第十二章非金屬材料加工電子教案

第十二章非金屬材料加工9/26/2024112.1陶瓷材料12.2塑膠加工12.3複合材料加工目錄

9/26/20242科技的進(jìn)步發(fā)展出之新產(chǎn)品中有些特殊的功能或性質(zhì)是金屬材料所不易或根本無法達(dá)成的。例如高溫強(qiáng)度、高硬度、高耐磨耗、高耐腐蝕性、輕量化、高重量對強(qiáng)度比、低導(dǎo)電性、低電阻抗、兼具高強(qiáng)度及韌性等。有許多非金屬材料和針對特定需求而研發(fā)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9/26/20243陶瓷是由金屬和非金屬元素以結(jié)晶構(gòu)造所組成，原子間鍵結(jié)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(jié)晶組織。塑膠是由許多單體聚集所形成之聚合體，結(jié)合的力量包含共價鍵和凡得瓦力(次鍵結(jié))。複合材料則是結(jié)合兩種或兩種以上不能相互固溶的物質(zhì)所形成之非均質(zhì)體材料。由此可知，對非金屬材料加工的機(jī)制將與應(yīng)用於金屬材料者，會有鉅大的差異。

簡介(續(xù))9/26/2024412.1陶瓷材料(續(xù))玻璃被歸類為一種過冷液體，並不具結(jié)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(xué)特性、耐化學(xué)腐蝕性、相對高強(qiáng)度等，被應(yīng)用於窗戶、烹飪器具和光纖等。玻璃陶瓷是高度結(jié)晶成分所組成的玻璃，製作過程是以玻璃狀態(tài)加工成形後，經(jīng)熱處理產(chǎn)生再結(jié)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(tài)。具有比一般玻璃更好的性質(zhì)，如良好的熱衝擊抵抗能力，極低的熱膨脹係數(shù)，和優(yōu)良的強(qiáng)度特性。應(yīng)用於烹飪器具、渦輪引擎、電器和電子零件等。

9/26/2024612.1.1陶瓷加工

陶瓷的組織構(gòu)造及機(jī)械性質(zhì)與金屬差異很大，故無法使用傳統(tǒng)加工的鍛造、切削、銲接等方法製造成形。陶瓷產(chǎn)品的生產(chǎn)方式和粉末冶金產(chǎn)品相類似，通常是包括將原料研磨成微細(xì)顆粒，加入添加劑後，進(jìn)行混合、成形、乾燥、燒結(jié)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(xì)的顆粒，可分為濕式或乾式兩種，使用的設(shè)備有球磨機(jī)、滾輪或粉碎機(jī)。得到的顆粒需再經(jīng)粒度分類、過濾及清洗等處理步驟。視產(chǎn)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。

9/26/2024712.1.1陶瓷加工(續(xù))鑄造法

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。成形時將溶液倒入多孔性的石膏鑄模中。當(dāng)部份水分被吸收後把鑄模翻轉(zhuǎn)倒出剩餘的泥漿溶液，即可製作出中空的物品，如同瀝鑄法。此法生產(chǎn)效率低、尺寸控制不易精確、但鑄模及設(shè)備成本較低，用於生產(chǎn)大型且外形複雜的零件，例如水管、藝術(shù)品、坩堝等。9/26/20248塑性成形法

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(jìn)入模穴中。此法生產(chǎn)效率不高，但工具成本較低。12.1.1陶瓷加工(續(xù))9/26/20249壓製法

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(jié)劑加壓成形。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。

陶瓷材料在成形加工後，接下來的步驟是乾燥及燒結(jié)。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。燒結(jié)是在控制的環(huán)境下，將成形零件加熱到某一較高溫度，使顆粒間產(chǎn)生較強(qiáng)的結(jié)合力，並減少空孔，可增進(jìn)零件的強(qiáng)度及硬度。

12.1.1陶瓷加工(續(xù))9/26/202410零件經(jīng)燒結(jié)後為了改善其表面之瑕疵，增進(jìn)平滑度，得到準(zhǔn)確的尺寸或製作特殊的外形，常需進(jìn)行完工處理。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。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。

12.1.1陶瓷加工(續(xù))9/26/20241112.1.2玻璃加工

玻璃之加工方法都是將玻璃原料熔成液態(tài)，然後控制溫度變化，在其黏滯流狀態(tài)下成形，經(jīng)冷卻而得到所要的產(chǎn)品。玻璃產(chǎn)品的形式有平面狀、長條狀、纖維狀和獨立個體等四大類型。平面狀產(chǎn)品

平面狀的平板及薄片玻璃是自熔融狀態(tài)以抽拉、滾軋或漂浮法連續(xù)方式加工而得。9/26/20241212.1.2玻璃加工(續(xù))

抽拉加工是將自熔融狀態(tài)正在進(jìn)行凝固中之玻璃原料、拉經(jīng)一對滾輪之間，因受擠壓作用而形成板片，然後沿著一組小滾輪送出。滾軋加工則可在滾輪表面製作圖案，滾軋出表面有浮雕的玻璃板片。漂浮法是將熔融之玻璃原料送入一熔融錫床上，再經(jīng)退火爐固化成形，得到的平面狀玻璃表面光滑，不需進(jìn)行研磨等完工處理。

9/26/202413長條狀產(chǎn)品

包括管材和棒狀，係將熔融玻璃原料沿一旋轉(zhuǎn)的心軸纏繞，再由一組滾軸抽拉出來。心軸為中空圓筒或圓錐形狀，將空氣持續(xù)吹入心軸，用以防止未凝固的玻璃塌陷，；若不吹空氣則可用來製造棒材。

纖維狀產(chǎn)品

連續(xù)性長玻璃纖維是自加熱之多孔白金板中將玻璃高速拉出，並施以塗層處理保護(hù)，此法可生產(chǎn)直徑2μm之玻璃纖維。短玻璃纖維是將熔融的玻璃原料送入旋轉(zhuǎn)頭內(nèi)，利用離心噴灑的方式製造。

12.1.2玻璃加工(續(xù))

9/26/202414獨立個體產(chǎn)品

屬於不連續(xù)性，各有其特別形狀的產(chǎn)品。吹模製法:利用吹氣產(chǎn)生的壓力使軟化的玻璃緊貼到鑄模壁上而成形，用於製造中空薄壁產(chǎn)品，例如玻璃瓶、燒杯、燈泡等。壓製法:將熔融玻璃原料置於鑄模內(nèi)，以沖模壓製成形。離心鑄造法和金屬材料所使用者類似，用於製造映像管等。下垂法:將玻璃板片置於模具上方，加熱熔化後，因本身的重量而下垂，黏貼在模壁上成形。

12.1.2玻璃加工(續(xù))

9/26/202415增加玻璃的強(qiáng)度可進(jìn)行下列三種方式之強(qiáng)化處理。熱回火:將玻璃加熱後，利用兩階段降溫使其表面產(chǎn)生壓縮殘留應(yīng)力，可以增進(jìn)其強(qiáng)度?；瘜W(xué)回火:將玻璃熔融液中加熱，使離子交換作用，則較小的原子被較大的原子取代，產(chǎn)生壓縮殘留應(yīng)力，增進(jìn)其強(qiáng)度。層化玻璃:將一片高靭性塑膠薄片置入兩片平板玻璃之間，結(jié)合後形成強(qiáng)化作用，例如汽車的擋風(fēng)玻璃。

12.1.2玻璃加工(續(xù))

9/26/202416玻璃產(chǎn)品的完工處理利用退火處理來消除其殘留應(yīng)力，以及利用人工鑽石刀具或磨輪進(jìn)行切割、鑚孔、研磨、拋光等來修整外形或增進(jìn)其表面平滑度。

塑膠(又稱為高分子或聚合體)比金屬的密度低、強(qiáng)度低、剛性低、延展性高、導(dǎo)電性低、熱傳導(dǎo)性低、熱膨脹係數(shù)高和化學(xué)阻抗高等。塑膠本身的重量輕、強(qiáng)度對重量的比值高、具透明的特性、多顏色的選擇、價格低廉、易於加工製造、複雜設(shè)計。12.1.2玻璃加工(續(xù))

9/26/20241712.2塑膠加工

典型的應(yīng)用產(chǎn)業(yè)包括汽車、飛機(jī)、電子、運動器材、辦公室設(shè)備及民生用品等。

塑膠可分為熱塑性、熱固性和彈性體。塑膠是以顆粒或粉末狀態(tài)提供給製造商做為成形加工之原料。常見之不同種類塑膠的成形加工法如圖12.1所示。9/26/20241812.2塑膠加工(續(xù))9/26/20241912.2.1擠製法

擠製法是將熱塑性(TP)塑膠顆粒或粉末裝置於漏斗中，然後送入擠製筒內(nèi)。擠製筒中的螺旋推進(jìn)器將塑膠原料推經(jīng)加熱區(qū)使變成熔融狀態(tài)，最後通過擠製模成形，再以空氣或水冷卻使產(chǎn)品固化。此法適用於只造製要是外形有固定截面的產(chǎn)品，例如各種棒、管、槽、板、建材、電線等。9/26/202420彈性體也可使用此法製造，但此法對熱固性塑膠則不適用。

擠製法可利用平面擠製模製造薄片與薄膜產(chǎn)品。把擠製模的出口向上放置，並由下方吹氣迫使薄膜膨脹成氣球狀至所需之厚度，再經(jīng)擠壓滾輪和捲繞機(jī)構(gòu)，即可用以生產(chǎn)一般使用的塑膠袋。

12.2.1擠製法

9/26/202421注射模製法又稱為射出成形法，其原理與金屬材料成形加工之熱室壓鑄法相同。將塑膠原料送入注射筒內(nèi)加熱熔化，再以往復(fù)式衝桿或旋轉(zhuǎn)式螺旋桿，壓迫熔融狀態(tài)的塑膠進(jìn)入分裂模的模穴中，保持壓力等到塑膠成形冷卻固化後，衝桿或螺旋桿才反向退回，產(chǎn)品則由頂出桿推出模穴。12.2.1擠製法

9/26/20242212.2.2注射模製法

此法可製造熱塑性塑膠、熱固性塑膠及彈性體材料?？梢陨a(chǎn)各式各樣複雜外形與精密尺寸的產(chǎn)品，甚且是具有外螺紋的零件及齒輪等。注射模製法的模具成本較貴，但加工效率很高，適用於大量生產(chǎn)。此法與擠製法是熱塑性塑膠產(chǎn)品的兩大主要製造方法。9/26/20242312.2.3吹模製法

吹模製法只適用於熱塑性塑膠，其原理與首先利用擠製法將塑膠原料擠製成管狀後，置於模穴中。再以壓縮空氣吹向塑膠管內(nèi)，使之膨脹緊貼於模穴內(nèi)壁上而成形，冷卻後即可得到薄壁之中空產(chǎn)品。應(yīng)用於玻璃材料者類似。產(chǎn)品大多為容器、飲料瓶、波形管等。

9/26/20242412.2.4旋轉(zhuǎn)模製法

旋轉(zhuǎn)模製法用於製作大型中空產(chǎn)品，例如水桶、垃圾桶、容器、足球、玩具等。使用薄壁金屬製成的分裂式模具，並裝設(shè)兩個互相垂直的旋轉(zhuǎn)軸。塑膠粉末置入模具內(nèi)，模具同時進(jìn)行加熱及旋轉(zhuǎn)。塑膠粉末顆粒受翻滾作用而緊貼靠在模壁上，並因受熱熔解而被覆於其上，等工件冷卻後即可開模取出。主要用於熱塑性塑膠為原料的產(chǎn)品。

9/26/20242512.2.5熱成形製法

其原理與金屬薄板之拉伸加工相近似。將熱塑性塑膠薄片加熱至軟化但仍未熔化的狀態(tài)。然後置於模具上，藉由抽真空或吹氣、加壓等方式產(chǎn)生壓力差，迫使塑膠薄片與模具貼合而成形。此法用於製造廣告招牌、食物托盤、包裝用品等。

9/26/20242612.2.6壓力模製法

壓力模製法是將一定量的顆粒狀或片狀塑膠原料放入加熱之模穴內(nèi)，利用柱塞或上模加壓成形。典型的產(chǎn)品有盤子、瓶蓋、容器、電子零件等。三種塑膠原料都可利用此法加工製成產(chǎn)品。

9/26/20242712.2.7移轉(zhuǎn)模壓製法

移轉(zhuǎn)模壓製法為壓力模製法的改良，應(yīng)用於熱固性塑膠及彈性體的成形。原料先置於裝填室內(nèi)加熱至液態(tài)。再以衝桿、柱塞或螺旋桿等，將之壓迫流經(jīng)流道進(jìn)入模穴，並保持壓力一段時間直到工件凝固成形。此法生產(chǎn)週期較短、產(chǎn)品精度較佳，可製造複雜外形的產(chǎn)品。

9/26/20242812.2.8鑄造法

鑄造法適用於熱塑性塑膠和熱固性塑膠的成形加工。是指將液態(tài)原料澆入剛性或撓性的鑄模內(nèi)，冷卻後即可得到各種形狀的產(chǎn)品，但其生產(chǎn)效率低。

9/26/20242912.2.9彈性體加工

天然橡膠為一優(yōu)良的彈性材料，可承受很大的彈性變形量，又是極佳的電絕緣體。但其缺點是無法在高溫或長期在陽光下使用，因此人造彈性體被開發(fā)出來用以彌補(bǔ)天然橡膠的缺點。人造彈性體之典型的產(chǎn)品有油管、O型環(huán)、油封、電絕緣體、管子、鞋子、內(nèi)胎等。

彈性體材料可利用很多熱塑性塑膠的成形加工法來製造產(chǎn)品，或用於熱固性塑膠成形的移轉(zhuǎn)模壓製法。

9/26/20243012.2.10快速成型

快速成型(RP)在新產(chǎn)品的開發(fā)和製造上有很重要的貢獻(xiàn)，可大量縮短原創(chuàng)性產(chǎn)品從設(shè)計到生產(chǎn)所需的前置時間及成本。其原理是利用電腦輔助繪製三度空間之立體加工圖形，並直接對選用之塑膠或金屬材料製造成零件之實體模型。已發(fā)展成熱的代表性快速成型法有立體石板印刷和選擇性雷射燒結(jié)兩種。

9/26/20243112.2.10快速成型(續(xù))立體石板印刷是利用光化學(xué)聚合物(塑膠)硬化原理來製作零件之外形。裝有受光感應(yīng)可硬化之液態(tài)聚合物(例如丙烯酸)的大型槽內(nèi)，平板處於最高的位置，且只有淺淺的液態(tài)聚合物薄層覆蓋在其上。開始進(jìn)行成形加工時，將紫外線雷射束沿著水平面依工件設(shè)計原形移動照射，促使被照射到的聚合物硬化成固態(tài)物體。9/26/202432接著平板向下降低一小段距離使液態(tài)聚合物可再覆蓋於已硬化的固態(tài)聚合物上，然後，再根據(jù)圖形要求的樣式進(jìn)行紫外線雷射照射，得到第二層的固態(tài)聚合物。依此步驟重覆進(jìn)行直到完成工件的立體模型。利用伺服控制系統(tǒng)控制雷射束及平板的移動量，可製造各式各樣零件的聚合物實體模型。

選擇性雷射燒結(jié)是利用雷射束的熱能將粉末原料燒結(jié)成一體，未被雷射束照到者，仍為鬆散狀態(tài)，可經(jīng)振動而與燒結(jié)體分開。12.2.10快速成型(續(xù))9/26/20243312.2.10快速成型(續(xù))可使用的粉末原料包括金屬、陶瓷和聚合物。在加工室下端裝設(shè)兩個圓筒，其中一個是進(jìn)料圓筒會逐漸上升，並將粉末原料提供給另一個用做為零件製作之圓筒。雷射束會照射在零件製作圓筒上，當(dāng)粉末燒結(jié)成一體後，此圓筒會漸次下降。利用電腦輔助繪製之立體加工圖形編製成的程式，引導(dǎo)雷射束照射在特定截面薄層上之路徑及區(qū)域。

9/26/20243412.3複合材料加工

複合材料是由不同特性材料組成的混合物，具有組成之個別材料所無法達(dá)成或同時兼有之特定功能和機(jī)械性質(zhì)。複合材料的應(yīng)用很早就有，例如建材用的土磚即為人造之複合材料，而木材和竹子則是天然複合材料。

9/26/202435木材的成形加工是以利用手工具和木工工具機(jī)的切削加工為主。手工具包括手鋸和鑿子。木工工具機(jī)則有平鉋機(jī)、手壓鉋機(jī)、帶鋸機(jī)、圓鋸機(jī)、線鋸機(jī)、鑽床、木工車床和砂輪機(jī)等。複合材料也可依強(qiáng)化材構(gòu)造形式分為纖維複合材料、粒子複合材料和板狀複合材料等。

12.3複合材料加工

9/26/20243612.3.1纖維複合材料加工

基材為聚合體或金屬材料為主，強(qiáng)化材的形式為連續(xù)性的長纖維或經(jīng)切細(xì)的短纖維。通常在纖維的表面先給予塗上膠水等浸漬處理做為保護(hù)。此類型複合材料中最具代表性的是強(qiáng)化塑膠9/26/202437不同的製造方法。纏繞法：將連續(xù)性的長纖維束浸泡通過液態(tài)聚合物(塑膠材料)後，纏繞在靜止或旋轉(zhuǎn)的心軸上，聚合物儲槽可做左右移動，如圖12.2所示。經(jīng)一層層纏繞到所需厚度後，再加熱使聚合物固化，形成強(qiáng)化塑膠。若將心軸移除，即可得到筒狀或球狀容器。若心軸是鋁或鈦合金製成的產(chǎn)品，則不必移除，強(qiáng)化塑膠可形成保護(hù)層，例如分機(jī)引擎導(dǎo)管、推進(jìn)器等。12.3.1纖維複合材料加工

9/26/20243812.3.1纖維複合材料加工

9/26/20243912.3.1纖維複合材料加工(續(xù))薄片製法

將連續(xù)性的長纖維束併排後加以表面處理，然後浸入聚合物儲槽中形成薄片或膠帶，用途有平板、波浪板，電氣絕緣材和飛機(jī)之結(jié)構(gòu)件等?？蓪⑦B續(xù)性的長纖維經(jīng)切碎機(jī)切成短纖維，以聚合物包覆成薄膜，再經(jīng)滾軋機(jī)壓成薄片，做為進(jìn)一步成形加工用之原料。模製法

將短纖維與聚合物基材及添加劑混合後，可利用塑膠加工之注射模製法、熱成形法、壓力模製法、移轉(zhuǎn)模壓製法等。9/26/20244012.3.1纖維複合材料加工(續(xù))拉製法

將連續(xù)性的長纖維預(yù)先浸過聚合物形成複合材料排列後，經(jīng)預(yù)型模加工成初步形狀，再送入內(nèi)含拉製模的加熱爐中，將聚合物固化後拉出模外。依長度需求予以切斷即為產(chǎn)品?？捎渺洞罅垦u造有一定截面的零件，例如高爾夫球桿、欄桿等。

拉伸成型法

將強(qiáng)化纖維拉浸過聚合物後，利用分離模夾緊，經(jīng)硬化後成形的製造方法，產(chǎn)品有汽車板片彈簧等。

9/26/20244112.3.1纖維複合材料加工(續(xù))金屬基纖維複合材料的加工成形法有：

用傳統(tǒng)的鑄造法，或用加壓氣體強(qiáng)迫液態(tài)金屬進(jìn)入由強(qiáng)化纖維做成的預(yù)形體，經(jīng)固化成形。

金屬粉末與強(qiáng)化短纖維均勻混合後，利用粉末冶金的冷均壓成形法或熱均壓成形法製造零件。

共擠製

法即金屬材料之?dāng)D製法的應(yīng)用，例如可用來將超導(dǎo)體細(xì)絲嵌在銅基材內(nèi)，以免因磁流漂移而喪失其超導(dǎo)能力。

9/26/202442陶瓷基纖維複合材料的製造法有浸漬熱壓法，將纖維浸入含有陶瓷基材和黏結(jié)劑的泥漿槽中，在纖維外被覆一層泥漿，乾燥後排列堆積，然後再加熱加壓成形。此外，可利用化學(xué)汽相蒸鍍法(CVD)製造。12.3.1纖維複合材料加工(續(xù))9/26/20244312.3.2粒子複合材料加工

粒子複合材料的基材可為聚合體、金屬或陶瓷材料，製造的方法有粉末冶金法和熔湯鑄造法兩類。

粉末冶金法

將強(qiáng)化材粒子粉末與基材粉末均勻混合後，經(jīng)壓製成形、燒結(jié)或化學(xué)反應(yīng)鍵結(jié)而得到產(chǎn)品。

熔湯鑄造法

又稱為複合鑄造，是指將固體粒子加入激烈攪拌後之熔融狀態(tài)的基材內(nèi)，形成類似固相的熔湯，然後利用加壓方式將熔湯擠入模具內(nèi)成形。9/26/20244412.3.2粒