凝膠注模成型工藝制備高強度的氧化鋁陶瓷

1、凝膠注模成型工藝制備高強度的氧化鋁陶瓷學院:裝備制造學院專業(yè):無機非金屬材料工程姓名:張大勇學號:1033020116摘要:本文以氧化鋁陶瓷為例,研究探討了凝膠注模成型工藝中制備低粘度、高固相含量濃懸浮體的關(guān)鍵技術(shù);討論分散劑因素對粘度的影響;不同固相含量對坯體的強度的影響。關(guān)鍵詞:凝膠注模;氧化鋁;成型工藝1前言陶瓷材料成型工藝是制備復雜形狀部件的關(guān)鍵環(huán)節(jié),其對降低陶瓷零件生產(chǎn)成本、提高陶瓷材料性能及其可靠性起重要作用。隨著航天、航空、機械、化工等行業(yè)的發(fā)展,對陶瓷材料的性能要求越來越高。凝膠注模成型技術(shù)是90年代初美國橡樹嶺國家重點實驗室Mark A,Janney教授等人提出的1。它首次將

2、傳統(tǒng)陶瓷工藝和聚合物化學有機結(jié)合起來,開創(chuàng)了在陶瓷成形工藝中利用高分子單體聚合進行成形的技術(shù)2。與傳統(tǒng)的工藝相比有其獨特的優(yōu)越性:1可使用于復雜的部件成型2坯體的強度高,生坯即可加工成一定得形狀。3坯體比較均勻。其工藝過程如圖1所示: 圖1 凝膠注模成型工藝過程2實驗2.1原料及反應(yīng)體系的選擇- Al2O3粉提純度為99.9%,平均粒徑1.4µm,丙烯酰胺(AM為有機單體,N-N亞甲基雙丙烯酰胺(MBAM為交聯(lián)劑,過硫酸胺(APS為引發(fā)劑;聚丙稀酸胺(PMAA-NH4為分散劑;四甲基乙二胺(TEMED;分析純氨水來調(diào)節(jié)pH。本實驗選擇丙烯酰胺為有機單體,亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑,兩者

3、在水中攪拌后均可溶。凝膠注模成型工藝要求單體在一定條件下形成交聯(lián)大分子,形成聚合物的反應(yīng)類型有聚合和縮聚兩種形式,由于縮聚反應(yīng)有小分子如水分子產(chǎn)生,而本實驗要求原位聚合形成有一定形狀和強度的固狀坯體,要求盡量減少水份,因此采用聚合反應(yīng)。本實驗選擇引發(fā)劑APS和催化劑TEMED 的催化體系,可通過控制溫度、APS與TEMED的量、分散劑等有效控制反應(yīng)速度。2.2反應(yīng)步驟1 將有機單體AM、交聯(lián)劑MBAM 以AM:MBAM=20:1比例溶于水,再加入一定量分散劑PMAA-NH4 配置成溶液;2 在溶液中加入高固相含量粉料,將其放置行星球磨機中球磨至漿料具備一定流動性;3 加入引發(fā)劑過硫酸胺攪拌均勻

4、再加催化劑四甲基乙二胺攪拌后注入模具中。模具溫度升高,有機單體發(fā)生聚合,漿料形成凝膠體。當反應(yīng)停止,溫度冷卻后,脫模;4 在設(shè)定的干燥制度下干燥后,放入高溫爐中進行排膠燒結(jié)。2.3 脫膠與燒結(jié)由于試樣坯體中有機物含量較低,排膠過程相對簡單,時間較短,所以可連續(xù)完成燒結(jié)過程;對大件物品,仍需要單獨排膠。使排膠、燒結(jié)一次完成。純氧化鋁主要靠固相燒結(jié),99.5氧化鋁的燒結(jié)溫度在1700左右;由于加入少量的助燒劑(2%的CaCO3,燒成溫度可控制在15801600。3、結(jié)果與討論3.1 PMAA-NH4的加入量對漿料流變性的影響。合適的分散劑量可使顆粒被聚合物完全包覆,聚合物基團一端吸附顆粒表面,另一

5、端伸向溶劑,聚合物充分分散,形成空間位壘,阻礙顆粒的聚集。如圖3所示。 a、未加分散劑時的絮凝橋連b、加分散劑后的分散保護圖2 分散劑對顆粒表面作用圖分散劑對漿料的流動性影響很明顯。本實驗所用聚丙烯酸胺類分散劑是一種高分子聚電解質(zhì)。未使用分散劑的55%固相含量的陶瓷漿料即使球磨12小時無任何流動性。當加入適量PAA-NH4后立刻有較好的流動性。因為它在水溶液中易離解成NH4+和RCOO-離子,其中RCOO-基團易吸附在固體顆粒表面,通過球磨使離子基團充分與顆粒接觸,使顆粒表面帶上負電荷,增加了顆粒之間的靜電斥力位能。從而使?jié){料具有很好的流動性。圖3為PMAA-NH4含量對55Vol%漿料粘度的

6、影響。 圖3 PMAA-NH4含量對55Vol%漿料粘度的影響3.2 pH 值對漿料流動性能的影響實驗在堿性條件下進行,所以本文主要討論堿性環(huán)境的變化。其中分散劑量為0.5%時,pH 對粘度影響很小。在堿性范圍內(nèi),分散劑全部電離,并在顆粒表面形成穩(wěn)定吸附,斥力位能受靜電位能和空間位能共同決定,由DLVO 理論可知pH 值主要影響電解質(zhì)對雙電層ZETA 電位的影響,此時體系中顆粒具有最大ZETA 電位,pH 對其響較小。當分散劑量增大或減小時,pH 值的增加加強了體系中聚合物對膠粒吸附的不飽和或過飽和狀態(tài);pH 值從9增大到10,氨水量也增加,溶液中電解質(zhì)濃度增加,壓縮雙電層,減小了質(zhì)點間的靜電

7、斥力,從而減小了質(zhì)點連續(xù)碰撞所需的勢壘數(shù)值。圖4不同含量分散劑PH 值對粘度的影響。 5010015020025030035040045050078910p H V i s c o s i t y /m P a .s圖4不同含量分散劑PH 值對粘度的影響3.3不同固相含量對坯體強度的影響當固相含量<40vol%時,固體質(zhì)量一定,隨著有機物含量增加,強度明顯增大。當固相含量再增加坯體密度增大,氣孔率減少，強度又逐步提高，但在 40%-55% 強度范圍變化不大，均適 宜機加工。固相含量太低（40vol%） ，坯體干燥時易產(chǎn)生變形 缺陷，固相含量過高（55vol%） ，漿料粘度不易降低，造成分

8、 布不均，容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)缺陷。 bending trength /MPa 35 30 25 20 15 10 20 30 40 50 60 solid content/Vol% 圖 5 固相含量對坯體抗彎強度的影響 3.4 坯體與燒結(jié)體顯微結(jié)構(gòu)分析（SEM） 通過 sem 分析可以看出固相含量升高時坯體越致密。 高致密 的坯體燒結(jié)后具有很好的燒結(jié)性能。圖 6 為坯體與燒結(jié)體斷面 SEM 圖。 a.40vol%固相含量坯體斷面 b.55vol%固相含量坯體斷面 c.55% 燒結(jié)體表面微觀結(jié)構(gòu)圖 圖 6 坯體與燒結(jié)體斷面 SEM 圖 3.5 坯體機械加工性能 在成型復雜結(jié)構(gòu)陶瓷材料時，由于模具加工困難，而燒結(jié)體 晶化形成高強度和高硬度的致密體，對加工刀具要求很高，且磨 損很快，成本占整個陶瓷工藝 30%左右。3-4 凝膠注模得到的坯體由于成型得到的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對顆粒起到很好 的穩(wěn)定與吸附作用， 而所澆注的高濃度懸浮體具有良好的流動性 能使得坯體結(jié)構(gòu)均勻，致密度高，可滿足一般的機械加工，且成 本較低。 對 55Vol% 固 相 含 量 的 坯 體 各 性 能 平 均 數(shù) 值 ： 抗 彎 強 度 25MPa；硬度為 180HBW5/