產品采用高位壓力注漿成形,泥漿水分控製在32%—33%之間。滾壓頭全部采用塑料王製作,滾壓出來的產品表麵光滑,半成品密度大,收縮較小,變形也較小。

采用半幹法接耳工藝

杯類及壺類產品大多都有耳,剛開始我們采用幹法接耳,結果燒製出來的產品毛病百出,不是裂耳就是掉耳,合格率很低。針對這個問題,我們進行了分析,找出了產生缺陷的主要原因,即杯身與杯耳是用不同的方法成形的,它們在燒成時產生不一致的收縮。在經過若幹次試驗後,我們改用半幹法接耳工藝,即在杯身與杯耳脫模後就進行對接,並在接耳泥上作些改進,成功地解決了上述問題,使杯、壺類產品合格率由原來的50%左右提高到90%以上。