文档介绍：凝胶注模成型工艺制备高强度的氧化铝陶瓷
江润峰
(苏州大学材料学院,苏州 215021)
摘要: 本文以氧化铝陶瓷为例,研究探讨了凝胶注模成型工艺中制备低粘度、高固相含量浓悬浮体的关键技术;讨论分散剂因素对粘度的影响;不同固相含量对坯体的强度的影响。
关键词: 凝胶注模; 氧化铝; 成型工艺
1 前言
陶瓷材料成型工艺是制备复杂形状部件的关键环节,其对降低陶瓷零件生产成本、提高陶瓷材料性能及其可靠性起重要作用。随着航天、航空、机械、化工等行业的发展,对陶瓷材料的性能要求越来越高。
凝胶注模成型技术是90年代初美国橡树岭国家重点实验室Mark A,Janney教授等人提出的[1]。它首次将传统陶瓷工艺和聚合物化学有机结合起来,开创了在陶瓷成形工艺中利用高分子单体聚合进行成形的技术[2]。与传统的工艺相比有其独特的优越性:1)可使用于复杂的部件成型2)坯体的强度高,生坯即可加工成一定得形状。3)坯体比较均匀。
其工艺过程如图1所示:
图1 凝胶注模成型工艺过程
The flowing chart of gelcasting forming process
2 实验
α- %,µm,丙烯酰胺(AM)为有机单体,N-N亚甲基双丙烯酰胺(MBAM)为交联剂,过硫酸胺(APS)为引发剂;聚丙稀酸胺(PMAA-NH4)为分散剂;四甲基乙二胺(TEMED);分析纯氨水来调节pH。
本实验选择丙烯酰胺为有机单体,亚甲基双丙烯酰胺为交联剂,两者在水中搅拌后均可溶。凝胶注模成型工艺要求单体在一定条件下形成交联大分子,形成聚合物的反应类型有聚合和缩聚两种形式,由于缩聚反应有小分子如水分子产生,而本实验要求原位聚合形成有一定形状和强度的固状坯体,要求尽量减少水份,因此采用聚合反应
。本实验选择引发剂APS和催化剂TEMED的催化体系,可通过控制温度、APS与TEMED的量、分散剂等有效控制反应速度。
1) 将有机单体AM、交联剂MBAM 以AM:MBAM=20:1比例溶于水,再加入一定量分散剂PMAA-NH4 配置成溶液;
2) 在溶液中加入高固相含量粉料,将其放置行星球磨机中球磨至浆料具备一定流动性;
3) 加入引发剂过硫酸胺搅拌均匀再加催化剂四甲基乙二胺搅拌后注入模具中。模具温度升高,有机单体发生聚合,浆料形成凝胶体。当反应停止,温度冷却后,脱模;
4) 在设定的干燥制度下干燥后,放入高温炉中进行排胶烧结。
脱胶与烧结
由于试样坯体中有机物含量较低,排胶过程相对简单,时间较短,所以可连续完成烧结过程;对大件物品,仍需要单独排胶。使排胶、烧结一次完成。纯氧化铝主要靠固相烧结,℃左右;由于加入少量的助烧剂(2%的CaCO3),烧成温度可控制在1580℃~1600℃。
3、结果与讨论
PMAA-NH4的加入量对浆料流变性的影响。
合适的分散剂量可使颗粒被聚合物完全包覆,聚合物基团一端吸附颗粒表面,另一端伸向溶剂,聚合物充分分散,形成空间位垒,阻碍颗粒的聚集。如图3所示。
a、未加分散剂时的絮凝桥连
b、加分散剂后的分散保护
图2 分散剂对颗粒表面作用图