陶瓷成型新工艺

陶瓷成型新工艺引言当前，随着陶瓷新材料应用领域的不断拓展，对陶瓷材料性能的要求愈来愈苛刻。成型工艺是陶瓷材料制备过程的重要环节之一，在很大程度上影响着材料的微观组织结构，决定了产品的性能、应用和价格。传统的成型方法如注浆、可塑和干压成型技术及已成熟并获得应用的挤出成型、等静压成型、流延成型等技术在陶瓷材料的规模生产中发挥了重要的作用。但上述方法已不能满足高精度、复杂形状和多层复相陶瓷材料的制造要求，极大地限制和阻碍了高技术陶瓷材料的应用和发展。现代科学技术的发展为陶瓷材料成型技术的进步带来了新的活力，尤其是材料化学、计算机技术的发展和应用，三大材料的互相渗透、交融，促进了高技术陶瓷制备技术的发展。陶瓷成型技术在传统方法的基础上不断改进创新，离心沉积成型、电泳沉积成型、离心注浆成型、注射成型和胶态成型等新成型技术不断涌现。了解这些成型技术的基本原理、研究现状和特点，并在其基础上加强应用研究，对于进一步研究探索新的成型工艺和方法，不断适应和满足高致密度、形状复杂、尺寸精准和具有复合功能的陶瓷材料成型的需求有着重要的作用。1离心沉积成型离心沉积成型是一种制备板状、层状纳米多层复合材料的方法，其原理是不同的浆料依次在离心力的作用下一层层地均匀沉积成一个整体；也可利用颗粒大小或质量的不同沉积出各层不同性质的材料。采用离心沉积成型层状材料具有以下特点：a、通过沉积不同的材料，可以改善材料的韧性；b、沉积各层可以是电、磁、光性质的结合，具有多功能性；c、可以制成各向异性的新型材料。2电泳沉积成型电泳沉积成型是利用直流电场促使带电颗粒发生迁移，进而沉积到极性相反的电极上而成型。沉积过程中在电泳迁移的作用下颗粒间的距离缩短，VanderWaals吸引力起主要作用，浆料的稳定分散性开始失去，粉体颗粒逐渐沉积到电极上。电泳沉积成型分为颗粒电泳迁移和颗粒在电极上放电沉积两个相继的过程，为了使颗粒能单独沉淀到电极上而不受其他带电颗粒的影响，需要陶瓷浆料具有很好的分散性。电泳沉积成型具有以下特点：操作简单、灵活及可靠性高，因而适用于多层陶瓷电容器、传感器、梯度功能陶瓷的成型方法，但对过程参数的变化影响比较敏感。3离心注浆成型离心注浆成型是在传统注浆成型基础上发展而来的。它通过调节pH值等工艺参数，使粉体在液体中均匀分散，在高速旋转的离心力的作用下沉积成型。离心注浆成型将湿法化学粉末制备与无应力致密化技术相结合，一方面可以防止粉体的团聚及其他缺陷；另一方面可以借助粉体的粒径的不同和转速不同达到分别沉积的目的，可用于多层和梯度复合功能材料的制备。离心注浆成型具有以下特点：对制备的悬浮体的固相量没有严格要求，几乎无须粘结剂，减少了脱脂工艺造成的不良影响；成本较低，便于控制，特别适合大型规则几何旋转体的净尺寸成型。但当制备均一材料时，配料粒径相差过大，颗粒的离心加速度不同，容易导致坯体的成份不均和分层；需要离心成型设备。4注射成型热塑性注射成型水溶液注射成型气体辅助注射成型陶瓷的热塑性注射成型技术是从塑料成型技术发展而来的，是将陶瓷粉料与热塑性树脂、石蜡、增塑剂、溶剂等加热混匀后(或挤出切片造粒后)进入注射成型机中经加热熔融后获得塑性在一定的压力下从喷嘴高速喷注入金属模腔内，在极短时间内冷却固化而得以成型。注射成型可以成型形状复杂的部件，且易于自动化和大规模生产，并且具有高的尺寸精度和均匀的显微结构。但是注射成型有机载体含量较高，在烧结之前必须进行素坯的脱脂，大型坯件常会导致有机物的富集和颗粒的重排，使坯体均匀性变差，易于开裂，所以这是目前采用注射成型工艺时亟待解决的问题。水溶液注射成型是在逐步克服传统注射成型缺点的基础上发展起来的成型技术。其原理是通过将陶瓷粉料、有机载体、分散剂及润滑剂等混合配制成均匀分散的陶瓷浆料，经注射后有机体在模具中转变为胶凝态而固化。有机载体为水溶性的聚合物，如琼脂，琼脂糖等。成型前，陶瓷浆料中的陶瓷悬浮体需要充分分散，一般采用添加分散剂的方法来实现。水溶液注射成型与热塑性注射成型不同的是可以降低注射时的温度和压力；由于水很容易除去，干燥后的坯体不用脱脂也能直接进行烧结，降低了生产成本。不太适宜大型制品的成型。气体辅助注射成型是在传统注射成型的基础上发展起来的一种新技术，其基本工艺过程是先向模具型腔里预注入固定量的成型物料，再将可控制的高压惰性气体(一般为氮气)由喷嘴注入模具型腔内，以气体推动物料完成模具型腔的充填。当充填过程完成以后，进行保压，以解决物料冷却过程中的体积收缩。开模前应抽出注入的气体以防开裂，脱模后得到成型体。工艺过程如图。气体辅助注射成型技术克服了传统注射成型的局限性，具有很多优点：a、可以获得很薄管壁的制品，降低了原料成本；b、加快冷却速度，降低注射压力和锁模力，从而大大降低生产成本；c、在产品质量方面，它可以减小制件的内应力和翘曲变形，同时由这种方法生产的产品的抗弯强度是一般方法的2倍。气体辅助注射成型较之传统注射成型过程而言，需要考虑更多的工艺参数，如气体注入点、气体压力、物料注射量、注射物料与注射气体之间的延迟时间、气体保压时间等。5胶态成型凝胶注模成型直接凝固注模成型水解辅助固化成型胶态振动注模成型温度诱导絮凝成型凝胶注模成型是上世纪90年代由美国橡树岭国家重点实验室研发的一种成型新技术。它将传统注浆工艺和聚合物化学有机结合，采用由高分子网络产生聚合作用使陶瓷颗粒聚集在一起而形成陶瓷坯体的一种成型方法。在悬浮介质中加入乙烯基有机单体，利用催化剂和引发剂的作用陶瓷浆料浇注后有机单体发生原位聚合反应，聚合凝固成陶瓷坯体。凝胶注模成型是一种实用性很强的技术，显著优点在于成型后的坯体均匀性好及成型坯体具有较高的强度，可直接进行机加工获得合适的尺寸，而且烧成后收缩小，适合精准尺寸的成型。该工艺对成型体没有尺寸和厚度的限制，但其干燥条件苛刻，致密化过程中坯体容易出现变形或开裂。直接凝固注模成型是由苏黎世联邦工业学院开发的一种成型方法，是一种生物酶技术、胶态化学和陶瓷材料学溶为一体的成型技术。它利用在极性水介质中，陶瓷粉体表面带有相当高的同性电荷，浆料悬浮体处于稳定分散状态。通过调节pH值或增加粒子强度来改变悬浮粉体的表面电荷，使颗粒间的VanderWaals吸引力大于排斥力，颗粒凝聚成型。这种工艺对成型坯体没有尺寸要求，浆料具有极好的流变性质，不需或只需少量的有机添加剂，坯体组织均匀，相对密度高，无须脱脂即能烧结。但生物酶添加剂价格较高。水解辅助固化成型结合了凝胶注模成型和直接凝固注模成型等方法的优点，通过在悬浮液中引入AlN粉体，利用AlN在热激发条件下能加速水解从而提高浆料粘度和加速固化的一种成型方法。水解辅助固化成型具有固化过程快速，成型坯体具有较高的密度，适合于形状复杂的小尺寸制品的成型。但也存在着时间的限制性、温度的稳定性及固化过程的热交换等问题，不能适用于所有类型的陶瓷制备。胶态振动注模成型是1993年由Prof．F．F．Lange发明的一种胶态成型技术。它利用外界的作用(振动)完成注模成型。其过程为在固相体积分数20％以上的陶瓷悬浮体中加入NH4Cl，使颗粒之间形成凝聚态，然后采用压滤或离心的方法让悬浮体形成密实的结构。在这种状态下，固相体积分数较高(大于50％)，然后采用振动的办法，使其由固态转变为流动态，注入一定形状的模腔中，振动静止后实现原位固化。胶态振动注模成型便于连续生产复杂形状的陶瓷部件，但成型后的坯体强度较低，容易开裂和变形。温度诱导絮凝成型是由瑞典表面化学研究所的Prof．L．Bergstrom利用胶体的空间位阻稳定特性发明的一种净尺寸胶态成型技术。该方法首先在有机溶剂中加入一种溶解度随温度变化的分散剂，分散剂的一端吸附于颗粒表面，另一端在溶剂中伸展，起到空间稳定分散粉体的作用。然后将分散好的高固相含量的浆料注入模具，随着温度的降低，分散剂的溶解度逐渐下降，失去了分散能力，实现了浆料的原位固化。该方法选用的溶剂要求随温度的降低没有体积收缩和膨胀，一般选用戊醇。分散剂可选用英国ICI公司的HypermerKD聚酯类分散剂，当降低到一定温度时其分散功能失效，致使浆料粘度升高从而原位凝固。由于聚酯类分散剂在有机溶剂中的溶解度具有可逆性，因而成型不合格的坯体可以重新使用，成型坯体机械强度好，该方法已成功用于A12O3、Si3N4及复合材料的研究。高技术陶瓷的迅速发展，离不开陶瓷成型新技术，未来几年中，新的成型技术将得到不断改进和完善，因为目前采用的新的成型技术还存在着某些不足，如采用凝胶注膜成型方法在空气环境下制备坯体时，干燥的坯体表面层发现有裂纹和起皮现象；采用注射成型方法时，由于注射成型加人大量有机载体造成脱脂时间长，升温太快还会引起变形等。要解决这些问题还有许多工作要做，相信时代在前进，发展是必然的。