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Colloidal forming ceramic materials
陶瓷材料胶态成型

陶瓷材料尤其是高性能陶瓷具有高强度、高硬度、耐高温、抗氧化等一系列优异性能,故而在航空航天、新材料、电子、生物工程等方面具有很好的应用前景。陶瓷材料成型过程不但容易产生缺陷,而且很难通过后续工艺得以弥补;因此对陶瓷成型工艺环节的控制对于整个陶瓷材料的制备至关重要。


1 注浆成型

注浆成型是指泥浆注入具有吸水性能的模具中而得到坯体的一种成型方法。适于形状复杂、薄的、体积较大且尺寸要求不严的制品。注浆成型后的坯体结构较均匀,但含水量大,干燥与烧成收缩大。

其中注浆成型包括空心注浆、实心注浆、真空注浆以及离心注浆等。


1.1空心注浆


空心注浆指采用的石膏模没有型芯,故亦称单面注浆。适于薄壁类小型坯件的成型。


1.2实心注浆


实心注浆是将泥浆注入带有型芯的模型中,泥浆在外模与型芯之间同时向两侧脱水,浆料需不断补充,直至硬化成坯,亦称双面注浆。


1.3真空注浆


真空注浆是利用在模型外抽取真空或将紧固的模型放入负压的空气中,以降低模外压力来增加模型内外的压力差,从而提高了注浆成型的质量和速度,增加致密度,缩短吸浆时间。


真空注浆可显著提高吸浆速度。但操作时要注意缓慢抽真空和进气,模型强度要高。


1.4离心注浆


离心注浆指向旋转模型中注入泥浆,利用旋转模型产生的离心力作用,加速泥浆脱水过程的工艺。

离心注浆具有厚度均匀、坯体致密的优点,但颗粒尺寸波动不能太大,否则会出现大颗粒集中在模表面的不均匀分布,造成坯体组织不均匀、收缩不一致的现象。模型转速要视产品大小而定,一般小于100r/min。


2 流延成型


流延成型(Tape casting),又称刮刀法或刀片涂覆法。流延成型制备陶瓷材料通常是将陶瓷粉体与有机添加剂按适当配比混合制备出具有一定黏度的陶瓷浆料,浆料从容器中留下,被刮刀以一定厚度刮压涂覆在专用基带上,经干燥、固化后从上剥下成为陶瓷生坯,然后根据成品的尺寸和形状需求对陶瓷生坯进行冲切、层合等加工处理,再高温烧结,最终获得所需形状、尺寸和性能(密度、强度、微观结构等)的陶瓷材料或制品。

流延成型与传统陶瓷材料制备方法相比,具有以下优势:


◆ 流延法适于制备大面积、平板状的陶瓷材料构件;


◆流延成型工艺即可获得致密,也可获得多孔微观组织的陶瓷材料;


◆理论上可得到任意厚度的陶瓷膜片;


◆流延成型工艺制备的陶瓷材料生坯具有一定的塑性和强度,可方便地进行操作和切割,可制成各种不同形状的陶瓷构件。此外,制备出的生坯可进行层压操作,适于制备层状结构陶瓷材料;

◆流延成型工艺制备的陶瓷材料具有二维薄片结构、材料缺陷少。

目前,流延成型已在制备单层及多层陶瓷膜中获得了广泛应用。


3 注射成型


陶瓷注射成型(Ceramic Injection Molding,简称CIM)是近代粉末注射成型(Powder Injection Molding,简称PIM)技术的一个分支,具有很多特殊的技术和工艺优势:可快速而自动地进行批量生产,且对其工艺过程可以进行精确的控制;由于流动充模,使生坯密度均匀;由于高压注射,使得混料中粉末含量大幅提高,减少烧结产品的收缩,使产品尺寸精确可控,公差可达士0.1%-0.2%,性能优越;无须机械加工或只需微量加工,降低制备成木;可成型复杂形状的,带有横孔、斜孔、凹凸面、螺纹、薄壁、难以切削加工的陶瓷异形件,有着广泛的应用前景。


陶瓷注射成型作为一种近净尺寸成型技术,不仅具有成型复杂形状制品和尺寸精度、表面光洁度高等优点,而且具有自动化程度高,适应大规模生产的特点。因此至今仍是成型复杂形状部件的一种有效方法。


注射成型具有如下特点:


◆可近净尺寸成型各种形状复杂、尺寸要求高的异形件,无需(或很少)进行机械加工;


◆成型产品生坯密度均匀,生坯强度高,烧结体性能优异且产品质量的一致性好;


◆成型产品具有极高的尺寸精度和表面光洁度,表面粗糙度可达5μm;


◆成型过程机械化和自动化程度高,成型周期短,生产效率高。


4 注凝成型


注凝成型技术将传统的陶瓷工艺和有机聚合物化学结合,将高分子单体聚合的方法灵活地引入到陶瓷成型工艺中,通过制备低粘度、高固相含量的陶瓷浆料来实现净尺寸成型高强度、高密度、均匀性好的陶瓷坯体。该工艺的基本原理是在低粘度高固相含量的浆料中加入有机单体,在催化剂和引发剂的作用下,使浆料中的有机单体交联聚合成三维网状结构,从而使浆料原位固化成型。然后再进行脱模、干燥、去除有机物、烧结,即可得到所需的陶瓷零件。


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:


◆可适用于各种陶瓷材料,成型各种复杂形状和尺寸的陶瓷零件;


◆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;


◆浆料的凝固定型时间较短且可控。根据聚合温度和催化剂的加入量不同,凝固定型时间一般可控在5~60min;


◆该工艺所用模具为无孔模具,且对模具无特殊要求,可以是金属、玻璃或塑料等。


◆坯体中有机物含量较小,其质量分数一般为3%~5%。但强度较高,一般在10MPa以上。可对坯体进行机加工(车、磨、刨、铣、钻孔、锯等),从而取消或减少烧结后的加工;


◆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不会变形,烧结体可保持成型时的形状和尺寸比例;


◆所用陶瓷料为高固相(体积分数不小于50%)、低粘度(小于1Pa?s)。浆料的固相含量是影响成型坯体的密度、强度及均匀性的因素,粘度的大小关系到所成坯体形状的好坏及浆料的排气效果。这也是应用该技术的难点和能否成功的关键。

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