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2009/12/01

陶瓷 非金屬材料加工

2009/12/01 09:50

目錄

12.1 陶瓷材料

12.2 塑膠加工

12.3 複合材料加工

簡介

科技的進步發展出之新產品中有些特殊的功能或性質是金屬材料所不易或根本無法達成的。

例如高溫強度、高硬度、高耐磨耗、高耐腐蝕性、輕量化、高重量對強度比、低導電性、低電阻抗、兼具高強度及韌性等。

有許多非金屬材料和針對特定需求而研發出來的新材料,並取代部份金屬材料的地位。

常見的工程用非金屬材料有陶瓷與玻璃、塑膠和複合材料。

簡介(續)

陶瓷是由金屬和非金屬元素以結晶構造所組成,原子間鍵結方式包含共價鍵和離子鍵。

玻璃的組成元素和陶瓷類似,但不具結晶組織。

塑膠是由許多單體聚集所形成之聚合體,結合的力量包含共價鍵和凡得瓦力(次鍵結)。

複合材料則是結合兩種或兩種以上不能相互固溶的物質所形成之非均質體材料。

由此可知,對非金屬材料加工的機制將與應用於金屬材料者,會有鉅大的差異。


12.1 陶瓷材料

陶瓷(Ceramic)可分為傳統陶磁和工程陶瓷。

傳統陶瓷的應用歷史很悠久,典型的產品有陶器、瓷器、磚頭、地磚、下水道水管、砂輪等。

工程陶瓷則常被用於製造汽車、航太、渦輪機、熱交換器、半導體、密封環、噴嘴、切削刀具等。

陶瓷比金屬的高溫強度和高溫硬度高、彈性係數大、脆性高、靭性低、密度低、熱膨脹係數低、熱傳導性低和導電性低等。

陶瓷的導電性可從近乎絕緣到非常優良,故可利用此特性製成半導體。

12.1 陶瓷材料(續)

玻璃被歸類為一種過冷液體,並不具結晶組織,無明確的熔點或凝固點的材料。

玻璃具有多變的光學特性、耐化學腐蝕性、相對高強度等,被應用於窗戶、烹飪器具和光纖等。

玻璃陶瓷是高度結晶成分所組成的玻璃,製作過程是以玻璃狀態加工成形後,經熱處理產生再結晶作用而得。

玻璃陶瓷顏色大都為白色或灰色而不再是透明狀態。

具有比一般玻璃更好的性質,如良好的熱衝擊抵抗能力,極低的熱膨脹係數,和優良的強度特性。

應用於烹飪器具、渦輪引擎、電器和電子零件等。

12.1.1 陶瓷加工

陶瓷的組織構造及機械性質與金屬差異很大,故無法使用傳統加工的鍛造、切削、銲接等方法製造成形。

陶瓷產品的生產方式和粉末冶金產品相類似,通常是包括將原料研磨成微細顆粒,加入添加劑後,進行混合、成形、乾燥、燒結和完工處理等步驟。

陶瓷加工的第一步是將陶瓷原料軋碎或研磨成微細的顆粒,可分為濕式或乾式兩種,使用的設備有球磨機、滾輪或粉碎機。

得到的顆粒需再經粒度分類、過濾及清洗等處理步驟。視產品的特性及加工製程的要求,加入合適的添加劑。

陶瓷顆粒成形的基本方法有三種,即鑄造法、塑性成形法和壓製法。

12.1.1 陶瓷加工(續)

鑄造法

Ø最常見的是滑泥鑄造,通常用水做為溶劑,加入陶瓷顆粒形成泥漿狀溶液。

Ø成形時將溶液倒入多孔性的石膏鑄模中。當部份水分被吸收後把鑄模翻轉倒出剩餘的泥漿溶液,即可製作出中空的物品,如同瀝鑄法。

Ø此法生產效率低、尺寸控制不易精確、但鑄模及設備成本較低,用於生產大型且外形複雜的零件,例如水管、藝術品、坩堝等。

12.1.1 陶瓷加工(續)

塑性成形法

Ø利用擠製、注射模等方法,將黏土狀陶瓷與添加劑混合,施加壓力使通過模具或進入模穴中。

Ø此法生產效率不高,但工具成本較低。

12.1.1 陶瓷加工(續)

壓製法

Ø與粉末冶金之金屬粉末成形方式相同,將顆粒狀的陶瓷原料和黏結劑加壓成形。

Ø包括乾式壓製法、濕式壓製法、注射模製法、冷均壓法(CIP)、熱均壓法(HIP)等。

Ø陶瓷材料在成形加工後,接下來的步驟是乾燥及燒結。

Ø乾燥的目的在降低零件因濕度可能造成的翹曲變形和破裂趨勢。

Ø燒結是在控制的環境下,將成形零件加熱到某一較高溫度,使顆粒間產生較強的結合力,並減少空孔,可增進零件的強度及硬度。

12.1.1 陶瓷加工(續)

Ø零件經燒結後為了改善其表面之瑕疵,增進平滑度,得到準確的尺寸或製作特殊的外形,常需進行完工處理。

Ø由於陶瓷材料的脆性較大,且具有缺口敏感性,故加工時需特別注意。

Ø常用的加工方法有研磨、拋光、放電加工、超音波加工、雷射加工、滾筒加工和利用鑽石砂輪之切削等。

 

 

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