粉末注射成形ZrO2微结构件

论文摘要

粉末微注射成形作为一种微成形工艺,其具有材料适用广泛、尺寸及形状适应性好、低成本、高效率、可连续自动化生产等一系列优点。该工艺源自常规粉末注射成形,但与之相比有许多独特之处,因此开展粉末微注射成形的研究具有理论和实用价值。本文研究了氧化锆陶瓷粉末微结构件的注射成形工艺,并对微结构件的尺寸精度、显微组织及力学性能进行了分析。实验材料采用3mol%Y2O3部分稳定的氧化锆陶瓷粉末,以石蜡、聚丙烯、硬脂酸作为粘结剂,通过混炼造粒制备了喂料。通过对喂料颗粒真实密度的测量分析了喂料的均匀性,采用毛细管流变仪测试了喂料的流变特性,结果表明喂料均匀性及流变特性均符合粉末微注射成形的要求。通过粉末微注射成形工艺制得了ZrO2陶瓷微结构件生坯,微结构部分直径分别为300μm、600μm、1000μm、1500μm,厚度约为250μm。分析了注射温度、注射压力、模具温度及抽真空等工艺参数对微结构件成形质量的影响。实验优化得到了ZrO2微结构件的最佳工艺参数,即注射温度190℃,注射压力60~140MPa,模具温度50~70℃。注射成形后的微结构生坯采用热脱脂方法,首先对喂料进行差热及失重分析(DSC/TGA),从而确定喂料中各个粘结剂组元的剧烈分解点,然后依此确定了脱脂过程中各阶段的升温速率、保温温度及时间,制定了适合于微结构件的脱脂工艺。根据ZrO2的相转变原理,确定了合理的烧结工艺,烧结温度为1500~1550℃,保温时间为2h。采用扫描电镜、激光共焦显微镜观察了微结构件的收缩率、致密度、表面粗糙度及显微组织形貌,分析了不同工艺参数对微结构件尺寸的影响,实验结果表明微结构件的径向收缩率由于工艺参数选择的不同在18～20%之间波动。烧结完的微结构件的致密度高达97%,表面粗糙度约为0.3μm。随着烧结温度的升高微结构件致密度增加,但同时微结构件的晶粒尺寸也明显增大。实验采用纳米压痕及显微硬度测试方法研究了微结构件的力学性能,测试结果表明不同的工艺参数对微结构的硬度及弹性模量的影响不大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 陶瓷粉末微注射成形的发展背景及意义
• 1.1.1 粉末微注射成形的发展背景
• 1.1.2 粉末微注射成形的研究意义
• 1.2 微注射成形设备及其模具
• 1.2.1 微注射成形机
• 1.2.2 微注射模具
• 1.3 陶瓷粉末微注射工艺
• 1.4 陶瓷粉末微成形件的性能测试
• 1.5 本课题的主要研究内容
• 第2章 材料、设备及试验方法
• 2.1 实验流程
• 2.2 实验材料
• 2.2.1 陶瓷粉末材料
• 2.2.2 粘结剂
• 2.3 微注射成形设备及其模具
• 2.3.1 微注射成形设备
• 2.3.2 微注射成形模具
• 2.4 基本分析方法和手段
• 2.4.1 密度测量
• 2.4.2 粘度分析
• 2.4.3 差示扫描量热（DSC）分析
• 2.4.4 热重（TGA）分析
• 2.4.5 激光共聚焦显微镜
• 2.4.6 显微组织结构分析
• 2.4.7 维氏硬度的测定
• 2.4.8 纳米压痕的测定
• 第3章 微结构件的注射成形工艺研究
• 3.1 喂料
• 2 陶瓷粉末装载量的确定'>3.1.1 ZrO₂陶瓷粉末装载量的确定
• 3.1.2 微注射成形喂料的制备
• 3.1.3 喂料均匀性分析结果及讨论
• 3.1.4 喂料粘度分析结果及讨论
• 3.2 微注射成形参数选择
• 3.2.1 注射温度
• 3.2.2 注射压力
• 3.2.3 模具温度
• 3.2.4 抽真空
• 3.3 脱脂工艺及其分析
• 3.3.1 脱脂方法的选择
• 3.3.2 热脱脂的过程和机理
• 3.3.3 喂料热力学分析
• 3.3.4 脱脂工艺的确定
• 3.4 烧结工艺
• 3.5 本章小结
• 2陶瓷微结构件的成形质量分析'>第4章 ZrO₂陶瓷微结构件的成形质量分析
• 4.1 前言
• 2陶瓷微结构件的精度控制'>4.2 ZrO₂陶瓷微结构件的精度控制
• 4.2.1 收缩率
• 4.2.2 致密度
• 4.2.3 表面粗糙度
• 2 陶瓷微结构件的微观组织'>4.3 ZrO₂陶瓷微结构件的微观组织
• 2 陶瓷微结构件的力学性能'>4.4 ZrO₂陶瓷微结构件的力学性能
• 4.4.1 维氏硬度
• 4.4.2 纳米压痕
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢