武漢理工大學特種陶瓷論文

1、<p>　　特種陶瓷的凝膠注模成型技術(shù)的研究現(xiàn)狀及應用</p><p><b>　　xxx</b></p><p>　　摘要：本文對特種陶瓷凝膠注模成型技術(shù)的研究與進展情況進行綜述。闡述成型原理和工藝過程；并介紹該技術(shù)應用研究情況；探討特種陶瓷凝膠注模成型技術(shù)存在的問題和研究發(fā)展方向。</p><p>　　關(guān)鍵詞：凝膠注模；成型技術(shù)；

2、凝膠體系；應用</p><p>　　Recent Research and Applications of Gelcasting in Special Ceramics</p><p>　　Abstract: The research and development of gelcasting techniques in special ceramics are reviewed. The

3、 principles and processes of this forming technology are discussed and applications are commented. Finally, the problems and development of gelcasting technology in special ceramics are also pointed out and analyzed. <

4、;/p><p>　　Key Words: gelcasting; forming technique; gel system; application </p><p><b>　　0 引言</b></p><p>　　20世紀90年代初期，美國橡樹嶺國家重點實驗室(Oak Ridge National Laboratory, ORNL)的JAN

5、NEY和OMATETE發(fā)明了一種新的陶瓷成型技術(shù)—凝膠注模成型技術(shù)[1?3]。該技術(shù)將傳統(tǒng)的陶瓷工藝與聚合物化學巧妙地結(jié)合起來，是一種新型的制備高品質(zhì)復雜形狀陶瓷件的近凈成型技術(shù)[4]。</p><p>　　與其他成型技術(shù)相比較，凝膠注模成型技術(shù)具有一系列的優(yōu)點[4]：1)適用范圍廣，對粉體無特殊要求；2)可實現(xiàn)近凈尺寸成型，制備出復雜形狀的部件；3)坯體強度高，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)成型工藝所制的坯體，可進行機械加工；4

6、)坯體有機物含量低；5)坯體和燒結(jié)體性能均勻性好；6)工藝過程易控制；7)成本低廉。因此，該成型技術(shù)一經(jīng)提出就成為國內(nèi)外研究的熱點，被應用于制備各種陶瓷部件，特別是制備形狀復雜的陶瓷零部件[4]。隨著凝膠注模成型技術(shù)的不斷改進和完善，一系列凝膠體系也被提出，如熱可逆凝膠體系等[5]，相應的凝膠形成機理也由最初的化學反應過程拓展為物理反應過程。此外，它已不僅僅作為一種重要的先進陶瓷成型方法，而且應用到了粉末冶金領(lǐng)域，如用于制備鎳基合金等。

7、因此，有必要對凝膠注模成型技術(shù)的研究與發(fā)展進行系統(tǒng)的歸納、分析和總結(jié)。</p><p>　　本文對凝膠注模成型工藝作簡單介紹,再重點介紹其近幾年的研發(fā)動向。</p><p>　　1 凝膠注模成型技術(shù)的基本原理與工藝流程 </p><p>　　凝膠注模成型技術(shù)將傳統(tǒng)的粉體成型工藝與有機聚合物化學結(jié)合，將高分子單體聚合的方法靈活地引入到粉體成型領(lǐng)域中，通過制備低黏度、高

8、固相體積分數(shù)懸浮液來實現(xiàn)凈尺寸成型高強度、高密度均勻坯體。其基本思想是采用具有三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的高分子物質(zhì)將分散均勻的粉體懸浮液中的顆粒包裹使之原位固定，從而得到具有粉體與高分子物質(zhì)復合結(jié)構(gòu)的坯體。實際上，凝膠注模的坯體就是一種粉體與高分子有機物的復合材料。該方法的基本原理是在低黏度、高固相體積分數(shù)的粉體?溶劑懸浮體中，加入有機單體，然后，通過某種手段如在催化劑和引發(fā)劑的作用下或通過加熱或冷卻[5]等方式使?jié)鈶腋◇w中的有機單體化學交聯(lián)聚合或

9、物理交聯(lián)成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而使懸浮體原位固化成型。</p><p>　　該工藝包括如下幾個過程：首先，將粉料和分散劑加入到溶劑(水溶液或非水溶液)中，通過球磨和超聲振蕩等方式配成粉體懸浮漿料；其次，將有機單體和交聯(lián)劑溶于懸浮漿料中，借助真空球磨工藝排除漿料中的氣泡，降低懸浮液黏度，增加漿料的流動性，制備出低黏度高固相體積分數(shù)的濃懸浮液；注模前依次加入引發(fā)劑(或引發(fā)劑與催化劑，或固化劑等使有機單體發(fā)生凝膠反應的物質(zhì)

10、)，充分攪拌均勻后，將漿料注入模具中；然后，在一定的溫度條件下引發(fā)有機單體發(fā)生凝膠反應，漿料黏度隨反應的進行急劇增加，從而導致漿料中的粉體被原位包裹、固化成型，最終形成具有一定強度和柔韌性的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，得到含一定溶劑的坯體；脫模后，在一定的溫度和濕度條件下干燥，得到較高強度的坯體(如需要，可進行適當?shù)臋C加工修坯)，最后將干坯排膠(使坯體內(nèi)的凝膠等有機物質(zhì)分解、揮發(fā))并燒結(jié)，得到致密部件，具體工藝流程如圖1所示[4]。</p>

11、;<p>　　圖1 凝膠注模成型技術(shù)的工藝流程圖[4]</p><p>　　Fig.1 Process flowchart of general gelcasting</p><p>　　2 Gelcasting工藝近期研發(fā)動向</p><p>　　繼美國橡樹嶺國家實驗室成功地將Gelcast-ing工藝用于Al2O3，Si3N4陶瓷的工業(yè)化生產(chǎn)之

12、后，世界各國對它的研究興趣久盛不衰。主要方向有開發(fā)Gelcasting新的應用領(lǐng)域，發(fā)展新型無缺陷Gelcasting工藝等[6]。</p><p>　　Gelcasting工藝首先是針對氧化鋁陶瓷研制開發(fā)的，后來美國橡樹嶺國家實驗室又成功地將其應用于氮化硅陶瓷部件的工業(yè)化生產(chǎn)。近年來，學者們又開展了Gelcasting工藝在功能瓷、非氧化物瓷及多孔瓷等方面的應用研究。</p><p>　

13、　2.1 Gelcasting工藝在功能瓷方面的應用</p><p>　　在功能瓷方面，比較深入的是壓電陶瓷。眾所周知，壓電陶瓷制品形狀復雜且適于批量生產(chǎn)，因此很適合采用Gelcasting工藝。但另一方面，壓電陶瓷的電性能對其化學組成變化極為敏感，痕量的其它元素或雜質(zhì)就可能使其電性能變差。因此，采用Gelcasting工藝成型壓電陶瓷時，凝膠體系和分散劑的選取成為關(guān)鍵的影響因素。趙陽，謝睿等[7]分別以聚丙烯酸

14、銨(NH4PAA)和海因環(huán)氧樹脂為分散劑和凝膠劑，制備鋯鈦酸鉛陶瓷漿料，研究分散劑及固相含量對漿料流變性能、生坯和燒結(jié)樣品物理性能的影響。結(jié)果表明：當分散劑含量(質(zhì)量分數(shù))為0.6%時，漿料黏度最低；當固相含量(體積分數(shù))高達57.5%時，漿料仍保持良好的流動性；當固相含量為55%時，陶瓷生坯和燒結(jié)坯的強度均達到最大值，分別為34.1和77.8 MPa；與傳統(tǒng)模壓成型工藝對比表明，采用凝膠注模成型工藝制備的樣品具有更優(yōu)異的物理和壓電性能

15、。</p><p>　　Gelcasting成型功能陶瓷件的另一應用是在光學元件方面。徐斌，趙巍等[8]以微米級氧化鋁為原料，采用AM-MBAM凝膠體系，制備出了流動性良好、高固相體積比的漿料，然后采用凝膠注模成型工藝制備出了中空氧化鋁陶瓷反射體。研究了分散劑、引發(fā)劑、單體濃度及固相含量等關(guān)鍵因素對凝膠注模成型氧化鋁陶瓷反射體的影響。結(jié)果表明：當分散劑、引發(fā)劑、單體的質(zhì)量分數(shù)分別為0.4%，0.08%，7%時，漿

16、料的固相體積分數(shù)為55%，黏度達到710 MPa·s，并可制備出表觀形貌好，結(jié)構(gòu)致密的氧化鋁陶瓷反射體。</p><p>　　2.2 Gelcasting工藝在非氧化物瓷方面的應用</p><p>　　非氧化物陶瓷方面研究較多的是含硅非氧化物。張舸[9]利用凝膠注模成型工藝制備了1.5m量級輕型SiC陶瓷素坯。研究了顆粒級配、固相含量、混料時間對SiC漿料性能的影響。測試了SiC

17、脫脂素坯的顯微結(jié)構(gòu)、力學性能和最終燒結(jié)體的機械性能和熱學性能。結(jié)果表明：在最佳分散條件下，通過合理的顆粒級配，成功制備得到了固相含量高達65%，流動性良好的SiC陶瓷漿料。另外，隨著固相含量的增加，SiC陶瓷漿料黏度急劇增大；隨著混料時間的延長，漿料黏度出現(xiàn)先降低后升高的現(xiàn)象。將制備得到的漿料注入模具后，得到了1.5m量級的SiC陶瓷素坯，脫脂后的素坯內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻抗彎強度為24.6 MPa。</p><p>　　

18、此外，張景賢，江東亮等[10]以四甲基氫氧化銨為分散劑，糊精為碳源，通過靜電穩(wěn)定作用，制備了高固相含量、分散良好的碳化硅陶瓷漿料。以水溶性N,N-二甲基丙烯酰胺為單體，N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑，采用實驗室開發(fā)的偶氮[2-(2-咪唑啉-2-烷基)]丙烷HCl引發(fā)體系，在45～50℃引發(fā)單體聚合，制備出水基凝膠注模碳化硅素坯，素坯的相對密度達58%，抗彎強度大于40 MPa。進一步通過無壓燒結(jié)制備相對密度高于98%，硬度達28 G

19、Pa，強度達530 MPa的SiC陶瓷。對素坯和SiC陶瓷的微結(jié)構(gòu)和力學性能進行了測試和表征。結(jié)果表明：采用糊精作為碳源可以提高凝膠注模漿料的分散性，避免凝膠過程中的碳阻聚問題，有利于制備出高性能的碳化硅陶瓷材料。</p><p>　　2.3 Gelcasting工藝在多孔瓷方面的應用</p><p>　　多孔陶瓷是一種新型的綠色功能陶瓷，由于具有獨特的表面物理及化學特性而在催化載體、氣液

20、分離、吸聲減震及傳感器材料等方面獲得了廣泛的應用。將凝膠注模成型和造孔劑結(jié)合起來是制造多孔陶瓷元件的一種很好的方法。葛興澤，王樹彬等[11]采用叔丁醇基凝膠注模成型工藝，以丙烯酰胺為單體制備了ZTA多孔陶瓷。優(yōu)化了固含量、預混液濃度、引發(fā)劑用量和固化溫度等成型工藝參數(shù)。分析了燒結(jié)溫度和保溫時間對多孔陶瓷氣孔率及孔徑分布的影響。研究發(fā)現(xiàn)固含量為10vol%、預混液濃度為15wt%、引發(fā)劑用量為20wt%、固化溫度為40℃，在1500℃條件

21、下保溫2h燒結(jié)得到的ZTA多孔陶瓷氣孔率可達59.05%，最可幾孔徑為0.72μm，孔徑分布在0.40μm~0.50μm的氣孔占總氣孔的87.22%，壓縮強度達到56.09MPa。</p><p>　　3 存在的問題與前景展望</p><p>　　凝膠注模成型技術(shù)是一種易近凈成型復雜部件且普適性很強的粉體成型技術(shù)。經(jīng)過20多年來的發(fā)展，其制備工藝技術(shù)和應用研究都取得了很大進展[12]。但存

22、在的一些問題也逐漸暴露出來，主要有以下3個方面：1)制備漿料的問題；2) 開發(fā)新型的凝膠體系；3) 加速工業(yè)化應用的進程。 </p><p>　　綜上所述，凝膠特種陶瓷的注模成型技術(shù)作為一種制備高可靠性、復雜形狀部件的粉體成型方法，從根本上變革了傳統(tǒng)的粉體成型工藝。在過去的十多年里，凝膠注模成型技術(shù)無論是其工藝技術(shù)的研究，還是應用領(lǐng)域的研究都取得了較大的進展。目前，凝膠注模成型技術(shù)的研究重點應是研究高固相體積分數(shù)

23、、低黏度懸浮漿料的制備，特別是多組元漿料的制備；開發(fā)新型的凝膠注模體系，使成型條件更易實現(xiàn)，工藝更穩(wěn)定，操作更簡單。此外，凝膠注模成型技術(shù)的工業(yè)化推廣和工藝自動化控制設備的開發(fā)也是今后的主要發(fā)展方向。隨著研究的深入，該技術(shù)必將向低成本、實用化、高效率、高可靠性和高重復性的工業(yè)化方向發(fā)展[4]。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]

24、 JANNEY M A. Method for molding ceramic powders: US 4894194[P]. </p><p>　　1990-01-16. </p><p>　　[2] JANNEY M A,OMATETE O O. Method for molding ceramic powders using a </p><p>　　

25、water-based gelcasting: US 5028362[P]. 1991-06-02. </p><p>　　[3] JANNEY M A, OMATETE O O. Method for molding ceramic powders using a </p><p>　　water-based gelcasting process: US 5145908[P]. 19

26、92-09-08. </p><p>　　[4] 王小鋒，王日初等. 凝膠注模成型技術(shù)的研究與進展[J]. 中國有色金屬學</p><p>　　報,2010,20(3):496-509</p><p>　　[5] MONTGOMERY J K, DRZAL P L, SHULL K R, FABER K T. </p><p>　　T

27、hermoreversible gelcasting: A novel ceramic processing technique[J]. Journal </p><p>　　of the American Ceramic Society, 2002, 85(5): 1164?1168.</p><p>　　[6] 彭珍珍,蔡舒,吳厚政.陶瓷的凝膠注模成型及其研究現(xiàn)狀[J].硅酸鹽通報

28、,</p><p>　　2004,1:67-71</p><p>　　[7] 趙陽,謝睿等.水溶性環(huán)氧樹脂的鋯鈦酸鉛壓電陶瓷凝膠注模成型[J].中國有</p><p>　　色金屬學報,2014,24(3):773-778</p><p>　　[8] 徐斌,趙巍等.凝膠注模成型氧化鋁陶瓷反射體的制備[J].電子元件與材料,</p&

29、gt;<p>　　2012,31(5):15-17 </p><p>　　[9] 張舸.1.5m量級SiC陶瓷素坯凝膠注模成型工藝[J].光學精密工程,2013,21</p><p>　　(12):2989-2993</p><p>　　[10] 張景賢，江東亮等.通過凝膠注模成型和無壓燒結(jié)制備碳化硅陶瓷[J].硅酸</p><

30、;p>　　鹽學報,2012,40(8):1154-1157 </p><p>　　[11] 葛興澤,王樹彬等.叔丁醇基凝膠注模成型制備ZTA多孔陶瓷[J].2015(1):24-</p><p><b>　　30 </b></p><p>　　[12] 李縣輝,燕青芝等.結(jié)構(gòu)陶瓷凝膠注模技術(shù)研究進展[J].陶瓷學報,2014,35(3