Уплотнение керамических порошков

Компактирование керамических порошков — это метод формования керамики , при котором гранулированные керамические материалы становятся связными посредством механического уплотнения, либо путем горячего, либо холодного прессования. Полученная сырая деталь затем должна быть спечена в печи. Процесс компактирования позволяет эффективно производить детали с жесткими допусками и низкой усадкой при высыхании. Его можно использовать для деталей, которые широко варьируются по размеру и форме, а также для технической и нетехнической керамики.

Керамическая промышленность широко развита в мире. Только в Европе текущие инвестиции оцениваются в €26 млрд. Передовая керамика имеет решающее значение для новых технологий, особенно термомеханических и биомедицинских применений, в то время как традиционная керамика имеет мировой рынок и была предложена в качестве материалов для минимизации воздействия на окружающую среду (по сравнению с другими отделочными материалами).

Современная керамическая технология включает изобретение и проектирование новых компонентов и оптимизацию производственных процессов сложных структур. Керамика может быть сформирована различными методами, 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. Примерами методов с участием жидкостей являются: золь-гель процесс и пиролиз полимеров. Методы с участием твердых веществ, особенно порошковые методы, доминируют в формировании керамики и широко используются в промышленности.

Практическая реализация керамических изделий порошковыми методами требует следующих этапов: производство керамического порошка, обработка порошка, обработка и переработка, холодная формовка, спекание и оценка эксплуатационных характеристик конечного продукта. Поскольку эти процессы позволяют эффективно производить детали, варьирующиеся в широких пределах по размеру и форме с жесткими допусками, существует очевидный интерес в промышленности. Например, металлургическая, фармацевтическая, а также традиционная и передовая конструкционная керамика представляют собой общие области применения.

Общеизвестно, что эксплуатационные характеристики керамического компонента критически зависят от процесса производства. Первоначальные характеристики порошка и обработка, включая холодную формовку и спекание, оказывают сильное влияние на механические свойства компонентов, поскольку они могут генерировать популяцию дефектов (микротрещины, градиенты плотности, поры, агломераты) в сырых и спеченных соединениях. Механические характеристики твердого тела, полученного после холодной формовки (так называемое «сырое тело»), сильно влияют на последующий процесс спекания и, следовательно, на механические свойства конечной детали.

В процессе формования керамических материалов возникает множество технических, до сих пор не решенных трудностей. С одной стороны, прессовка должна быть целой после выталкивания, с ней можно было бы работать без сбоев и она должна быть 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 крайне неоднородные поля деформации, или выталкиванием формы. В настоящее время наблюдается высокий уровень брака продукции, что обусловлено тем, что технологии производства в основном основаны на эмпирически разработанных процессах, а не на рациональных и научных методологиях.

Промышленные технологии, используемые в производстве керамики, особенно плитки и сантехнических изделий, приводят к огромному количеству отходов материалов и энергии. ^{[примечание 1]} Следовательно, организация производственных процессов требует больших затрат средств и времени и пока не является оптимальной с точки зрения качества конечного изделия.

Поэтому керамическая промышленность проявляет большой интерес к наличию инструментов, способных моделировать и имитировать: i) процесс прессования порошка и ii) критичность дефектов, которые могут присутствовать в конечном изделии после спекания. Недавно был профинансирован исследовательский проект EU IAPP [1] с целью улучшения механического моделирования формования керамики с учетом промышленного применения.

При холодном прессовании порошков гранулированный материал становится связным за счет механического уплотнения, процесса, для моделирования которого необходимо описать переход из гранулированного в плотное и даже полностью плотное состояние (рис. 2).

Поскольку зернистые материалы характеризуются механическими свойствами, почти полностью отличающимися от свойств, типичных для плотных твердых тел, механическое моделирование должно описывать переход между двумя совершенно разными состояниями материала. Это научная задача, которую решают Пикколроаз и др. ^{[1] [2]} с точки зрения теории пластичности . ^[3] Ключевым моментом в их анализе является использование « поверхности текучести Бигони и Пикколроаза », разработанной ранее, ^[4] см. рис. 3.

Механическая модель, разработанная Пикколорасом и др. (2006 a;b), позволяет описать процесс формования (рис. 4). Исследовательский проект INTERCER2 [2] направлен на разработку новых конститутивных описаний для керамических порошков и более надежной реализации в числовом коде.

• Порошковая металлургия
• Пластичность
• Поверхность текучести
• Методы формовки керамики
• Механический порошковый пресс

• https://ssmg.unitn.it/
• https://bigoni.dicam.unitn.it/
• https://apiccolroaz.dicam.unitn.it/
• https://bigoni.dicam.unitn.it/compaction.html
• http://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=methods_of_shape_forming_ceramic_powders
• http://intercer2.unitn.it/