ch12非金属材料加.docx

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第十二章非金屬材料加工

金屬材料具有良好的機械和物理性質，故被廣泛地應用於製造各式各樣產品的零組件，其主要的加工方法已敘述於本書前面的章節。

然而，科技的進步促使人類對提升生活品質的目標和達成理想或想像世界的實現，不斷地提出具體化的要求。

為滿足這些要求所發展出之新產品中有些特殊的功能或性質是金屬材料所不易或根本無法達成的，例如高溫強度、高硬度、高耐磨耗、高耐腐蝕性、輕量化、高重量對強度比、低導電性、低電阻抗、兼具高強度及韌性等。

因此有許多非金屬材料和針對特定需求而研發出來的新材料被廣泛應用，並取代部份金屬材料的地位。

常見的工程用非金屬材料有陶瓷與玻璃、塑膠和複合材料（請參閱本書第二章之介紹）。

這些材料如同金屬材料一樣需經過加工程序被製成有一定形狀、尺寸及表面狀態的零件方具有工程的用途和商業的價值。

非金屬材料的組成和金屬材料有很大的不同，例如陶瓷是由金屬和非金屬元素以結晶構造所組成，原子間鍵結方式包含共價鍵和離子鍵。

玻璃的組成元素和陶瓷類似，但不具結晶組織。

塑膠是由許多單體聚集所形成之聚合體，結合的力量包含共價鍵和凡得瓦力（次鍵結）。

複合材料則是結合兩種或兩種以上不能相互固溶的物質所形成之非均質體材料。

由此可知，對非金屬材料加工的機制將與應用於金屬材料者，會有鉅大的差異。

12.1陶瓷材料

陶瓷（Ceramic）可分為傳統陶磁和工程陶瓷。

傳統陶瓷的應用歷史很悠久，典型的產品有陶器、瓷器、磚頭、地磚、下水道水管、砂輪等。

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、密封環、噴嘴、切削刀具等。

陶瓷和金屬就其性質方面比較時，陶瓷比金屬的高溫強度和高溫硬度高、彈性係數大、脆性高、靭性低、密度低、熱膨脹係數低、熱傳導性低和導電性低等。

而且陶瓷材料的組成成分及晶粒大小的變化範圍極為廣泛，故其性質的變化範圍也相當鉅大，例如陶瓷的導電性可從近乎絕緣到非常優良，故可利用此特性製成半導體。

玻璃（Glass）被歸類為一種過冷液體，並不具結晶組織，無明確的熔點或凝固點的材料。

玻璃因具有多變的光學特性、耐化學腐蝕性、相對高強度等，被廣泛應用於例如窗戶、眼鏡、燒杯、烹飪器具和光纖等產品。

玻璃陶瓷（Glassceramic）是由許多高度結晶成分所組成的玻璃，製作過程是先以玻璃狀態加工成形後，經熱處理產生再結晶作用而得，其顏色大都為白色或灰色而不再是透明狀態。

它具有比一般玻璃更好的性質，如良好的熱衝擊抵抗能力，極低的熱膨脹係數，和優良的強度特性，應用於烹飪器具、渦輪引擎、電器和電子零件等。

12.1.1陶瓷加工

由於陶瓷的組織構造及機械性質與金屬相比較時差異很大，故無法使用傳統加工的鍛造、切削、銲接等方法製造成形。

陶瓷產品的生產方式和粉末冶金產品相類似，通常是包括將原料研磨成微細顆粒，加入添加劑後，進行混合、成形、乾燥、燒結和完工處理等步驟。

陶瓷加工的第一步是將陶瓷原料軋碎或研磨成微細的顆粒，可分為濕式或乾式兩種，使用的設備有球磨機、滾輪或粉碎機。

得到的顆粒需再經粒度分類、過濾及清洗等處理步驟。

接著視陶瓷產品的特性及加工製程的要求，加入合適的添加劑，例如黏結祭、潤滑劑、保濕劑、增塑性劑、去凝聚劑等，並進行混合操作。

陶瓷顆粒成形的基本方法有三種，即鑄造法、塑性成形法和壓製法。

1.鑄造法

最常見的是滑泥鑄造（Slipcasting），通常用水做為溶劑，加入陶瓷顆粒形成泥漿狀溶液。

成形時將溶液倒入多孔性的石膏鑄模中。

當部份水分被吸收後把鑄模翻轉倒出剩餘的泥漿溶液，即可製作出中空的物品，如同第3.4.4節所述之瀝鑄法。

此法生產效率低、尺寸控制不易精確、但鑄模及設備成本較低，用於生產大型且外形複雜的零件，例如水管、藝術品、坩堝等。

2.塑性成形法

利用擠製、注射模製法等方法，將水分含量較少之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模穴中，製造棒、管或複雜形狀之火星塞、渦輪轉子等，此法生產效率不高，但工具成本較低。

3.壓製法

與粉末冶金之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、注射模製法、冷均壓法（CIP）、熱均壓法（HIP）等，分別適用於不同形狀複雜度和精度要求的產品。

陶瓷材料在成形加工後，接下來的步驟是乾燥及燒結。

乾燥的目的在降低零件因濕度可能造成的翹曲變形和破裂趨勢，為一重要的處理過程。

燒結是在一控制的環境下，將成形零件加熱到某一較高溫度，使陶瓷顆粒間產生較強的結合力，並減少空孔的存在，可增進零件的強度及硬度，此種過程和粉末冶金之燒結類似。

零件經燒結後為了改善其表面之瑕疵，增進平滑度，得到準確的尺寸或製作特殊的外形，常需進行完工處理。

由於陶瓷材料的脆性較大，且具有缺口敏感性（Notchsecsitivity），故加工時需特別注意。

常用的加工方法有研磨、拋光、放電加工、超音波加工、雷射加工、滾筒加工和利用鑽石砂輪之切削等。

12.1.2玻璃加工

玻璃之加工方法依其產品的型式而不同，但主要的製程相近，都是將玻璃原料熔成液態，然後控制溫度變化，在其黏滯流（Viscousflow）狀態下成形，經冷卻而得到所要的產品。

玻璃產品的型式有平面狀、長條狀、纖維狀和獨立個體等四大類型。

製造出的產品可進一步做強化處理及完工處理。

1.平面狀產品

平面狀的平板及薄片（Flatsheetandplate）玻璃是自熔融狀態以抽拉（Drawing）

、滾軋（Rolling）或漂浮法（Floatmethod）連續方式加工而得。

抽拉加工是將自熔融狀態正在進行凝固中之玻璃原料、拉經一對滾輪之間，因受擠壓作用而形成板片，然後沿著一組小滾輪送出。

滾軋加工則可在滾輪表面製作圖案，滾軋出表面有浮雕的玻璃板片。

漂浮法是將熔融之玻璃原料送入一有控制氣氛之熔融錫床上，再經退火爐固化成形，得到的平面狀玻璃表面光滑，不需進行研磨等完工處理。

2.長條狀產品

包括管材（Tube）和棒狀（Rod），係將熔融玻璃原料沿一旋轉的心軸纏繞，再由一組滾軸抽拉出來。

心軸為中空圓筒或圓錐形狀，若將空氣持續吹入心軸，用以防止中空未凝固的玻璃塌陷，可製造管材；若不吹空氣則可用來製造棒材。

3.纖維狀產品

連續性長玻璃纖維（Glassfiber）是自加熱之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2

之玻璃纖維。

短玻璃纖維是將熔融的玻璃原料送入旋轉頭內，利用離心噴灑（Centrifugalspraying）的方式製造。

4.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（Blowmolding）法是利用吹氣產生的壓力使軟化的玻璃緊貼到鑄模壁上而成形，用於製造中空薄壁產品，例如玻璃瓶、燒杯、燈泡等。

壓製（Pressing）法是將熔融玻璃原料置於鑄模內，以沖模壓製成形。

離心鑄造（Centrifugalcasting）法和金屬材料所使用者類似，用於製造映像管等。

下垂（Sagging）法是將玻璃板片置於模具上方，經加熱熔化後，因本身的重量而下垂，並黏貼在模壁上成形，應用於淺碟狀或淺浮雕產品例如盤子、太陽眼鏡鏡片、光鑲板等。

為增加玻璃的強度可進行下列三種方式之強化處理。

熱回火（Thermaltempering）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，可以增進其強度。

化學回火（Chemicaltempering）是將玻璃至於KNO3，K2SO4或NaNO3之熔融液中加熱，使其發生離子交換作用，則玻璃表面較小的原子被其它較大的原子取代，而產生壓縮殘留應力，增進其強度。

層化玻璃（Laminatedglass）則是將一片高靭性塑膠薄片置入兩片平板玻璃之間，結合後形成強化作用，例如汽車的擋風玻璃。

玻璃產品的完工處理包含利用退火（Annealing）處理來消除其殘留應力，以及利用人工鑽石刀具或磨輪進行切割、鑚孔、研磨、拋光等來修整外形或增進其表面平滑度。

12.2塑膠加工

塑膠（又稱為高分子或聚合體）材料已被廣泛地應用於製造各式各樣的民生消費用及工程用產品。

塑膠和金屬就其性質方面比較時，塑膠比金屬的密度低、強度低、剛性低、延展性高、導電性低、熱傳導性低、熱膨脹係數高和化學阻抗高等。

以塑膠取代金屬做為產品原料的好處有塑膠本身的重量輕、強度對重量的比值高、具透明的特性、可提供很多顏色的選擇、價格低廉、易於加工製造、複雜設計之可行性高等，典型的應用產業包括汽車、飛機、電子、運動器材、辦公室設備及民生用品等。

塑膠材料的種類依其聚合方式和特性可分為熱塑性（Thermoplastic）、熱固性（Thermosetting）和彈性體（Elastomer）。

塑膠通常是以顆粒或粉末狀態提供給製造商做為成形加工之原料。

常見之不同種類塑膠的成形加工法如圖12.1所示。

12.2.1擠製法

擠製法（Extrusionmethod）是將熱塑性（TP）塑膠顆粒或粉末裝置於漏斗中，然後送入擠製筒內。

擠製筒中的螺旋推進器將塑膠原料推經加熱區使變成熔融狀態，最後通過擠製模成形，再以空氣或水冷卻使產品固化。

此法適用於只造製要是外形有固定截面的產品，例如各種棒、管、槽、板、建材、電線等。

彈性體也可使用此法製造產品，但此法對熱固性塑膠則不適用。

擠製法可利用平面擠製模製造薄片與薄膜產品。

若把擠製模的出口向上放置，並由下方吹氣迫使薄膜膨脹成氣球狀至所需之厚度，再經擠壓滾輪和捲繞機構，即可用以生產一般使用的塑膠袋。

（註：

TP表熱塑性塑膠，TS表熱固性塑膠，E表彈性體）

圖12.1塑膠之成形加工法

12.2.2注射模製法

注射模製法（Injectionmoldingmethod）又稱為射出成形法，其原理與金屬材料成形加工之熱室壓鑄法相同。

首先是將塑膠原料送入注射筒內加熱熔化，再以往復式衝桿或旋轉式螺旋桿，壓迫熔融狀態的塑膠進入分裂模的模穴中，保持壓力等到塑膠成形冷卻固化後，衝桿或螺旋桿才反向退回，產品則由頂出桿推出模穴。

此法可用於製造熱塑性塑膠、熱固性塑膠及彈性體材料的產品。

可以生產的產品種類很多，各式各樣複雜外形與精密尺寸要求的不同用途產品，甚且是具有外螺紋的零件及齒輪等。

注射模製法的模具成本較貴，但加工效率很高，適用於大量生產。

此法與擠製法是熱塑性塑膠產品的兩大主要製造方法。

12.2.3吹模製法

吹模製法（Blowmoldingmethod）只適用於熱塑性塑膠，其原理與應用於玻璃材料者類似。

首先利用擠製法將塑膠原料擠製成管狀後，置放於模穴中，再以壓縮空氣吹向塑膠管內，使之膨脹緊貼於模穴內壁上而成形，冷卻後即可得到薄壁之中空產品，例如容器、飲料瓶、波形管等。

12.2.4旋轉模製法

旋轉模製法（Rotationalmoldingmethod）用於製作大型中空產品，例如水桶、垃圾桶、容器、足球、玩具等。

使用薄壁金屬製成的分裂式模具，並裝設兩個互相垂直的旋轉軸。

當一定量的塑膠粉末置入模具內，模具同時進行加熱及旋轉。

塑膠粉末顆粒受翻滾作用而緊貼靠在模壁上，並因受熱熔解而被覆於其上，等工件冷卻後即可開模取出成形之中空產品。

主要用於熱塑性塑膠為原料的產品。

12.2.5熱成形製法

熱成形製法（Thermoformingmethod）是將熱塑性塑膠薄片加熱至軟化但仍未熔化的狀態，然後置於模具上，藉由抽真空或吹氣、加壓等方式產生壓力差，迫使塑膠薄片與模具貼合而成形。

其原理與金屬薄板之拉伸加工相近似。

此法用於製造廣告招牌、食物托盤、包裝用品等。

12.2.6壓力模製法

壓力模製法（Compressionmoldingmethod）是將一定量的顆粒狀或片狀塑膠原料放入加熱之模穴內，利用柱塞或上模加壓成形。

典型的產品有盤子、瓶蓋、容器、電子零件等。

三種塑膠原料都可利用此法加工製成產品。

12.2.7移轉模壓製法

移轉模壓製法（Transfermoldingmethod）為壓力模製法的改良，應用於熱固性塑膠及彈性體的成形。

原料先置於裝填室內加熱至液態，再以衝桿、柱塞或螺旋桿等，將之壓迫流經流道進入模穴，並保持壓力一段時間直到工件凝固成形。

此法生產週期較短、產品精度較佳，可製造複雜外形的產品。

12.2.8鑄造法

鑄造法（Castingmethod）適用於熱塑性塑膠和熱固性塑膠的成形加工。

是指將液態原料澆入剛性或撓性的鑄模內，冷卻後即可得到各種形狀的產品，但其生產效率低。

12.2.9彈性體加工

天然橡膠為一優良的彈性材料，可承受很大的彈性變形量，又是極佳的電絕緣體。

但其缺點是無法在高溫或長期在陽光下使用，因此人造彈性體被開發出來用以彌補天然橡膠的缺點。

人造彈性體之典型的產品有油管、O型環、油封、電絕緣體、管子、鞋子、內胎等。

彈性體材料可利用很多熱塑性塑膠的成形加工法來製造產品，例如擠製法、注射模製法、壓力模製法，或用於熱固性塑膠成形的移轉模壓製法。

12.2.10快速成型

快速成型（Rapidprototyping，RP）在新產品的開發和製造上有很重要的貢獻，可大量縮短原創性產品從設計到生產所需的前置時間及成本，也可降低因無法預期之尺寸或外形設計錯誤所造成產品失效的風險。

其原理是利用電腦輔助繪製三度空間之立體加工圖形，並直接對選用之塑膠或金屬材料製造成零件之實體模型，用以獲得全尺寸外形之產品原型（Prototype）。

已發展成熱的代表性快速成型法有立體石板印刷（Stereolithography）和選擇性雷射燒結（Selectivelasersintering）兩種。

立體石板印刷是利用光化學聚合物（塑膠）硬化原理來製作零件之外形。

在一裝有受光感應可硬化之液態聚合物（例如丙烯酸）的大型槽內，裝置一可垂直升降的平板，在尚未開始進行作用前，平板處於最高的位置，且只有淺淺的液態聚合物薄層覆蓋在其上。

當開始進行成形加工時，將紫外線雷射束沿著水平面依工件設計圓形移動照射，促使被照射到的聚合物硬化成固態物體並形成工件的一部份。

接著平板向下降低一小段距離使液態聚合物可再覆蓋於已硬化的固態聚合物上，然後，再根據圖形要求的樣式進行紫外線雷射照射，得到第二層的固態聚合物。

依此步驟重覆進行直到完成工件的立體模型。

利用伺服控制系統控制雷射束及平板的移動量，可製造各式各樣零件的聚合物實體模型。

選擇性雷射燒結是利用雷射束的熱能將粉末原料選擇性地燒結成一體，未被雷射束照到者，仍為鬆散狀態，可經振動而與燒結體分開。

可使用的粉末原料包括金屬、陶瓷和聚合物。

在加工室下端裝設兩個圓筒，其中一個是進料圓筒會逐漸上升，並將粉末原料提供給另一個用做為零件製作之圓筒。

雷射束會照射在零件製作圓筒上，當粉末燒結成一體後，此圓筒會漸次下降。

整個過程是利用電腦輔助繪製之立體加工圖形編製成的程式，引導雷射束照射在特定截面薄層上之路徑及區域，進而將粉末燒結成零件之實體模型。

12.3複合材料加工

複合材料是由不同特性材料組成的混合物，具有組成之個別材料所無法達成或同時兼有之特定功能和機械性質。

複合材料的應用很早就有，例如建材用的土磚即為人造之複合材料，而木材和竹子則是天然複合材料，其應用的範圍更是廣泛，至今仍是製造許多種產品的重要原料。

木材的成形加工是以利用手工具和木工工具機的切削加工為主。

手工具包括手鋸和鑿子。

木工工具機則有平鉋機、手壓鉋機、帶鋸機、圓鋸機、線鋸機、鑽床、木工車床和砂輪機等。

然而，木材在機械零組件的應用方面較不重要，故本節只針對人造之工程用複合材料的成形加工為探討對象。

構成人造複合材料之基材（Matrix）及強化材（Reinforcement）的種類及功能，和複合材料依基材區分的種類及用途等，請參見第2.4.3節之敘述。

複合材料也可依強化材構造形式分為纖維複合材料、粒子複合材料和板狀複合材料等。

12.3.1纖維複合材料加工

基材為聚合體或金屬材料為主，強化材的型式為連續性的長纖維或經切細的短纖維，通常在纖維的表面先給予塗上膠水等浸漬處理做為保護。

此類型複合材料中最具代表性的是強化塑膠（Reinforcedplastic），先以之為例說明不同的製造方法。

1.纏繞（Winding）法：

將連續性的長纖維束浸泡通過液態聚合物（塑膠材料）後，纏繞在靜止或旋轉的心軸（Mandrel）上，聚合物儲槽可做左右移動，如圖12.2所示。

經一層層纏繞到所需厚度後，再加熱使聚合物固化，形成強化塑膠。

若將心軸移除，即可得到筒狀或球狀容器。

若心軸是鋁或鈦合金製成的產品，則不必移除，強化塑膠可形成保護層，例如分機引擎導管、推進器等。

2.薄片製法

將連續性的長纖維束併排後加以表面處理，然後浸入聚合物儲槽中形成薄片或膠帶，用途有平板、波浪板，電氣絕緣材和飛機之結構件等。

另外，可將連續性的長纖維經切碎機切成短纖維，以聚合物包覆成薄膜，再經滾軋機壓成薄片，做為進一步成形加工用之原料。

3.模製（Molding）法

將短纖維與聚合物基材及添加劑混合後，可利用塑膠加工之注射模製法、熱成形法、壓力模製法、移轉模壓製法等，製造各種形狀及尺寸的產品。

4.拉製（Pultrusion）法

將連續性的長纖維預先浸過聚合物形成複合材料排列後，經預型模加工成初步形狀，再送入內含拉製模的加熱爐中，將聚合物固化後拉出模外。

並依長度需求予以切斷即為產品。

可用於大量製造有一定截面的零件，例如高爾夫球桿、欄杆等。

5.拉伸成型（Pulforming）法

將強化纖維拉浸過聚合物後，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。

聚合物（例如樹脂）

強化長纖維

心軸

圖12.2纏繞法

金屬基纖維複合材料的加工成形法有：

1.利用傳統的鑄造（Casting）法，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（Preform），經固化成形。

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成形法（CIP）或熱均壓成形法（HIP）製造零件。

3.共擠製（Coextrusion）法即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超導能力。

陶瓷基纖維複合材料的製造法有浸漬熱壓法，即將纖維浸入含有陶瓷基材和黏結劑的泥漿槽中，在纖維外面被覆一層泥漿，乾燥後排列堆積，然後再加熱加壓成形。

此外，可利用化學汽相蒸鍍法（CVD）製造。

12.3.2粒子複合材料加工

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類。

1.粉末冶金法

將強化材粒子粉末與基材粉末均勻混合後，經壓製成形、燒結或化學反應鍵結而得到產品。

2.熔湯鑄造法

又稱為複合鑄造（Compocasting），是指將固體粒子加入激烈攪拌後之熔融狀態的基材內，形成類似固相的熔湯，然後利用加壓方式將熔湯擠入模具內成形。

典型的產品有碳化鎢陶金（Cermet）刀具，它是利用碳化鎢的硬度切削高硬度鋼材，同時利用鈷提供刀具所需之韌性；開關和繼電器等電接觸材料，需要良好導電性和耐磨性的組合；和砂輪片包含提供硬度的磨料（Al2O3,SiC,CBN,鑽石等）與提供靭性的黏結基材之結合等。

12.3.3板狀複合材料加工

板狀複合材料（Laminarcomposite）包含被覆層材、硬面材（在軟材料表面銲上硬且耐磨的材料）、覆面材（例如銀幣、飛機蒙皮、熱交換器）、雙金屬（例如斷電器、熱阻器）和積層材（例如合板、安全玻璃、印刷電路板）等，目的為增進美觀、耐磨、耐蝕、增加強度或降低成本、減輕重量，或提供特殊性質（例如不同熱膨脹係數的雙金屬）。

製造方法有滾軋鍵結、爆炸鍵結、共擠製法和硬銲法等，其加工方式和前面章節所敘述者相近。

蜂巢狀材料（Honeycombmaterial）的生產方法之一為利用滾軋加工製造薄片材料，並於適當間隔之距離上膠後堆疊，然後加熱使膠硬化而結合，再經切片及展鍛成為蜂巢狀結構。

另一種方法是皺折加工，利用一對特殊設計的滾輪將薄片材料軋成皺折狀，切取需要的長度，塗以黏結劑並經硬化後而得。

將蜂巢狀材料與上、下兩面板黏結後，可得到夾層結構體，應用於飛機機身等。

12.3.4複合材料之切削加工

複合材料是由至少兩種不同特性的材料所組成之非均質體（Nonhomogeneous），利用傳統切削方法加工會產生與金屬材料切削時不同的問題，其切削性不佳。

例如對強化塑膠車削時不能使用切削液冷卻，故切削速度低；鑽孔時易因纖維未被完全切斷而產生毛邊等。

可利用非傳統加工解決複合材料切削上的困擾，例如利用超音波振動協助切削複合材料可降低切削阻力，因而改善切削面粗糙度，並增長刀具壽命。

利用電子束加工或雷射加工，可製造微小孔或深孔，及切削複雜形狀的工件。

磨粒噴射加工和水噴射加工也是複合材料成形切割的重要加工方法。