1、12-112-212-312-112-212-312-1前言前言12.1陶瓷材料陶瓷材料12.2塑膠加工塑膠加工12.3複合材料加工複合材料加工12-112-212-3常見的工程用非金屬材料有陶瓷與玻璃、塑膠和常見的工程用非金屬材料有陶瓷與玻璃、塑膠和複合材料複合材料(請參閱第二章的敘述請參閱第二章的敘述)。這些材料如同金屬材料一般，需經過加工程序被製造成有這些材料如同金屬材料一般，需經過加工程序被製造成有一一定形狀、尺寸和表面狀態的零件，方具有工程的用途和商定形狀、尺寸和表面狀態的零件，方具有工程的用途和商業業的價值。的價值。12-112-112-212-312.1陶瓷材料陶瓷材料陶瓷陶瓷(
2、Ceramic)可分為傳統陶瓷和工程陶瓷可分為傳統陶瓷和工程陶瓷 傳統陶瓷的應用歷史很悠久，典型的產品有陶器、瓷器、磚傳統陶瓷的應用歷史很悠久，典型的產品有陶器、瓷器、磚頭、地磚、下水道水管、磨輪等頭、地磚、下水道水管、磨輪等 工程陶瓷則常被用於製造汽車、航太、渦輪機、熱交換器、工程陶瓷則常被用於製造汽車、航太、渦輪機、熱交換器、半導體等產品的零件，以及密封環、噴嘴、切削刀具等半導體等產品的零件，以及密封環、噴嘴、切削刀具等12-112-112-212-3陶瓷比金屬的高溫強度和高溫硬度高、彈性係數陶瓷比金屬的高溫強度和高溫硬度高、彈性係數大、脆性高、韌性低、密度低、熱膨脹係數低、大、脆性高、韌
3、性低、密度低、熱膨脹係數低、熱傳導性低和導電性低等。熱傳導性低和導電性低等。12-112-112-212-31.鑄造法鑄造法將溶液倒入多孔性的石膏鑄模，當溶液中的部份水分被吸收將溶液倒入多孔性的石膏鑄模，當溶液中的部份水分被吸收後，有些陶瓷顆粒會黏附在模穴內表面上，再把鑄模翻轉倒後，有些陶瓷顆粒會黏附在模穴內表面上，再把鑄模翻轉倒出剩餘的泥漿狀溶液，即可製作出中空的產品。出剩餘的泥漿狀溶液，即可製作出中空的產品。2.塑性成形法塑性成形法利用擠製、注射模製法等方法，對水分含量較少的黏土狀陶利用擠製、注射模製法等方法，對水分含量較少的黏土狀陶瓷與添加劑混合物，施加壓力使通過開放式模具或進入鑄模瓷與
4、添加劑混合物，施加壓力使通過開放式模具或進入鑄模模穴內，用以製造棒、管或複雜形狀的火星塞、渦輪轉子等。模穴內，用以製造棒、管或複雜形狀的火星塞、渦輪轉子等。12-112-112-212-33.壓製法壓製法與粉末冶金的金屬粉末成形方式相同，將顆粒狀的陶瓷原料與粉末冶金的金屬粉末成形方式相同，將顆粒狀的陶瓷原料和黏結劑加壓成形，包括乾式壓製法、濕式壓製法、注射模和黏結劑加壓成形，包括乾式壓製法、濕式壓製法、注射模製法、冷均壓法製法、冷均壓法(CIP)、熱均壓法、熱均壓法(HIP)等。等。12-112-112-212-3陶瓷材料經成形加工後，接下來的步驟是乾燥和陶瓷材料經成形加工後，接下來的步驟是乾
5、燥和燒結。燒結。乾燥的目的在避免製造的產品可能因濕度造成的翹曲變形乾燥的目的在避免製造的產品可能因濕度造成的翹曲變形或或破裂作用破裂作用 燒結是在控制的環境下，將已成形的乾燥零件加熱到某一燒結是在控制的環境下，將已成形的乾燥零件加熱到某一較較高溫度，使陶瓷顆粒間產生較強的結合力，並減少空孔的高溫度，使陶瓷顆粒間產生較強的結合力，並減少空孔的存存在，可增進零件的強度及硬度，此過程和粉末冶金的燒結在，可增進零件的強度及硬度，此過程和粉末冶金的燒結類類似似12-112-112-212-3由於陶瓷材料的脆性較大，且具有缺口敏感性由於陶瓷材料的脆性較大，且具有缺口敏感性(Notch sensitivit
6、y)，故加工時需特別注意。，故加工時需特別注意。12-112-112-212-3玻璃產品的形式有平面狀、長條狀、纖維狀和獨玻璃產品的形式有平面狀、長條狀、纖維狀和獨立個體等四大類型。立個體等四大類型。1.平面狀產品平面狀產品平面狀的平板及薄片平面狀的平板及薄片(Flat sheet and plate)玻璃是自熔融狀態玻璃是自熔融狀態利用抽拉利用抽拉(Drawing)、滾軋、滾軋(Rolling)或漂浮法或漂浮法(Float method)等加工。等加工。2.長條狀產品長條狀產品包括管材包括管材(Tube)和棒狀和棒狀(Rod)，係將熔融玻璃原料沿一旋轉，係將熔融玻璃原料沿一旋轉的心軸纏繞，再
7、由一組滾輪抽拉出來。的心軸纏繞，再由一組滾輪抽拉出來。12-112-112-212-33.纖維狀產品纖維狀產品連續性長玻璃纖維連續性長玻璃纖維(Glass fiber)是自加熱的多孔白金板中將是自加熱的多孔白金板中將玻璃高速拉出，並立刻施以塗層處理保護，此法可生產直徑玻璃高速拉出，並立刻施以塗層處理保護，此法可生產直徑小至小至2%em的玻璃纖維。的玻璃纖維。4.獨立個體產品獨立個體產品屬於不連續性，各有其特別形狀的產品。吹模製法屬於不連續性，各有其特別形狀的產品。吹模製法(Blow molding method)是利用吹氣產生的壓力使軟化的玻璃緊貼是利用吹氣產生的壓力使軟化的玻璃緊貼到鑄模內壁
8、上而成形，用於製造中空薄壁產品，例如玻璃瓶、到鑄模內壁上而成形，用於製造中空薄壁產品，例如玻璃瓶、燒杯、燈泡等。燒杯、燈泡等。12-112-112-212-3為增加玻璃的強度可進行下列三種方式的強化處為增加玻璃的強度可進行下列三種方式的強化處理理1.熱回火熱回火(Thermal tempering)是將玻璃加熱後，利用兩階段是將玻璃加熱後，利用兩階段降溫，使其表面產生壓縮殘留應力，因而增進其強度。降溫，使其表面產生壓縮殘留應力，因而增進其強度。2.化學回火化學回火(Chemical tempering)是將玻璃置於是將玻璃置於KNO、KSO或或NaNO的熔融液中加熱，使其發生離子交換作用，則玻
9、的熔融液中加熱，使其發生離子交換作用，則玻璃表面上原有較小的原子被其他較大的原子取代，因而產璃表面上原有較小的原子被其他較大的原子取代，因而產生壓縮殘留應力，可增進其強度。生壓縮殘留應力，可增進其強度。3.層化玻璃層化玻璃(Laminated glass)則是將一片高韌性塑膠薄片置則是將一片高韌性塑膠薄片置入兩片平板玻璃之間，在結合後形成強化作用，例如汽車入兩片平板玻璃之間，在結合後形成強化作用，例如汽車的擋風玻璃。的擋風玻璃。12-112-112-212-312.2塑膠加工塑膠加工塑膠塑膠(又稱為高分子或聚合體又稱為高分子或聚合體)材料已被廣泛地應材料已被廣泛地應用於製造種類繁多的民生消費用
10、及工程用產品。用於製造種類繁多的民生消費用及工程用產品。常見的不同種類塑膠之成形加工法如圖常見的不同種類塑膠之成形加工法如圖12.1所示所示12-212-112-212-312-212-112-212-312-212-112-212-312-212-112-212-312.3複合材料加工複合材料加工複合材料是由具有不同特性的材料所組成的混合複合材料是由具有不同特性的材料所組成的混合物，得到組成的個別材料所無法達成的特性，或物，得到組成的個別材料所無法達成的特性，或同時兼有組成材料的特定功能和機械性質。同時兼有組成材料的特定功能和機械性質。12-312-112-212-31.纏繞纏繞(Windi
11、ng)法法將連續性的長纖維束浸泡通過液態聚合體將連續性的長纖維束浸泡通過液態聚合體(塑膠材料塑膠材料)後，纏後，纏繞在靜止或旋轉的心軸繞在靜止或旋轉的心軸(Mandrel)上，聚合體儲槽可做左右上，聚合體儲槽可做左右移動，如圖移動，如圖12.2所示。所示。2.薄片製法薄片製法將連續性的長纖維束併排後加以表面處理，然後浸入聚合體將連續性的長纖維束併排後加以表面處理，然後浸入聚合體儲槽中形成薄片或膠帶，用途有平板、波浪板、電氣絕緣材儲槽中形成薄片或膠帶，用途有平板、波浪板、電氣絕緣材和飛機的結構件等。和飛機的結構件等。12-312-112-212-33.模製模製(Molding)法法將短纖維與聚合
12、體基材及添加劑混合後，可利用塑膠加工的將短纖維與聚合體基材及添加劑混合後，可利用塑膠加工的注射模製法、熱成形製法、壓力模製法、移轉模壓製法等，注射模製法、熱成形製法、壓力模製法、移轉模壓製法等，製成各種形狀及尺寸的產品。製成各種形狀及尺寸的產品。4.拉製拉製(Pultrusion)法法將連續性的長纖維預先浸過聚合體並形成複合材料排列後，將連續性的長纖維預先浸過聚合體並形成複合材料排列後，經預形模加工成初步形狀，再送入內含拉製模的加熱爐中，經預形模加工成初步形狀，再送入內含拉製模的加熱爐中，使聚合體固化後拉出模外。使聚合體固化後拉出模外。5.拉伸成形拉伸成形(Pulforming)法法將強化纖維
13、拉浸通過聚合體後，利用分離模夾緊，經硬化後將強化纖維拉浸通過聚合體後，利用分離模夾緊，經硬化後成形的製造方法，產品有汽車板片彈簧等。成形的製造方法，產品有汽車板片彈簧等。12-312-112-212-312-312-112-212-3金屬基纖維複合材料的加工成形法有金屬基纖維複合材料的加工成形法有:1.利用傳統加工的鑄造法利用傳統加工的鑄造法(Casting)；或利用加壓氣體強迫液態；或利用加壓氣體強迫液態金屬基材進入由強化纖維做成的預形體金屬基材進入由強化纖維做成的預形體(Preform)，經固化，經固化成形成形2.金屬粉末與強化短纖維均勻混合後，利用粉末冶金的冷均壓金屬粉末與強化短纖維均勻
14、混合後，利用粉末冶金的冷均壓成形法成形法(CIP)或熱均壓成形法或熱均壓成形法(HIP)製造出零件製造出零件3.共擠製法共擠製法(Coextrusion)為金屬材料之擠製法的應用，例如可為金屬材料之擠製法的應用，例如可用來將超導體細絲嵌在銅基材內，以免因磁流漂移而喪失其用來將超導體細絲嵌在銅基材內，以免因磁流漂移而喪失其超導能力超導能力12-312-112-212-3粒子複合材料的基材可為聚合體、金屬或陶瓷材粒子複合材料的基材可為聚合體、金屬或陶瓷材料，製造的方法有粉末冶金法和熔湯鑄造法兩種。料，製造的方法有粉末冶金法和熔湯鑄造法兩種。1.粉末冶金法粉末冶金法2.熔湯鑄造法熔湯鑄造法12-31
15、2-112-212-3利用傳統切削方法加工時，會產生與金屬材料切利用傳統切削方法加工時，會產生與金屬材料切削所遇到的問題大為不同，通常其切削性不佳。削所遇到的問題大為不同，通常其切削性不佳。可利用非傳統切削加工方法解決複合材料切削操可利用非傳統切削加工方法解決複合材料切削操作的困擾，例如利用超音波振動協助切削複合材作的困擾，例如利用超音波振動協助切削複合材料可降低切削阻力，因而改善切削加工面的粗糙料可降低切削阻力，因而改善切削加工面的粗糙度，並增長刀具壽命。度，並增長刀具壽命。12-312-112-212-3利用電子束加工或雷射束加工，可製造微小孔或利用電子束加工或雷射束加工，可製造微小孔或深孔，也可切削複雜形狀的工件。磨粒噴射加工深孔，也可切削複雜形狀的工件。磨粒噴射加工和水噴射加工是屬於複合材料切割成形的重要加和水噴射加工是屬於複合材料切割成形的重要加工方法。工方法。12-3
