几种先进陶瓷加工技术简述
2020-12-18 17:41:50
随着微电子技术和信息技术的快速发展，新材料产业应用领域的重点已经从结构材料转向功能材料，尤其在先进陶瓷材料应用方面，具有不同性能的陶瓷材料相继实现产业化，逐步成为高技术发展的重点关键材料。但由于大部分先进陶瓷属于硬脆材料，加工难度很大，其最终加工精度、表面加工质量和损伤层深度，直接对终端产品的性能产生影响，因此，先进陶瓷在加工过程中选择的工艺方法就尤为重要。
一、传统机械加工
目前，机械加工是先进陶瓷加工技术应用最为广泛的的加工方法。机械加工主要包括车削、切削、磨削、钻孔等。其优点是工艺简单，加工效率高。缺点是由于陶瓷材料的高硬、高脆，机械加工难以加工形状复杂、尺寸精度高、表面粗糙度低、高可靠性的先进陶瓷部件。
1、车削加工
车削加工主要是用金刚石刀具切削高硬度、高耐磨性的陶瓷。多晶金刚石刀具难以产生光滑的切削刃，一般只用于粗加工；对陶瓷材料进行精车时，使用天然单晶金刚石刀具，切削时采用微切削方式。由于工程陶瓷材料硬度和脆性非常大，车削难以保证其精度要求，加工效率低。
金刚石刀具
2、切削加工
切削加工是利用金刚石、立方氮化硼、硬质合金钢等超硬刀具对陶瓷材料进行平面加工，通常采用湿法切削，即不间断向刀具喷射切削液。由于加工过程中，材料表面受到机械应力作用，容易在材料表面产生凹坑、崩口、表面及表下层微裂纹。刀具、切削液的选择，刀具切削进给速度、进给量等工艺参数的优化，是目前先进陶瓷材料切削加工的研究热点领域。
机床湿法切削
3、磨削加工
磨削加工是目前已有加工方法中应用最多的一种。磨削加工所用砂轮一般选用金刚石砂轮。
金刚石砂轮
4、陶瓷材料的钻孔
陶瓷发动机、航天航空、化工机械等工程领域，通常需要对材料进行孔洞等钻削加工。尤其带有螺纹的孔洞的加工是陶瓷材料加工工艺要求极高的工艺过程。目前机械钻削方法只能加工数毫米的陶瓷孔洞。微小孔洞的加工需要超声、激光、放电加工技术的复合加工。
二、先进加工方法
1、激光加工
激光加工是利用高能量密度的均匀激光束作为热源，在加工陶瓷材料表面局部点产生瞬时高温，局部点熔融或汽化而去除材料。
激光加工
其优点是：
a 激光切割过程中只须定位而不需夹紧，无“刀具”磨损、无 “切削力”作用于工件上；
b 加工速度快，可切不穿透的盲槽，噪声低、无公害，使板材的切割效率提高8～20 倍；
c 能实现极小缝宽的切割，节省材料20～30，可以大大降低生产成本；
d 加工精度高，产品质量可靠，还具有能缩短生产周期、可以进行选择性加工、精密加工等优点。
2、电火花加工
电火花加工又称作电蚀加工或放电加工，是利用工具电极和工件电极问脉 冲放电时产生的电蚀现象对材料进行加工的一种无接触式精细热加工技术。电火花加工是制备高尺寸精度、低表面粗糙度、复杂形状高性能陶瓷元件很有应用前景的加工技术。近年来发展起来的电火花加工新技术很多，其中在陶瓷加工方面应用最广泛的主要有微细电火花加工、微细电火花切割加工、混粉工作液电火花镜面加工等。
电火花加工原理
其优点是
a 电火花加工在不降低材料表面质量的条件下可提高加工效率；
b 可以进行成形、穿孔和切割加工各种形状复杂的先进陶瓷零件，完成传统加工技术很难完成的工作；
c 脉冲放电持续的时间很短，冷却作用好，加工表面的热影响极小；
d 直接利用电能进行加 工，便于实现加工自动化。
3、超声波加工
超声波加工是利用产生超声振动的工具，带动工具和陶瓷元件间的磨料悬 浮液，冲击和抛磨元件进行加工。常用的磨料是碳化硼、碳化硅和氧化铝等。一般选用的工作液为水，为提高材料表面的加工质量，也可用煤油或机油作液体介质。
其优点是
a 超声波加工既不依赖于材料的导电性，又没有热物理作用，加工后工件表面无组织改变、残余应力及烧伤等现象等发生；
b加工过程中宏观作 用力小，适合于各种形状要求复杂、不导电的硬脆材料；
c 加工过程中在元件上的作用力较小，材料表面产生较小的机械应力对材料的损 伤小、表面粗糙度好。
4、微波加工
微波是一种频率范围300MHz~3000GHz的电磁波，微波电磁能量能穿透介质材料，传送到有耗物质的内部，并与物体的原子、分子互相碰撞、摩擦，从而使物体发热、熔融甚至汽化。
其优点是：由于微波加热具有内外同热、热应力小、效率高、加热速度快、成本低、具有选择性等特点，因此被广泛地应用于陶瓷烧结与焊接、化学合成与消解、刻蚀 镀膜、手术杀菌、材料改性等方面。
5、抛光加工
抛光是加工方法中精度最高、表面质量也最好的加工方法。因此，目前抛光通常作为功能陶瓷元器件基片的最终加工方法，而平面抛光成为各种元件基片最常用也是最重要的加工方式。抛光加工方法主要包括界面反应抛光、非接触抛光、电场和磁场抛光加工等。
抛光加工模型
a 界面反应抛光
当工件与磨粒摩擦界面处于高温高压状态时，工件表面容易形成一层化合物 在表层深度极浅的反应物很容易通过研抛去除，最终可高效地获得表面粗糙度为数纳米以下的完美表面。界面反应抛光主要有化学机械抛光和水合抛光两种方法。
b 非接触抛光
非接触抛光是指使工件与抛光盘在抛光过程中不发生接触，仅用抛光剂冲击工件表面，以获得加工表面完美结晶性和精确形状，去除量为几个到几十个原子级的抛光方法。
c 电场和磁场抛光加工
电场和磁场抛光加工是利用和控制电，磁场的强弱使磁流体带动磨粒对工件施加压力，从而对高形状精度，高表面质量和晶体无畸变的表面进行加工的抛光方法，主要用于信息设备和精密机械、高性能元件的加工，通过对电磁场的控制也可以加工自由曲面。
三、先进陶瓷加工技术发展趋势
1、采用复合加工，综合各种加工方法的优点相互取长补短；
2、降低制造成本，提高加工效率和一致性，采用超精密机械设备，以磨代抛光是趋势之一；
3、利用计算机仿真技术、图象处理技术、光学测量技术等新技术，深入完善加工机理的研究，研究新的加工原理，提高加工效率和加工质量；
4、采用计算机控制和在线检测技术，提高加工精度、抛光效率以及一致性。
：李波涛
参考资料：1.《功能陶瓷超精密加工技术的现状与发展》，袁巨龙、吕冰海等