陶瓷成型新技术凝胶铸成型-【资讯】

陶瓷成型新技术：凝胶铸成型

与传统注浆成型依靠石膏模吸浆的原理不同，新的胶态成型技术——陶瓷浆料快速原位凝固成型，是通过浆料内部的化学反应形成大分子网络结构或陶瓷颗粒网络结构，以使浇入非孔模具内的陶瓷浆料快速凝固的陶瓷坯体。该成型方法是20世纪90年代迅速发展起来的近净尺寸陶瓷成型新技术。陶瓷浆料原位凝固成型技术主要包括：凝胶铸成型、直接凝固成型、温度诱导絮凝成型、高分子凝胶注模成型等。其中，凝胶铸成型得到最广泛的应用。

凝胶铸成型方法最早由美国橡树岭国家实验室研制成功，该方法成型的陶瓷坯体强度高、有机物含量少，工艺简便、可操作性强，已应用于亚微米、微米级粉体的氧化铝、氮化硅、碳化硅等形状复杂的结构陶瓷部件的成型。近年来，该技术又获得新的发展，主要有以下几个方面：１、不使用氮气保护，而采用化学方法可防止凝胶铸过程中因氧阻聚而导致与空气接触部分的坯体表面起皮、开裂现象。凝胶铸成型在空气环境下制备陶瓷坯体时，干燥后的坯体表层总发现有裂纹和起皮现象。这是因为空气中的氧阻碍了坯体表层中单体聚合所致。科研人员采用在氮气或氩气保护条件下进行聚合来避免缺陷发生，但这在工业应用上有极大不便。采用化学方法可以从根本上解决表面起皮、开裂问题。该方法是在陶瓷浆料的组成中引入一个新的组分——非离子水溶性分子有：聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酰胺、聚氧化乙烯等来达到目的。

例如，在固相体积含量为50vol％的氧化铝粉与溶解有水溶性高分子预混液的料浆球磨24小时后，加入一定量的引发剂和催化剂，在一定温度下，料浆固化可得到强度和韧性较好的陶瓷坯体，经干燥后，表面无任何起皮或开裂现象发生。但研究发现，不同水溶性高分子加入后，对坯体干燥强度影响有所不同。

２、凝胶铸可应用于几十微米到毫米级的粗颗粒体系的陶瓷和耐火材料制品的成型。　　近年来，凝胶铸成型技术从超细粉精细陶瓷成型转向粒径分布宽的各种无机非金属材料的粗粉料的成型，如大尺寸石英陶瓷辊棒制备等等。科研人员对重结晶碳化硅粉体粒径：10～400μm、氮化硅结合碳化硅?碳化硅粒径：1mm两种材料进行了深入研究。以上两种粉体粒径分布宽，堆积密度高，在一定PH值和表面活性剂条件下，可制备出固相体积高达70vol％以上流动性较好的浆料。粒径分布窄的超细粉陶瓷悬浮体的固相含量一般低于60vol％。高固相含量浆料的制备对粗颗粒体系的陶瓷或耐火材料的凝胶铸成型是非常重要的。这是因为浆料中固相含量足够高时，可避免或减缓浆料中粗颗粒的沉降。另外，也有利于提高素坯和产品的密度。通过对重结晶碳化硅浆料固相含量不同时的沉降情况的观测发现，当固相体积含量低于40vol％时，由于悬浮体溶液较稀，粒子间的相互作用力较小，粗颗粒粒子靠自身重力下降，在粗粒子层与细粒子悬浮之间形成明显界面。随静置时间的增加，底部的沉降层逐渐升高，界面向上移动。由于碳化硅粒径分布较宽，沉降层的粒子浓度大小不同，静置时间较长时悬浮粒子基本沉降完全，达到明显分层，在最顶部出现一层清液。当固相体积含量高于50vol％时，粗细粒子相互拉动，在1小时内就开始形成絮凝沉降，但与固相体积低于40vol％的浆料不同的是，沉降悬浮层与清液形成的界面下移。当固相体积含量为70vol％时，粒子间相互紧靠，作用力加强以致削弱了单个粒子的重力，使粗、细碳化硅颗粒间能达到均一稳定的分散，在36小时的静置时间内悬浮粒子都没有发生明显的沉降。因此，70vol％的浓悬浮体稳定性和流动性完全能满足凝胶铸成型所需时间内的注模成型。

３、凝胶铸成型法与流延成型结合发展起来一种新的水基凝胶流延成型方法。

流延成型是制备陶瓷基板和层片状陶瓷材料最有效的方法，但该工艺采用有机溶剂浆料，大多都有一定毒性和刺激性，给人们的健康和环境有不利影响。

近年来，科研人员致力于水基浆料的流延成型研究，而依靠水溶性粘接剂来结合陶瓷颗粒，却有流延成坯时间长，坯片强度和柔韧性低的弊端。

水基凝胶流延成型弥补了有机浆料和水基浆料流延成型的不足，它是将单体聚合反应与流延成型方法相结合的一种新方法。该工艺是在水基单位溶液中加入增塑剂，表面活性剂、消泡剂，然后加入陶瓷粉末球磨分散，出磨的浆粒真空除泡，再加入引发剂和催化剂混匀，浆料即可倒入流延机上的料斗，流延出来的浆料在加热条件下于5～20分钟内完成单体的聚合反应，从而获得具有一定强度和柔韧性的坯片。采用该工艺可制备0.1～1mm厚的各种陶瓷基片。

水基凝胶流延成型工艺具有毒性小，成本低，坯体密度高的优点，具有良好的应用发展前景。

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