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。
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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-casting XIA Pei (Key Laboratory of Advanced Ceramics and Machining Technology, Ministry of Education, college of Material Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, 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 prospects
多孔氧化铝陶瓷的研究进展
多孔氧化铝陶瓷的研究进展 李环亭1 孙晓红1 陈志伟1,2 (1国家陶瓷与耐火材料产品质量监督检验国家质检中心 山东淄博 255063) (2山东理工大学分析测试中心 山东淄博 255049) 摘 要 综合论述了国内外多孔氧化铝陶瓷的制备方法及性能的研究进展,并对目前存在的问题及将来的研究方向进行了展望。 关键词 多孔氧化铝陶瓷 制备方法 性能 Research Progress of Porous A lumina Ceramics Li Huanting1,Sun Xiaohon g1,Chen Zhiwei1,2(1National Quality Supervision and Inspection Center for Ceramics and Refractories,Shan dong,Zibo,255063)(2Analysis and Testing Center of Shandong Uni versity of Technology,Shandong,Zibo,255049) Abstract:The paper reviewed the research progress of porous alumina ceramics home and broad.The preparation methods and the proer ties were summaried.Finally,the research direction in the future is given on the porous alumina ceramics. Key words:Porous alu mina ceramics;Preparation methods;Properties 前言 多孔氧化铝陶瓷是指以氧化铝为骨料,通过在材料成形与高温烧结过程中,内部形成大量彼此相通或闭合的微孔或孔洞。较高的孔隙率的特性,使其对液体和气体介质具有有选择的透过性,较低的热传导性能,再加上陶瓷材料固有的耐高温、抗腐蚀、高的化学稳定性的特点,使其在气体和液体过滤、净化分离、化工催化载体、生物植入材料、吸声减震和传感器材料等众多领域有着广泛的应用前景。多孔氧化铝陶瓷上述优异的性能和低廉的制造成本,引起了科学界的高度关注。笔者就目前国内外多孔氧化铝陶瓷的制备方法、性能的研究进展进行综述。 1 多孔氧化铝陶瓷的制备方法 多孔氧化铝陶瓷的制备工艺主要包括孔结构的形成,坯体的成形和坯体的烧结3个方面。关于孔结构形成的方法既有传统的通过机械挤出成孔法、颗粒堆积形成气孔法、添加造孔剂成孔法、发泡工艺成孔法、有机泡沫浸渍成孔法[1],也有新型的铝板阳极氧化法、溶胶-凝胶法等。关于坯体成形工艺主要有模压成形法[2]、凝胶注模成形法[3]、固体粒子烧结法[4]、挤压成形法[5]等。如何得到高的气孔率,且能较好地控制孔径及其分布、形状、三维排列等,则需要选择合适的方法和工艺。下面介绍几种氧化铝多孔陶瓷常用的制备方法。 1.1 造孔剂成孔+凝胶注模法+高温烧结法 造孔剂成孔法是将一定量的造孔剂添加到陶瓷坯料中,造孔剂在坯体中会占据一定的空间,经过低温烧结后,造孔剂离开基体形成气孔得到多孔陶瓷。造孔剂的种类分为有无机和有机两大类。无机造孔剂有碳酸铵、碳酸氢铵、氯化铵等高温可分解的盐类,以及煤粉、碳粉等;有机造孔剂主要是天然纤维、高分子聚合物[6]和有机酸等,如淀粉、尼龙纤维等。目前应用较多的是加入有机造孔剂,且效果较好。由于造孔剂颗粒的大小及形状决定最终成孔的大小和形状,且造孔剂 基金项目:山东省科技攻关项目(耐火材料快速分析方法研究及应用,项目编号:2006GG1108097-06;陶瓷原料综合评价方法建立及应用研究,项目编号2007GG10003047)
陶瓷基复合材料加工工艺
第十四章陶瓷基复合材料加工工艺 第一节增强体的制备 陶瓷基复合材料的增强体（强韧化组元），主要有陶瓷纤维、陶瓷晶须与片状晶体、硬质陶瓷颗粒和可相变的氧化锆等。 一、增强纤维 可以用作陶瓷复合材料增强体的纤维，有金属纤维、陶瓷纤维和碳纤维。 1．金属纤维 Ta、Mo、W、Ni、Nb等高熔点纤维及不锈钢纤维，原则上都可以用作陶瓷基体的增强体。金属纤维一般由拉丝制成，直径在10～600μm的范围内，有比较大的选择范围。其特点是密度大、热膨胀系数大、容易氧化，可能对复合材料制作工艺和性能不利，而其延展性大和导电率高的特点，在某些情况下是有益的。 2．陶瓷纤维 陶瓷纤维包括含有金属芯的陶瓷纤维和全陶瓷的纤维。 在W金属丝或碳素丝上，用化学沉降的方法可以形成连续的陶瓷纤维。芯的直径大约在30—50μm，沉降后的纤维直径大约在100～200μm。陶瓷层组分可以是SiC或Si3N4。近年来，用有机硅前驱体分解的方法，可以拉制出许多种陶瓷纤维。其方法是将硅基有机物前驱体，在熔融状态下拉制出直径在数十微米的纤维，然后进行聚合以及高温分解，形成陶瓷纤维。这种纤维有碳化硅纤维、氮化硅纤维、碳化钛纤维、氧化铝纤维等。其中，比较有名的是日本宇部兴产株式会社生产的以Nicalon和Tynano命名的碳化硅纤维。它们都是用聚碳硅烷纺丝而成。在组成上是碳化硅微晶和SiO2、C的集合物。在高于1400℃的高温下，其中的SiC微细晶粒会发生再结晶而长大，C会与O发生反应，生成CO气体而逸出。非晶态的SiO2也会结晶化而生成石英微细晶粒。这些现象都使现存的碳化硅陶瓷纤维只能在1400℃以下温度下使用。Tynano 型SiC纤维，是含有一定Ti元素的纤维，耐热温度据称比Nicalon高近50℃。Al2O3纤维在高温下容易发生晶粒长大而难用于高温。 3．碳纤维 碳纤维的用量正在不断增加，尤其是在高分子基复合材料中的用量增长很快。碳纤维分为有机高分子系（PAN系：聚丙烯腈系）和沥青系两大类。有机高分子系较易实现高强度化和高韧性化，最高强度可达7GPa，延伸率可达2.0％以上。另一方面，沥青系碳纤维富有高弹性，
氧化铝陶瓷基复合材料概述
概述了氧化铝陶瓷基复合材料，并且对其一般的生产工艺金属间、氧化铝陶瓷基复合材料以及其应用领域作了介绍， 前言 氧化铝(Al2O3) 陶瓷材料具有耐高温、硬度大、强度高、耐腐蚀、电绝缘、气密性好等优良性能, 是目前氧化物陶瓷中用途最广、产量最大的陶瓷新材料。但是与其他陶瓷材料一样,该陶瓷具有脆性这一固有的致命弱点,使得目前Al2O3 陶瓷材料的使用范围及其寿命受到了相当大的限制。近年来, 在氧化铝陶瓷中引入金属铝塑性相的Al/Al2O3 陶瓷基复合材料是一个非常活跃的研究领域。 概述 金属间化合物的结构与组成它的两组元不同, 具有序的超点阵结构, 各组元原子占据点阵的固定位置, 最大程度地形成异类原子之间结合。由于其原子的长程有序排列以及金属键和共价健的共存性, 有可能同时兼顾金属的较好塑性和陶瓷的高温强度。在力学性能上, 有序金属间化合物填补了陶瓷和金属之间的材料空白区域。有序金属间化合物中, Ti - Al、Ni - Al、Fe - Al 和Nb-Al系等几个系列的多种铝化物更是特别受到重视。这些铝化物具有优异的抗氧化性、抗硫化腐蚀性和较高的高温强度, 密度较小, 比强度较高。 由于在空气中铝粉极易氧化而在表面形成Al2O3 钝化膜,使Al 粉和Al2O3 颗粒之间表现出很差的润湿性,导致烧结法制备Al/Al2O3 陶瓷材料烧结困难, 影响复合材料的机械性能[5]。挤压铸造和气压浸渍工艺浸渍速度快, 但是预制体中的细小空隙很难进一步填充[ 6], 而后发展的无压渗透工艺操作复杂,助渗剂的选择随意, 且作用机理复杂, 反而增加了工艺控制难度[7]。20世纪80年代初, 美国Lanxide公司提出了一种制备陶瓷基复合材料的新工艺定向金属氧化技术( DirectedMetal Ox-idation, 简称DMOX)。该工艺是在高温下利用一定阻生剂限制金属熔体在其他5个方向的生长, 使金属熔体与氧化剂反应并只单向生长即定向氧化。采用该方法制备的Al/ Al2O3 陶瓷材料在显微结构上表现为由立体连通的-Al2O3 基体与三维网状连通的残余金属和不连续的金属组成, 由于Al2O3 晶间纯净, 骨架强度高于烧结、浸渍等工艺制得的同类材料的强度[ 9]同时, 三维连通的金属铝具有良好的塑性, 从而使该复合材料具有更为良好的综合机械性能。
氧化铝陶瓷
氧化铝陶瓷 氧化铝陶瓷（alumina ceramics）是一种以α- Al2O3为主晶的陶瓷材料。其Al2O3含量一般在75～99.99%之间。通常习惯以配料中Al2O3的含量来分类。Al2O3含量在75%左右的为“75瓷“，含量在85%左右的为“85瓷“，含量在95%左右的为“95瓷“，含量在99%左右的为“99瓷“。 工业Al2O3是由铝钒土（Al2O3·3H2O）和硬水铝石制备的，对于纯度要求不高的，一般通过化学方法来制备。电熔刚玉即是用上述原料加碳在电弧炉内于2000～2400C熔融制得，也称人造刚玉。 Al2O3有许多同质异晶体。根据研究报道过的变体有十多种，但主要有三种，即γ- Al2O3，β- Al2O3，α- Al2O3。Al2O3的晶体转化关系如下图，其结构不同，因此其性质也不同，在1300度以上的高温几乎完全转变为α- Al2O3。 γ- Al2O3，属尖晶石型（立方）结构，氧原子形呈立方密堆积，铝原子填充在间隙中。它的密度小。且高温下不稳定，机电性能差，在自然界中不存在。由于是松散结构，因此可利用它来制造多孔特殊用途材料。 β- Al2O3是一种Al2O3含量很高的多铝酸盐矿物。它的化学组成可以近似地用RO·6 Al2O3和R2O·11 Al2O3来表示（RO指碱土金属氧化物，R2O指碱金属氧化物），其结构由碱金属或碱土金属离子如[NaO]ˉ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，Na＋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，呈现离子型导电。 α- Al2O3，属三方晶系，单位晶胞是一个尖的菱面体，在自然办只存在α- Al2O3，如天然刚玉、红宝石、蓝宝石等矿物。α- Al2O3结构最紧密、活 性低、高温稳定。它是三种形态中最稳定的晶型，电学性质最好，具有优良的机电性能。 Al2O3中的化学键是离子键，离子键也称“电价键”，它是由金属原子失去外层电子形成正离子，非金属原子取得电子形成负离子，互相结合形成的。离子键是依靠正负离子间静电引力所产生的化学键，它没有方向性也没有饱和性。A Al2O3陶瓷属于氧化物晶体结构，氧化物结构的结合键以离子键为主，它的分子式通常以AmXn 表示。A(或者B)表示与氧结合的正离子，n为离子数，x表示氧离子，n表示它的数量。大多数氧化物中的氧离子半径大于正离子的半径。所以它们的结构是以大直径的氧离子密堆排列的骨架，组成六方或面心立方点阵，小直径的正离子嵌入骨架的间隙处。这种陶瓷材料具有高的硬度和熔点。 陶瓷体的相组成中，晶相相对含量波动范围很大，通常特种陶瓷中晶相体相对含量较高。晶相对陶瓷材料性质有很大的影响。表中列出了一般陶瓷到特种陶瓷中的刚玉相(α- Al2O3)含量的变化及表现出的性能差异。
海藻酸钠离子凝胶法制备直通孔氧化铝多孔陶瓷
第30卷 第8期 无 机 材 料 学 报 Vol. 30 No. 8 2015年8月 Journal of Inorganic Materials Aug., 2015 收稿日期: 2015-01-22; 收到修改稿日期: 2015-04-21 基金项目: 国家重点基础研究发展计划(973计划)(2006CB605207-2) National Key Basic Research and Developmet Plan (973Plan)(2006CB605207-2) 作者简介: 孙 阳(1956–), 男, 博士研究生. E-mail: yangsun8@https://www.wendangku.net/doc/ec8760522.html, 通讯作者: 黄 勇, 教授. E-mail: hy-dms@https://www.wendangku.net/doc/ec8760522.html, 文章编号: 1000-324X(2015)08-0877-05 DOI: 10.15541/jim20150049 海藻酸钠离子凝胶法制备直通孔氧化铝多孔陶瓷 孙 阳1,2, 薛伟江2, 孙加林1, 周国治1, 黄 勇2 (1. 北京科技大学 材料科学与工程学院, 北京100083; 2. 清华大学 新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室, 材料科学与工程学院, 北京 100084) 摘 要: 利用海藻酸钠的离子凝胶过程, 采用溶剂置换结合冷冻干燥的工艺, 成功制备了具有高度有序六方排列的直通孔多孔氧化铝陶瓷, 整个工艺过程及所使用的原料都是环境友好的。研究结果表明, 1500℃烧结2 h 样品的孔径尺寸在200 μm 左右, 且与固相含量的关系不大, 而孔壁上存在0.3 μm~0.5 μm 的小孔。通过控制浆料中氧化铝的固相含量可以对材料的性能进行有效地调控, 研究表明, 随着固相含量从5wt%提高到15wt%, 材料的密度从0.87 g/cm 3提高到1.16 g/cm 3, 渗透率从2.57×10-11 m 2下降到2.16×10-11 m 2, 而抗压强度从(18.9±3.2) MPa 提高到(44.2±5.4) MPa, 平行孔道方向的热导率从2.1 W/(m·K)提高到3.1 W/(m·K), 而垂直孔道方向的热导率从 1.3 W/(m?K)提高到1.7 W/(m ·K), 并且平行孔道方向热导率的增加幅度要明显大于垂直孔道方向。 关 键 词: 直通孔氧化铝多孔陶瓷; 渗透率; 热导率; 离子凝胶 中图分类号: TQ174 文献标识码: A Porous Alumina Ceramics with Unidirectional Oriented Pores Fabricated by Ionotropic Process of Sodium Alginate SUN Yang 1,2, XUE Wei-Jiang 2, SUN Jia-Lin 1, ZHOU Guo-Zhi 1, HUANG Yong 2 (1. School of Material Science and Engineering, University of Science & Technology Beijing, Beijing 100083, China; 2. State Key Laboratory of New Ceramics and Fine Processing, Department of Materials Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China) Abstract: Alumina ceramic bodies with high porosity characterized by highly ordered and unidirectional oriented pores were successfully fabricated using the ionotropic process of sodium alginate by solvent exchange subsequently with freeze-drying. It is important to point out that the whole process and raw materials are eco-friendly. The average unidirectional pore size of samples sintered at 1500℃ for 2 h is 200 μm with minor porosity in the pore walls with average pore size of 0.3-0.5 μm. The properties of samples can be adjusted by controlling the solid loading in slurry. As the solid loading increasing from 5wt% to 15wt%, the density and compressive strength increased from 0.87 g/cm 3 to 1.16 g/cm 3 and from (18.9±3.2) MPa to (44.2±5.4) MPa, respectively with permeability de-creasing from 2.57×10-11 m 2 to 2.16×10-11 m 2. In addition, with the solid loading increasing from 5wt% to 15wt%, the conductivity of the direction parallel and perpendicular to the unidirectional pores increased from 2.1 W/(m·K) to 3.1 W/(m·K) and from 1.3 W/(m·K) to 1.7 W/(m·K), respectively. Key words: unidirectionally oriented porous alumina ceramics; permeability; thermal conductivity; ionotropic 多孔陶瓷的发展始于19世纪70年代, 最初用 作铀提纯材料和细菌过滤材料[1]。多孔陶瓷具有体
氧化铝多孔陶瓷的制备和性能研究 化工论文40
氧化铝多孔陶瓷的制备和性能研究 摘要：综合论述了国内外多孔氧化铝陶瓷的制备方法及性能的研究进展,并对目前存在的问题及将来的研究方向进行了展望。 关键词：氧化铝多孔陶瓷、制备、展望 一、引文： 多孔氧化铝陶瓷是指以氧化铝为骨料,通过在材料成形与高温烧结过程中,内部形成大量彼此相通或闭合的微孔或孔洞。较高的孔隙率的特性,使其对液体和气体介质具有有选择的透过性,较低的热传导性能,再加上陶瓷材料固有的耐高温、抗腐蚀、高的化学稳定性的特点,使其在气体和液体过滤、净化分离、化工催化载体、生物植入材料、吸声减震和传感器材料等众多领域有着广泛的应用前景。多孔氧化铝陶瓷上述优异的性能和低廉的制造成本,引起了科学界的高度关注。笔者就目前国内外多孔氧化铝陶瓷的制备方法、性能的研究进展进行综述。 二、氧化铝晶体的结构 氧化铝，属离子晶体，成键为共价键，熔点为2050℃，沸点为3000℃，真密度为3.6g/cm。它的流动性好，难溶于水，能溶解在熔融的冰晶石中。它是铝电解生产的中的主要原料。有四种同素异构体β－氧化铝δ－氧化铝γ－氧化铝α－氧化铝，主要有α型和γ型两种变体，工业上可从铝土矿中提取。名称氧化铝;刚玉;白玉;红宝石;蓝宝石;刚玉粉;corundum化学式Al2O?外观白色晶状粉末或固体。氧化铝和酸碱都能反应，所以此材料不易接近酸碱~会腐蚀。 三、氧化铝多孔陶瓷的特性 多孔陶瓷是以气孔为主相的一类陶瓷材料,是由各种颗粒与结合剂组成的坯
料,经过成型、烧成等工艺制得的,调节各种颗粒料之间的矿物组成、颗粒级配比和坯料的烧成温度,多孔陶瓷可具有不同的物理和化学特性，多孔陶瓷材料孔道分布较均匀,便于成型及烧结,具化学稳定性好,质轻,耐热性好,比表面积大,良好的抗热冲击性质等特性。由于多孔陶瓷所具有的很多优良特性,现代科学技术的进一步发展,新型多孔陶瓷材料受到人们的关注,现已广泛应用与国民生产的诸多领域,如保温隔热材料、过滤器材料、催化剂载体、吸音、隐身材料等,而其节能及过滤等方面的研究与开发,都使得多孔陶瓷作为环保型绿色材料有着广阔的应用前景。Al2O3多孔陶瓷的特点是造价低,机械强度高,绝缘度高,耐高温,耐高压等特点。其产品可用于电子电器,热工仪表,石油化工等领域。 四、氧化铝多孔陶瓷的制备 多孔氧化铝陶瓷的制备方法多孔氧化铝陶瓷的制备工艺主要包括孔结构的形成,坯体的成形和坯体的烧结3个方面。关于孔结构形成的方法既有传统的通过机械挤出成孔法、颗粒堆积形成气孔法、添加造孔剂成孔法、发泡工艺成孔法、有机泡沫浸渍成孔法[1],也有新型的铝板阳极氧化法、溶胶-凝胶法等。关于坯体成形工艺主要有模压成形法[2]、凝胶注模成形法、固体粒子烧结法、挤压成形法等。如何得到高的气孔率,且能较好地控制孔径及其分布、形状、三维排列等,则需要选择合适的方法和工艺。下面介绍几种氧化铝多孔陶瓷常用的制备方法。 （1）造孔剂成孔+凝胶注模法+高温烧结法 造孔剂成孔法是将一定量的造孔剂添加到陶瓷坯料中,造孔剂在坯体中会占据一定的空间,经过低温烧结后,造孔剂离开基体形成气孔得到多孔陶瓷。造孔剂的种类分为有无机和有机两大类。无机造孔剂有碳酸铵、碳酸氢铵、氯化铵等高温可分解的盐类,以及煤粉、碳粉等;有机造孔剂主要是天然纤维、高分子聚合
烧结助剂对氧化铝多孔陶瓷结构和性能的影响
MgO烧结助剂对氧化铝多孔陶瓷结构和性能的影响 孙阳1徐鲲濠1孙加林1黄勇2薛伟江2 (1.北京科技大学材料科学与工程学院,北京100083；2)清华大学材料学院，北京100084) 摘要以叔丁醇为溶剂，采用凝胶注模成型工艺于1500℃保温2h烧结制备出高气孔率、高强度、低热导率氧化铝多孔陶瓷。研究了氧化镁烧结助剂对氧化铝多孔陶瓷气孔率、气孔尺寸及分布、耐压强度和室温热导率的影响。结果表明：当氧化镁添加量从0.5%(质量分数)增加到2.0%时，气孔率的变化范围为64.65%～73.28%；气孔尺寸分布均匀，平均孔径为0.91～1.30μm；加入MgO后，陶瓷具有较高的耐压强度，介于14.1～36.2MPa之间，室温热导率[最低可达0.55W/(m?K)]比相应的致密陶瓷[室温热导率约30W/(m?K)]低2个数量级左右。 关键词：凝胶注模成型；氧化铝多孔陶瓷；MgO烧结助剂；室温热导率 中图分类号：TU528.042.2 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2015)09–0000–07 Effect of MgO Sintering Additives on Structure and Performance of Al2O3 Porous Ceramic SUN Yang1，XU Kunhao1，SUN Jialin1，HUANG Yong2，XUE Weijiang2 (1. University of Science and Technology Beijing, School of Materials Science and Technology, Beijing 100084, China; 2. Tsinghua University, School of Materials Science and Engineering, Skate Key Lab of New Ceramics and Fine Processing, Beijing 100084, China) Abstract: Porous alumina ceramics with high porosity，high compressive strength and low thermal conductivity were fabricated by gel-casting with tert-butyl alcohol as a solvent and subsequent pressure-less sintering at 1500℃ for 2h. The effect of sintering additives (i.e., MgO) on the porosity, open porosity, pore size distribution and microstructure of porous alumina ceramics was investigated. The results show that the porosity increases from 64.65% to 73.28% when the MgO fraction increases from 0.5% (in mass fraction) to 2.0%. The uniform pore size distribution with the mean pore size ranging from 0.91–1.30μm is obtained. The compressive strengths of porous alumina ceramics (i.e., 14.1–36.2MPa) can be improved by the addition of MgO. The thermal conductivity of porous alumina ceramics (i.e., 0.55 W/(m?K)) is two order of magnitude lower than that of dense alumina ceramics (i.e., 30W/(m?K)) at room temperature. Key words: gel-casting;porous alumina ceramics;magnesium oxide sintering additives;thermal conductivity at room temperature Al2O3多孔陶瓷具有许多优良的综合性能(如高强度、耐高温、耐磨性好等)，是一种重要的先进陶瓷材料，已在许多领域获得广泛应用。Al2O3多孔陶瓷可以作为高温窑炉的保温材料，也可以直接用于高温窑炉的炉体内衬。但由于Al2O3熔点很高(2053℃)、离子键较强，从而导致其质点扩散系数低(Al3+在1700℃时扩散系数仅10–11 cm2/s)、烧结温度较高[1]。高的烧结温度不仅耗能增加制造成本，而且促使晶粒的不规则长大，导致材料力学性能降低。这对于解决Al2O3气孔率与强度之间的矛盾以及制备轻质高强Al2O3多孔陶瓷都十分不利。许多文献通过引入烧结助剂，降低Al2O3陶瓷的烧结温度，并指出添加少量的MgO 能显著促进Al2O3陶瓷烧结并抑制晶粒长大，获得细晶粒结构陶瓷材料[2–9]。因此，引入一定量的MgO烧结助剂，不仅能够降低氧化铝的烧结温度，而且会对Al2O3多孔陶瓷的结构和性能产生一定影响。 研究不同MgO添加量对Al2O3陶瓷材料气孔率、气孔尺寸及分布和显微结构的影响，讨论了加入MgO 后耐压强度、热导率与结构之间的关系。 1实验 1.1 样品制备 Al2O3粉料的d50=0.756μm，比表面积为7.94m2·g–1，MgO粉料的d50=0.894μm，比表面积为6.71m2/g。以分析纯的丙烯酰胺(AM)为单体，N,N′-亚甲基双丙烯酰胺(MBAM)为交联剂，叔丁醇(TBA)为溶剂，催化剂和引发剂分别为N,N,N′,N′-四甲基乙二胺(TEMED)和过硫酸铵(APS)。 收稿日期：2014–12–08。修订日期：2015–01–07。 第一作者：孙阳(1956—)，男，博士研究生。
陶瓷凝胶注模成型
凝胶注模成型工艺研究 夏XX (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-casting XIAXX (Key Laboratory of Advanced Ceramics and Machining Technology, M inistry of Education, college of Material Science and Engineering, Tia njin University, Tianjin 300072, Tianji n, 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 prospects 1.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。但陶瓷材料烧结后很难进行机加工，人们一直在寻求复杂形状陶瓷元件的净尺寸成型方法，这已成为保证陶瓷元件质量和获得具有实际应用价值材料的关键环节[1]。 陶瓷材料的成型方法[2]，一般可分为干法和湿法两大类。二者相比而言，湿法成型具有工艺简单、成型坯体组分均匀、缺陷少、易于成型复杂形状零件等优点，实用性较强。但传统的湿法成型技术都存在一些问题，如注浆成型是靠石膏模吸水来实现的，造成坯体密度梯度分布和不均匀变形，并且坯体强度低，易于损坏；热压铸或注射成型需加入质量分数高达20%的蜡或有机物，造成脱脂过程繁琐，粘合剂的熔化或蒸发使坯体的强度降低，易形成缺陷甚至倒塌；等静压成型
(整理)多孔陶瓷的制备及性能分析.
第一章综述 1.1 多孔陶瓷的概述 多孔陶瓷是一种经高温烧成、体内具有大量彼此相通或闭合气孔结构的陶瓷材料，是具有低密度、高渗透率、抗腐蚀、耐高温及良好隔热性能等优点的新型功能材料。 多孔陶瓷的种类繁多，几乎目前研制生产的所有陶瓷材料均可通过适当的工艺制成陶瓷多孔体。根据成孔方法和孔隙结构的不同，多孔陶瓷可分为三类：粒状陶瓷烧结体、泡沫陶瓷和蜂窝陶瓷。根据所选材质不同，可分为刚玉质、石英质、堇青石质、莫来石质、碳化硅质、硅藻土质、氧化锆质及氧化硅质等。 多孔陶瓷材料一般具有以下特性：化学稳定性好，可制成使用于各种腐蚀环境的多孔陶瓷；具有良好的机械强度和刚度，在气压、液压或其他应力载荷下，多孔陶瓷的孔道形状和尺寸不会发生变化；耐热性好，用耐高温陶瓷制成的多孔陶瓷可过滤熔融钢水和高温气体；具有高度开口、内连的气孔；几何表面积与体积比高；孔道分布较均匀，气孔尺寸可控，在0.05～600μm范围内可以制出所选定孔道尺寸的多孔陶瓷制品。 多孔陶瓷的优良性能，使其已被广泛应用于冶金、化工、环保、能源、生物等领域。如利用多孔陶瓷比表面积高的特性，可制成各种多孔电极、催化剂载体、热交换器、气体传感器等；利用多孔陶瓷吸收能量的性能，可制成各种吸音材料、减震材料等；利用多孔陶瓷的低密度、低热传导性，可制成各种保温材料、轻质结构材料等；利用多孔陶瓷
的均匀透过性，可制成各种过滤器、分离装置、流体分布元件、混合元件、渗出元件、节流元件等。因此，多孔材料引起了材料科学工作者的极大兴趣并在世界范围内掀起了研究热潮。 1.2 多孔陶瓷的制备方法 多孔陶瓷是由美国于1978年首先研制成功的。他们利用氧化铝、高岭土等陶瓷材料制成多孔陶瓷用于铝合金铸造中的过滤,可以显著提高铸件质量,降低废品率,并在1980年4月美国铸造年会上发表了他们的研究成果。此后,英、俄、德、日等国竞相开展了对多孔陶瓷的研究,已研制出多种材质、适合不同用途的多孔陶瓷,技术装备和生产工艺日益先进,产品已系列化和标准化,形成为一个新兴产业。我国从20世纪80年代初开始研制多孔陶瓷。 多孔陶瓷首要特征是其多孔特性,制备的关键和难点是形成多孔结构。根据使用目的和对材料性能的要求不同,近年逐渐开发出许多不同的制备技术。其中应用比较成功,研究比较活跃的有:添加造孔剂工艺,颗粒堆积成型工艺,发泡工艺,有机泡沫浸渍工艺,溶胶凝胶工艺等传统制备工艺及孔梯度制备方法、离子交换法等新制备工艺。 1.2.1挤压成型工艺 本工艺的特点是靠设计好的多孔金属模具来成孔。将制备好的泥浆通过一种具有蜂窝网格结构的模具基础成型,经过烧结就可以得到最典型的多孔陶瓷即现用于汽车尾气净化的蜂窝状陶瓷。此外,也可以 在多孔金属模具中利用泥浆浇注工艺获得多孔陶瓷。该类工艺的特点在于可以根据需要对孔形状和孔大小进行精确设计,对于蜂窝陶瓷最
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
复合材料学-陶瓷基复合材料的发展现状和最新进展
陶瓷基复合材料的发展现状和最新进展The Development Status and Recent Research Progress of Ceramic-Matrix Composite Materials 学生姓名： 学生学号： 指导教师： 所在院系： 所学专业： 南京理工大学 中国·南京 2015年11月
摘要综述了陶瓷基复合材料（CMC）在近年来的研究进展，就陶瓷的增强增韧机 理、复合材料的制备工艺作了较全面的介绍，综述了先驱体浸渍裂解（PIP）反应熔体浸渗（RMI）化学气相渗透（CVI）泥浆法（SI）等工艺的最新研究进展，并对CMC的应用和未来发展进行了展望。 关键词复合材料；陶瓷基；增强增韧；制备工艺；应用；未来发展 Abstract The studying situation of ceramic matrix composites(CMC) in the lately years is reviewed in this paper.The strengthening and toughening mechanism,selection of matrix and reinforced materials and preparation techniques are introduced comprehensively,and then progresses of several preparation processes such as PIP,RMI,CVI,and SI are discussed.Also,the application prospects of future development of CMC are looked forward. Keywords composites; ceramic matrix; strengthening and toughening; preparation technique;application; future development 1971年，Avesto首次提出陶瓷基复合材料的概念[1]。众所周知，陶瓷基复合材料不是传统意义上的陶瓷，陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。它的主要基体有玻璃陶瓷、氧化铝、氮化硅等，这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、高耐腐蚀性、低线胀系数、隔热性好及低密度等优异性能，而且资源也比较丰富，有广泛的应用前景[2]。但由于陶瓷材料本身脆性的弱点，作结构材料使用时缺乏足够的可靠性。因而，改善陶瓷材料的脆性已成为陶瓷材料领域亟待解决的问题之一。CMC就是通过颗粒弥散增韧和纤维及晶须增韧等来改善陶瓷材料的力学性能，特别是脆性。因而开发CMC已成为改善陶瓷脆性的主要手段，受到各国的高度重视和广泛研究。 1 CMC的增韧机理 目前看来，陶瓷的增韧机理虽然很多，且众说纷纭，但总体而言大致可有如下四种类型：①相变增韧(transformation toughening);②延性相增韧(toughening by ductile phases);③脆性纤维和晶须增韧(toughening by brittle fibers and whiskers);④微裂纹增韧(microcrack toug hening)。 相变增韧的机理是在应力场的作用下，由分散相的相变产生应力场，抵消外加应力，阻止裂纹扩展达到增韧目的。延性相增韧主要是指粒子强化和弥散强化，通过第2相粒子的加入，一方面对某些延性相粒子，它可以在外力作用下产生一定塑性变形或者沿着晶面滑移产生蠕变来缓解应力集中；另一方面由于第二相粒子与基体粒子之间弹性模量和线胀系数的差异，在烧结过程冷却阶段存在一定温差，因而在坯体内部产生径向张应力和切向压应力，这种应力与外应力发生相互作用，使裂纹前进方向发生偏转、绕道，从而提高材料的抗断能力，达到增韧目的[3]。 纤维和晶须增韧的机理如图1[4]所示，其作用原理有以下几步：（1）负荷传递：要求（E f / E m）>2（E为弹性模量，同时要求纤维与基体间有较强界面来帮助负荷从基体转移到纤维）；（2）基体预应力：如果αf>αm，则压缩应力能够产生，界面压缩力增加了纤维/基
陶瓷凝胶注模成型工艺的研究进展
李承亮:男,1982年生 ,硕士研究生 Tel :010********* E 2mail :lifg 2c105@https://www.wendangku.net/doc/ec8760522.html, 陶瓷凝胶注模成型工艺的研究进展 李承亮,赵兴宇,郭文利,梁彤祥 (清华大学核能与新能源技术研究院,北京102201) 摘要 以陶瓷材料的注凝成型体系为研究对象,综述了陶瓷注凝成型工艺的研究进展,介绍了陶瓷凝胶注模成 型(Gelcasting )工艺的基本原理、工艺流程及影响因素,并对工艺要求和特点进行了较为详尽的介绍,指出了注凝成型工艺中依然存在的问题,探讨了几种改进型凝胶注模成型工艺,最后展望了其未来的发展前景及需要注意的问题。 关键词 凝胶注模成型 近净尺寸 凝固技术 R esearch Progess in Ceramic G elcasting Process L I Chengliang ,ZHAO Xingyu ,GUO Wenli ,L IAN G Tongxiang (Institute of Nuclear and New Energy Technology ,Tsinghua University ,Beijing 102201) Abstract In this paper ,the research and development of ceramics gel casting are mainly discussed.The prin 2 ciple and method of gel casting ,including reaction mechanism ,process parameters ,feasibility and the foreground of the process are briefly reviewed.Some new gelcasting techniques are reviewed as well.The developing prospect of gelcast 2ing is forecasted and some problems that should be paid attention to and solved in gelcasting process are also discussed. K ey w ords gelcasting ,near net 2shape ,forming technique 0 引言 目前,高性能陶瓷材料的发展方向除了改善其固有的脆性 外,主要体现在提高材料的可靠性、复杂形状部件的制备以及降低制备成本等方面[1,2]。这些问题已成为制约高性能陶瓷材料得到进一步应用的关键性问题。高性能陶瓷材料在实际应用中都要求具有一定的形状和尺寸精度,尤其随着陶瓷材料应用领域的不断拓宽以及科学技术的发展,各行业对所使用的陶瓷材料部件的形状、尺寸及精度提出了更高的要求,主要体现在对所使用的陶瓷部件要求具有大尺寸、高精度和复杂形状。陶瓷材料在成型干燥、烧结过程中不可避免地存在坯体尺寸收缩现象。传统胶态成型工艺所制备的坯体在干燥过程中收缩通常较大,从而造成坯体在干燥过程中发生变形、开裂等问题,因而成品率降低、成本增加;并且由于成型坯体的强度一般较低,在脱模过程中坯体容易损坏,特别对于大尺寸、复杂形状的成型坯体有时甚至无法脱模。另外,陶瓷材料具有的高硬度、高耐磨性使得陶瓷材料的后续加工比较困难,加工成本较为昂贵,占总成本的 1/3～2/3,对于复杂形状的制品,加工问题显得尤为棘手。解决 以上问题的主要途径是实现复杂形状样品的近净尺寸成型,减小后加工量以至达到不需加工。 陶瓷材料的可靠性与陶瓷材料制备过程中出现或存在的缺陷密切相关,素坯中存在的缺陷在后续的烧结过程中不仅无法消除甚至会得到放大,从而影响陶瓷材料的性能,降低产品的成品率,增加陶瓷材料的制造成本[3,4]。 综上所述,提高陶瓷材料的可靠性、降低制备成本及复杂形状部件的制备都与陶瓷材料的制备工艺尤其是成型工艺密切相关,发展先进的成型工艺是解决以上问题的关键所在。 传统的陶瓷材料成型工艺如干压、等静压等容易在成型坯体中引入气孔、裂纹、分层、密度不均匀等缺陷,导致产品的可靠性降低;注浆成型存在成型周期长达数十小时、干燥收缩大、素坯强度低、素坯密度分布不均匀、成品率低以及烧成变形大、尺寸精度低等缺点,不利于复杂形状样品的制备;注射成型工艺由于有机物含量较高,排脂时间较长且在排脂过程中容易形成缺陷,成品率较低,同时必须配备昂贵的设备,考虑到成本太高,难以普及[5,6]。各种胶态成型工艺的工艺特点见表1。 随着材料学与高分子化学、胶体化学、生物酶化学、计算机学、微电子学等学科的相互渗透,新型的成型技术得到蓬勃发展,从而为各种精密零部件的制备提供了更多、更有效的工艺手段。其中先进胶态成型工艺可以实现颗粒的良好分散、能有效消除颗粒的团聚,制备均匀且高密度的坯体。同时,这些胶态成型方法可实现近净尺寸成型各种复杂形状部件,且工艺过程短,烧结体的气孔率低,精度高,所需设备少,过程可靠,成本低,因而倍受关注,得到了迅速发展。 1991年美国橡树岭国家重点实验室(Oak Ridge National Laboratory )的Mark A.J anney 和O.matete 教授等提出了凝胶注模成型技术(G elcasting )[7,8],首次将传统陶瓷工艺与聚合物化学有机地结合起来,开创了在陶瓷成型工艺中利用高分子单体聚合交联反应进行成型的技术的先锋。由于该工艺简单,成型坯体均匀性好、强度高易于深加工、烧结性能优异、收缩小、所用添加剂可全部是有机物且含量很少,烧结后不会残留杂质等,被认为是制备大尺寸、复杂形状坯体的一种有效方法。近年来该工艺已逐步应用于制备各种结构陶瓷、功能陶瓷及陶瓷基复合材料等各种陶瓷材料体系的成型,目前,随着技术的不断改进,凝胶注模工艺也日臻完善并成为现代陶瓷材料一种重要的成型方法。