陶瓷原位胶态凝固成型工艺

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1、随着陶瓷工业的发展及其在现代工业领域中应用的不断扩大，对陶瓷成型方法的要求也越来越高，为满足航天、汽车、电子、国防等行业的市场需求，人们要求采用高性能陶瓷的成型方法所成型的坯体应当具有高度均匀性、高密度、高可靠性以及高强度。因此，陶瓷原位凝固成型技术便应运而生了。陶瓷原位凝固成型是20世纪90年代初开发的新的胶态成型技术，其成型原理不同于依赖多孔模吸浆的传统注浆成型，而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，从而使注模后的陶瓷浆料快速凝固为陶瓷坯体。由于原位凝固是保证坯体均匀性的前提，而提高坯体的均匀性是提高陶瓷材料可靠性的唯一途径，从而原位凝固成

2、型工艺受到高度重视。从此以后，原位凝固成型工艺的研究便成为高性能陶瓷材料研究领域的一个新热点，人们认识到该成型工艺在整个陶瓷材料研究中占有极其重要的地位。原位凝固，就是指颗粒在悬浮液中的位置不变，靠颗粒之间的作用力或者悬浮体内部的一些载体性质的变化，从而使悬浮体的液态转变为固态。在从液态变为固态的过程中，坯体没有收缩，介质的量没有改变，所采用的模具为非孔模具，这样的成型方法，叫做原位凝固胶态成型工艺。成熟的原位凝固胶态成型工艺包括：凝胶注模成型工艺温度诱导絮凝成型胶态振动注模成型直接凝固注模成型快速凝固成型技术凝胶注模成型技术是由美国发明的一种陶瓷尺寸成型技术。这种方法

3、是首先将陶瓷粉料分散在含有有机单体和交联剂的水溶液或非水溶液中，形成低粘度且高固相体积分数的浓悬浮体，然后加入引发剂和催化剂，将悬浮体注入非孔的模具中，在一定的温度条件下，引发有机单体聚合，使悬浮体粘度剧增，从而导致原位凝固成型，最后经长时间的低温干燥后可得到强度很高而且可进行加工的坯体。一般加入的有机单体的质量可占溶剂的10%~20%左右，溶剂可通过干燥排除，而在干燥过程中的网络聚合物不会随之迁移。形成的聚合物含量较低，可以容易地排除。悬浮体的粘度，成型固化的时间及排胶时间可以通过加入的交联剂、引发剂、催化剂和分散剂来调控，所以此方法有利于成型工艺的连续化和机械化。凝

4、胶注膜成型可分为水溶液凝胶注模成型和非水溶液凝胶注膜成型，前者适合于大多数成型体系，后者则主要适用于那些与水发生化学反应的成型体系。水溶液凝胶注膜成型工艺中使用较多的有两种体系，即丙烯酸脂体系和丙烯酰胺体系，丙烯酸醋体系并不是纯水溶液体系，需要共溶剂，有相分离现象，并且分散效果不佳，因此使用较多的是丙烯酰胺体系。丙烯酰胺(C2H3CONH2，简称AM）是单体，N一N'一亚甲双丙烯酰胺(C7H10N2O2,简称MBAM)是交联剂，两者的基本比例是AM:MBAM=35:9~90:1，用过硫酸钾K2S2O8或过硫酸铵（NH4）2S2O8引发，N,N1,N'1,N'----四甲

5、基乙二胺(C5H26N2)为催化剂，分散剂可根据不同的体系来选择。在结构陶瓷的制备过程中，凝胶注模成型已用于Al2O3和Si3N4陶瓷的成型，选用25%的聚甲基丙烯酸铵或25%的聚丙烯酸铵，采用微波加热技术应用于软化铝浓悬浮体的原位固化中，使固化时间大大缩短，抑制了氧气对聚合反应的阻聚作用，成型胚体的表面光滑，没有起皮现象，此外，在莫来石陶瓷的生产中也可以采用凝胶注膜成型。任何单体在一定的条件下聚合，都会发生收缩。凝胶注模成型由于使用的单体少，加入的固相陶瓷粉末的体积分数占到50%以上.因此成型后的坯体收缩非常小，在干燥过程中，坯体一般收缩1%一2%。为了保证成型坯体的

6、原位凝固，要求悬浮体的固相体积分数要大于50%。可见，浓悬浮体的制备便成为凝胶注模成型的关键。另外，成型后的坯体干燥一般要求室温且高湿度的条件下阴干100~200h，它虽然避免了注射成型工艺耗时耗能的脱脂环节，但其干燥过程已成为限制其规模化应用的原因之一。从环境的角度看凝胶注模成型使用的单体具有一定的毒性，对环境会造成一定的污染。凝胶注模成型的显著优点是成型坯体的强度很高，可进行机加工。陶瓷浓悬浮体内的有机单体在交联剂、催化剂及引发剂的共同作用下，形成相互交联三维网络结构高聚物，使浓悬浮体形成凝胶而固化。除了上面讨论的依靠有机单体聚合反应的凝胶注模成型外。近年来一些利用

7、多糖高分子高温溶解，室温形成凝胶特性的陶瓷注模成型方法也在发展。这种成型工艺是由瑞典的表面化学研究所发明的一种胶态净尺寸原位凝固成型工艺。它首先将陶瓷粉料在有机溶剂中分散以制备高固相体积分散的浓悬浮体、分散剂的一端牢固地吸附在颗粒的表面;另一端为低极性的长链碳氢链，伸向溶剂中，起到空间位阻稳定的作用。该分散剂在溶液中的溶解度随着温度的改变而变化，也就是其分散效果在变化。聚脂类分散剂随着温度降低至-20℃，其分散功能失效，悬浮体颗粒团聚，粘度升高，从而原位凝固。有趣的是这类分散剂在有机溶剂中溶解度具有可逆性，随温度的回升，分散剂的溶解度重新