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              陶瓷成型新工藝
              2018-01-15 08:00:00

              當前,隨著陶瓷新材料應用領域的不斷拓展,對陶瓷材料性能的要求愈來愈苛刻。成型工藝是陶瓷材料制備過程的重要環節之一,在很大程度上影響著材料的微觀組織結構,決定了產品的性能、應用和價格。傳統的成型方法如注漿、可塑和干壓成型技術及已成熟并獲得應用的擠出成型、等靜壓成型、流延成型等技術在陶瓷材料的規模生產中發揮了重要的作用。但上述方法已不能滿足高精度、復雜形狀和多層復相陶瓷材料的制造要求,極大地限制和阻礙了高技術陶瓷材料的應用和發展。


              現代科學技術的發展為陶瓷材料成型技術的進步帶來了新的活力,尤其是材料化學、計算機技術的發展和應用,三大材料的互相滲透、交融,促進了高技術陶瓷制備技術的發展。陶瓷成型技術在傳統方法的基礎上不斷改進創新,離心沉積成型、電泳沉積成型、離心注漿成型、注射成型和膠態成型等新成型技術不斷涌現。了解這些成型技術的基本原理、研究現狀和特點,并在其基礎上加強應用研究,對于進一步研究探索新的成型工藝和方法,不斷適應和滿足高致密度、形狀復雜、尺寸精準和具有復合功能的陶瓷材料成型的需求有著重要的作用。


              1 離心沉積成型


              離心沉積成型是一種制備板狀、層狀納米多層復合材料的方法,其原理是不同的漿料依次在離心力的作用下一層層地均勻沉積成一個整體;也可利用顆粒大小或質量的不同沉積出各層不同性質的材料。采用離心沉積成型層狀材料具有以下特點:

              a、通過沉積不同的材料,可以改善材料的韌性;

              b、沉積各層可以是電、磁、光性質的結合,具有多功能性;

              c、可以制成各向異性的新型材料。


              2 電泳沉積成型


              電泳沉積成型是利用直流電場促使帶電顆粒發生遷移,進而沉積到極性相反的電極上而成型。沉積過程中在電泳遷移的作用下顆粒間的距離縮短,Vander Waals吸引力起主要作用,漿料的穩定分散性開始失去,粉體顆粒逐漸沉積到電極上。電泳沉積成型分為顆粒電泳遷移和顆粒在電極上放電沉積兩個相繼的過程,為了使顆粒能單獨沉淀到電極上而不受其他帶電顆粒的影響,需要陶瓷漿料具有很好的分散性。

              電泳沉積成型具有以下特點:

              操作簡單、靈活及可靠性高,因而適用于多層陶瓷電容器、  傳感器、梯度功能陶瓷的成型方法,但對過程參數的變化影響比較敏感。


              3 離心注漿成型


              離心注漿成型是在傳統注漿成型基礎上發展而來的。它通過調節pH值等工藝參數,使粉體在液體中均勻分散,在高速旋轉的離心力的作用下沉積成型。離心注漿成型將濕法化學粉末制備與無應力致密化技術相結合,一方面可以防止粉體的團聚及其他缺陷;另一方面可以借助粉體的粒徑的不同和轉速不同達到分別沉積的目的,可用于多層和梯度復合功能材料的制備。

              離心注漿成型具有以下特點:

              對制備的懸浮體的固相量沒有嚴格要求,幾乎無須粘結劑,減少了脫脂工藝造成的不良影響;成本較低,便于控制,特別適合大型規則幾何旋轉體的凈尺寸成型。但當制備均一材料時,配料粒徑相差過大,顆粒的離心加速度不同,容易導致坯體的成份不均和分層;需要離心成型設備。


              4 注射成型


              熱塑性注射成型

              水溶液注射成型

              氣體輔助注射成型


              陶瓷的熱塑性注射成型技術是從塑料成型技術發展而來的,是將陶瓷粉料與熱塑性樹脂、石蠟、增塑劑、溶劑等加熱混勻后(或擠出切片造粒后)進入注射成型機中經加熱熔融后獲得塑性在一定的壓力下從噴嘴高速噴注入金屬模腔內,在極短時間內冷卻固化而得以成型。


              注射成型可以成型形狀復雜的部件,且易于自動化和大規模生產,并且具有高的尺寸精度和均勻的顯微結構。但是注射成型有機載體含量較高,在燒結之前必須進行素坯的脫脂,大型坯件常會導致有機物的富集和顆粒的重排,使坯體均勻性變差,易于開裂,所以這是目前采用注射成型工藝時亟待解決的問題。


              水溶液注射成型是在逐步克服傳統注射成型缺點的基礎上發展起來的成型技術。其原理是通過將陶瓷粉料、有機載體、分散劑及潤滑劑等混合配制成均勻分散的陶瓷漿料,經注射后有機體在模具中轉變為膠凝態而固化。有機載體為水溶性的聚合物,如瓊脂,瓊脂糖等。成型前,陶瓷漿料中的陶瓷懸浮體需要充分分散,一般采用添加分散劑的方法來實現。


              水溶液注射成型與熱塑性注射成型不同的是可以降低注射時的溫度和壓力;由于水很容易除去,干燥后的坯體不用脫脂也能直接進行燒結,降低了生產成本。不太適宜大型制品的成型。


              氣體輔助注射成型是在傳統注射成型的基礎上發展起來的一種新技術,其基本工藝過程是先向模具型腔里預注入固定量的成型物料,再將可控制的高壓惰性氣體(一般為氮氣)由噴嘴注入模具型腔內,以氣體推動物料完成模具型腔的充填。當充填過程完成以后,進行保壓,以解決物料冷卻過程中的體積收縮。開模前應抽出注入的氣體以防開裂,脫模后得到成型體。工藝過程如圖。



              氣體輔助注射成型技術克服了傳統注射成型的局限性,具有 很多優點:

              a、可以獲得很薄管壁的制品,降低了原料成本;

              b、加快冷卻速度,降低注射壓力和鎖模力,從而大大降低   生產成本;

              c、在產品質量方面,它可以減小制件的內應力和翹曲變  形,同時由這種方法生產的產品的抗彎強度是一般方法的2倍。

              氣體輔助注射成型較之傳統注射成型過程而言,需要考慮更多的工藝參數,如氣體注入點、氣體壓力、物料注射量、注射物料與注射氣體之間的延遲時間、氣體保壓時間等。


              5 膠態成型


              凝膠注模成型

              直接凝固注模成型

              水解輔助固化成型

              膠態振動注模成型

              溫度誘導絮凝成型


              凝膠注模成型是上世紀90年代由美國橡樹嶺國家重點實驗室研發的一種成型新技術。它將傳統注漿工藝和聚合物化學有機結合,采用由高分子網絡產生聚合作用使陶瓷顆粒聚集在一起而形成陶瓷坯體的一種成型方法。在懸浮介質中加入乙烯基有機單體,利用催化劑和引發劑的作用陶瓷漿料澆注后有機單體發生原位聚合反應,聚合凝固成陶瓷坯體。


              凝膠注模成型是一種實用性很強的技術,顯著優點在于成型后的坯體均勻性好及成型坯體具有較高的強度,可直接進行機加工獲得合適的尺寸,而且燒成后收縮小,適合精準尺寸的成型。該工藝對成型體沒有尺寸和厚度的限制,但其干燥條件苛刻,致密化過程中坯體容易出現變形或開裂。


              直接凝固注模成型是由蘇黎世聯邦工業學院開發的一種成型方法,是一種生物酶技術、膠態化學和陶瓷材料學溶為一體的成型技術。它利用在極性水介質中,陶瓷粉體表面帶有相當高的同性電荷,漿料懸浮體處于穩定分散狀態。通過調節pH值或增加粒子強度來改變懸浮粉體的表面電荷,使顆粒間的Vander Waals吸引力大于排斥力,顆粒凝聚成型。


              這種工藝對成型坯體沒有尺寸要求,漿料具有極好的流變性質,不需或只需少量的有機添加劑,坯體組織均勻,相對密度高,無須脫脂即能燒結。但生物酶添加劑價格較高。


              水解輔助固化成型結合了凝膠注模成型和直接凝固注模成型等方法的優點,通過在懸浮液中引入AlN粉體,利用AlN在熱激發條件下能加速水解從而提高漿料粘度和加速固化的一種成型方法。


              水解輔助固化成型具有固化過程快速,成型坯體具有較高的密度,適合于形狀復雜的小尺寸制品的成型。但也存在著時間的限制性、溫度的穩定性及固化過程的熱交換等問題,不能適用于所有類型的陶瓷制備。


              膠態振動注模成型是1993年由Prof.F.F.Lange發明的一種膠態成型技術。它利用外界的作用(振動)完成注模成型。其過程為在固相體積分數20%以上的陶瓷懸浮體中加入NH4Cl,使顆粒之間形成凝聚態,然后采用壓濾或離心的方法讓懸浮體形成密實的結構。在這種狀態下,固相體積分數較高(大于50%),然后采用振動的辦法,使其由固態轉變為流動態,注入一定形狀的模腔中,振動靜止后實現原位固化。


              膠態振動注模成型便于連續生產復雜形狀的陶瓷部件,但成型后的坯體強度較低,容易開裂和變形。


              溫度誘導絮凝成型是由瑞典表面化學研究所的Prof.L.Bergstrom利用膠體的空間位阻穩定特性發明的一種凈尺寸膠態成型技術。該方法首先在有機溶劑中加入一種溶解度隨溫度變化的分散劑,分散劑的一端吸附于顆粒表面,另一端在溶劑中伸展,起到空間穩定分散粉體的作用。然后將分散好的高固相含量的漿料注入模具,隨著溫度的降低,分散劑的溶解度逐漸下降,失去了分散能力,實現了漿料的原位固化。該方法選用的溶劑要求隨溫度的降低沒有體積收縮和膨脹,一般選用戊醇。分散劑可選用英國ICI公司的Hypermer KD聚酯類分散劑,當降低到一定溫度時其分散功能失效,致使漿料粘度升高從而原位凝固。

              由于聚酯類分散劑在有機溶劑中的溶解度具有可逆性,因而成型不合格的坯體可以重新使用,成型坯體機械強度好,該方法已成功用于A12O3、Si3N4及復合材料的研究。


              高技術陶瓷的迅速發展,離不開陶瓷成型新技術,未來幾年中,新的成型技術將得到不斷改進和完善,因為目前采用的新的成型技術還存在著某些不足,如采用凝膠注膜成型方法在空氣環境下制備坯體時,干燥的坯體表面層發現有裂紋和起皮現象;采用注射成型方法時,由于注射成型加人大量有機載體造成脫脂時間長,升溫太快還會引起變形等。要解決這些問題還有許多工作要做,相信時代在前進,發展是必然的。




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