陶瓷原位凝胶注模成形技术的发展.doc

陶瓷原位凝胶注模成形技术的发展
学院：装备制造学院 专业：无机非金属材料工程
姓名：刘鹏
学号：1033020114

引言
随着材料学与高分子化学、胶体化学、生物酶化学、计算机学、微电子学等学科的相互渗透,新型的陶瓷成形技术得到迅速发展,从而为各种精密陶瓷部件的制备提供了更多、更有效的工艺手段。90年代初,美国橡树岭国家重点实验室MarkA,Janney教授等人提出了凝胶注模成形技术(gelcasting),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。此方法具有以下优点:(1)浆料固相含量高,粘度低,因而生坯的密度大,均匀性好,干燥收缩小,强度高,可经受机加工;(2)成形时间短、准确度高、成本低;(3)可生产准净尺寸的复杂形状陶瓷部件.(4)可用于成形多种陶瓷材料;。因此该技术明显优于流延法和热压成形等传统的湿法成形技术。目前该工艺的研究受到国内外研究部门和工业界的极大重视,并列入陶瓷新材料的发展和研究计划,具有广泛的应用前景。分析近年来凝胶注模成形技术的发展现状及趋势,其重点集中于凝胶体系的研究。本文就目前国内外在该技术中采用的凝胶体系及主要工艺过程介绍如下。
1以丙烯酰胺为单体的凝胶注模成形体系
以丙烯酰胺单体为凝胶注模体系是在陶瓷悬浮液中加少量丙烯酰胺有机单体,利用催化剂及引发剂,使悬浮体中的有机单体聚合胶联形成三维网络骨架(聚丙烯酰胺),陶瓷颗粒固定其中,并与聚合物凝胶通过吸附作用,使液态浆料转变成具有一定强度和柔韧性的坯体。体系使用的各化学试剂见表1。其工艺流程如图1所示。表1丙烯酰胺凝胶体系的各化学试剂

图1凝胶注模成形工艺流程
聚丙烯酰胺长链构成网络结构包括两种机制,即长链分子之间的亚胺化交联作用及交联剂与长链分子的桥接交联作用。长链分子可以通过氨基之间的结合(亚胺化反应)连接形成网络结构。交联剂分子因具有两个碳碳双键,可以通过桥接作用使聚丙烯酰胺长链相互连接起来,形成网络结构。
酰胺为单体的凝胶体系的凝胶注模成形技术成功地制备出内部致密无缺陷且强度很高的而且可机加工的涡轮转子和叶片等复杂形状的陶瓷部件。如Al2O3陶瓷,其烧结体的密度可以达到理论密度的99%,平均强度为248􀀁42MPa,孔隙率小于5%。
但是采用此体系的凝胶注模成形方法在有空气的环境下制备陶瓷坯体时,发现干燥后的坯体表层(与空气接触部分)存在裂纹和起皮现象,这是由于空气中的氧阻碍了坯体表层中单体聚合所致,所以料浆要在抽真空或惰性气体N2保护气氛下排氧.但是在实际生产过程中,利用氮气保护不仅使工艺条件难于控制,而且会增加生产成本;干燥条件苛刻,需把湿坯体放入烘
箱,保持在50~60􀀁下保温8~10h,仔细控制烘箱的温度和湿度,才能防止干燥开裂;此外单体丙烯酰胺是一种神经毒素,具有一定毒性,对人体健康和环境保护不利。故而使得以丙烯酰胺为凝胶体系的成形技术不能产业化。
2引入水溶性聚合物的无氧阻聚凝胶注模体系
近两年来,发现高分子的加入可以有效消除凝胶注模成形陶瓷坯体表面起皮现象。该方法是在陶瓷浆料的组分中引入一个新的组分-----非离子水溶性高分子,例如聚乙烯吡咯烷酮(PVP),聚丙烯酰胺,聚氧化乙烯,褐藻酸钠和淀粉等,在凝胶注模成形过程中对陶瓷坯体表面起皮现象有抑制作用。此种陶瓷部件的无氧阻聚凝胶注模成形方法,包
括以下几个步聚:
1)首先将质量为3~30:100的丙烯酰胺单体溶解于水中制备单体预混液。
2)将水质量比为2~20:100的溶性高分子溶于单体预混液中。
3)将体积比为65~130:100的陶瓷粉料加入到高分子水溶液中,充分搅拌分散。
4)混合料球磨12~48h,在5~25。C范围内真空除泡10~30min。
5)然后加入0.05%~2%的过硫酸铵或过硫酸钾作为引发剂,同时加入0.02%~0.1%的N,N,N,N-四甲基乙二铵作为催化剂。
6)将上述陶瓷悬浮体注入非孔模具,然后置于40~80􀀁保温箱内保温5~60min,单体分子聚合反应并与水溶性高分子相互作用形成凝胶网络。
该技术采用的化学方法与采用氮气保护方法不同,只须在浆料中加入少量添加剂就能克服凝胶注模过程中因氧阻聚而使与空气接触部分的坯体表面产生起皮剥落的现象。并成功成形出氧化铝、氧化锆、氮化。硅、碳化硅等陶瓷坯体,得到的表面光洁无缺陷。
3通过金属离子鳌合反应的无毒性凝
胶注模体系
此体系是通过鳌合反应实现延迟固化的无毒性陶瓷胶态成形方法,其基本原理是通过钙离子鳌合剂与钙盐发生鳌合反应,当鳌合反应进行完全时,褐藻酸钠很难与钙离子发生凝胶反应,而一旦此鳌合反应被酸性物质破坏时,鳌合的钙离子将被释放出来再与陶瓷料浆中的褐藻酸钠化学键合形成凝胶大分子,使陶瓷悬浮体原位凝固。
钙盐主要包括:碳酸钙、磷酸钙及磷酸氢钙。而鳌