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思考|打破传统陶瓷新材料加工壁垒新技术...

日期: 2018-12-13
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随着光电产业的不断延伸发展,通信、光学、激光、红外、光电传感等光电产品的技术及材料被广泛应用于手机、汽车电子、消费电子、先进制造、半导体加工、海洋船舶、生物医疗等行业,甚至在陶瓷材料上的运用也日益突出。

陶瓷新材料基本应用于高精密要求的产品中,传统的接触式切割方式已无法满足现今应用的精密需求和产量需求,更重要的是陶瓷新材料的特性单薄易碎

运用新技术综合解决方案,陶瓷产业的企业家们也是时候重新定义新业态,定义未来,引领变革。

 

思考|打破传统陶瓷新材料加工壁垒新技术...


 

陶瓷是用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料。是一种高熔点高硬度高耐磨性、耐氧化的功能材料,特点是硬度高刚度高强度高无塑性热稳定性高化学稳定性高等,同时也是良好的绝缘体,常常用于军工航空航天高端PCB等领域中。

在军工、航空航天、3C行业中应用的陶瓷主要为氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、金属陶瓷、氮化物陶瓷等,具有特殊的力学、光、声、电、磁、热等特性。

 

思考|打破传统陶瓷新材料加工壁垒新技术... 

然而陶瓷材料在机械加工成型过程中受工艺条件的限制,无法准确预留用于装配的各种孔、槽、边,所以在工程陶瓷产品上进行打孔加工是生产中经常需要的,同时这也是陶瓷加工的一个重要技术。

陶瓷材料高硬度高脆性、容易碎裂的特点,使陶瓷的精密钻孔加工,特别是小孔和微孔加工、成型加工、螺纹加工等,对加工工艺要求很高,需扩大材料的可加工性范围,使其能更广泛的应用。就目前陶瓷材料打孔的技术主要有机械加工、超声波加工、激光加工等方法,今天我们就来简单介绍一下。

 

机械打孔

思考|打破传统陶瓷新材料加工壁垒新技术... 

是目前使用最广泛的方法,该法采用金刚石空心钻,利用空心钻的旋转进行磨削而不断切入到陶瓷材料中,直到穿透为止。这种方法特别适合数毫米以上直径的圆孔洞的加工。

优点:

1、工艺成熟,操作方便;

2、加工效率高,设备简单。

缺点:

1、由于陶瓷硬度高,钻头磨损严重;

2、陶瓷脆性大,在孔的出入口处易产生崩刃现象,影响孔的加工质量;

3、加工过程产生大量碎屑和粉尘,对加工环境有不良影响。

 

超声波打孔

思考|打破传统陶瓷新材料加工壁垒新技术...

 

对于抗拉强度低的陶瓷材料采用超声加工是适宜而有效的方法之一,因为超声加工是超声波发生器通过将电能转变为超声电频振荡,并固定在振幅扩大工具上,产生超声振动,使工具与工件之间的液体磨粒以很大的速度和加速度不断撞击和磨削被加工表面,因此加工效率与超声波输出功率、磨粒种类、加工速度等有关。

优点:

1、能够加工到点和绝缘材料;

2、不受材料硬度限制,能够加工复杂3D 结构;

3、加工工具无需旋转,所以能加工特殊轮廓的孔洞;

4、加工速度快和无热效应。

缺点:

1、加工工具的更替比较麻烦;

2、由于加工而产生的工具质量变化或力的传导等因素而使加工质量受到微妙影响;

3、其加工精度受到其加工振幅限制,更适合于表面切削和复杂三维型面的加工,无法满足高精度数百微米级别微孔加工的需求。

 

激光打孔

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激光打孔在陶瓷这样的超硬材料也是行之有效的。激光加工一般采用脉冲激光器激光束通过光学系统聚焦在陶瓷工件上,利用高能量密度(106~109W/cm2)的激光脉冲使被加工表面部位熔融气化和蒸发从而去除材料实现小孔加工

优点:

1、属于非接触加工,不会对材料造成机械挤压或机械应力,安全可靠;

2、操作简单,加工速度快、效率高,并且用计算机控制易于实现机械化;

3、精密度高,加工成本低,工艺水平高等。

激光聚焦光斑可以会聚到波长量级,在很小的区域内集中很高的能量,特别适合于加工微细深孔,最小孔径只有几微米,孔深和孔径比可大于50。

激光打孔用于陶瓷机身的部位主要是外壳听筒及天线打孔、耳机打孔等部位,具有效率高、成本低、变形小、适用范围广等优点。通过优化激光加工工艺参数,可以加工出更高质量的微孔。所以相对于陶瓷材料,激光打孔工艺是占据了很全面的优势。

 

思考|打破传统陶瓷新材料加工壁垒新技术... 

思考|打破传统陶瓷新材料加工壁垒新技术...


新型陶瓷材料在性能上有其独特的优越性。在热和机械性能方面,有耐高温、隔热、高硬度、耐磨耗等;在电性能方面有绝缘性、压电性、半导体性、磁性等;在化学方面有催化、耐腐蚀、吸附等功能;在生物方面,具有一定生物相容性能,可作为生物结构材料等。因此研究开发新型功能陶瓷是材料科学中的一个重要领域。

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氧化锆陶瓷就是现今应用的最多的一种陶瓷新材料,在新工艺的陶瓷生产中加入氧化锆(ZrO2)烧制而成,其优异的耐高温性能作为感应加热管、耐火材料、发热元件使用,同时氧化锆陶瓷具有高韧性、高抗弯强度和高耐磨性,优异的隔热性能,热膨胀系数接近于钢等优点,因此被广泛应用于热障涂层、催化剂载体、医疗、耐火材料、纺织等领域。

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压电陶瓷是一种能将压力转变为电能的功能陶瓷,哪怕是像声波震动产生的微小的压力也能够使它们发生形变,从而使陶瓷表面带电。用压电陶瓷柱代替普通火石制成的气体电子打火机,能够连续打火几万次。

PCB陶瓷基板是指铜箔在高温下直接键合到氧化铝(Al2O3)或氮化铝(AlN)陶瓷基片表面( 单面或双面)上的特殊工艺板。所制成的超薄复合基板具有优良电绝缘性能,高导热特性,优异的软钎焊性和高的附着强度,并可以像PCB板一样能刻蚀出各种图形,具有很大的载流能力。

思考|打破传统陶瓷新材料加工壁垒新技术... 

 

上述陶瓷新材料基本应用于高精密要求的产品中,然而传统的接触式切割方式已经无法满足现今应用的精密需求和日益增长的产量需求,更重要的是陶瓷新材料的薄脆的特性容易碎裂。激光技术以它优异的性能优势打破了陶瓷新材料的加工壁垒。

 

 

激光技术主要优势如下:

 

1、精密度高:激光束可以聚焦到很小的尺寸,因而特别适合于精密加工。激光精密加工质量的影响因素少,加工精度高,在一般情况下均优于其它传统的加工方法;

 

2、高速便捷:激光精密加工操作简单,切缝宽度方便调控,可立即根据电脑输出的图样进行高速雕刻和切割、加工速度快,加工周期比其它方法均要短;

3、安全可靠:激光精密加工属于非接触加工,不会对材料造成机械挤压或机械应力;

4、加工成本低:不受加工数量的限制,对于小批量加工服务,激光加工更加便宜。激光加工不需任何模具制造,而且激光加工完全避免材料冲剪时形成的塌边,可以大幅度地降低企业的生产成本提高产品的档次;

5、工艺水平高:激光切割的割缝一般在0.1-0.2mm,切割面无毛刺,速度快、能量集中,因此传到被切割材料上的热量小,引起材料的变形也非常小;

 

 

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