陶瓷原位胶态凝固成型工艺
陶瓷胶态注射成型技术
陶瓷胶态注射成型技术摘要：结合注射成型和凝胶注模成型技术的优点，发明了陶瓷胶态注射成型技术，实现了水基非塑性浆料的注射成型。
经过研究表明：通过调节工艺中的各项参数和添加适当的助剂，可以实现陶瓷浆料的可控固化；加入应力缓释剂调节高分子网络结构，能有效降低坯体中的内应力，制备出大尺寸陶瓷部件；利用胶态注射成型技术与设备，不仅能实现规模化大批量生产，而且产品具有较高的可靠性，具有广阔的应用前景。
关键词：胶态注射成型；水基非塑性浆料；可控固化；内应力；应力缓释剂Colloidal Injection Molding of CeramicsAbstract：Colloidal injection molding of ceramics(CIMC) is a new ceramic forming technique，which combines the advantages of gel-casting and injection molding, to achieve a non-plastic water-based slurry injection．After the study show that；all kinds of lectors which effect solidification of slurry is studied and then we can control solidification course．Internal stress of green body is also studied and large-size ceramic component can be got by adding moderator．So high performance ceramics with complex shape is manufactured by CIMC technique with high reliability，high automation and low cost．Key words：colloidal injection molding；injection molding；controllable solidification；stress；stress release agent引言随着技术的进步，高性能陶瓷以其优异的耐高温、高强度、耐磨损、耐腐蚀等性能和优点被广泛地应用于工业、国防、机械、石油、汽车、家用电器等各个领域的候选材料。
陶瓷凝胶注模成型
凝胶注模成型工艺研究夏培(天津大学材料科学与工程学院，教育部先进陶瓷与加工重点实验室，天津300072)摘要：凝胶注模成型是一种优于传统成型工艺的先进陶瓷成型方法，为净尺寸高性能复杂形状陶瓷的制备提供了有效的技术途径。
本文对陶瓷凝胶注模成型的原理、工艺、成型体系、特点等进行了简单的概论介绍,综述了目前凝胶注模成型的研究现状、存在的问题和应用情况并展望了发展趋势。
关键词：凝胶注模；研究现状；问题与展望Study on the gel-castingXIA Pei(Key Laboratory of Advanced Ceramics and Machining Technology, Ministry of Education, college of Material Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin300072, Tianjin, China)Abstract: Gel-casting process is an advanced manufacturing technology for ceramic forming, which is superior to the traditional one, and has provided an effective approach to prepare high performance net size ceramics with complicated shapes. The principles,procedures,forming system and character of gel-casting are simply discussed in this paper, moreover, the present research process,problems as well as applications are also included. Finally, the tendency of this technology is forecasted in a dialectical way.Key words: gel-casting; present research; problems and prospects1.引言随着当代科学技术的发展，国防、工业等技术领域对结构材料的要求越来越高，耐高温、耐腐蚀、高硬度和综合力学性能好的结构材料的开发和研究已经变得十分重要。
陶瓷凝胶注模成型技术
单体聚合程度越高，则固化后陶瓷坯体 强度越高。单体聚合的诱导期太短，无 法保证凝胶注模工艺所需的操作时间； 诱导期太长，则在固化过程中陶瓷浆体 容易产生沉降。这两种情况都会造成固 化后陶瓷坯体不均匀或产生缺陷。因而 研究时对单体聚合的速度、聚合程度的 测量及表征是十分重要的。
单体聚合的程度可以用单体聚合的转化率来表征。 单体聚合的转化率定义为：在某一反应时间f时， 已聚合的单体与初始单体的质量比，即 at=mt/m0 (1) 其中：at为单体聚合的转化率；mt为已聚合的单体 质量；mo为初始单体质量。在某一反应时间f时， 单体聚合速度R r可以用单体聚合转化率随时间变 化的快慢来表征，即 Rt=dat/dt
(2)单体和交联剂的稀溶液形成的凝胶应具 有一定的强度，这样才能起到原位定型的 作用，并能保证有足够的脱模强度。 (3)不影响浆料的流动性，若单体和交联剂 会降低浆料的流动性，那么高固相、低粘 度的陶瓷浆料就难以制备。
陶瓷粉末在三维网状聚合物中的 分布
丙烯酰胺单体聚合原理
凝胶注模成型工艺通常采用丙烯酰胺(AM)作 为有机单体；N,N’—亚甲基双丙烯酰胺 (methylene bisacry-lamide，MBAM)作为交 联剂 催化剂： N，N;四甲基乙二胺（TEMED）加速剂 引发剂；过硫酸铵 分散剂;聚丙烯酰胺作为通过单体自由基聚合 实现对陶瓷悬浮体的原位固化成型。
பைடு நூலகம்
悬浮颗粒的静电稳定机制
图3 位能E0逐渐减小
b)悬浮颗粒的（电）空间稳定机制
为了改善陶瓷浆料的流动性，提高浆料的固相 含量，一般需向陶瓷浆料中加入少量的高分子 聚合物作为分散剂。这一做法也是凝胶注模成 型工艺中制备高固相、低粘度陶瓷浆料的常用 方法。当颗粒表面吸附上有机聚合物后，其稳 定机制已不同于单一的静电稳定机制。这时稳 定的主要因素是聚合物吸附层，而不是双电层 的静电斥力。吸附的高聚合物层对颗粒稳定影 响有三点：
陶瓷原位凝固胶态成形基本原理及工艺过程
陶瓷原位凝固胶态成形基本原理及工艺过程陶瓷作为一种重要的结构和功能材料，被广泛应用于化工、冶金、电子、机械、航空、航天、生物等各个领域。
陶瓷材料成型是为了得到内部均匀和高密度的坯体，提高成型技术是制备高性能陶瓷材料的关键步骤。
不同形态的陶瓷粉体应用不同的成型方法。
如何选择适宜的成型方法，主要取决于对陶瓷材料的性能要求和陶瓷粉体的自身性质（如颗粒尺寸、分布、表面积），下面小编简要介绍几种陶瓷材料成型工艺。
陶瓷材料成型工艺主要分为胶态成型工艺、固体无模成型工艺、气相成型工艺等。
认识陶瓷材料成型工艺一、胶态成型工艺1、挤压成型挤压成型是指将陶瓷粉体、粘结剂、润滑剂等与水均匀混合，然后将塑性物料挤压出刚性模具即可得到管状、柱状、板状以及多孔柱状成型体。
挤压成型优点是：工艺过程简单、适合工业化生产。
缺点是：物料强度低、容易变形，并可能产生表面凹坑和起泡、开裂以及内部裂纹等缺陷。
挤压成型广泛应用于传统耐火材料如炉管、护套管以及一些电子材料的成型生产。
2、压延成型压延成型是指将陶瓷粉体、添加剂和水混合均匀，然后将塑性物料经两个相向转到滚柱压延，而成为板状素坯的成型方法。
压延法成型优点是：密度高，适于片状、板状物件的成型。
3、注射成型陶瓷注射成型是借助高分子聚合物在高温下熔融、低温下凝固的特性来进行成型的，成型之后再把高聚物脱除。
注射成型优点是：可成型形状复杂的部件，并且具有高的尺寸精度和均匀的显微结构。
缺点是：模具设计加工成本和有机物排除过程中的成本比较高。
目前，注射成型新技术主要有水溶液注射成型和气相辅助注射成型。
（1）水溶液注射成型水溶液注射成型采用水溶性的聚合物作为有机载体，很好的解决了脱脂问题。
水溶液注射成型技术优点是：自动化控制水平高，而且成本低。
（2）气体辅助注射成型气体辅助注射成型是把气体引入聚合物熔体中而使成型过程更容易进行。
适合于腐蚀性流体和高温高压下流体的陶瓷管道成型。
4、注浆成型注浆成型工艺是利用石膏模具的吸水性，将制得的陶瓷粉体浆料注入多孔质模具，由模具的气孔把浆料中的液体吸出，而在模具中留下坯体。
先进陶瓷材料胶态成型工艺研究进展
作者简介 ： 张学军 ， ７ 年 出生 ， １ ３ ９ 博士研究生 ， 主要从事陶瓷成型方面的研究工作
一
１ ６一
宇航材料工 艺 ２ ０ ０ ６年 第 １ 期
维普资讯
生产 ， 对于形状简单和轴对称几何形状产品的生产 ， 成本较传统方法高 ， 而且制造 大尺寸零件较 困难 。 因此 ， 优化工艺 ， 制备无缺陷高性能的产品是该技术
２２ 注 浆成型 （ Ｃ） ． Ｓ
高注射压力会使湿坯内产生更高的残余应力 ， 内应力在随后的热处理 中形成缺 陷， 响最终制品 影 性能 。 为此 ，Ｏ多 年 前 ， ｒ ｏｓｉ 明 了低 压 注 射 ６ Ｇｉ ｖｋ 发 ｂ 成型工艺 。Ｌ Ｉ Ｊ ＰＭ几乎与传统 Ｈ Ｉ ＰＭ相同， 主要不 同在于其注射压力为 Ｏ３ Ｏ ７Ｍ ａ而传统 Ｈ Ｉ ．５一 ． Ｐ ， ＰＭ 压力为 ７～ ０Ｍ ａ ７ Ｐ 。较低 的成型压力使成型机器和 模具有很大改变 ， 进而又形成了技术上的不同： 模具 设计 简单 、 尺寸 偏差 小 、 混合物 易排 气等优 点 。除 了 等静压 ， 其他高压工艺在成型阶段 ， 压件 中都会产生 密度变化 ， 只有低压成型坯体内无密度变化。Ｌ Ｉ ＰＭ 装置 见 图 １ 。
２ １ 注射成 型 （ Ｉ ） ． ＰＭ
２ １１ 传统高压注射成型（ ＰＭ ） ．． ＩＩ ｔ
收稿 １期 ： ０ １ ０ ； ３ ２ ４— ２— ９ 修回 日期：０ ５ ０ １ ０ ２０ — ４— １
艺简单 、 易控制等优 点成 为最常用 的脱除黏结 剂的 方法。 陶瓷注射成型多用 于小尺寸 、 复杂形状制件的
一
先进 陶瓷的快速发展引起 了人们对批量生产机 加工复杂形状制件的新成型技术方 面的兴趣 ， 在制
陶瓷材料的胶态原位成型技术
陶瓷材料的胶态原位成型技术江 昕 方 芳 陈晓明(武汉理工大学生物材料与工程研究中心 430070) 生产成本高、稳定性低和可重现性差一直都是特种陶瓷材料商业化的主要障碍,理想的解决方法就是净尺寸成形技术,在成形大型复杂零件的同时仍能保证高的产品质量。
近十年来,新发展起来的胶态原位成形技术因工艺设备简单,成本低廉,制品组分均匀,缺陷少,强度高,且易于成形复杂形状零件等优点,得到了国内外人士的关注,并已得到了大量的实际应用。
[1～3]它们是:注射成形、直接凝固注模成形和注凝成形亦称凝胶注模成形。
1 陶瓷的注射成形技术1.1 技术简介注射成形是将陶瓷粉料与热塑性树脂等有机物混练后得到混合料,在注射机上于一定温度注入模具,迅速冷凝后脱模得到坯体[4]。
工艺流程如图1所示:图1 注射成形工艺流程1.2 技术要点1.2.1 有机载体的选择在陶瓷注射成形中使用的有机载体包括粘接剂、增塑剂、润滑剂等[5],其选择原则主要考虑以下4点:①体系内相容性;②注射悬浮体流变学特性;③脱模性与生坯强度;④脱脂特性。
通常有机载体与陶瓷粉体混练后的结合强度主要取决于热塑性树脂高聚物,脱脂特性亦可由耐热性好的高聚物调节;可塑剂和润滑剂则可改善体系流动性及脱模性能;表面活性剂具有综合调节作用。
基于上述分析有机载体的选择可在如图2(a )、(b )所示的两类四面体中进行:(a ) (b )A -成形性良好的结合剂B -脱脂性良好的结合剂C -增塑剂D -润滑剂 M -增塑剂+润滑剂N -表面活性剂图2 有机载体选择的两类四面体1.2.2 注射过程从熔体注射充模冷凝形成坯体的过程分析,坯体内产生的应力包括两种,即温度应力和成形应力。
对异形、大尺寸坯体的注射参数和充模过程的研究表明,过高的注射压力和注射温度使坯体内产生较大的成形应力和温度应力,增加了坯体变形和开裂的危险性[5～6]。
1.2.3 脱脂过程对于陶瓷注射成形加入的大量有机载体,烧结前必须将其排除,即进行脱脂。
陶瓷成型工艺流程
陶瓷成型工艺流程
《陶瓷成型工艺流程》
陶瓷成型工艺是指将原料经过一系列的加工工序，最终成为陶瓷制品的过程。
其中，成型工艺是整个陶瓷制作过程中的重要一环，直接影响着陶瓷制品的成型质量和外观。
首先，成型工艺的第一步是原料的准备。
一般陶瓷的原料包括粘土、石英砂、长石等，这些原料要经过混合、过筛等工序，确保原料的均匀性和杂质的去除。
接下来是成型工艺的制胚工序。
这一步通常包括挤压成型、注塑成型、手工成型等工艺。
其中，挤压成型是利用成型机将原料挤压成一定形状的坯体，注塑成型是将原料注入成型模具中进行成型，而手工成型则是通过手工操作将原料成型为所需的形状。
不同的成型方式会直接影响到陶瓷制品的成型质量和成本。
成型工艺的下一步是干燥工序。
这一步是为了将成型后的坯体中的水分蒸发干净，使得坯体可以进一步进行烧制工序。
通常会采用自然晾晒或者利用烘干设备进行干燥处理。
最后，成型工艺的最后一步是修整工序。
这一步包括修整坯体表面、刻花、打磨等工序，使得坯体表面更加光滑，符合设计要求。
总的来说，《陶瓷成型工艺流程》是一个包括原料准备、制胚、
干燥和修整工序的系统工艺流程。
通过严谨的工艺流程和精细的操作，可以制作出高质量的陶瓷制品。
胶态成型的工艺和原理
胶态成型的工艺和原理
胶态成型是一种材料加工技术，其工艺和原理如下：
1. 工艺：将陶瓷粉体、溶剂、粘接剂、增塑剂的混合浆料通过刮刀浇筑在一个平面基体上，均匀铺展、溶剂挥发后，形成具有一定强度和柔韧性的陶瓷坯片（生片）。
2. 原理：胶态成型利用浆料的流变学性质，在一定条件下使浆料形成稳定的悬浮体系或黏弹性胶体，再通过固化或干燥过程实现成型。
这种工艺可以使材料在分子尺度上重新排列，以达到制备高性能、高精度、高一致性产品的目的。
在胶态成型中，浆料的流变特性对成型过程和产品质量有重要影响。
了解和控制这些因素，可以提高产品性能和减少生产成本。
以上内容仅供参考，建议查阅胶态成型相关书籍获取更多专业信息。
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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。
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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
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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。
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• 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。
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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
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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
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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。
N,N1,N'1,N'----四甲基乙二胺(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，
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
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就是其分散效果在变化。
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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。
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凝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
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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%。
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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。
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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。
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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。
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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
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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。
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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，
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为了保证成型坯体的原位凝固，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。
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增大，重新 恢复分散功能，这说明溶剂的干燥或排除 不能使用升温的办法。