陶瓷的加工和改性.ppt

,第五章 陶瓷的加工及改性,第一節(jié) 陶瓷的機械加工方法,陶瓷加工的特點： 陶瓷都有尺寸和表面精度要求，但由于燒結(jié)收縮率大，無法保證燒結(jié)后瓷體尺寸的精確度，因此燒結(jié)后需要再加工,陶瓷材料有高硬度、高強度、脆性大的特性，屬于難加工材料,陶瓷材料的加工方法,5.1.1 陶瓷的切削加工（cutting） 一、陶瓷材料的切削加工特點 （1）陶瓷材料具有很高的硬度、耐磨性，對于一般工程陶 瓷的切削，只有超硬 刀具材料才能夠勝任 （2）陶瓷材料是典型的硬脆材料 （3）陶瓷材料的切削特性由于材料種類、制備工藝 不同而有很大差別,二、陶瓷材料的切削加工,（1）選擇切削性能優(yōu)良的新型切削刀具,（2）選擇合適的刀具幾何參數(shù),（3）切削用量的選擇,（4）設(shè)計的專用夾具、緩沖震動、施冷卻潤滑,5.1.2 陶瓷的機械磨削加工 一、磨削加工機理（grinding）,陶瓷材料和金屬材料的磨削機理, 材料脆性剝離是通過空隙和裂紋的形成或延展、剝落及碎裂等方式來完成的 在晶粒去除過程中，材料是以整個晶粒從工件表面上脫落的方式被去除的。 陶瓷和金屬的磨削過程模型如右圖。金屬材料依靠剪切作用產(chǎn)生帶狀或接近帶狀的切屑，而磨削陶瓷時，材料內(nèi)部先產(chǎn)生裂紋，隨著應(yīng)力的增加，間斷裂紋的逐漸增大，連接，從而形成局部剝落。,二、磨削加工設(shè)備, 砂輪（grinding wheel）和磨料（abrasives）的選擇 磨削工藝及條件的選擇 a 砂輪磨削速度 b 工件給進速度（feeding speed） c 冷卻液的選擇（cooling media） d 磨削深度ap（rubbing depth） e 磨削方式（rubbing way）、 方向及機床剛性 （machine rigidity）,5.1.3 陶瓷的研磨、拋光加工 一、陶瓷的研磨（grinding） 研磨加工是利用涂敷或壓嵌游離磨粒與研磨劑的混合物在一定剛性的軟質(zhì)研具上，研具與工件向磨粒施加一定壓力，磨粒作滾動與滑動，從被研磨工件上去除極薄的余量，以提高工件的精度和降低表面粗糙度的加工方法，研磨加工示意圖如下圖。,研磨加工示意圖,研磨過程材料剝離的機理主要是以滾碾破碎為主。磨粒越粗，材料剝離率越大，研磨效率越高，但表面粗糙度增大；磨粒硬度越高，研磨效率越高，但卻容易使球面出現(xiàn)機械損傷，導(dǎo)致表面粗糙度相對較低。,研磨工程陶瓷用的磨料一般采用B4C和金剛石粉，磨料粒度范圍為250600目，冷卻液可選用煤油或機油。但對于較大尺寸的制品，不適合采用端面研磨機加工，通常采用研磨砂布進行加工。,二、陶瓷的拋光（polishing）,拋光是使用微細磨粒彈塑性的拋光機對工件表面進行摩擦使工件表面產(chǎn)生塑性流動，生成細微的切屑，材料的剝離基本上是在彈性的范圍內(nèi)進行。 拋光的方法：一般的拋光使用軟質(zhì)、富于彈性或粘彈性的材料和微粉磨料。 拋光加工的用途：它是制備許多精密零件如硅芯片、集成電路基板、精密機電零件等的重要工藝。 拋光時在加工面上產(chǎn)生的凹凸，或加工變質(zhì)層極薄，所以尺寸形狀精度和表面粗糙度比研磨高。,第二節(jié) 陶瓷的特種加工技術(shù) 5.2.1 電火花加工 電火花加工的原理是基于工件和工具（正、負電極）之間脈沖性火花放電時的電腐蝕現(xiàn)象來蝕除（corrosion removing）多余的金屬，以達到對零件的尺寸、形狀以及表面質(zhì)量預(yù)定的加工要求。,放電間隙示意圖,電火花加工必須具備以下幾個條件：,（1）放電必須是瞬時的脈沖性放電。 （2）火花放電必須在有較高絕緣強度的介質(zhì)中進行。 （3）要有足夠的放電強度，以實現(xiàn)金屬局部的熔化和氣化。 （4）工具電極與工件被加工表面之間要始終保持一定的放電間隙,絕緣陶瓷的電火花放電加工原理示意圖和高速電火花穿孔機原理示意圖如下圖所示,電火花加工示意圖,高速電火花穿孔機原理示意圖,5.2.2 電子束加工 電子束加工（electron beam machining）是在真空的條件下，利用聚焦后能量密度極高（106109W/cm2）的電子束，以極高的速度沖擊到工件表面極小的面積上，在極短的時間（幾分之一微秒）內(nèi)，其能量的大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使被沖擊的大部分的工件材料達到數(shù)千度以上的高溫，從而引起材料的局部融化或氣化。下圖為電子束加工工作原理示意圖。,電子束加工工作原理示意圖,工件變形小、效率高、清潔 制電子束能量密度的大小與能量注入時間，達到熱處理，焊接，打孔，切割等加工目的 光刻加工,特點：, 原理：激光加工是利用能量密度極高的激光束照射到被加工陶瓷工件表面上，工件局部表面吸收激光能量，使自身溫度上升，從而能夠改變工件表面的結(jié)構(gòu)和性能，甚至造成不可逆的破壞。 材料在高溫、熔融、汽化和沖擊波的作用下被蝕除，從而進行打孔、畫線、切割以及表面處理等加工。 特點： （1）加工速度快、無噪聲，能實現(xiàn)各種復(fù)雜面型的高精度的加工目的。 （2）可以進行微區(qū)加工，也可以進行選擇性加工 （3）因此其熱影響區(qū)很小 （4）大氣中進行，便于大工件加工 （5）數(shù)控機床機器人連接起來構(gòu)成各種加工系統(tǒng)。 （6）難保證重復(fù)精度和表面粗糙度；設(shè)備復(fù)雜昂貴，加工成本高。,激光加工原理示意圖,5.2.3 激光加工（laser machining）,超聲波磨削加工是利用工具端面作超聲頻振動，通過磨料懸浮液加工硬脆材料的一種加工方法。,超聲波加工機理,5.2.4 超聲波加工（ultrasonic machining）,特點：,（1）適合加工各種硬脆材料，特別是不導(dǎo)電的非金屬材料,（2）加工設(shè)備結(jié)果簡單，操作、維修方便,（3）可以得到高質(zhì)量的表面，而且可以加工薄壁、窄縫零件,第三節(jié) 施釉 陶瓷的施釉是指通過高溫的方式，在陶瓷體表面上附著一層玻璃態(tài)層物質(zhì)。施釉的目的在于改善坯體的表面物理性能和化學(xué)性能，同時增加產(chǎn)品的美感，提高產(chǎn)品的使用性能。,6.3.1 釉的作用與分類 一、釉的作用 （1）釉能夠提高瓷體的表面光潔度。 （2）釉可提高瓷件的力學(xué)性能和熱學(xué)性能。 （3）提高瓷件的電性能，如壓電、介電和絕緣性能。 （4）改善瓷體的化學(xué)性能。 （5）使瓷件與金屬之間形成牢固的結(jié)合。 （6）釉可以增加瓷器的美感，藝術(shù)釉還能夠增加陶瓷制品的藝術(shù)附加 值，提高其藝術(shù)欣賞價值。,二、釉的分類 （1）按釉中主要助熔物劃分： 如鉛釉、石灰釉、長石釉等。 （2）按釉的制備方法劃分： 生料釉：即指釉料配方組成中未使用熟料熔塊的釉。 熔塊釉：即指由熔塊與一些生料按配比制作而成的釉料。 （3）按照釉的燒成溫度劃分： 易熔釉或低溫釉：指熔融溫度一般不超過1150的釉 中熔釉或中溫釉：指熔融溫度一般在11501300的釉 難熔釉或高溫釉：指熔融溫度一般達1130的釉 （4）按釉燒成后外觀特征和具有的特殊功能劃分： 透明釉、乳濁釉、畫釉、結(jié)晶釉、紋理釉、無光釉、臘光釉、 熒光釉、香味釉、金屬光澤釉、彩虹釉、抗菌釉、自潔釉等。 （5）按釉的用途劃分： 裝飾釉、電瓷釉、化學(xué)瓷釉、面釉、底釉、鈞釉等。,5.3.2 釉的特點和性質(zhì),一、釉的熔融性能 （1）釉的熔融溫度范圍 定義：我們把釉隨著溫度的升高，從開始出現(xiàn)液相的始熔溫度到完全成為液相的流淌溫度之間的溫度區(qū)域范圍稱為釉的熔融溫度范圍。 釉的始熔溫度和流淌溫度的測定： 釉的熔融性質(zhì)通常用高溫顯微鏡測定。首先，將待測釉料制作成高度和直徑均為3mm的圓柱體，并置于高溫電爐中加熱升溫，升溫速度為810/mm，對釉料受熱變化的行為照相記錄，如下圖。,釉料受熱變化的行為,二、釉的高溫粘度（viscosity） （1）釉的高溫粘度對釉面質(zhì)量的影響：如果粘度過小，引起堆釉、流釉或干釉等缺陷并易使裝飾紋樣模糊或消失；如果粘度過大，會使釉面出現(xiàn)桔釉或光澤度差等缺陷。 （2）影響釉高溫粘度的主要因素：配方中助熔劑種類及含量；燒成溫度 （3）釉的高溫粘度測定：首先用5g釉粉加工成圓球或小圓柱體，然后將該釉粉試樣置于以45度角放置的瓷質(zhì)粘度測定板的圓槽中，試樣在高溫爐中升溫至成熟溫度，然后冷卻并取出試樣測定其在流動槽中的流動長度L，它即代表著釉的粘度大小。,三、釉的膨脹系數(shù)及坯釉膨脹系數(shù)的適應(yīng)性 （1）坯釉膨脹系數(shù)互不適應(yīng)時的兩種表現(xiàn)： 當釉坯時：冷卻時釉層會受到坯體所給予的拉伸應(yīng)力作用，即在釉層中產(chǎn)生張應(yīng)力。當此張應(yīng)力超過釉層的抗張應(yīng)力極限時，釉層被拉斷形成釉裂。 當釉坯時：冷卻時坯層收縮大于釉層，使釉層受到壓應(yīng)力作用，當此壓應(yīng)力超過一定極限時即發(fā)生釉層的剝落現(xiàn)象，即剝釉。 （2）膨脹系數(shù)的選擇確定：對于有釉面的陶瓷制品，一般希望釉的膨脹系數(shù)比坯體的略?。▋烧卟钪禐?.010-6/左右較佳）。,四、釉的力學(xué)性能 （1）釉層的強度：釉面機械強度與釉、坯之間的應(yīng)力分布有很大關(guān)系。 （2）釉的彈性：釉的彈性對釉面質(zhì)量的影響：如果釉的彈性很小，有裂紋產(chǎn)生；釉的彈性大可以緩解機械外應(yīng)力的破壞作用。 釉的組成對彈性的影響：配方中引入離子半徑較大、電荷較低的金屬氧化物（如Na2O、K2O等）可使彈性模量減少，而彈性值增大；反之，引入離子半徑小、極化能力強的金屬化合物（BeO、MgO、Li2O等）則使彈性提高釉的彈性模量，使釉的彈性減小。 （3）釉面硬度： 影響釉硬度的因素：釉的組成，在釉層中適當增加Al2O3、B2O3、 ZrO2、CaO、ZnO、MgO的含量有利于增加釉的硬度；K2O、Na2O的增加會降低其硬度；適當提高燒成溫度，可使其硬度得到 提高。,五、釉面光澤度 定義：光澤度是表示釉面對入射光作鏡面反射的能力。 影響因素： 釉面光澤度與釉面的折射率、燒成制度有關(guān)。反射率R提高，則光澤度越大； 在釉中增加高折射率的金屬氧化物，如PbO、ZnO有利于使折射率增大，同時可以提高釉面的密度，從另一方面來提高釉面的光澤度。,5.3.3 施釉工藝,一、基本施釉方法 （1）浸釉法：即將產(chǎn)品用手工全部浸入釉料中，使之附著一層釉漿 （2）噴釉法：噴釉法是利用壓縮空氣將釉漿噴成霧狀，使粘附于坯體上 （3）澆釉法：將釉漿澆到坯體上以形成釉層 （4）刷釉法：用于在同一坯體上施幾種不同釉料,二、新型施釉方法 （1）流化床法 ：利用壓縮空氣設(shè)法使加有少量有機樹脂的干釉粉在流化床內(nèi)懸浮而呈現(xiàn)流化狀態(tài)，然后將預(yù)熱到100200 坯體浸入到流化床中，與釉粉保持一段時間的接觸 （2）熱噴施釉法 ：先進行坯料的素?zé)笤跓霟釥顟B(tài)的素?zé)黧w上進行噴釉 （3）干壓施釉法 ：壓施釉法是將成型、上釉一次完成的一種方法。釉料和坯體均通過噴霧干燥來制備。成型時，先將坯料裝入模具加壓一次，然后撒上少許有機結(jié)合劑，再撒上釉粉，然后加壓。 （4）機器人施釉,5.3.5 燒釉,（1）制定燒成制度的依據(jù)： 以坯釉的化學(xué)組成及其在燒成過程中的物理化學(xué)變化為依據(jù)。 以坯件的種類、大小、形狀和薄厚為依據(jù)。 以窯爐的結(jié)構(gòu)、種類、燃料種類以及裝窯疏密等為依據(jù)。 以相似產(chǎn)品的成功燒成經(jīng)驗為依據(jù)。,（2）溫度制度及其控制： 溫度制度包括：升溫速率、燒成溫度（止火溫度）、保溫時間和冷卻 速度等。,（3）氣氛制度及其控制： 氣氛類型 燒成氣氛的選擇依據(jù),第四節(jié) 陶瓷表面金屬化,5.4.1 陶瓷表面金屬化的用途 一、制造電子元器件 二、用于電磁屏蔽 三、應(yīng)用于裝飾方面生產(chǎn)美術(shù)陶瓷,6.4.2 陶瓷表面金屬化的方法 陶瓷的金屬化方法很多，在電容器，濾波器及印刷電路等技術(shù)中，常采用被銀法。此外還有采用化學(xué)鍍鎳法、燒結(jié)金屬粉末法、活性金屬法、真空氣相沉積和濺射法等。,一、被銀法,被銀法又名燒滲銀法。這種方法是在陶瓷的表面燒滲一層金屬銀，作為電容器，濾波器的電極或集成電路基片的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),（1）瓷件的預(yù)處理：瓷件金屬化之前必須預(yù)先進行凈化處理。清洗的方法很多，通?？捎?080的熱肥皂水浸洗，再用清水沖洗 。,（2）銀漿的配置：銀漿的配方主要是由含銀的原料，熔劑及粘合劑組成。,（3）銀電極漿料的制備：將制備好的含銀原料，熔劑和粘合劑按一定配比進行配料后，在剛玉或瑪瑙磨罐中球磨4090h，使粉體粒度5m并混合均勻。,（4）涂敷工藝：有手工，機械，浸涂，噴涂或絲網(wǎng)印刷等,（5）燒銀：燒銀的目的是在高溫作用下使瓷件表面上形成連續(xù)、致密、附著牢固、導(dǎo)電性良好的銀層,二、化學(xué)鍍鎳法,優(yōu)點： （1）鍍層厚度均勻，能使瓷件表面形成厚度基本一致的鍍層。 （2）沉積層具有獨特的化學(xué)、物理和機械性能，如抗腐蝕、表面光潔、硬度高、耐磨良好等。 （3）投資少，簡便易行，化學(xué)鍍不需要電源，施鍍時只需直接把鍍件浸入鍍液即可。,化學(xué)鍍的工藝流程為： 陶瓷片水洗除油水洗粗化水洗敏化水洗活化水洗化學(xué)鍍水洗熱處理。,三、真空濺射鍍膜,它是在功能陶瓷表面形成導(dǎo)電層的方法，如鍍鋁，金等，具有鍍膜質(zhì)量較高，簡便實用等優(yōu)點。該方法配合光刻技術(shù)可以形成復(fù)雜的電極圖案，也可形成合金和難熔金屬的導(dǎo)電層以及各種氧化物，鈦酸鋇等化合物薄膜。,真空蒸發(fā)鍍膜示意圖,常用的有電阻加熱法和電子束加熱法。 （1）電阻加熱法是用高熔點金屬（鎢、鉬）做成絲或舟型加熱器，用來存放蒸發(fā)材料，利用大電流通過加熱器時產(chǎn)生的熱量來直接加熱膜料。 （2）電子束加熱法由一個提供電子的熱陰極、加速電子的加速極和陽極（膜料）所組成，其特點是能量高度集中能使膜料源的局部表面獲得極高的溫度，對高、低熔點的膜料都能加熱氣化,第五節(jié) 陶瓷金屬封接技術(shù),作為陶瓷金屬的連接，不管采用哪種類型的封接工藝，都必須滿足下列性能要求： （1）電氣特性優(yōu)良，包括耐高電壓，抗飛弧，具有足夠的絕緣，介電能力等； （2）化學(xué)穩(wěn)定性高，能抗耐適當?shù)乃?、堿清洗，不分解，不腐蝕。 （3）熱穩(wěn)定性好，能夠承受高溫和熱沖擊作用，具有合適的線膨脹系數(shù)； （4）可靠性高，包括足夠的氣密性，防潮性和抗風(fēng)化作用等；,5.5.1 玻璃焊料封接（glass welding）,玻璃焊料封接又稱為氧化物焊料法，即利用附著在陶瓷表面的玻璃相（或玻璃釉）作為封接材料。 玻璃焊料適合于陶瓷和各種金屬合金的封接（包括陶瓷與陶瓷的封接），特別是強度和氣密性要求較高的功能陶瓷。,一、玻璃焊料金屬封接條件 （1）兩者的膨脹系數(shù)接近 （2）玻璃能潤濕金屬表面,二、封接前金屬的處理 （1）金屬的清潔處理：機械凈化；去油 ；化學(xué)清洗 ；電化學(xué)清洗 ；烘干 （2）金屬的預(yù)氧化：即將金屬置于氫氣或真空中進行高溫加熱使金屬表面能形成一層氧化物而達到潤濕的效果。,三、玻璃焊料金屬封接的工藝參數(shù) （1）溫度 （2）時間 （3）氣氛,5.5.2 燒結(jié)金屬粉末法封接,用這種方法將陶瓷和金屬件焊接到一起時，其主要工藝分為兩個步驟：陶瓷表面金屬化和加熱焊料使陶瓷與金屬焊封。其中，最關(guān)鍵的工藝是陶瓷表面的金屬化,工藝流程簡述如下 ： （1）漿料制備 ：其中主要成分為金屬氧化物或金屬粉末，還含有一些無機粘合劑，有機粘合劑。再加上適量的液體，就可置入球磨機中濕磨1260小時，直到平均粒徑到13m為止。 （2）刷漿 ：將上述制得的金屬漿料，以一定方式涂刷于需要金屬化的陶瓷表面上，這層金屬漿料的厚度，以干后達到1226m為宜。 （3）燒滲：在高溫及還原性氣氛的作用下，一部分金屬氧化物將被還原成金屬，另一部分則可能熔融并添加到陶瓷的玻璃相中，或與陶瓷中之某些晶態(tài)物質(zhì)，通過化學(xué)反應(yīng)而生成一種新的化合物，形成一種粘稠的過渡層，并將陶瓷表面完全潤濕。而在冷卻過程中這粘稠的過渡層，則凝固為玻璃相，填充于陶瓷表面與金屬粉粒之間。 （4）將陶瓷金屬化表面與金屬進行焊接,5.5.3 活性金屬封接法,在直接焊封之前，陶瓷表面不需要先進行金屬化，而采用一種特殊的焊料金屬，直接置于需要焊接的金屬和陶瓷之間，利用陶瓷金屬母材之間的焊料在高溫下熔化，其中的活性組員與陶瓷發(fā)生反應(yīng)，形成穩(wěn)定的反應(yīng)梯度層，從而使兩種材料結(jié)合在一起。這種金屬焊料可以直接制成薄層墊片狀，或采用膠態(tài)懸濁漿涂刷。 必須嚴格控制焊封的溫度和時間，以防止焊料對瓷件的過分侵蝕，才能保證必要的焊封質(zhì)量；活化金屬焊接工藝，必須在高度真空下進行，通常真空度必須高于10-4Pa。對于大型工件來說，是非常麻煩且難以實現(xiàn)的。因此，這種工藝至今未得到廣泛的應(yīng)用。,特點：,5.5.4 封接的結(jié)構(gòu)形式（configuration）,應(yīng)用于電子元件、器件中的陶瓷金屬的封接，雖然種類繁多，形式不一，但就基本結(jié)構(gòu)而言，不外乎對封、壓封、穿封三種，如圖6.16所示。如果元件本身結(jié)構(gòu)比較簡單，則可以使用其中之一種，如小型密封電阻，電容，電路基片等。如元器件本身比較復(fù)雜，則可能有其中的23種形式組合而成，如穿心式電容器，陶瓷絕緣子，真空電容器等。,一、對封：對封是通過焊封將金屬直接平焊于金屬化后的陶瓷端面上。如右圖（1）、（2）所示,二、壓封：即金屬件在外，瓷件在內(nèi)。如右圖（3）、（4）所示,三、穿封：當穿過瓷件的金屬件的直徑較細，可以直接采用如右圖（5）所示的實心穿封；金屬件較粗應(yīng)改用如右圖（6）所示壓穿封,陶瓷金屬封接的主要結(jié)構(gòu)形式,第六節(jié) 陶瓷表面改性新技術(shù),一、熱噴涂法（thermal spraying）：利用氧乙炔（丙烷）火焰、電弧或等離子等高溫?zé)嵩磳⒂扛驳母鞣N涂層材料熔化或軟化，并用高速射流使之霧化成微細顆粒液滴或高溫顆粒，噴射到經(jīng)過預(yù)處理的基體表面工件表面，從而與基體形成一層牢固的涂層的技術(shù)，達到高度耐磨、減摩、耐蝕、耐高溫以及修補恢復(fù)尺寸等目的,二、冷噴涂法：利用高壓氣體攜帶粉末顆粒從軸向進入噴槍產(chǎn)生超音速流，粉末顆粒經(jīng)噴槍加速后在完全固態(tài)下撞擊基體，通過產(chǎn)生較大的塑性變形而沉積于基體表面形成涂層,三、溶膠凝膠法（sol-gel）：用易水解的金屬醇鹽或無機鹽，在某種溶劑中發(fā)生水解反應(yīng)，經(jīng)水解縮聚形成均勻的溶膠，將溶膠涂覆在金屬的表面，再經(jīng)干燥、熱處理（焙燒）后形成涂層,5.6.1 陶瓷材料傳統(tǒng)的表面改性技術(shù),四、物理化學(xué)氣相沉積法（physical chemical vapor deposition）： 氣相沉積是指以材料的氣態(tài)（或蒸汽）或氣態(tài)物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物在工件表面形成涂層的技術(shù)，前者稱為物理氣相沉積（PVD），后者稱為化學(xué)氣相沉積（CVD） 。 物理氣相沉積有濺射法、離子鍍法、真空蒸鍍法等。對于陶瓷基體來說，用的較多的是濺射法。濺射法是通過待鍍材料源和基板一起放入真空室內(nèi)，然后利用正離子轟擊作為陰極的靶，以動量傳遞的方法使靶材中的原子、分子溢出并在基板表面上凝聚成膜 。 化學(xué)氣相沉積是指在相當高的溫度下，混合氣體與基體的表面相互作用，使混合氣體中的某些成分分解，并在基體表面形成一種金屬或化合物的固態(tài)薄膜或鍍層。,五、熔鹽反應(yīng)法（molten salt reaction）：其原理是利用過渡金屬在熔鹽里歧化反應(yīng)，在陶瓷表面沉積金屬薄膜和涂層，從而改善陶瓷表面的潤濕性能,5.6.2 陶瓷表面改性新技術(shù),一、離子注入技術(shù)（ion implanting）：,它是將所需的元素（氣體或金屬蒸汽）通入電離室電離后形成正離子，將正離子從電離室引出進入幾十至幾百千伏的高壓電場中加速后注入材料表面，在零點幾微米的表層中增加注入元素的濃度，同時產(chǎn)生輻照損傷，從而改變材料的結(jié)構(gòu)和各種性能。,（1）離子注入技術(shù)原理及裝置,離子注入是指從離子源中引出離子，經(jīng)過加速電位加速，離子獲得一定的初速度爾后進入磁分析器，使離子純化，從磁分析器中引出所需要注入的純度極高的離子。加速管將選出的離子進一步加速到所需的能量，以控制注入的深度。聚焦掃描系統(tǒng)將粒子束聚焦掃描，有控制地注入陶瓷材料表面。離子注入裝置如右圖所示,離子注入機示意圖,離子注入技術(shù)的特點 ：,離子注入是一個非平衡過程，注入元素不受擴散系數(shù)、固溶度和平衡相圖的限制，理論上可將任何元素注入到任何基體材料中去。 離子注入是原子的直接混合，注入層厚度為0.1m，但在摩擦條件下工作時，由于摩擦熱作用，注入原子不斷向內(nèi)遷移，其深度可達原始注入深度的1001000倍，使用壽命延長。 離子注入元素是分散停留在基體內(nèi)部，沒有界面，故改性層與基體之間的結(jié)合強度很高，附著性好； 離子注入是在高真空（10-410-5Pa）和較低的溫度下進行的，因此工件不產(chǎn)生氧化脫碳現(xiàn)象，也沒有明顯的尺寸變化，故適宜工件的最后表面處理。 缺點：有時無法處理復(fù)雜的凹面和內(nèi)腔；注入層較薄；離子注入機價格昂貴，加工成本較高。,金屬蒸汽真空弧離子源是利用陰、陽極間的真空電弧放電原理來建立等離子體的右圖為MEVVA源的電源原理。,（2）金屬蒸汽真空離子源技術(shù)（metal vapor vacuum arc）,MEVVA源的電源原理,特點： （1）能給出的離子種類多 （2）注入效率高 （3）離子電荷態(tài)高，可大幅度地降低注入機的制造成本 （4）離子束純度高，進一步降低注入機的制造成本 （5）可實現(xiàn)多種元素的離子在相同條件下的注入和摻雜，并省去重復(fù)抽真空的時間。,（3）離子注入對陶瓷表面材料表面力學(xué)性能的影響,離子注入對陶瓷表面材料斷裂韌性的影響： 陶瓷材料的致命缺陷是脆性大，利用離子注入可以在一定程度上提高陶瓷的斷裂韌性。,離子注入對陶瓷抗彎強度的影響： 因為離子注入使材料表面產(chǎn)生輻照損傷，體積膨脹，產(chǎn)生表面壓應(yīng)力，這是材料強度增加的主要原因，但是如果材料表面的裂紋尺寸超過了注入引起的表面壓應(yīng)力的厚度，其增強效果會減小。,離子注入對陶瓷硬度的影響： 一般來說，低劑量注入時，離子束引起表面硬化，使得材料硬度會增大，但是劑量增到一定程度時，當陶瓷表面呈無定形后，硬度就會急劇下降。,離子注入對陶瓷摩擦性能的影響： 陶瓷材料的摩擦損失常與表面性能有密切關(guān)系。離子注入可以改善材料的表面性能，從而提高材料表面的抗磨損性能,二、等離子體噴涂（plasma spraying）,（1）等離子體與表面的相互作用 低溫等離子體中存在具有一定能量分布的電子、離子和中性粒子，通過它們與材料表面的撞擊，會將自己的能量傳遞給材料表面的原子或分子，產(chǎn)生解析、濺射、刻蝕、蒸發(fā)等各種物理、化學(xué)過程。一些粒子還會注入到材料表面引起級聯(lián)碰撞、散射、激發(fā)、重排、異構(gòu)、缺陷、晶化或非晶化，從而改變材料表面的組織和性能。,（2）脈沖等離子沉積（pulse plasma deposition） 用于薄膜合成、表面改性技術(shù)中的脈沖能量束一般為脈沖激光束、脈沖電子束、脈沖等離子束。與脈沖電子束、脈沖激光束相比，脈沖等離子體具有電子溫度高、等離子體密度高、定向速度高、功率大等特點。脈沖等離子體應(yīng)用于材料表面改性具有設(shè)備簡單、處理溫度可以在室溫進行、沉積速率高、薄膜與基底粘結(jié)力強等優(yōu)點，并兼有激光表面處理、電子束處理、沖擊波轟擊、離子注入、濺射、化學(xué)氣相沉積等綜合性特點。在制備薄膜時可在室溫下合成亞穩(wěn)態(tài)相和其他化合物材料。,（3）脈沖高能量密度等離子體,脈沖高能量密度等離子體的基本構(gòu)思：將高能量密度等離子體，瞬間地作用在材料表面，可以導(dǎo)致材料表面出現(xiàn)局部急劇熔化，緊接著急劇冷卻凝固，加熱或冷卻速率可達108 1010 K/s。因此可以在基材表面形成一層微晶或非晶薄膜，從而達到改善材料表面性能的目的。通過改變同軸槍內(nèi)、外電極材料，工作氣體種類及工藝參數(shù)，可以獲得不同種類和比例的等離子體束，從而可以在室溫下制備各種穩(wěn)態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)相的薄膜 脈沖高能量密度等離子體的產(chǎn)生裝置是根據(jù)同軸等離子體加速器的概念設(shè)計的，裝置如右圖所示,脈沖高能量密度等離子體同軸槍原理圖,（4）脈沖高能量密度等離子體表面改性 脈沖高能量密度等離子體技術(shù)用于陶瓷表面金屬化的原因： （1）通常用銅代替鋁作為集成電路的金屬材料，目前方法沉積得到的銅膜由于與氧化鋁基底的潤濕性很差，造成金屬膜與基底結(jié)合不牢。 （2）脈沖高能量密度等離子體在處理材料時，等離子體能夠與基底材料直接發(fā)生反應(yīng)，這樣，制備薄膜及膜/基混合可同步實現(xiàn)，能夠有效提高膜/基結(jié)合力。 脈沖高能量密度等離子體技術(shù)用于刀具表面改性方面 利用脈沖高能量密度等離子體技術(shù)在Si3N4陶瓷刀具和硬質(zhì)合金刀具表面沉積Ti(C,N)涂層后，具有很好的硬度效果,三、激光技術(shù)（laser spraying）,激光表面處理采用大功率密度的激光束、以非接觸性的方式加熱材料表面，借助于材料表面本身傳導(dǎo)冷卻，來實現(xiàn)其表面改性的工藝方法。 優(yōu)點： 能量傳遞方便，可以對被處理工件表面有選擇地局部