凝胶注模成型技术将传统的粉体成型工艺与有机聚合物化学结合，将高分子单体聚合的方法灵活地引入到粉体成型领域中，通过制备低黏度、高固相体积分数的悬浮液来实现净尺寸成型高强度、高密度均匀坯体。其基本思想是采用具有三维网络结构的高分子物质将分散均匀的粉体悬浮液中的颗粒包裹使之原位固定，从而得到具有粉体与高分子物质复合结构的坯体。

一、基本原理和工艺流程

该工艺包括如下几个过程：（1）将粉料和分散剂加入到溶剂(水溶液或非水溶液)中，通过球磨和超声振荡等方式配成粉体悬浮浆料；（2）将有机单体和交联剂溶于悬浮浆料中，借助真空球磨工艺排除浆料中的气泡，降低悬浮液黏度，增加浆料的流动性，制备出低黏度高固相体积分数的浓悬浮液；（3）注模前加入引发剂（或引发剂与催化剂，或固化剂等使有机单体发生凝胶反应的物质），充分搅拌均匀后，将浆料注入模具中；（4）在一定的温度条件下引发有机单体发生凝胶反应，浆料黏度随反应的进行急剧增加，从而导致浆料中的粉体被原位包裹、固化成型，最终形成具有一定强度和柔韧性的三维网状结构，得到含一定溶剂的坯体；（5）脱模后，在一定的温度和湿度条件下干燥，得到较高强度的坯体(如需要，可进行适当的机加工修坯)，最后将干坯排胶（使坯体内的凝胶等有机物质分解、挥发）并烧结，得到致密部件[1]。

凝胶注模工艺流程

根据所采用的溶剂是否为水溶液，将凝胶注模分为水系凝胶注模和非水系凝胶注模。与非水系凝胶注模成型技术相比，水系具有以下优点：1) 以水作为溶剂，使凝胶注模成型技术与传统成型方法更接近；2) 使干燥过程更简单；3) 可降低 凝胶前驱物的黏度；4) 可避免使用有机物所带来的环境污染问题。因此，水系凝胶注模成型技术这种环境友好型工艺更容易被工业界所接受。

凝胶体系是凝胶注模的核心技术之一，因为它在很大程度上决定了坯体的均匀性、强度和可加工性 等性能，因此，对它的研究一直是凝胶注模成型技术中的研究热点。根据凝胶的来源可将凝胶体系分为天然凝胶体系和合成凝胶体系。具体有关这一块的介绍我们留到之后再展开。

二、在陶瓷粉体中的应用与困难

陶瓷材料的成型方法，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；等静压成型必须配合昂贵的设备，致使加工成本和制造成本太高，难以普及。

而凝胶注模成型则很好地解决了上述问题。相比于其他湿法成型工艺，其具有设备简单、成型坯体组成均匀、缺陷少、不需要脱脂、不易变形、净尺寸成型复杂形状零件及实用性很强等突出优点。

陶瓷材料湿法成型工艺对比[2]

在凝胶注模成型技术的开发初期，许多研究工作的重点是采用亚微米及微米级(＜10 μm)的陶瓷粉末 原料制备精细陶瓷和复杂形状的陶瓷部件，后来发展到用粒径分布宽的粗颗粒体系(10~1000 μm)陶瓷和高级耐火材料。

随着对凝胶注模成型技术的深入研究及其在单组元陶瓷材料方面的成功应用，人们开始了复合材料成型的研究探索工作，通过各种各样的手段(诸如粉体表面改性、超声波辅助分散、复合分散剂的选择等)来提高复相陶瓷浆料的固相体积分数及均匀性，取得较为满意的效果。凝胶注模成型技术被用来成型ZrO₂-Al₂O₃陶瓷和Al₂O₃ /SiC_p等复合陶瓷，还可用来制备纳米复相陶瓷。

陶瓷凝胶注模成型机理

采用凝胶注模成型技术制备复合材料体系最大的难点是如何制备出固相体积分数高、流动性好、分散均匀的浆料。因为不同粉料的等电点不同，在同一分散体系中等电点一般不易重合或接近，各种粉料很难同时达到较好的分散，往往是一种粉料（或几种）得到较好分散，而另外一种或几种分散较差。

三、在金属粉体中的应用与困难

凝胶注模成形最初是用于陶瓷材料近净尺寸成形技术，它适用于成形大尺寸、复杂形状的部件。近年来，凝胶注模成型技术正逐渐被用于粉末冶金领域。

JANNEY对比分析了凝胶注模成型技术运用在金属粉末体系与陶瓷粉末体系中的差异，他认为主要原因是两种粉体材料的物理和化学性质存在很大不同。氧化铝和氮化硅等陶瓷粉体粒度(0.2~0.5 μm)和密度(2~6 g/cm³)均小于金属粉体的粒度(20~100 μm)和密度(7~9 g/cm³)；金属粉体较活泼、易氧化，以及存在某些对聚合反应有影响的金属离子如 Fe²⁺、Cu²⁺、 Al³⁺和 Ca²⁺等。这些差异决定了其在凝胶注模成型工艺中的不同表现。

粗的金属粉体虽然更容易分散，有利于得到高固相体积分数的悬浮液浆料，但是容易造成粉体在悬浮液中的沉降，导致料浆絮凝和胀性流动；金属粉体的密度大，同样也会造成沉降，并且使坯体因过重而不利于处理坯体的搬运和表面卷曲、变形等问题；活泼的金属粉体容易与溶剂发生反应；排胶工艺对熔点较低金属粉末的性能可能产生不利影响。当然也存在有利的方面，采用粗粉制备的坯体内空隙较大，可在较快的速度下进行干燥，利于减少干燥过程中产生的毛细作用力，从而减少坯体变形和开裂。

凝胶注模成型技术在粉末冶金领域的运用需解决如下问题：

1)低黏度、高固相体积分数的金属粉体悬浮液浆料的制备；针对金属粉体密度、粒度较大，难制备高浓度悬浮料浆问题，有必要借鉴其他金属粉末湿法成形技术的经验，通过大量的对比实验，选择能够将浆料中的金属粉末有效悬浮分散的分散剂；此外，由于不同金属粉末的物化性质存在较大差异，能够将其有效悬浮分散的分散剂各不相同，这就需要针对特定的金属粉末分别进行分散剂效能的对比实验，并在大量试验基础上确定最佳的分散剂组合及其配比。

2)防止金属粉末氧化变质：在制备悬浮液浆料时，较活泼的金属粉体易氧化，因此，选择合适的溶剂及凝胶体系，必要时可考虑添加防氧化剂。坯体成型后应尽快通过真空干燥等手段除去残留的溶剂，尽量减少溶剂对粉体性能的影响。

3)降低金属离子对凝胶反应的影响。如前所述，金属离子对聚合反应存在促进或抑制作用，因此，必须通过大量实验摸索出各种金属离子对反应的影响规律，然后加以控制。

综上所述，凝胶注模成型技术作为一种制备高可靠性、复杂形状部件的粉体成型方法，从根本上变革了传统的粉体成型工艺。在过去的十多年里，凝胶注模成型技术无论是其工艺技术的研究，还是应用领域的研究都取得了较大的进展。目前，凝胶注模成型技术的研究重点仍旧是研究高固相体积分数、低黏度悬浮浆料的制备，特别是多组元浆料的制备；开发新型的凝胶注模体系，使成型条件更易实现，工艺更稳定，操作更简单。

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参考资料

[1]凝胶注模成型技术的研究与进展，王小锋

[2]可实现净尺寸成型的陶瓷材料成型方法—凝胶注模成型技术，CERADIR先进陶瓷在线

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