凝膠注模制備15m級輕碳化硅陶瓷素坯的研究

凝膠注模制備15m級輕碳化硅陶瓷素坯的研究

1凝膠注模成型技術碳化硅（sic）陶瓷材料具有較高的比較高的剛性和良好的穩(wěn)定性。因此，在空間反射鏡的應用上，它比傳統的金屬、玻璃或玻璃陶瓷材料更有效。但是空間反射鏡基體的大尺寸和復雜形狀給陶瓷材料的制備帶來了很大難度,從而限制了SiC在空間光學系統中的應用。隨著陶瓷制備技術的不斷發(fā)展,涌現了以凝膠注模成型技術為代表的一大批先進的陶瓷成型工藝,這些工藝在一定程度上解決了大尺寸復雜形狀陶瓷素坯的制備問題。20世紀80年代,美國橡樹嶺國家實驗室的MarkA.Janny和O.Omattete發(fā)明了凝膠注模成型技術。該技術將陶瓷坯體的注漿成型工藝與高分子化學理論有機結合,形成了一種能夠實現大尺寸復雜形狀陶瓷素坯近凈尺寸成型的先進工藝。它首先將能夠形成凝膠體的單體、交聯劑、溶劑和陶瓷顆?；旌?制備得到具有良好流動性的高固相含量、低黏度的陶瓷漿料。然后在加入催化劑和引發(fā)劑后,將陶瓷漿料注入模具。在一定溫度下,單體和交聯劑形成三維網狀結構、原位固定陶瓷顆粒、成型所需的形狀,干燥后即可得到陶瓷素坯。采用凝膠注模成型技術能夠制備得到大尺寸、復雜形狀的陶瓷部件,素坯干燥收縮小、強度高,因此這項技術被公認為是目前世界上最先進的陶瓷成型工藝之一。本文采用凝膠注模成型技術,成功制備了1.5m量級SiC陶瓷素坯,反應燒結后獲得了RB-SiC鏡坯,為大型光學系統反射鏡提供了性能優(yōu)異的材料。2實驗2.1催化劑和引發(fā)劑為n,n三丙胺temd的催化劑本文采用濰坊新方磨料磨具有限公司生產的SiC粉體。凝膠注模過程中使用的有機單體為丙烯酰胺(C2H3CONH2,AM),交聯劑為N,N′-亞甲基雙丙酰胺((C2H3CONH)2CH2,MBAM);分散劑選用四甲基氫氧化銨(TMAH),同時加入丙三醇(甘油)作為增塑劑;引發(fā)劑選用過硫酸銨((NH4)2S2O8,APS),促使引發(fā)劑常溫分解的催化劑選用N,N,N′,N′四甲基乙二胺(TEMED)。所有試劑均為分析純。2.2實驗過程1.5m量級復雜形狀SiC陶瓷素坯凝膠注模成型工藝流程如圖1所示。3結果與討論3.1sic粉體級配方式的確定為了能夠充分填充模具,漿料要具備良好的流動性,其中對陶瓷粉體進行合理顆粒級配是最有效的手段之一。在理想的球體模型中,最大固相體積分數會隨著粉體粒徑分布的變寬而增大,對于等徑球體系,固相體積分數的上限是0.74;當顆粒粒徑具有無窮多的分散分布時,其固相體積分數能夠達到100%。但實際SiC粉體顆粒形狀偏離球體較遠,顆粒之間不僅有點接觸,還有面接觸和體接觸,顆粒之間間隙形狀也不規(guī)則,因此很難達到理論密度。為了盡可能提高漿料固相含量,本文選擇d50在0.5~40μm內的SiC粉體進行3組分顆粒級配,d1,d2,d3分別代表粗顆粒、中顆粒和細顆粒的中位粒徑。根據Dinger-Funk公式計算了不同粉體的質量百分含量,如表1所示。在最佳分散條件下,測試了固相含量為65%,具有不同級配方式SiC漿料的流變性能,如圖2所示。根據測試結果可知,顆粒級配方式的改變導致漿料的流變性發(fā)生了改變,隨著粗顆粒含量的增加,漿料由脹流型流體變?yōu)榧偎苄粤黧w。這是因為漿料中細顆粒比例增多時,其比表面積迅速增加,所需分散介質較多,因此表觀黏度隨著剪切速率的增加而增大;而隨著粗顆粒量的增加,所需分散介質降低,同時顆粒能夠形成比較松散的網絡結構,隨著剪切速率的變大,具備這種松散結構的漿料比較容易流動,因此表觀黏度降低;但隨著粗顆粒量的進一步增加,低剪切速率下促使?jié){料流動的剪切應力增加,因此漿料黏度進一步加大。在3種剪切變稀的假塑性流體配方中,3#具有較低的黏度,因此本文選用3#級配方式獲得了固相含量高達65%,黏度滿足注模要求的SiC漿料。3.2固相含量的影響圖3為最佳分散條件下,不同固相含量SiC漿料的流變曲線。從圖中可以看出,隨著固相含量增加,漿料黏度迅速增大,本文同時制備的70%固相含量漿料已無法進行流變性能測試。隨著漿料固相含量的增加,顆粒間的流動介質減少,間距大大縮小,因此造成漿料表觀黏度的急劇增大。黏度過大的漿料無法進行漿料內部氣體的排出和催化劑、引發(fā)劑加入等工序,最終導致無法注模成型,因此本文制備的SiC漿料的固相含量為65%。3.3表觀黏度驗算本文制備SiC漿料時首先進行機械攪拌,利用攪拌器的機械力將較大的顆粒團聚打散,然后再通過球混分散較小的顆粒團聚,達到制備均勻漿料的目的。其中,混料時間是球磨過程中的一個重要參數。圖4是不同混料時間SiC漿料的表觀黏度值,SiC漿料的固相含量為65%,對應表觀黏度的剪切速率為100Hz。從圖中可以看到,混料時間為1~2h時,漿料黏度下降較快,這是因為在該段時間內,雖然較大顆粒團聚已經在機械攪拌階段消除,但仍存在較多小顆粒團聚,因此漿料黏度下降比較明顯。當混料時間超過4h后,漿料黏度上升。這是由于混料時間過長,磨球與磨球之間、磨球與球磨罐內壁之間相互摩擦,產生一定熱量,而熱量不能及時排除,導致罐內溫度升高,預混液中部分易揮發(fā)有機物變?yōu)闅怏w,漿料固相含量相對提高,引起黏度增加;同時在一定溫度下,SiC顆粒表面的SiO2層與漿料中的OH-反應,改變了顆粒表面的雙電層結構,影響分散性能,也會導致漿料黏度增加。因此本文選擇的最佳混料時間為4h。3.4微觀組織結構的影響圖5為SiC素坯脫脂后斷口不同位置的掃描電鏡圖片。從圖中可以看出,不同部位的顯微組織結構一致,充分體現了凝膠注模成型工藝的優(yōu)勢。脫脂后SiC素坯的抗彎強度值為24.6MPa,能夠滿足后續(xù)起吊翻轉、素坯加工及反應燒結過程的要求。圖6為脫脂后的Φ1.5mSiC陶瓷素坯。3.5rb-sic鏡坯表2為反應燒結SiC陶瓷RB-SiC的各項性能。圖7為光學拋光后的Φ1.5mRB-SiC鏡坯。Φ1.5m鏡坯表面經銑磨、研磨和拋光后,鏡面粗糙度值優(yōu)于3nm,面形精度RMS值優(yōu)于λ/10(λ=632.8nm)。4sic陶瓷坯的制備本文根據Dinger-Funk公式計算得到了SiC粉體的不同級配方式,通過實驗確定了最佳顆粒級配。在穩(wěn)定分散條件下,控制混料時間為4h,制備得到了固相含量為65%,剪切速率為10