氧化鋁陶瓷注凝成型的研究

吳洋 李文杰

摘 要：本實驗探究了氧化鋁陶瓷注凝成型工藝，綜合分析了分散劑和漿料的固相含量對氧化鋁陶瓷漿料粘度的影響，實驗證明：當分散劑的加入量為0.6%，漿料的固相含量為50%時，漿料適宜注漿，得到的陶瓷產品顆粒分布均勻，結構致密。

關鍵詞：氧化鋁；分散劑；固含量；注凝成型

1 引言

氧化鋁陶瓷具有高硬度、耐腐蝕、耐磨損以及良好的機械性能而被廣泛地運用到各行業中，但是傳統的成型工藝如等靜壓成型、注漿成型在制造一些大尺寸、形狀復雜的陶瓷制品時比較困難，生坯的強度低，不利于產品的后續加工。熱壓鑄成型雖然能夠制備一些形狀復雜的陶瓷類制品，但是這種成型工藝復雜，耗能也高，熱壓鑄成型工藝中，要將石蠟等有機塑性劑與陶瓷粉料均勻混合，在排蠟的過程中，石蠟不完全燃燒、高溫裂解的低碳低氫物質、反應不完全的碳等等造成了大量的空氣污染，所需要能耗也巨大，這與國家制定的節能減排戰略是相悖的。因此，尋求新的成型工藝來制備高性能陶瓷勢在必行。

注凝成型的出現[1-4]為解決這種問題提供了一種選擇，該工藝是首先制備高濃度低粘度的漿料，之后注模，然后通過加入的引發劑和催化劑，控制一定的溫度，引發有機單體聚合，使得漿料原位凝固成型，形成具有一定強度的三維網狀結構的生坯，生坯經過脫模之后，干燥、排膠，然后燒結得到制品。該技術創造性地將陶瓷工藝和聚合物有機化學結合在一起，開創了高分子聚合交聯成型的先例。其特點在于：1）工藝簡單；2）素坯均勻性好，強度高易于加工；3）該工藝過程對模具無要求，坯體收縮小，適用于成型大尺寸，形狀復雜的陶瓷制品；4）燒結后的陶瓷致密，均勻性好，性能優異，所加入的高分子在高溫下熱分解掉，不會殘留雜質。目前，這一工藝已運用于各種復雜陶瓷制品的研究工作，已開創出較多的陶瓷注凝成型體系，如丙烯酰胺體系，羥基甲基丙烯酰胺體系等等。隨著技術的不斷完善，注凝成型[5-7]也會漸漸成為一種重要的陶瓷材料成型方法。

本實驗采用丙烯酰胺水基注凝體系[8-10]，研究了漿料的固相含量、分散劑含量對漿料粘度的影響，結合樣品的顯微結構分析，探索亞微米級氧化鋁陶瓷凝膠注模工藝。

2 實驗內容

2.1 實驗原料

本實驗所采用的氧化鋁粉體為工業氧化鋁，主晶相為α-Al2O3，平均粒徑為2 μm左右；以CaCO3、MgO、SiO2為燒結助劑，總添加量為2%；實驗采用水基丙烯酰胺體系，以丙烯酰胺（AM）為有機單體，N，N-亞甲基雙丙烯酰胺（MBAM）為交聯劑，引發劑為過硫酸銨（APS），催化劑為N，N，N，N-四甲基乙二胺（TEMED），分散劑為檸檬酸三銨。具體組成如表1所示。

2.2 實驗過程

（1）將一定比例的有機單體AM和交聯劑MBAM溶于水，配成一定濃度的預混液；

（2） 然后加入陶瓷原料粉和分散劑檸檬酸三胺，球磨24 h之后出漿，得到高固相含量低粘度的漿料；

（3） 漿料經過真空除氣之后，在均勻攪拌下加入適量催化劑TEMED和引發劑APS（要嚴格控制催化劑和引發劑的量，使得漿料在注模的時候具有良好的流動性），快速攪拌之后將漿料注入模具當中；

（4） 在70 ℃的恒溫箱中充分保溫一段時間，直至漿料完全凝膠化；

（5） 脫模干燥后，在900 ℃排膠然后升溫至1570 ℃保溫1 h。

整個實驗流程如圖1所示。

3 結果與討論

3.1 分散劑對陶瓷漿料粘度的影響

圖2為漿料粘度隨分散劑用量變化的關系，從圖2可以看出，隨著分散劑用量的增加，漿料的粘度迅速下降，當分散劑的添加量為6%左右時，漿料的粘度降到最低；繼續增加分散劑的用量，漿料的粘度反而升高。出現這種情況的可能原因是：空間位阻機理認為，高分子量的聚合物分子一般存在著可溶性的基團和非可溶性的基團，其非溶性基團錨固在固體顆粒表面，而可溶性的基團會在介質中充分的延伸，充當為穩定的部分，防止顆粒發生沉降，起到穩定漿料的作用。

分散劑檸檬酸銨是一種表面活性劑，能夠電離生成有機酸根離子和銨離子，如果表面是極性的，親水基吸附在表面，如果表面是非極性的，那么就是憎水基吸附在表面。氧化鋁陶瓷顆粒表面是極性的，有機酸根離子在表面具有很強的吸附作用，其離子的分子鏈垂直于顆粒表面，從而使得顆粒之間的斥力增強，顆粒在漿料中就呈現出更為穩定的狀態。但是隨著添加量的增加，顆粒表面的有機酸根離子達到飽和，多余的分散劑反而會影響顆粒的流動，漿料的粘度反而會提升。

3.2 固相含量對漿料粘度的影響

我們知道，漿料粘度的升高不利于后續注漿的過程，因此控制合適的漿料的粘度才能有利于注凝成型的進行。實驗選取了五組不同固相含量的陶瓷漿料，圖3為漿料粘度隨固相含量變化的關系，從圖3中可以看出，隨著漿料固相含量的增加，漿料的粘度先緩慢增加然后迅速提升，出現這種現象的原因是：由woodcock公式：

式中：Φ—固相體積分數，%；

h —顆粒之間的距離， μm；

d —顆粒的直徑，μm；

由公式（1）可知，在粉體粒徑一定的前提下，固相含量的提升，顆粒間的距離就會減小，相互接觸的顆粒不斷增多，體系中的自由水也就相應的減少，粉體顆粒之間的間距顯著降低，顆粒之間的相互作用力也隨之增大。不僅如此，加入到陶瓷漿料當中的分散劑吸附在顆粒的表面，加大了陶瓷顆粒的有效體積，陶瓷顆粒的相對移動也變得更加困難，懸浮體的流動性會受到相應的影響，因而漿料的粘度會急劇的增加，實驗表明：最適合注漿的漿料固相含量為50%。

3.3 坯體的顯微結構

圖4是采用注凝成型的陶瓷試樣的顯微形貌圖，從圖4可以看出，晶粒的“自形”較為明顯，可以明顯地看到六方的氧化鋁晶粒，整個結構較為致密，晶粒的尺寸分布較為均勻，沒有異常長大的晶粒，晶粒尺寸約為1～2 μm。注凝成型是采用漿料原位固化成型的方式得到生坯，固相含量為50%的微米氧化鋁陶瓷漿料，流動性較好，適宜注漿，從而保證了原料顆粒分布的均勻性，能夠促進陶瓷的燒結，并且顯著地降低了陶瓷中大氣孔的數量，使得陶瓷更加致密化，陶瓷的顯微結構得以改善。

4 結論

（1） 隨著分散劑用量的增加，陶瓷漿料的粘度先下降后上升，最佳的添加量為0.6%；

（2） 隨著漿料固相含量的增加，漿料的粘度先緩慢增加然后迅速提升，實驗表明最適合注漿的漿料固相含量為50%；

（3） 注凝成型可以提高陶瓷原料分布的均勻性，優化顯微結構，最終提高陶瓷制品的宏觀物理性能。

參考文獻

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