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1、二氧化锆材料的加工技术姓名：罗乔学号：510011593摘要陶瓷材料种类很多，它具有熔点高、硬度高，化学稳定性高、耐高温、耐磨损、耐氧化、耐腐蚀，以及弹性模量大、强度高等优良性质。也正是由于陶瓷材料的这些性质能决定了它的加工也是和普通的材料有着截然不同的加工方式。随着现代工业的发展，对于新型材料的需求也越来越多，陶瓷材料在近十几年来得到飞速的发展。随着它的应用领域越来越广，人们对它的研究也越来越深入。本文将介绍二氧化锆这种比较典型的特种陶瓷材料（人工合成材料）并对其加工技术进行叙述和探讨在国内陶瓷材料的加工技术水平和发展程度。关键词： 陶瓷材料 二氧化锆 激光加工 磨料水射流铣削加工 金刚石套
2、料钻ABSTRACTThere is so many kinds of Ceramic material.They have the excellent properties.Such as the High melting point,High hardness,High Chemical stability, Heat-resistant,Resistant to wear,Resistance to oxidation,Corrosion resisting,High Elastic modulus,High strength and so on.Because of these pro
3、perties , its processing is also with ordinary materials a totally different processing methods.With the development of modern industry,The demand for new materials will be more and more.Ceramic materials get rapid development in recent decade.Along with its application field more and more widely, p
4、eople have studied it also more and more deeply.This paper will introduce alumina and zro2 which is Synthetic material and its processing technology description and explore the domestic ceramic materials processing techniques and development degree.KEY WORD : Ceramic materials zirconium dioxide Lase
5、r processing Abrasive Water technology milling Diamond set of material drill1 材料介绍陶瓷材料种类很多，它具有熔点高、硬度高，化学稳定性高、耐高温、耐磨损、耐氧化、耐腐蚀，以及弹性模量大、强度高等优良性质。也正是由于陶瓷材料的这些性能决定了它的加工也是和普通的材料有着截然不同的加工方式。随着现代工业的发展，对于新型材料的需求也越来越多，陶瓷材料在近十几年来得到飞速的发展，随着它的应用领域越来越广，人们对它的研究也越来越深入，本文将介绍二氧化锆这种比较典型的特种陶瓷材料（人工合成材料）并对其加工技术进行叙述和探讨在国内
6、陶瓷材料的加工技术水平和发展程度。二氧化锆陶瓷，高纯度的二氧化锆为白色粉末，含有杂质时略带黄色或灰色。二氧化锆有三种晶型，低温为单斜晶系，密度 5.65g/ ；高温时为四方晶系，密3cm度 6.10g/ ；更高的温度下转变为立方晶系，密度为 6.27g/ 。二氧化锆陶瓷3cm 3的熔点在 2700 以上，能耐 2300 的高温，其推荐使用温度为 20002200 。C C C同时二氧化锆的热膨胀系数的变化受温度的影响明显。在 20200 阶段下，热膨胀系数为 / ,在 1000 附件，由于晶体结构由 ct 转变，产生体积收缩。6108但加入增韧剂后抑制了相变，热膨胀系数不再受 ct 转变的影响
7、。二氧化锆的化学稳定性很高，各种酸中仅溶于氢氟酸。二氧化锆容易与碱和碳酸盐熔烧，形成锆酸盐。与其他主要陶瓷种类的力学性能相比较，二氧化锆的抗热震性较差。由于二氧化锆固溶体具有离子导电性，故可用作高温下工作的固体电解质，应用于工作温度为 10002000 的化学燃料电池，还可用于其他电源。利用稳定二C氧化锆的高温导电性，还可将这种材料作为电流加热的光源和电热发热元件。由于二氧化锆还能抗熔融金属的侵蚀，所以多用作铂等金属的冶炼坩埚和 1800 以上C的发热体和炉子、反应堆绝热材料等。特别指出，二氧化锆作添加剂可大大提高陶瓷材料的强度和韧性。氧化锆增韧氧化铝陶瓷材料的强度达 1200MPa、断裂韧性
8、为 15.0，分别比原氧化铝提高了三倍和近三倍。它的炕腐蚀性可以用它来做盛钢水包的内衬，在连续铸钢中做浇口砖。二氧化锆由于其的高强度和优良的韧性（常温抗压强度可以达到 2100MPa，1000 时为 1190MPa，经过增韧的陶瓷常温抗弯强C度最高可以达到 2000MPa）可以用来制造发动机构件，如轴承、气缸等。二氧化锆还具有高温半导体性，室温下纯二氧化锆是良好的绝缘体，但超过 1000 后导C电很好，电阻为 4 ，所以这种优良的特性可以将它广泛的应用于热敏感材料cm类，而且是适合那种高温情况下，很具有应用潜力，而且在最新的 MEMS 技术中也可以得到一定的应用。最后，二氧化锆还具有比较好的敏
9、感特性，二氧化锆稳定化后有氧空气的存在，可用以制作气敏元件，作为测量一些气体的探头，同时对于之前提到的 MEMS 技术中更是有很好的应用潜力，由于它的这种半导体和以及气体敏感元件，可以在很多地方得到广泛的应用，然而加工确是阻碍此种材料应用的一个最大的阻碍。2 二氧化锆的加工技术现阶段，绝大部分采用硬烧结金刚石等硬质刀具来切削陶瓷材料，当然，二氧化锆材料还没有强度高到连金刚石都对付不了的程度，但是采用烧结金刚石的方法却注定它的加工效率要慢一拍，这样也将最终导致我们的生产上面会出现很大的供不应求的状况，如何改善就成为了现在的一个研究重点了，下面就将介绍一些现代比较先进的加工技术。2.1 激光热应力
10、切割技术利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，在超过阀值功率密度的前提下，热能被材料吸收，由此引起照射点材料温度急剧上升，热量以某个速率(视材料的热扩散率而定)，从入射点传导出去对于容易受热破坏的脆性材料，比如陶瓷，通过激光扫描产生的热应力诱导并控制裂纹扩展的方法来分割脆性材料的方法称为激光热应力分割技术。这种加工方法就是通过激光(或其他热源，如热空气射流)的扫描照射，在被切割材料内造成适当的温度梯度(但不至造成材料软化和机械性质的大幅变化) ，非均匀温度场将导致材料产生热应力，当其裂纹尖端热应力超过材料的临界应力时，裂纹扩展，即产生裂缝，分开材料。例如由上海交大胡俊副教授主持的学生研究过对陶
11、瓷的激光热应力切割技术的数值仿真和实验分析，其中就提到，现阶段，绝大部分采用硬烧结金刚石等硬质刀具来切削零件现阶段还存在着生产率低下、加工成本高、切割质量差等一系列难以克服的缺点。现阶段在采用激光加工的时候，陶瓷材料存在以下一些优点，那就是：陶瓷对激光的吸收率高，二氧化锆陶瓷对激光的吸收率约 90%左右，高热时分解和升华，即一旦受高能量密度的激光束照射，就会发生局部的分解和升华，有助于提高激光加工的效率。在期中还提到国内外多名研究人员在激光加工陶瓷中所做出的一些成果以及一些仿真实验所得出来的结论都表明目前激光切割陶瓷技术很多都是采用激光划片技术，在由胡俊副教授主持的研究主要是针对氧化铝这种材料
12、的研究，然而从中却也可以发现其实这种激光加工很适合多种陶瓷的加工，尤其是对于二氧化锆，激光吸收率比氧化铝还要高。这也就可以保证了它的加工效率要比氧化铝要高，在生产方面，这种激光加工方法也是应用于一些特殊的加工场合，尤其是一些精度要求特别高的场合，因为这种加工技术的最大优势就是精度高，然而这种加工也存在一定的技术缺陷，它对于热对流和热传导技术还没有相应的解决，同时对于激光的光斑的大小和形状都还是有待于后人进行研究的。这些技术一旦被突破，对于陶瓷的激光加工将会是一个很大的提高，更是标志着这项技术成熟的一个瓶颈技术。2.2 磨料水射流加工将“水滴石穿”技术应用于陶瓷材料是一种再形象不过的加工技术。这
13、也是磨料水射流铣削加工的基本原理。这种加工技术就是将水液体和磨料进行混合，然后进行加压，然后在混合后的混料进行高压喷射，借助高压和混合液的冲击，将材料进行去除的方法。这种方法是一种很好的加工陶瓷材料的方法，期中的磨料是金刚石磨粒。由于磨料水射流所具有的加工优点，它可以加工几乎所有的材料，尤其适宜加工不易使用激光等热加工技术加工的硬脆材料，如陶瓷、聚合物、玻璃、石材等，因此在某些需要应用微型切割的领域中，微型磨料水射流切割成为首选的加工技术。微型磨料水射流设备与普通磨料水射流设备相比要小得多，水与磨料的消耗量只占普通磨料射流的 1%左右，可以切割适用于普通磨料水射流切割的一切材料。这种方法的使用
14、对于胚体的加工也确实是一种很大的改进，同时这种加工具有加工范围广，可控性好，还具有很强的切割力，切口质量也是非常的好，同时这种生产方式安全，效率高，在发展方面有很大的潜力，美中不足的就是它的成本太高，同时对于较薄的工件很容易冲弯，对喷嘴的耐磨损性要求高，随着现在材料的不断更新，相信会有一天，在成本降到一定程度同时材料达到相应的要求的时候，这种方法也是值得推广的。但在研究中还提到目前对该技术的切割机理还没有形成统一的理论。这主要是由于材料的去除过程受众多因素的影响，如水射流结构、加工参数及被加工材料的性质等。大部分学者认为，磨料水射流对于塑性材料和脆性材料的去除机理存在不同的形式。所以在对于磨料
15、水射流铣削技术的研究中，他们也提出了一套相应的原理，以及对其进行了相应的实验以及仿真。对于切割技术，现在的磨料水射流技术已经很成熟了，但是对于铣削技术却是还很欠缺。由山东大学黄传真教授以及他所带领的博士生冯敏霞共同研究了关于磨料水射流铣削陶瓷材料加工技术研究，以黄传真教授就对这种水射流的铣削加工进行了相应的加工实验，当然也取得了相应的成果。最终他们得出了相应的结论，那就是高压水射流技术具有无热影响区、加工力小、加工范围广和可加工复杂形状等优点，所以它是加工陶瓷和玻璃等脆性难加工材料的理想加工技术。但是它仅分析了各参数对表面粗糙度的影响，还需要大量的实验来验证模型，进一步研究磨料水射流铣削表面的
16、完整性，建立加工硬化和残余应力与各铣削参数之间关系模型以及在对喷嘴直径和冲击角度对铣削加工的影响，这些因数都是需要进一步研究的。同时在其他一些领域包括磨料水射流的车削技术等方面还基本是属于空白，如果在这些方面能够有所突破，这在磨削水射流技术方面的发展将会是一个很具有建设性的意义。2.3 金刚石套料铣削加工在一般的金刚钻而言，进行钻削是可以进行的，但是加入将它改进，然后应用于铣削加工，这将是一个很大的改进，同时对于这项技术，国内也是研究的比较少，由南京理工大学的袁军堂教授带领其的研究生贺永明研究用金刚石套料钻加工此材料，这里的套料钻是采用钎焊上去的，在现在的工业生产中，金刚钻倒是很常见，但是采用金刚钻来进行铣削加工实验的确是很少，实验中对金刚石套料钻进行了两组加工，一方面对氧化铝材料进行相应的加工，另一方面则是对它进行碳化硅进行加工，众所周知，碳化硅是一种硬度仅次于金刚石的材料，所以在采用此种方式加工时的进给力将比氧化铝要大很多，所以对于二氧化锆而言，采用此
