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一文相识陶瓷凝胶注模成型工夫

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  传统的陶瓷制备工艺机械加工法、注射成型法、粉浆饶注法等,这些方法在成型复杂的构件时存有一定的局限,机械加工法可以通过机械处理得到复杂构件,但是加工成本较贵;粉浆浇注需要较长时间来干燥成型,而且浆料的黏度过大导致料液无法充分填充模具。

  20 世纪 90 年代初美国橡树岭国家重点实验室 Mark A,Janney 教授等人将传统陶瓷工艺和聚合物化学有机地结合起来,提出在陶瓷成型工艺中利用高分子单体聚合进行成型的凝胶注模成型技术。在制备复杂陶瓷构件时凝胶注模成型技术具有以下优点:

一文相识陶瓷凝胶注模成型工夫

  凝胶注模成型技术是将传统粉体成型工艺与有机聚合物化学结合,采用具有三维网络结构的高分子物质将分散均匀低黏度、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。

  基本原理:在低黏度、高固相体积分数的粉体−溶剂悬浮体中加入有机单体,然后在催化剂和引发剂的作用下通过加热或冷却等方式使浓悬浮体中有机单体化学交联聚合或物理交联成三维网状结构,从而使悬浮体原位固化成型。

  2.有机单体与交联剂溶于悬浮浆料,真空球磨工艺除气降低黏度、增加浆料流动性,制备低黏度高固相体积分数浓悬浮液;

  4.一定温度下引发有机单体凝胶反应,浆料黏度随之增加导致粉料被原位包裹、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,在一定温度、湿度下干燥,得到较高强度坯体,将干坯排胶并烧结得到致密部件。

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  根据凝胶注模技术所用的溶剂不同,可以将凝胶注模分为水系凝胶注模和非水系凝胶注模。

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  天然凝胶体系是浓悬浮液中有机单体在物理作用方式下,通过物理交联形成凝胶。常见天然凝胶体系:琼脂糖、明胶、果胶、爱尔兰台胶、壳聚糖和蛋白质等。

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  合成凝胶体系是浓悬浮液中有机单体在引发剂与催化剂等引发作用下,通过高分子化学反应合成凝胶。

  有机单体包括至少一个单功能团单体(称作单体)和一个多功能团单体(交联剂)。有机单体应满足以下性能:

  2)加入有机单体不影响浓悬浮液流动性,若流动性降低,则难以制备高固相、低黏度的浓悬浮液;

  3)凝胶应具有一定强度、优良的硬度和韧性,这样才能起到原位定型作用,保证脱模及后续加工;

  为使单组元凝胶体系或多组元凝胶体系发生凝胶反应,需加入引发剂。不同单体体系应使用不同引发剂。为加速单体聚合,可以采用加热及紫外光、红外光、可见光、电子束辐照及压应力、催化剂等方法。此外,为了改善坯体的可加工性,通常加入增塑剂。

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  采用微米级粉末原料制备精细陶瓷和复杂形状陶瓷部件,采用粒径分布宽原料制备粗颗粒体系陶瓷和高级耐火材料。凝胶注模成型技术制备粗颗粒体系的陶瓷或耐火材料的关键是高固相体积分数浆料的制备。

  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。通过粉体表面改性、超声波辅助分散、复合分散剂的选择等技术来提高复相陶瓷浆料的固相体积分数及均匀性,可以制备出较好的陶瓷复合材料。

  凝胶注模成型技术制备功能陶瓷主要应用于压电陶瓷(PZT),因为凝胶注模技术十分适合制备形状复杂的压电陶瓷产品,满足批量生产要求。运用凝胶注模技术制备压电陶瓷的关键是选取合适凝胶体系以及分散剂等添加剂,从而严格地控制陶瓷的化学成分。

  排胶对坯体强度及其显微结构的影响。在排胶过程中,随着排胶温度的升高,坯体强度及其显微结构发生阶段性的变化。

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