Уплотнение керамических порошков - Compaction of ceramic powders
Уплотнение керамических порошков это техника формовки керамики в котором гранулированный керамика материалы становятся связанными за счет механического уплотнения, горячего или холодного прессования. Получившуюся зеленую часть в дальнейшем необходимо спеченный в печи. Процесс уплотнения позволяет эффективно производить детали с жесткими допусками с низкой усадкой при высыхании. Его можно использовать для деталей самых разных размеров и форм, а также для технической и нетехнической керамики.
Фон: традиционная и современная керамика
В мире широко развита керамическая промышленность. Только в Европе текущие инвестиции оцениваются в 26 миллиардов евро. Передовая керамика имеет решающее значение для новых технологий, особенно термомеханических и биомедицинских применений, в то время как традиционная керамика представлена на мировом рынке и была предложена в качестве материалов для минимизации воздействия на окружающую среду (по сравнению с другими отделочными материалами).
Процесс производства керамики
Современная керамическая технология предполагает создание и создание новых компонентов, оптимизацию производственных процессов сложных конструкций. Керамику можно формировать множеством различных методов, которые можно разделить на три основные группы, в зависимости от того, включают ли исходные материалы газ, жидкость или твердое тело. Примерами методов с участием газов являются: химическое осаждение из паровой фазы, направленное окисление металлов и реакционное связывание. Примеры методов с использованием жидкостей: золь-гель процесс и пиролиз полимеров. Методы с использованием твердых частиц, особенно порошковые, преобладают при формовании керамики и широко используются в промышленности.
Практическая реализация керамических изделий порошковыми методами требует следующих этапов: производство керамического порошка, порошковая обработка, транспортировка и обработка, холодное формование, спекание и оценка характеристик конечного продукта. Поскольку эти процессы позволяют эффективно производить детали самого разного размера и формы с жесткими допусками, в промышленности существует очевидный интерес. Например, металлургическая, фармацевтическая, а также традиционная и современная конструкционная керамика представляют собой общие области применения.
Механика формовки керамических порошков
Это общеизвестный факт, что характеристики керамического компонента в значительной степени зависят от производственного процесса. Первоначальные характеристики порошка и обработка, включая холодное формование и спекание, оказывают сильное влияние на механические свойства компонентов, поскольку они могут создавать скопление дефектов (микротрещины, градиенты плотности, поры, агломераты) внутри сырых и спеченных смесей. Механические характеристики твердого материала, полученного после холодной штамповки (так называемое «сырое тело»), сильно влияют на последующий процесс спекания и, таким образом, на механические свойства готовой детали.
В процессе формования керамических материалов возникает много технических, но не решенных трудностей. С одной стороны, после выброса брикет должен оставаться неповрежденным, с ним нужно работать без сбоев и практически без макродефектов. С другой стороны, в сырых телах всегда присутствуют дефекты различной природы, отрицательно влияющие на локальную усадку при спекании, рис.1.
Дефекты могут быть вызваны процессом уплотнения, который может включать в себя сильно неоднородные поля деформации, или выбросом формы. В настоящее время наблюдается высокий процент брака продукции из-за того, что производственные технологии в основном основаны на эмпирически разработанных процессах, а не на рациональных и научных методологиях.
Промышленные технологии, используемые при производстве керамики, особенно плитки и сантехники, порождают огромное количество отходов материалов и энергии.[примечание 1] Следовательно, налаживание производственных процессов является очень дорогостоящим и требует много времени и еще не является оптимальным с точки зрения качества конечной детали.
Поэтому керамическая промышленность проявляет большой интерес к наличию инструментов, способных моделировать и моделировать: i) процесс прессования порошка и ii) критичность дефектов, которые могут присутствовать в готовой детали после спекания. Недавно был проведен исследовательский проект IAPP ЕС. [1] был профинансирован с целью улучшения механического моделирования формовки керамики для промышленного применения.
Во время холодного прессования порошка гранулированный материал становится связным за счет механического уплотнения, процесса, для которого моделирование требует описания перехода от гранулированного к плотному и даже полностью плотному состоянию (рис. 2).
Поскольку зернистые материалы характеризуются механическими свойствами, почти полностью отличными от свойств, характерных для плотных твердых тел, механическое моделирование должно описывать переход между двумя отчетливо разными состояниями материала. Это научная проблема, решаемая Piccolroaz et al.[1][2] с точки зрения пластичность теория.[3]Ключевым моментом в их анализе является использование метода Bigoni & Piccolroaz поверхность текучести ’, Ранее разработанная,[4] см. рис.3.
Механическая модель, разработанная Piccoloraz et al. (2006 a; b) позволяет описать процесс формирования (рис. 4). [2] исследовательский проект направлен на разработку новых основных описаний керамических порошков и более надежную реализацию в числовом коде.
Смотрите также
- Порошковая металлургия
- Пластичность
- Поверхность выхода
- Техника керамической формовки
- Механический порошковый пресс
Примечания
- ^ Для измельчения сырья используются большие мельницы (с установленной мощностью до 1 МВт) для уменьшения размера частиц шликера, но большая часть мощности теряется только на повышение температуры шликера. Для сушки шликера используются большие распылительные сушилки с электрической мощностью до 500 кВт и тепловой мощностью 15 000 000 ккал / ч: 80% тепловой мощности машины теряется в дымоходе, при этом незначительный процент сам порошок теряется в окружающей среде. Для формования порошка используются большие прессы (усилие до 7,500 тонн и установленная мощность 250 кВт), но только 5% этой энергии содержится в уплотненном конечном продукте. На следующем этапе сушки и спекания используются большие горелки с потреблением 10 000 000 ккал / ч, но большая часть энергии тратится на дымоход. На линии глазурования также образуется большой объем отходов глазури, и лишь небольшое количество может быть переработано на самом предприятии. Даже небольшое увеличение механической прочности керамического тела привело бы к уменьшению веса керамического изделия с глубоким уменьшением вышеуказанных эффектов загрязнения.
Рекомендации
- ^ А. Пикколроаз, Д. Бигони и А. Гайо, Эластопластический каркас для гранулированных материалов, становящихся связными в результате механического уплотнения. Часть I - формулировка малых деформаций. Европейский журнал механики A: Solids, 2006, 25, 334-357.
- ^ А. Пикколроаз, Д. Бигони и А. Гайо, Эластопластический каркас для гранулированных материалов, становящихся связными в результате механического уплотнения. Часть II - постановка упругопластической муфты при больших деформациях. Европейский журнал механики A: Solids, 2006, 25, 358-369.
- ^ Бигони Д. Нелинейная механика твердого тела: теория бифуркаций и неустойчивость материала. Издательство Кембриджского университета, 2012. ISBN 9781107025417.
- ^ Бигони, А. Пикколроаз, Критерии текучести квазихрупких и фрикционных материалов. Международный журнал твердых тел и структур, 2004, 41 (11-12), 2855-2878.