粉体圈首页     您好,欢迎来到粉体圈网络!
个人注册   企业注册   登录   找回密码   进入供求市场
粉体圈专注为粉碎设备,粉体设备等厂家提供粉体技术,粉体会议等信息及粉体展示和交流平台。 粉体圈专注为粉碎设备,粉体设备等厂家提供粉体技术,粉体会议等信息及粉体展示和交流平台。
当前位置:粉体圈首页>粉体技术>粉体加工技术>正文
陶瓷成型方法之“浆料成型”
2019年05月14日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:407
0

前两篇文章主要介绍了压制成型(成型的原材料为干坯料)文章链接:陶瓷粉体成型工艺之“压制成型”、可塑成型(成型的原材料为可塑性坯料)文章链接:陶瓷粉体成型方法之“可塑成型”,今天小编给大家介绍陶瓷成型方法中的第三大类---浆料成型(成型的坯料为浆料)。事实上,陶瓷成型方法的分类标准多种多样,新方法、新工艺层出不穷,这给工艺分类带来了困难。但是,很多材料(例如最常见的金属,板对应的工艺为冲压,块对应的工艺为锻造),依据其坯料特性,对成型工艺进行分类一直是广为接受的方法。这是因为,诸如陶瓷这样的粉料,在成型之前,都是要经过一定的加工处理,我们依据加工处理后的坯料的流动及其流动特性,进行分类,是非常合理有效的。

浆料成型是将陶瓷粉末分散在液态介质中制成悬浮液,使其具有良好的流动性,将此悬浮液注入一定形状的模具中,利用模具的吸水作用固化后,制成具有一定形状的生坯的成型方法。浆料成型主要包括注浆成型、注凝成型、压铸成型和流延成型。由于注凝成型和注浆成型联系最为紧密(篇幅所限),因此本文仅介绍浆料成型中的注浆和注凝成型。

注浆成型

注浆成型具有设备简单、适用性强的特点,特别适合制造大型的、形状复杂的、薄壁的制件。传统的注浆成型主要用石膏模注浆,依靠石膏的吸水作用使坯体固化。该方法在陶瓷制件的生产中已有数百年的历史,工艺成熟。

1左图为石膏模,右图为注浆过程

传统注浆过程的实质是通过石膏模的毛细管吸力,从泥浆中吸取水分。泥浆与模壁相接触的部分最先脱水,形成薄的泥层。同时,泥浆中的水分不断向薄泥层扩散,进入模具的毛细管中。因此,其扩散动力是水分的浓度差和压力差。最初形成的泥层就好像一张滤网,随着泥层的增厚,水分扩散的阻力也会逐渐增大。待坯料达到一定强度后,才能进行接下来的脱模操作。

在传统注浆方法的基础上,可以通过真空注浆、压力注浆、离心注浆等加速注浆方法,实现浆料的快速脱水。但是工艺的本质仍未发生变化,例如真空注浆是通过在成型模具外部抽真空或将紧固的模具放在负压的真空环境内,形成注浆模具内外的压力差,以加速石膏模的吸水能力。这些改进的注浆方法,一方面能够提高效率,另一方面也能利于消除坯体中的针眼、气孔等缺陷。

注凝成型

注凝成型工艺是一种新颖的胶态成型工艺,很好地将传统陶瓷工艺和有机聚合物化学相结合,可以制备低黏度、高固相含量、均匀性好的陶瓷坯体。

注凝成型的基本原理是在低黏度、高固相含量的粉体-溶剂悬浮体系中加入少量的有机单体,然后利用催化剂和引发剂,使悬浮液中的有机单体聚合交联形成三维网状结构,液态浆料原位固化成型,从而得到具有粉体与高分子物质复合结构的坯体。然后进行脱模、干燥、去除有机物、烧结。最后获得陶瓷部件。

2注凝成型工艺流程

在以上图中所示的工艺步骤中,分散和干燥是成功应用注凝成型的关键。

分散:注凝成型一方面要求浆料的流动性尽可能好,这样能够填充各种形状的模具,另一方面要求固相含量至少为50%,以减少收缩率,形成高密度的坯体。选择合适的分散剂和控制浆料的PH值,保证浆料的流动性是注凝成型的先决条件。

3左图为固含量为54vol%的坯体及其烧成制品,右表为不同固含量的注凝成型氧化锆坯体烧成后的收缩情况(图片来源:超细ZrO2注凝成型液体干燥及烧结研究)

干燥:陶瓷材料的生产过程中为了减少坯体的变形,干燥也很关键。通过对氧化铝的研究发现,为避免热变形和破裂,干燥要在室温、湿度高的条件下缓慢进行。但是,在实际生产中要求成型时间越短越好。对于薄的坯体,室温干燥即可;不同于注浆成型和纯粹的胶凝,注凝成型坯体在干燥时无恒定阶段,改变湿度和温度可以显著减少干燥时间。

为了说明干燥步骤重要性,以下面例子进行简单介绍。研究人员采用超细氧化锆粉料(d50=0.1um)注凝成型的齿轮状坯料(厚度10mm,直径80-84mm),在PEG(分子量10000)溶液和空气中的干燥情况进行对比,发现在PEG溶液中,干燥的坯体表面光洁、形状完好,无翘曲、开裂和起皮等缺陷。

4注凝成型氧化锆坯体在PEG10000熔液中(a)和在空气中(b)的干燥情况

(图片来源:超细ZrO2注凝成型液体干燥及烧结研究)

应用

注浆成型是浆料成型中最为传统的陶瓷成型方法,而注凝成型技术是在传统方法的基础上,将高分子单体聚合的方法灵活地引入到陶瓷成型工艺中,是近些年来一直是研究和应用的热点。下表是天津大学薛义丹等对两种典型注浆成型工艺的总结与对比。

1注浆和注凝成型的工艺对比

国内,对于注凝成型的研究和应用方兴未艾。例如,在纳米碳化硅增韧氧化铝防弹陶瓷的研制中,注凝成型起到了重要作用。大片防弹陶瓷带有一定弧度曲线,因此对于成型的均匀性要求极为苛刻。在这一方面,山东硅苑新材料走在前列。

5防弹陶瓷板

山东硅苑新材料科技股份有限公司由山东省硅酸盐研究设计院整体改制,其研发的“凝胶注成型纳米碳化硅增韧氧化铝防弹陶瓷材料工程化研究和应用”项目,在09年通过淄博市市级检验,淄博市科技局专家认为该项目研制的凝胶注模成型纳米碳化硅增韧氧化铝防弹陶瓷材料,对提高我国军事防护能力和设备装备水平,具有重要的推动作用,将带来良好的经济效益和社会效益。该成果填补国内空白,技术达到国际先进水平。

据了解,硅苑科技研发的工艺是在氧化铝体系中添加纳米碳化硅,找到了合理的配方组合点,采用凝胶注模成型工艺,使坯体具有柔韧性,制备出曲面形式的产品。

2011年,硅苑科技的防弹陶瓷产品经兵器工业部53研究所、国防科工委外加尼龙等有机复合材料后进行再次评估,其打靶试验达到国家4级要求。

除了山东硅苑,近几年还有不少公司在防弹陶瓷的注凝成型方向进行研究和布局。

2015年9月,国家专利局公布了佛山市元山大都科技有限公司的一项名为“一种轻质量级的氧化铝防弹陶瓷的制备方法”。其工艺方法是采用95-99质量份的α-氧化铝,0.5-1.5质量份的高岭土,0.5-1.0质量份的烧滑石,3-8质量份的碳化硼晶须或碳化硼晶粒;将挤出配料放入球磨机中湿混,烘干,过300-400目筛;采用注凝成型方法之后,在1500-1800℃,保温3-5小时烧成。大都科技采用注凝成型工艺,能够直接生产大片的防弹陶瓷,且内部均匀一致,产品安全性好。

在多孔陶瓷领域,注凝成型同样有用武之地。多孔氮化硅陶瓷不仅具有多孔陶瓷的功能性(密度低、比表面积大),同时具有氮化硅陶瓷的结构性(高强度、高硬度、耐高温、耐磨损、抗热震性能好)。

多孔氮化硅可采用添加造孔剂法和冷冻干燥法制备,常见造孔剂有玉米淀粉、有机晶须、磷酸核酚醛树脂等,但是造孔剂密度较低,粒径大小不一,在陶瓷坯体中分布均匀性差,导致孔隙分布不均匀,严重影响多孔氮化硅的功能性;而冷冻干燥法制备的多孔陶瓷微观组织不均匀,材料的力学性能又达不到要求。

因此,研究人员尝试采用注凝成型方法制备多孔氮化硅

2为研究人员采用三种方法制备的多孔氮化硅性能对比,其数据来自河海大学应国兵老师的整理总结。表中,第一列为不同成型方法,Gel-casting为注凝成型,Adding pore-forming agent为添加造孔剂法,Freeze casting为冷冻干燥法。第二列为固含量,第三列为制备多孔陶瓷的孔隙率,第四、五列为抗弯强度和断裂韧性,以表征力学性能。

对比数据可以发现,对于注凝成型的氮化硅陶瓷,固含量高时,孔隙率降低,力学性能提高。此外,无论哪种制备方法,多孔氮化硅陶瓷材料的弯曲强度和断裂韧性均随着孔隙率的增大而减小,因为孔隙在氮化硅陶瓷中相当于缺陷,尤其是大孔隙,在材料受力过程中容易成为断裂源,孔隙率越大,缺陷就越多,材料受力时断裂源就越多,弯曲强度和断裂韧性就越低。在孔隙率相同情况下,采用凝胶注模法制备的多孔氮化硅陶瓷力学性能最好,这与其孔隙分布更加均匀且孔径细小直接相关。

2不同制备方法制备的多孔氮化硅对比

小结

注浆成型和注凝成型是两种典型的浆料成型方法,注浆成型工艺简单,应用广泛,而注凝成型是在传统注浆成型工艺基础上,将高分子单体聚合的方法灵活地引入到陶瓷成型工艺中,通过制备低黏度、高固相体积分数的悬浮液来得到高强度、高密度的均匀坯体。注凝成型相较传统方法,具有无可比拟的优势,相信在未来,会有更广阔的应用。

参考文献

一种轻质量级的氧化铝防弹陶瓷的制备方法,佛山市元山大都科技有限公司,钟旭东。

超细ZrO2注凝成型液体干燥及烧结研究,河北理工大学,杜蛟,高雅春,尚晓娴,张红燕;唐山索坤日用玻璃有限公司,杨瑜。

凝胶注模技术制备高强度多孔氮化硅陶瓷,河海大学,王鹏举,吴玉萍,应国兵,田宝娜,王乘,李嘉,赵海伟。

By:火宣

 


相关内容:
0
 

点击加入粉体技术交流群粉体技术群
返回页顶