完整版_陶瓷后盖-粉末冶金_知乎_

不了解的人、科普（用白话的方式）

引子（小米发布会：陶瓷后盖工艺）

转到粉末冶金（以类比方式描述：烤面包）

理论与实际的区别、发展方向（将理论与实际结合）

简要连接**章

单流程介绍

实际工艺与理论工艺

新兴科技（3D打印）

加张图。

前不久看了小米发布会，MIX2两大特色：全面屏、陶瓷后盖，此文只针对于陶瓷后盖，具体点的话指陶瓷加工工艺。

小米官方展示：2层楼高的设备+240吨压力冲压+1400℃高温烧结+0.01mm CNC雕琢+10小时精密抛光。对本人来说，相当熟悉，这就是一套标准的粉末冶金工艺，粉末冶金是一个冷门的学科，为了便于大家理解，举一个不太恰当的例子：烤面包。

先附上一组烤面包与粉末冶金流程的简略对比：

烤面包首先是根据更后想要的口感等进行原料的准备：面粉、水/鸡蛋液以及其它材料，接下来搅拌均匀，然后用适当的模子（模具、手动也行）将其做成想要的形状，再放在烤箱中用一定的温度烤上一定的时间，出烤箱后依据需求进行美化（修形等）。为什么说这个例子是不太恰当的呢？说一个更直观：尺寸，烤面包为了保证蓬松的口感，一般烤之后是会膨胀的，而粉末冶金制品基本烧结之后是缩小的。

现在从烤面包切回来，粉末冶金标准流程简单讲就十个字：配料、球磨、压制、烧结、加工。如果要展开的话流程就多了，这里只讲十个字，先不展开。首先根据更终想要的产品性能（面包口感）进行配方的计算并准备好原材料（面粉及其它）和一定的黏结剂（水/鸡蛋液），配比完成后球磨均匀（搅拌均匀），然后压制（模子）成一定的形状，再放到烧结炉中用一定的温度烧结一定的时间（烤箱），出炉后根据需求进行后续加工:CNC（理解为精细加工就好）等（美化修形）。

接下来的内容会涉及到一些专业内容，比较冷门，所以尽量还是用白话来写，这次就先写到这里了。

粉末冶金的定义理解为十个字也够了，有兴趣者可百度，此专题只讲这十字，包括粉末的制备也不深入，毕竟除了专门的制粉公司，其它公司均以采购方式获得，专题以实际生产为主，理论为辅（提一句：理论与实践的重大区别在于理论上的前提条件在实际生产过程中很难完全满足，而理论重在方向，将理论与实际结合起来也是各学科发展的方向）。

配料的目的是将所需粉末按比例配置完成。

更近练习金字塔原理，直接上图。

粉末冶金所需原料主要为微米级金属粉末，首先明确所需的性能指标或应用场景，经过一系列的计算，得到配方（配方是核心，但单纯计算达不到更终的目的，需要修正，但为了方便描述，此专题假设计算所得配方均可达到更终目的）。没有更好的配方，只有更合适的配方，如家用电，性能指标为导电性、安全性等性能，应用场景为家用，因此采用铜、铝材料为导电载体，外包裹绝缘体，银的导电性更好，但家用考虑到成本以及使用要求的严格度问题，用铜、铝材料即可，不是因为更好，而是因为更适合家用场景，若用于重要的场景（发生几率极小、后果极其严重的场景），则性能为核心，采用银或其它更适合的材料才是更佳选择，因此明确性能指标或应用场景具有指导方向的意义。

按配方进行配料，理论上的前提条件为选择杂质在合理范围内的原料，但抱歉，实际生产中可不一定，毕竟采购、运输、储藏过程都可能产生问题，因此在实际过程中控制细节以满足理论的前提条件是不得不考虑的问题，或者说方向不错的前提下，细节才是关键，比如要控制储藏过程的时间、温度、湿度等，这些细节只提到这里，此专题可以定义为科普，也可以定义为个人的一些理解，之后的内容如果涉及到细节也只会一句话带过，不会详谈。多提一句：前不久拿到了小米MIX2，宣传纸上有一句话，大体意思是为了好百分之一，宁愿多付出百分之百。

十字之配料就先写到这里，欢迎有兴趣的人士一起交流，共同进步，也希望不吝赐教，各方面都可以。

球磨的目的是将原料磨成一定大小的球形且使各原料混合均匀。

那采购球形粉末不就好了吗，嗯，说的没错，但前一篇已写到没有更好，只有更适合，采购球形粉末的成本是要点。

再来一张图。

球磨属于机械粉碎，运用各物质之间的接触（冲击、磨削等，不包括相对静态接触）进行粉碎，将棱角打磨光滑，达到调节松装密度的效果，同时配方元素混合均匀也有利于更终产品的一致性，其中涉及到一系列的转速、装球量、球的大小、球料比、时间等专业计算，按下不提，提一下这些的核心：效率，效率的提升依赖于各参数的调整，重点是相同时间内各物质接触次数或者有效转化能量的多少，为此从更开始的轴式球磨（可以想成轮胎的原地打滑），升级成振动球磨、高能球磨、行星球磨、万向球磨，但轴式球磨运用场景更多，轴式球磨的改进主要为内衬形状的改进，有论文表明正四边形角螺旋结构且安装转角为50度时效果更佳。

说到了设备，那就再提一下研磨体（球磨机中用于接触原料的物体），常采用的是球体，但也有其它形状，如正多边形圆柱体，没有更好的，只有更适合的，所有的球磨方式、研磨体以及其它参数都需要根据实际采用的原料进行相对应的调整。球磨一定会带来磨损，磨损就会带来杂质，造成更终产品一致性的不可控，理论上来说涉及到的所有物质采用相同的材质就足以解决，但首先在配料时写到配方要经过多次调试，每一次试验都额外做一套所有设备是不现实的，其次材料若为脆性材料（机械球磨多用于处理脆性材料），那使用寿命、突发破损等就有待商榷，所以一般的解决思路是引入理论上不影响的杂质，具体可依据相应国标的杂质要求，然后选用相应材质的设备，另一种思路是采用高一等级的材质，为了百分之一，那就多付出百分之百喽。

十字之球磨就先写到这里，欢迎有兴趣的人士一起交流，共同进步，也希望不吝赐教，各方面都可以。

成形目的是将粉末加工成固定的形状。

本篇会加入新兴成形工艺的介绍作为补充。

继续上图。

如果采购的是可以直接使用的原料，只用将各材料混合均匀即可。但为了保证更终产品的一致性，成形前需要进行一定的预处理（前期准备工作），这里只提两点：均匀性、填充性。

均匀性：还记得烤面包需要加鸡蛋液或水吗，其实原理一致：采用一定的黏结相（一般为直接在球磨时加入，但这里讲的是采购的是可直接使用的原料），跟烤面包一样，加多加少都不好，加少了黏不起来或黏不均匀，加多了其它原料间隔过大，都不利于更终产品形状的一致性（面包的美观），当然也会影响性能的一致性（面包的口感）。

填充性：表面光滑、等轴形状的粉末（光滑的球形）具有较好的填充性能，而改善填充性能的关键是调整粉末中颗粒的尺寸比例，即小颗粒填充进大颗粒之间的空隙，然后再小一点的颗粒继续填充，理论上以7为倍数，即若只有两种尺寸，尺寸比为1:7，质量分数比为27:73，若存在3种则尺寸比为1:7:49，质量分数比为11:14:75，当然存在经验公式，但这里不提，提上述数字也只是个人喜好，对实际生产意义不大。一般成形为压制成形，粉末原料须均匀填充进模腔且出模腔后不易碎，均匀填充一般的预处理方式是制粒：因粉末颗粒细小具有高比表面积（不用在意此名词），颗粒间的摩擦力大而不利于流动，所以将小颗粒制成大颗粒或团聚的颗粒以改善流动性，对于小而硬的陶瓷粉末尤其如此；出模腔不易碎，需要提高压制后产品的强度，一般加入成形剂（成形剂也有一定的润滑作用，可减少模具的损耗，当然也可以再加入润滑剂，但加的越多，后期须处理的越多，需要平衡处理），但成形剂烧结时须除去，也是有利有弊，像粘结相、制粒所需试剂、成形剂、润滑剂都不做过多的介绍，毕竟此文章的目的是科普。

压制过程：简单说为固定的填充形状、一定的压力与时间后产生的固定的压制后形状，所有的压制都是不均匀的，尤其对于中心区域而言，增加保压时间可以缓解，但不能消除，主要原因为固体的压力传递问题。一般的解决方式为增加冗余量，便于后期加工。

成形工艺还有冲压成形、等静压成形、注射成形等，本来想写一下注射成形，但前不久去看了3D打印展览，决定写3D打印，因3D打印也跟下一篇的烧结有关，虽然不一样，但逻辑一样，这里只稍微提一下，有兴趣的话也可以去了解一下，当然下一篇会写一下相关的内容，关注3D打印是因为行业相关，但从现在来说不认为这项技术可以进入粉末冶金行业，之所以继续关注是因为私人订制，个人认为实体私人订制会成为主流，但成本问题太严重，平常人玩不起，日常自拍成为了主流，因为有私人存在，那如何才能进行低成本的实体私人订制，一般的选择是组合，固定的格局加上自己的创作，可以是文字、照片、物品，但一定是私人的，起码有一部分是**的，现在的3D打印多用于模型、小型工艺品的生产，但通过3D打印完成自己记忆的固化与扩展，在实体中加入自己**的元素，刺激到个人层次的渴望，方向已经存在，为了那百分之一的自我，是否愿意付出那百分之百呢。

十字之成形就先写到这里，欢迎有兴趣的人士一起交流，共同进步，也希望不吝赐教，各方面都可以。

烧结简言为在适当的温度、气氛下保持适当的时间，是粉末冶金生产中的基本工序，对更终产品的性能起着决定性的作用。

再来一张图。

上面一句话没什么大错，但不必太在意‘决定性的作用’这几个字，原因如下：

1、开篇强调了方向的重要性，而更终指标与应用场景是方向，而方向实现的核心是配方，配方如果优良，就保证了产品不会存在先天的缺陷，而先天缺陷是致命的，尤其是在没有提前发现的情况下，发现的越晚，处理成本也就越高；

2、每一个理论公式、每一件事都有前提条件，而每道工序都是下一道工序的前提条件，前提条件不满足的话后续也就不用谈了；

3、烧结之所以有决定性的作用，在于其挽救后天失误的能力，比如球磨时形状控制不到位等，可以通过烧结加以一定的补救，简言之提高了整个流程的容错率。

先写一下简单的双颗粒模型：两个相互接近的球体，在适当的温度下维持适当的时间，就会形成一个烧结颈，形状类似双子花生壳的外形，这种结合方式为冶金结合。多颗粒如果以各球心为点，可以具像成四棱锥的堆积模型，接触点经烧结成为烧结颈，根据烧结参数不同，小颗粒会被完全包覆，但抱歉，事实不太一样，首先是颗粒度（颗粒大小）的不均匀，其次是填充时的混合分布不均匀，都使其可能成形后存在其它堆积方式，使烧结之后呈现整体规律，局部错杂的现象。

过程简写为由粉末颗粒接触处形成烧结颈，烧结颈长大，产品中的气体排出，当烧结颈长大到一定程度，少部分气体孔隙被完全封闭且逐步呈现为球形，此时产品的收缩、尺寸的缩小更为明显，随着进一步的烧结，孔隙个数减少，平均孔隙尺寸增大并被进一步压缩，完成烧结。

前期加入的成形剂、润滑剂都会造成一定的影响，若升温过快，排出物与本身气体都可能使产品鼓泡胀大，难以修复。一些精密部件为了维持很高的精度，希望烧结后尺寸尽量不发生变化，此时就需要成形时的压制毛坯本身气体含量少，密度高，但这一方面对压力机的吨位（压力大小）以及模具的精密度有很高的要求，另一方面高温烧结会产生热收缩变形，需要严格控制烧结温度和时间，为了较为准确的控制变形，一般采用低温烧结，但低温烧结会使烧结时间延长，因此若材质后期加工成本不大，通常加入冗余量便于后期加工。

烧结还存在活化烧结等方式，相应的设备、气氛的选择也有大量的内容，但不提，这里接下来写上一篇3D打印，提到了‘从现在来说不认为这项技术可以进入粉末冶金行业’，冶金结合的方式决定了其不能如光敏树脂般融化成半流体进行堆积，解决方式可以为先平铺然后激光烧结吧，但这对于前两层没有问题，但对于后续层会产生极大的问题：激光烧结速度快，能量高，会使颗粒结合时产生畸变，若烧结温度是1300度，前两层没问题，但烧结到第50层呢？第49层与第50层温度是1300度，此时第1层与第2层温度可能有900度，而这时之前产生的畸变就会产生变化，第2层到第49层各层都会发生变化，造成整体结构、性能极不均匀，如果要修复这种问题，按传统思路是进行烧结后热处理。但什么情况下可用呢？烧结温度与改善畸变的温度跳动不大的情况，如一种材质900度会发生变化，只有这一个温度会对产品更终性能造成影响或材质性能要求不高时，对于粉末冶金两种跳差极大的温度时还需要进一步的技术发展。

十字之烧结就先写到这里（这一篇的实际内容因太多太细没有深入），欢迎有兴趣的人士一起交流，共同进步，也希望不吝赐教，各方面都可以。

这一节打算略写然后写一下材料的基体改性。

图不上了。

十字之加工略写的原因是大多数的加工方法都是共通的，只是所用的设备、参数不一致，而这不是本文的重点。

如果用气体、能量等方式进行加工，需要考虑气压、温度、时间、距离等因素，如果是接触式加工，需要考虑进料速度、设备速度、固定、冷却等因素。当然并不是一道加工就可以形成更终的成品，工序之间的配合，包括检测工序的配合，即整个流程的设计才是重点，一般先粗加工后细加工等。

基体改性，比较常见的就是各种涂层：家具、车辆的喷漆等，这属于外部改性，一般这种改性只是为了保护内部材料或者美观用的，一旦发生突发事故，起决定作用的还是内部材料，另一种改性就是材料整体的改性，以C-C基体的改性为例：采用碳纤维预制体（网格类立方体，如魔方），在设备中冲入含碳气体，适当温度下维持一段时间，气体会填充进预制体内部和表面，高温处理时含碳气体裂解，在预制体内部和表面留下热解碳，取出后在真空下浸在含有陶瓷粉末的先驱体溶液中，升压使溶液进入预制体内部并高温处理，更后进行热处理。这样产品就拥有了陶瓷和碳纤维的功能，克服了单一材质的问题。

当然，还是回归小米陶瓷后盖来写结尾，后盖手感确实很赞，陶瓷手感近如玉，一方面是材质本身的优势，另一方面就是结构和显微尺寸的影响，耐腐蚀性也应该很好，毕竟对于手经常出汗的人来说，金属后盖不带套的结果就是斑驳不堪，但手机上手汗的痕迹也是一个问题。

整篇内容写完了，简写的比较严重，其中也存在不严谨的地方，但作为一个概念的科普应该算长的了，更后再来一句吧：欢迎有兴趣的人士一起交流，共同进步，也希望不吝赐教，各方面都可以。