利用淀粉原位凝固胶态成型高性能陶瓷的分析

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1、摘要摘要原位凝固成型技术是高性能陶瓷研究的热点之一。本文是以A1203陶瓷作为研究对象，利用淀粉及改性淀粉受热吸水膨胀及糊化后形成高分子凝胶化网络，以实现高性能陶瓷原位凝固成型。通过研究淀粉或改性淀粉用量、分散剂用量、固相体积分数和球磨时问等工艺参数对陶瓷浆料的流变学性质和成型坯体结构和性能的影响规律，并通过正交实验得到淀粉原位凝固胶态成型技术的最佳工艺条件。进一步考察了不同品种的淀粉和改性淀粉对A1203陶瓷原位凝固成型时浆料流变性质和成型坯体性能的影响，并在此基础上对淀粉一Ai203陶瓷浆料凝固成型机理进行初步探讨。通过对淀粉及改性淀

2、粉凝胶化性质的研究表明：淀粉品种及改性方式不同，则糊化温度、糊粘度、糊的热稳定性以及形成凝胶的能力等凝胶化性质具有很大差异。淀粉糊粘度还受浓度、温度、pH值和分散剂等因素的影响。淀粉及改性淀粉凝胶化性质的研究是将其成功地应用于高性能陶瓷原位凝固成型的基础和前提，也是深入探讨淀粉及改性淀粉对成型后坯体性能影响规律的基本依据，其中淀粉糊化温度是决定A1203陶瓷浆料凝固成型温度的关键。陶瓷浆料分散性和稳定性的研究，获得了由不同粒度的n—A1203粉体制备高分散、高稳定、高固相含量的陶瓷浆料所需的最适条件。研究表明：平均粒径分别为2．47Fm、

3、0．63um和0．15／dm的A1203粉体得到稳定浆料的最适pH值范围分别是8．5—9．5、8．0—9，0、10．0～12．0；分散剂最佳用量分别是0．03—0．05％、0．2％和0．5％。陶瓷浆料流变学性质的研究是实现各种复杂形状陶瓷部件的成功注模，获得高性能陶瓷产品的有力保障。AlzO，浆料的粘度随醋酸酯淀粉用量和固相体积分数的增加而增加，而分散剂用量和球磨时间的变化对浆料表观粘度的影响规律如下：当分散剂用量为0．05％，球磨时间为12h时，可获得低粘的浆料，大于或小于该条件，A1203浆料的表观粘度都呈上升趋势。淀粉及改性淀粉对A

4、1203浆料的流变性质也有显著影响，一般支叉结构多的淀粉比支叉结构少的淀粉影响大；改性淀粉对浆料粘度的影响要比原淀粉的大。特别是氧化淀粉和磷酸酯淀粉添加到Alz03浆料后使其粘度增加，流变性能恶化。但球磨一段时间后，浆料的流变性能又得到明显改善。淀粉一A120，陶瓷浆料一般为塑性流体，具有剪切稀化的流变行为。醋酸酯淀粉用量、分散剂用量、固相体积分数和球磨时间等工艺参数的对成型后坯体性能的影响研究表明：增加醋酸酯淀粉用量，干燥后素坯的线收缩率和相对密度下降，而干坯强度呈近线性增加；醋酸酯淀粉用量较低时，成型的坯体致密，断口细腻、平整，气孔较

5、小。随固相体积分数的增加，素坯的线收缩率和于坯强度华南理工大学工学博士学位论文逐渐降低，而坯体的相对密度则不断升高，固含量较高时，成型坯体的显微结构性能好，无明显缺陷。随分散剂用量增加，干坏强度不断增加，而相对密度的最大值则出现在分散剂的最适用量下。球磨时间对坯体性能的影响也存在一最佳值，当球磨时间为12h，所得坯体的相对密度和干坯强度都最高，也具有较好的显微结构。通过正交实验得到了淀粉原位凝固成型陶瓷的最佳工艺条件为：醋酸酯淀粉用量为1．O％，分散剂用量为O．08％，固相体积分数为58％，球磨时间为10h。淀粉品种及改性方式对成型素坯性

6、能的研究表明：除氧化淀粉外，陶瓷素坯的线收缩率和相对密度随淀粉及改性淀粉用量的增加而减小。干坯强度则与淀粉用量呈正相关，其中磷酸酯淀粉和氧化淀粉固化成型所得的干坯强度较高，最高可达10MPa，线收缩率为1．4～2．2％左右，相对密度在55～59％之间，而且素坯的气孔分布均匀，孔径小，达到了高性能陶瓷原位凝固成型的目的。不同品种的淀粉和改性淀粉对成型坯体烧结后制品性能的影响研究表明：烧结收缩率、相对密度和烧结强度均随淀粉及改性淀粉用量的增加呈递减趋势，开口气孔率则与淀粉用量呈正相关。氧化淀粉是一种较好的原位凝固成型剂，所得坯体的烧结强度和相

7、对密度要远比原木薯淀粉高，烧结体的相对密度都在90％以上，烧结强度最高可达280MPa，烧结收缩率在14％左右，断面显微结构致密、均匀，没有明显的气孔存在。A1203陶瓷浆料脱水，以致原位固化的过程实质是淀粉颗粒受热吸水膨胀及糊化过程。A1203坯体的固化成型可分为两个阶段，第一阶段是淀粉颗粒吸水膨胀，使浆料脱水的过程；第二阶是淀粉糊化后形成的凝胶化网络对A1203颗粒起包覆和粘结作用，使得固化成型后的坯体具有足够的强度，以致能够顺利脱模。并通过淀粉的相对膨胀体积与时间的依赖关系建立了A1203浆料的固化模型。淀粉原位凝固胶态成型技术简单

8、、方便，有机物用量少，不需单独脱脂，可大大减化烧结工艺。是一种可成型各种复杂形状的陶瓷部件，具有低成本、高可靠、高均匀、可重复及与环境相容性好的近净尺寸高性能陶瓷原位凝固成型新技术。关键词：淀