氧化铝陶瓷凝胶注模成型
氧化铝陶瓷凝胶注模成型
摘要:
随着现代陶瓷材料制备工艺与技术的不断创新,其在宇航、电子、精密仪器、汽车等领域的应用日益广泛。对陶瓷材料的要求除了其特有的使用性能外,尺寸精度要求也显得十分重要。陶瓷材料的硬度高、耐磨性好是其突出的优异性能之一,但同时也带来陶瓷材料烧结后很难进行机加工,复杂形状的陶瓷制品这一问题则更为突出,既影响生产效率又增加生产成本,故人们一直在寻找新的陶瓷成型方法。凝胶注模成型工艺是九十年代以来出现的一种新的胶态成型技术,是美国橡树岭国家实验室Mark A J anney 教授等人首先发明的。它是传统注浆工艺与有机高聚物的完美结合,它将高分子化学单体聚合的方法灵活地引入到陶瓷的成型工艺中,通过制备低粘度高固相体积分数的浓悬浮体,可净尺寸成型复杂形状的陶瓷部件,从而获得高密度、高强度、均匀性好的陶瓷坯体[1 - 3 ] 。这一方法诞生以来即刻受到陶瓷材料科技工作者的广泛关注,围绕这一思路,人们不断进行研究和探索,完善和改进工艺[4 - 8 ] 。凝胶注模成型工艺的关键之处是制备高固相体积分数而流动性良好的浆料,本研究探讨了陶瓷凝胶注模成型的机理和特点,研究了固相体积含量、p H 值、分散剂等对制备低粘度、高固相体积含量的氧化铝陶瓷悬浮液的影响。实验结果表明,固相体积分数为55 % ,浆料的粘度可以满足注模的需要时坯体抗弯强度可达30MPa 。控制p H 值为9 左右,加入8 %(质量分数)
的PMAA2NH4 分散剂,可制得粘度低、流动性好适宜于复杂形状制品注模的陶瓷浆料。
1 凝胶注模成型机理及特点
凝胶注模成型是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。通过在高固相体积含量的陶瓷粉末悬浮液中加入可聚合有机单体,在引发剂和催化剂的作用下,陶瓷浆料浇注后有机单体发生原位聚合反应,不久聚合凝固成陶瓷坯体[9 ] 。凝胶注模成型是一种实用性很强的技术,它具有以下几个显著特点:
(1) 适用于不水解或不与水作用的陶瓷粉体,可成型各种复杂形状和尺寸的陶瓷
(2) 由于定型过程和注模操作是完全分离的,定型是靠浆料中有机单体原位聚合形成交链网状结构的凝胶体来实现的,所以成型坯体组分均匀、密度均匀、缺陷少。
(3) 浆料的凝固定型时间可根据聚合温度或催化剂的加入量不同来控制,凝固定型时间一般可控制在5～60min 。
(4) 使用的模具不需要吸水性和承受压力等要求,可以是金属、玻璃或塑料等。
(5) 坯体中有机物含量较小,其质量分数一般为3 %～5 %。但坯体强度高,一般弯曲强度10MPa以上。
(6) 这是一种净尺寸成型技术。由于坯体的组分和密度均匀,因而在干燥和烧结过程中收缩均匀不会变形,烧结体可保持成型时的形状和尺寸比例。
凝胶注模成型的显著优点在于成型坯体具有较高的强度,可直接进行机加工。成型的关键取决于所制备浆料的粘度,在确定的固相含量下,粘度越低越有利于成型操作。在悬浮体固化之前,有机物为单分子状态,对悬浮体的粘度影响不大,当丙烯酰胺有机单体聚合形成大分子之后,将陶瓷颗粒粘连在一起,使悬浮体的粘度剧增,从而在原位凝固成型。在干燥前水分占
据了颗粒间孔隙的位置,水分在干燥过程中排出,剩余的有机物将颗粒连接起来,从而保证了坯体的高强度,这克服了其他成型方法大量使用有机物的缺点。
2 实验
2. 1 实验原料
陶瓷粉末: 选用目前工程陶瓷生产量最大的Al2O3 粉料,并加入占陶瓷粉末质量3 %的烧结助剂(CaCO3 ,MgCO3 等) ;有机单体:丙烯酰胺(CH3 CON H2 简称AM) ;交联剂:N ,N′2 亚甲基双丙烯酰胺(C7 H10 N2O2 简称MBAM) ;催化剂:四甲基乙二胺(C6 H16N2简称TEMED) ;引发剂:过硫酸铵( (N H4 ) 2 S2O8 简称APS) ;分散剂:聚丙烯酸铵(PMAA2N H4 ) ;p H 值调节剂:N H3 ·H2O。
2. 2 实验方法
将有机单体丙烯酰胺、交联剂亚甲基双丙烯酰胺混合得到预混液,加入分散剂,和Al2O3 陶瓷粉末一起球磨后得到高固相低粘度的浆料,加入催化剂四甲基乙二胺和引发剂过硫酸铵,搅拌后注入模具,60 ℃下浆料固化形成凝胶,脱模后干燥脱胶,烧结致密化后即得到所需的陶瓷坯体。其工艺过程见图1[10 ] 。
图1 凝胶注模工艺流程
2. 3 性能表征
采用珠海OMEC 仪器公司生产的LS800 激光粒度分析仪测得氧化铝颗粒平均粒径为3. 2μm ;浆料球磨采用南京大学仪器厂生产的QM2BP 行星球磨机; 浆料粘度测定采用成都仪器厂生产的NXS211 型旋转粘度计;采用长春试验机研究所CSS244100 材料试验机测定成型坯体抗弯强度,在固相体积分数为55 % 时抗弯强度为30MPa 。坯体的显微结构观察采用上海光电研究所生产的DXS10R 型电子扫描显微镜,差热分析采用上海分析仪器厂生产的CDR24 型差热分析仪。图2a
为凝胶注模后的显微结构,从图中可见颗粒周围有明显的有机粘连物, 且分布均匀。图2b 为550 ℃煅烧脱胶后的显微结构,从图中可见经550 ℃煅烧后有机物已全部排除,这从本实验所做的差热分析中得到验证, 脱胶的放热峰起始于250 ℃,
结束于450 ℃,这与有些报导略有差异[11 ] ,估计与所选择的升温速度有关。
图2 凝胶注模后(a) 和550 ℃脱胶后(b) 坯体显微结构
3 分析与讨论
3. 1 固相含量对浆料粘度的影响
固相含量与粘度是一对相对立的矛盾,固相含量高,有利于脱胶和减少烧成收缩,但提高了固相含量,粘度会随之增大,不利于注模成型。而且,粘度过大,会使陶瓷浆料内的气泡不易排除,增大了坯体内的气孔率,使陶瓷的力学性能下降。由流体流变学可知,悬浮体的粘度随着悬浮体中固相体积分数的增加而增加。图3 为实验中固相含量与粘度的关系曲线,随着氧化铝体积分数的增加, 浆料粘度逐渐增大,当固相含量超过体积分数55 %时,粘度上升剧烈,这一趋势基本符合流体流变学规律。产生这一现象的原因是由于固相含量的增加,分散相相应减少,颗粒靠拢,颗粒之间作用力增强,趋于团聚。因此认为浆料组成中固相体积分数为55 %较为理想[12
图3 固相含量与浆料粘度的关系
3. 2 pH值对料浆粘度的影响
根据胶体化学,液相中颗粒之间相互作用力是范德华力和双电层排斥力,范德华力使颗粒相互吸引而团聚,双电层排斥力则阻碍其团聚。p H 值对料浆粘度的影响实质上反应在对颗粒表面的Zeta 电位的影响上,p H 值在5 附近时,其粒径为3μm 左右的Al2O3 颗粒的表面范德华力的作用使得颗粒呈团聚状态,料浆的粘度较高。随着p H 值的增加,颗粒表面的电位随着增加,当p H 值达到9 左右时,其表面电位接近于等电位点,静电斥力很小,颗粒间Zeta 电位达到最大值,此时颗粒间的静电作用最强,固体颗粒分散均匀,流动性好,粘度较低,料浆处于相对稳定状态[13 ] 。实验所观察到的料浆的粘度与p H 值的关系验证了这一点,如图4 所示。从图4 中可见, p H 值等于9 时粘度较小,并随p H 继续增大而有所下降,但下降幅度不大,并逐步趋于平衡,此时浆料处于比较均匀的分散状态。所以需要加入p H
值调节剂调整浆料在碱性范围,以便获得良好流动性的浆料。
图4 p H 值与浆料粘度的关系
3. 3 分散剂对浆料粘度的影响
为提高浆料固相含量并降低粘度,在浆料中加入分散剂聚丙烯酸铵(PMAA2N H4 )
有着显著的作用,图5 表明了不同浓度分散剂对粘度的影响关系。分散剂PMAA2N H4 对粘度的影响作用主要是其电离生成N H4 + 和酸根离子,Al2O3
颗粒表面吸附一层有机电解质,双电层变厚,颗粒表面电荷增多,浆料趋于稳定。由图5 可见, PMAA2N H4 浓度为8 %(质量分数) 时效果较佳,这时固体颗粒表面刚好覆盖一层电解质形成单层吸附,粘度最低。分散剂过多,多层吸附使颗粒表面极性改变,影响浆料性能[14 ] 。
图5 分散剂浓度与浆料粘度的关系
4 结论
(1) 氧化铝凝胶注模成型过程中,提高固相含量有利于提高陶瓷坯体和烧结体的综合性能。研究发现固相体积分数小于50 % ,成型后坯体收缩较大。处于50 %～60 %时,坯体强度变化并不大,但浆料粘度变化很大。当固相体积含量大于55 %时浆料粘度急剧上升,不利于复杂形状成形。综合各种因素固相体积含量选择在55 %时较为适宜。
(2) 调节p H 值远离等电位点,选择在p H 为9 左右时有利于降低浆料粘度,提高浆料流动性。p H 值超过9 ,粘度下降不明显,且对模具有腐蚀作用。
(3) 分散剂聚丙烯酸铵的加入,对降低浆料粘度有明显作用,调节其浓度在8 %时浆料性能最好。
参考文献
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利用光固化快速成形技术和凝胶注模工艺制备变周期电磁晶体
《电加工与模具》２０１１年第４期 ＲＰ特辑
利用光固化快速成形技术和凝胶注模工艺
制备变周期电磁晶体
袁智慧 ，李涤尘 ，田小永 ，胡亚文 ，代 伟 ，汪 宏
（１．西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室，陕西西安７１００４９；
２．西安交通大学电子材料研究所，陕西西安７１００４９）
摘要：提出了一种光固化快速成形技术及凝胶注模工艺制备变周期电磁带隙晶体的工艺路线。
结构材料是氧化铝陶瓷。研究了该工艺制备得到的电磁带隙晶体的微观形貌，及其在８～１３ ＧＨｚ
微波段的带隙特性，并对比了不同比例拉伸后的变周期结构和标准结构的微波带隙特征。测试结
果发现，与同等外形结构尺寸的周期性结构相比，变周期金刚石ＥＢＧ结构的带隙特性呈现了规律
性的变化。
关键词：电磁带隙结构；光子晶体；变周期结构；光固化；凝胶注模工艺
中图分类号：ＴＧ６６９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９—２７９Ｘ（２０１１）０４—００４８—０４
Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｐｅｒｉｏｄ－－ｖａｒｙｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｂａｎｄ・－ｇａｐ
Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｕｓｉｎｇ Ｓｔｅｒｅｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ ａｎｄ Ｇｅｌ—ｃａｓｔｉｎｇ
Ｙｕａｎ Ｚｈｉｈｕｉ ，Ｌｉ Ｄｉｃｈｅｎ ，Ｔｉａｎ Ｘｉａｏｙｏｎｇ ，Ｈｕ Ｙａｗｅｎ ，Ｄａｉ Ｗｅｉ ，Ｗａｎｇ Ｈｏｎｇ
（１，２．Ｘｉ’ａｎ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００４９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｏ ｆａｂｒｉｃａｔｅ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｃｒｙｓｔａｌｓ ｕｓｉｎｇ ｓｔｅｒｅｏ—
ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ（ＳＬ）ａｎｄ ｇｅｌｃａｓｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｃｒｙｓｔａｌｓ ｗｅｒｅ ｍａｄｅ ｆｒｏｍ ａｌｕｍｉｎａ—ｓｌｕｒｒｙ
结构陶瓷的新型凝胶注模成型技术研究与进展
第３２卷第２期 ２０１１年６月 《陶瓷学报》 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＣＥＲＡＭＩＣＳ ＶＯ１．３２．Ｎｏ．２ Ｊｕｎ．２０１１
文章编号：１０００－２２７８（２０１１）０２—０３１２—０８
结构陶瓷的新型凝胶注模成型技术研究与进展
谢志鹏 薄铁柱
（１．清华大学材料科学与工程系，北京１０００００；２．北京科技大学材料学院，北京１０００００）
摘要 凝胶注模成型是一种先进的陶瓷成型方法，为高性能复杂形状陶瓷的制备提供了有效的技术途径。凝胶注模常用的体系为丙 烯酰胺，但由于丙烯酰胺单体具有神经毒性，因此限制了其应用范围。近十余年来无毒体系凝胶注模成型技术受到了国内外学者 的广泛重视。本文综述了无毒性凝胶大分子的种类，凝胶成型的基本原理、工艺过程及国内外最新研究成果。这种无毒性凝胶体系 具有环境友好、有机物含量少、坯体均匀等优点，将成为今后凝胶注模成型发展的一个重要方向。 关键词结构陶瓷；凝胶注模；成型技术；无毒凝胶体系 中图分类号：ＴＱ１７４．７５文献标识码：Ａ
０前言
通常所指的凝胶注模成型（Ｇｅｌ—ｃａｓｔｉｎｇ）是美国
橡树岭国家实验室ＭＡＪａｎｎｅｙ和Ｏ．Ｏ．Ｏｍａｔｅｔｅ等人Ⅱ－２１
于九十年代初提出的。是在丙烯酰胺单体和Ｎ，Ｎ一
亚甲基双丙烯酰胺（交联剂）的混合溶液中加入陶瓷
粉体（氧化铝或氮化硅）制备出悬浮体，然后再引入
过硫酸铵（引发剂）和Ｎ，Ｎ，Ｎ，Ｎ一四甲基乙二胺（催化
剂），从而使有机单体产生聚合及交联反应而导致凝
胶化，使陶瓷悬浮体固化成型，制备出形状复杂的陶
瓷部件。
虽然这种凝胶注模成型具有许多优点，如工艺
简便，成形快捷，坏体的强度高，但是也有一些明显
不足的方面：一是成型与干燥过程中可能产生气泡
和裂纹等缺陷，另一方面是有机单体的毒性问题。因
为目前国内外应用最多的是丙烯酰胺体系具有一定
的毒性，不利于人体健康和环境保护。尽管后来Ｍ． Ａ．Ｊａｎｎｅｙ和Ｏ．Ｏ．Ｏｍａｔｅｅ｜３）开发了一系列的低毒体
聚乙烯醇对注凝成型氧化铝悬浮体性能的影响
第３１卷第１０期 四川兵工学报 ２０１０年ｌ０月
【武器装备】
聚乙烯醇对注凝成型氧化铝悬浮体性能的影响
易中周，张宏伟，翟凤瑞，王全彪
（红河学院理学院，云南蒙自６６１１００）
摘要：研究了聚乙烯醇对注凝成型氧化铝陶瓷悬浮体的分散性、流变行为、动态粘弹固化特性，以及坯体抗弯强
度的影响。实验表明，添加了１．５ｗｔ％聚乙烯醇对氧化铝粉料的分散性和流变性影响甚微，且能够有效地消除坯 体表面的脱粉现象；其悬浮体的固化速率和成型的坯体强度与丙烯酰胺单一体系相比明显降低，但足以满足坯
体机加工要求。
关键词：聚乙烯醇；氧化铝；分散性；流变行为
中图分类号：ＴＱ１３３．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６—０７０７（２０１０）１０—００６１—０３
注凝成型技术是２０世纪９０年代初由美国橡树岭国家
重点实验室发明的一种陶瓷材料近净尺寸湿法成型技术。
该方法是利用在陶瓷粉悬浮体中的有机单体通过自由基 交联聚合形成复杂的凝胶三维网状结构，从而使陶瓷粉体
原位固化成型。它将高分子单体聚合的方法灵活地引入 到陶瓷成型工艺中，通过制备低黏度、高固相含量的陶瓷
料浆来实现近净尺寸、高强度、高密度的陶瓷坯体 Ｉ２ 。 因此该方法是聚合物化学和注浆成型的结合体。这就不
可避免地会遇到空气中自由基聚合的氧阻聚问题，在凝胶 注模成型过程中表现为成型的坯体表面有脱粉现象。为
了避免氧阻聚而造成的坯体表面脱粉现象，陶瓷浆料固化
通常是在氮气保护下进行的。然而在工业生产中，在氮气 保护下不仅较难操作，而且增加了花费成本 。本文着 重研究了聚乙烯醇（ＰＶＡ）对注凝成型氧化铝陶瓷悬浮体
的分散性、流变行为、动态粘弹固化特性，以及坯体抗弯强
度的影响。尝试在原有凝胶注模成型常用的丙烯酰胺体 系的基础上增加一种新的水溶性聚合物聚乙烯醇组分，形 成了～种新型的聚合物／单体共存的的凝胶注模成型体
系，以此来消除空气中凝胶注模成型的坯体表面脱粉 现象。
氧化铝陶瓷干压工艺技术
氧化铝陶瓷干压工艺技术
氧化铝陶瓷是一种常见的高温耐磨材料，具有优异的物理性能和化学稳定性，广泛应用于工业生产中的高温环境。氧化铝陶瓷干压工艺技术是制备氧化铝陶瓷产品的一种常用方法，它具有工艺简单、成本低廉等优点。
氧化铝陶瓷干压工艺技术主要包括原料配制、研磨、干压成型、烧结等步骤。首先需要按照一定的配方，将氧化铝和一定比例的添加剂混合均匀。添加剂的作用主要是增强氧化铝陶瓷的硬度和强度，并改善其物理性能。混合后的粉末需要进行研磨处理，以获得更细小均匀的颗粒，提高陶瓷材料的致密度。
在干压成型过程中，需将研磨后的氧化铝粉末放入成型模具中，并利用压力将其固定在一定形状的陶瓷模具中。通常情况下，压力可达几十至几百兆帕（MPa），以保证成型制品的强度与致密性。干压成型的优点是成型速度快、精度高，适用于制作各种规格和形状的氧化铝陶瓷产品。
成型后的氧化铝陶瓷产品需要进行烧结处理，以增强其物理性能和化学稳定性。烧结温度通常在1500℃-1800℃之间，烧结时间和温度是影响陶瓷产品致密度和晶粒尺寸的重要因素。在烧结过程中，氧化铝粉末会发生晶界扩散和再结晶现象，晶粒尺寸逐渐增大，形成致密的陶瓷材料。
在氧化铝陶瓷干压工艺技术中，还可采用添加剂掺杂、减压烧结等方法，来改善陶瓷产品的物理性能。添加剂掺杂可以提高陶瓷的硬度、强度和高温抗氧化性能；减压烧结则可以降低成型温度，并提高陶瓷材料的致密度和强度。
总之，氧化铝陶瓷干压工艺技术是一种制备氧化铝陶瓷产品的常用方法，具有工艺简单、成本低廉等优点。通过适当的原料配制、研磨、干压成型和烧结处理，可以获得高致密度、高硬度、高强度和优异的物理性能的氧化铝陶瓷产品。
高铝瓷
氧化铝陶瓷的制备及其应用
摘要：以Al2O3--SiO2为主要成分，同时含有一定量的Ba、Ca、Zr、Mg等矿化剂的氧化物陶瓷属于高铝瓷。其中Al2O3的含量应在45%---99%。本文简要介绍氧化铝陶瓷的制备及其应用。
关键词：氧化铝陶瓷
正文（制备，表征，应用）
氧化铝陶瓷是一种以氧化铝（Al2O3）为主体的陶瓷材料。氧化铝陶瓷有较好的传导性、机械强度和耐高温性。氧化铝陶瓷是一种用途广泛的陶瓷，因为其优越的性能，在现代社会的应用已经越来越广泛，满足于日用和特殊性能的需要。
氧化铝陶瓷分为高纯型与普通型两种。
高纯型氧化铝陶瓷系Al2O3含量在99．9%以上的陶瓷材料，由于其烧结温度高达1650—1990℃，透射波长为1～6μm，一般制成熔融玻璃以取代铂坩埚；利用其透光性及可耐碱金属腐蚀性用作钠灯管；在电子工业中可用作集成电路基板与高频绝缘材料。
普通型氧化铝陶瓷系按Al2O3含量不同分为99瓷、95瓷、90瓷、85瓷等品种，有时Al2O3含量在80%或75%者也划为普通氧化铝陶瓷系列。其中99氧化铝瓷材料用于制作高温坩埚、耐火炉管及特殊耐磨材料，如陶瓷轴承、陶瓷密封件及水阀片等；95氧化铝瓷主要用作耐腐蚀、耐磨部件；85瓷中由于常掺入部分滑石，提高了电性能与机械强度，可与钼、铌、钽等金属封接，有的用作电真空装置器件。
氧化铝陶瓷制备
1粉体制备
将入厂的氧化铝粉按照不同的产品要求与不同成型工艺制备成粉体材料。粉体粒度在1μm以下，若制造高纯氧化铝陶瓷制品除氧化铝纯度在99．99%外，还需超细粉碎且使其粒径分布均匀。采用挤压成型或注射成型时，粉料中需引入粘结剂与可塑剂，一般为重量比在10－30%的热塑性塑胶或树脂?有机粘结剂应与氧化铝粉体在150－200温度下均匀混合，以利于成型操作。采用热压工艺成型的粉体原料则不需加入粘结剂。若采用半自动或全自动干压成型，对粉体有特别的工艺要求，需要采用喷雾造粒法对粉体进行处理、使其呈现圆球状，以利于提高粉体流动性便于成型中自动充填模壁。此外，为减少粉料与模壁的摩擦，还需添加1～2%的润滑剂，如硬脂酸，及粘结剂PVA。
直接凝胶凝固成型SiC(M,Y)—Al2O3复合陶瓷材料的研究(Ⅱ)基本原理及工艺过程研究
第招卷第１期 ２Ｏ０２年２月 中国陶瓷 ＣＨＩＮＡ ＣＥＲＡＭＩＣＳ Ｖｄ ３８ Ｎｏ ∞２
直接凝胶凝固成型ＳｉＣ（Ｍ，Ｙ）一ＡＩ２Ｏ３复合陶瓷材料的研究
（Ⅱ）基本原理及工艺过程研究
张存满，徐政
（同济大学材料科学与工程学院，上海２０００９２）
摘要：本文研究了一种新的陶瓷原位凝固成型技术（直接凝肢凝固成型）的基本原理和工艺过程，找出了
影响成型工艺的基本因素，并且利用该成型技术制备出强度和密度较高，且密度均匀性好的坯体
关键词：直接凝胶凝固成型；高面相含量；原位固化；结构可靠性
中图分类号：ＴＱ１７４．７５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—９６４２｛２００２）０１一Ｏ０Ｏ４—０３
１前言
随着工程陶瓷材料使用范围的拓展，对工程陶瓷材
料的性能提出了越来越高的要求，例如在高温、动态环
境下使用的工程陶瓷透平转子，要求在１０００屯的工作
温度中使用，不仅要求转子的强度、韧性、抗氧化性能优
良，而且对其结构可靠性提出了更高的要求，而且后者
制约着它的使用前景 ］Ｊ。为了适应高性能陶瓷材料的
发展趋势，许多科技工作者已着手从不同角度进行研
究。其中成型技术被优先发展。由于使用高固相含量
的浆料制备陶瓷部件的胶态成型法可以制备出复杂形
状、高结构可靠性的陶瓷部件，因此，胶态成型的研究是
近些年来陶瓷成型技术中一个很活跃的研究领域。随
之发展起了凝胶注模成型（刚ｃａｓｔｉｎｇ）、胶态振动成型
（，４ｂｒａｔｌｎｇ ｃａｓｔｉｎｇ）、低温凝聚成型（ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎｄｕｃＭ
ｆｌｏｃｃｕｌａｔｉｏｎ）、直接凝固注模成型（ｄｉｒｅｃｔ ｃｏａｇｕｌａｔｉｏｎ ｃａｓ【－
，ｉ）ｃｃ）Ｉ２１］ 以及本课题在前人研究的基础上研制的
直接凝胶凝固成型（ｄｉｒｅｃｔ删ｃｏａｇｕｌａｔｉｏｎ ｃａｓｔｉｎｇ．ＤＧｃｃ）。
因为除了材料性能的要求外，其制备成本也是制约其发
展的重要因素，而使用ＤＣＣＣ成型技术不但制备出的制
氧化铝陶瓷基片成型及加工工艺的研究——浓悬浮体的制备
科技信息 博士・专家论坛
萄化铝陶瓷基片成型及加工工艺硇研究
——浓悬浮体的制备
河北理工大学信息学院 张占新
［摘要］在料浆的制备过程中，研究了料浆的固相含量、ｐＨ值、分散荆等因素对料浆的性能影响。结果表明，在ｐＨ值约为９时，有
机单体占陶瓷粉体的４ｗｔ％，料浆分散性和稳定性最好；在此基础上，研究了固相含量对悬浮液流变性的影响，制备了固相含量高达
５４ｖｏ１％的分散性和稳定性好的浓悬浮体，完全满足胶冻成型的要求。
［关键词］氧化铝陶瓷胶冻成型 浓悬浮体分散性
氧化铝陶瓷基片ｆ 嚏电子信息产业广泛应用的基础材料，其生产的
关键技术是高质量坯片的成型。国内外工业生产大多采用轧膜法、热压
铸法和有机料浆流延法等方法制备，普遍存在设备投资大、原材料成本
高和环境污染大的问题！ 。所以，对氧化铝陶瓷基片的成型及加工工艺
的研究具有十分重要的意义。１９９０年由美国橡树岭国家实验室首先发
明的凝胶注模成型１５－６１技术克服了传统成型工艺存在的坯体密度低、均
匀性差、强度低、烧成变形大等缺点，具有工艺简单、成型周期短、成本
低等诸多优越性。陶瓷粉浓悬浮体料浆１７１的制备是胶冻成型技术的重要
工艺，本文重点研究了浓悬浮体料浆的制备，得到了主要的技术参数和
合适的原料、添加剂比例。
１．实验
胶冻成型技术路线如图１所示。主要工艺：首先利用水、分散剂、有
机单体、交联剂、陶瓷粉体制备浓悬浮体料浆；接着加人引发剂、催化
剂、除泡剂注模并干燥切片；最后烧结成型。其中制备高固相含量，分散
性和稳定性很好的浓悬浮体料浆是浇注成型进而得到高性能氧化铝陶
瓷基片的前提条件。
图ｌ工艺流程图
１．１原料与实验设备
本实验的主要原料是ｄ—ＡＩ２０ 一ＡＩ２０，粉由ｄ—Ａ１ 块粉碎，过１２０
目筛，筛分得到，平均粒径２ ｍ。实验设备主要包括ＤＴ一１００型光电天
平，ＱＭ一１ＳＰ行星式球磨机，粘度计。
１．２稳定料浆的制备
本实验参照凝胶注模成型嘴出的添加剂的最佳加入量进行添加：
氧化铝陶瓷基板加工制作工艺流程和成型办法
氧化铝陶瓷基板加工制作工艺流程和成型办法
首先，进行原料准备。原料主要由氧化铝粉体和一定比例的添加剂组成，添加剂主要是为了提高材料的可塑性和成型性。原料应选择纯度高、粒度均匀的粉体。
然后，制备浆料。将原料粉体与添加剂混合均匀，加入适量的有机溶剂和分散剂，搅拌混合成浆料。浆料的浓度和粘度需要根据具体的制品要求进行调整。
接下来，制备基板。将浆料倒入模具中，然后通过振动或压制的方式使浆料均匀分布于模具内部。可根据需要进行多次振动或压制，确保浆料充分填充模具，并除去气泡。
然后，进行成型。常见的成型办法包括注塑成型、挤出成型和压制成型等。注塑成型是将浆料通过压力注入到模具中，挤出成型是将浆料通过模具中的模头挤压出来，压制成型则是通过使浆料受到一定压力而成形。
接下来，进行干燥。经过成型的基板需要进行干燥处理，以去除大部分有机溶剂和水分。常见的干燥方式有自然干燥、温度慢升干燥和烘箱干燥等。干燥过程需要逐渐升高温度，以避免因温度升高过快而导致基板破裂。
最后，进行烧结。烧结是一种高温处理过程，目的是将基板中的有机物彻底烧掉，使基板成为致密的陶瓷。烧结温度和时间需要根据具体材料进行调控，一般情况下烧结温度在1500~1800摄氏度之间。
综上所述，氧化铝陶瓷基板的加工制作工艺流程主要包括原料准备、制备浆料、制备基板、成型、干燥和烧结等步骤。通过科学的工艺流程和合理的成型办法，可以制作出优质的氧化铝陶瓷基板。
水溶性环氧树脂的氧化锆陶瓷凝胶注模成型
水溶性环氧树脂的氧化锆陶瓷凝胶注模成型
王亚丽;尹乒;赵蕊;雷霆;王长明
【摘 要】用分散剂聚丙烯酸铵(NH4PAA)和海因环氧树脂与ZrO2粉末以及去离子水混合成ZrO2陶瓷浆料,采用凝胶注模法制备ZrO2陶瓷坯体,在1500℃无压烧结后获得ZrO2陶瓷材料,研究浆料的流变性能,并分析分散剂加入量、固相含量和烧结温度对凝胶注模ZrO2陶瓷生坯和烧结体组织与性能的影响.结果表明,当分散剂(NH4PAA)和海因环氧树脂的添加量(均为质量分数)分别为0.8%和8%,固相ZrO2的体积分数为50%时,获得黏度为0.46 Pa/s的适合浇注的ZrO2陶瓷浆料,所得的陶瓷生坯表面光洁、不起皮、不开裂,强度达61.05 MPa,经过1500℃烧结后的ZrO2陶瓷抗弯强度为672.52MPa,相对密度达98.26%,其结构均匀、致密性好,以四方相t-ZrO2为主.
【期刊名称】《粉末冶金材料科学与工程》
【年(卷),期】2017(022)002
【总页数】8页(P228-235)
【关键词】ZrO2陶瓷;凝胶注模;水溶性环氧树脂;凝胶剂;流变性
【作 者】王亚丽;尹乒;赵蕊;雷霆;王长明
【作者单位】中南大学粉末冶金国家重点实验室,长沙 410083;中南大学湘雅医院,长沙 410008;中南大学粉末冶金国家重点实验室,长沙 410083;中南大学粉末冶金国家重点实验室,长沙 410083;东莞劲胜精密组件股份有限公司,东莞 523878
【正文语种】中 文 【中图分类】TQ174
20世纪90年代初，美国橡树岭国家重点实验室的JANNY和OMATETE教授发明了陶瓷材料的凝胶注模(gel-casting)成型技术[1−3]，该技术作为一种独具特色又极具前景的新型陶瓷成型工艺而受到广泛关注，能得到组织均匀、高密度、高强度和净尺寸的坯体材料。凝胶注模通常采用非水基和水基2种凝胶体系，出于绿色和环保的考虑，非水基凝胶体系已逐步被水基凝胶体系所取代。普遍使用的水基凝胶体系为丙烯酸酯体系和丙烯酰胺体系，而丙烯酸酯类单体在水中的溶解度偏低，丙烯酰胺凝胶体系毒性大，因此这2种体系都无法满足工业化应用的需求。氧化锆陶瓷具有高强度、高硬度、高弹性模量和化学稳定性好等优良性能，在催化剂、高温固态燃料电池和耐火材料以及生物材料等方面都有广泛的应用前景。对ZrO2凝胶注模成型的研究以丙烯酰胺凝胶体系居多，而丙烯酰胺凝胶体系毒性大，并且ZrO2陶瓷粉末的分散性差，难以形成流动性较好的浆料。近年来，有人利用天然大分子在物理或化学变化时形成的凝胶进行陶瓷凝胶注模成型，如ADOLFSSON等[4]利用琼脂糖制备ZrO2陶瓷，CHEN等[5]利用明胶制备出强度为8 MPa的氧化铝陶瓷生坯，BENGISU等[6]采用壳聚糖注凝成型氧化锆和氧化铝陶瓷，ERIK[7]采用无毒的琼脂凝胶注模成型ZrO2陶瓷。上述方法得到的成型坯体强度均不高。GREGOROVA 等[8]采用菜胶注凝成型ZrO2陶瓷，固相的体积分数不到30%。董满江等[9−13]将水溶性环氧树脂应用于ZrO2和SiC的凝胶浇注成型，ZrO2浆料的固相体积分数高达53.7%。海因环氧树脂作为水溶性环氧树脂的一种，具有毒性低、成本低、水溶性好和强度高等优点，用于结构陶瓷的凝胶注模成型有较好的应用前景。XIE等[14]采用海因环氧树脂体系，获得强度高达43.4 MPa的氧化铝陶瓷生坯，赵阳等[15]采用相同体系制备出强度高达77.8 MPa的锆钛酸铅压电陶瓷。而利用海因环氧树脂制备氧化锆陶瓷的研究还很少，因此，本文选用低分子量的聚丙烯酸铵(NH4PAA)为分散剂，水溶性海因环氧树脂作为凝胶剂，3，3-二氨基二丙胺(DPTA)为固化剂，通过ZrO2－海因环氧树脂体系的凝胶注模成型及无压烧结制备氧化锆陶瓷，研究分散剂含量和固相含量对浆料的流变性能以及生坯与烧结样品性能的影响，对于采用无毒凝胶注模成型工艺制备性能优良的ZrO2陶瓷具有重要的指导意义。
氧化铝陶瓷凝胶注模成型
氧化铝陶瓷凝胶注模成型
(辽宁科技大学装备制造学院无机非金属材料工程2010级1班 王聪)
摘要
氧化铝陶瓷尤其是工程陶瓷不仅是国民经济发展的重要材料，同时长期以来
也是高附加值产品。从近半个世纪陶瓷研究的发展来看，陶瓷研究热点经历了从
烧结到粉体，直到近来的成型技术。凝胶注模成型是胶态成型的一种，由陶瓷粉
体和水基单体溶液组成的浆料注入模具，原位聚合固化粉体成胶体，在未干燥之
前脱模，干燥，素烧。凝胶注模成型在现在尤显瞩目，因为其成型的添加剂都是
有机物并且在素烧后并不会留下任何明显的杂质而且它能很快被改进用于新材料和新的应用。
1 氧化铝陶瓷
氧化铝陶瓷又称刚玉瓷，是用途最广泛、原料最丰富、价格最便宜的一种高温结构陶瓷。工业上所指的氧化铝陶瓷一般是以α-- A12O3为主晶相的陶瓷材料。
根据A12O3含量和添加剂的不同，有不同系列的氧化铝陶瓷，例如根据A12O3含量的不同有75瓷、85瓷、95瓷和99瓷等;根据其主晶相的不同又可分为莫来石瓷、刚玉一莫来石瓷和刚玉瓷;根据添加剂的不同又分为铬刚玉、钦刚玉等，各自对应不同的应用范围和使用温度。[1]
1.1 晶体结构
在所有温度下，。α-- A12O3是热力学上稳定的A12O3晶形，除此之外，氧化铝的其它多种同素异构体主要有:日β--A1203、α-- A12O3等，在高温将几乎全部转化为α-- A12O3。α-- A12O3属于结构紧密、活性低、高温稳定、电学性能好，具有良好的机电性能。
β--A1203属立方尖晶石结构，氧原子为面心立方，铝原子填充在间隙中。β--A1203密度低，机械性能差，高温不稳定，在自然界不存在。可以利用其松软结构制造固体电介质材料。
γ--A1203是一种A1203含量很高的多铝酸盐矿物，它的化学组成可以近似地用RO·6A1203和R2O·11A12O3来表示(RO指碱土金属氧化物，R2O指碱金属氧化物)。其结构有碱金属或碱土金属离子如[NaO]-层和[Al11O12]+类型尖晶石单元交叠堆积而成，氧离子排列成立方密堆积，N+完全包含在垂直于C轴的松散堆积平面内，在这个平面内可以很快扩散，呈现离子型电导。[1]