陶瓷凝胶注模成型技术(00002)教学案例.ppt

陶瓷凝胶注模成型技术陶瓷凝胶注模成型技术干法成型1.凝胶注模成型的基本原理凝胶注模成型与热压铸或注射成型相比，主要差别在于，后两种工艺中作为粘结剂的有机聚合物或蜡被有机单体取代，然后利用有机单体原位聚合来实现定型。
该技术首先发明的是有机溶剂的非水凝胶注模成型(NonaqueousGelcasting)，随后作为一种改进，又发明了用于水溶剂的水凝胶注模成型(aqueousGelcasting)，并广泛应用于各种陶瓷中。
能用于水凝胶注模成型工艺中的有机单体体系应满足以下性能:
(1)单体和交联剂必须是水溶的(前者质量分数至少20％，而后者至少2%)。如果它们的在水中的溶解度过低，有机单体就不是溶液聚合，而是溶液沉淀聚合，这样就不能成型出密度均匀的坯体，并且还会影响坯体的强度。(2)单体和交联剂的稀溶液形成的凝胶应具有一定的强度，这样才能起到原位定型的作用，并能保证有足够的脱模强度。
(3)不影响浆料的流动性，若单体和交联剂会降低浆料的流动性，那么高固相、低粘度的陶瓷浆料就难以制备。陶瓷粉末在三维网状聚合物中的分布丙烯酰胺单体聚合原理合成聚丙烯酰胺凝胶的原料是丙烯酰胺和N，N’—亚甲基双丙烯酰胺。
丙烯酰胺称单体，N，N’—亚甲基双丙烯酰胺称交联剂，在水溶液中，单体和交联剂通过自由基引发的聚合反应形成凝胶。
在聚丙烯酰胺凝胶形成的反应过程中，需要有催化剂参加，催化剂包括引发剂和加速剂两部分。
引发剂在凝胶形成中提供初始自由基，通过自由基的传递，使丙烯酰胺成为自由基，发动聚合反应，加速剂则可加快引发剂放自由基的速度。聚丙烯酰胺聚合反应可受下列因素影响凝胶浓度过高时，凝胶硬而脆，容易破碎；凝胶浓度太低时，凝胶稀软，不易操作。
交联度过高，胶不透明并缺乏弹性；交联度过低，凝胶呈糊状。
丙烯酰胺单体聚合为放热反应，通过聚合时的热效应来表征单体聚合的过程。采用凝胶注模成型时，为制备高质量的素坯，必须控制单体的聚合过程。单体聚合的程度、聚合的诱导期以及聚合的速度是单体聚合过程的重要表征参数。单体聚合程度越高，则固化后陶瓷坯体强度越高。单体聚合的诱导期太短，无法保证凝胶注模工艺所需的操作时间；诱导期太长，则在固化过程中陶瓷浆体容易产生沉降。这两种情况都会造成固化后陶瓷坯体不均匀或产生缺陷。因而研究时对单体聚合的速度、聚合程度的测量及表征是十分重要的。单体聚合的程度可以用单体聚合的转化率来表征。单体聚合的转化率定义为：在某一反应时间f时，已聚合的单体与初始单体的质量比，即
at=mt/m0(1)
其中：at为单体聚合的转化率；mt为已聚合的单体质量；mo为初始单体质量。在某一反应时间f时，单体聚合速度Rr可以用单体聚合转化率随时间变化的快慢来表征，即
Rt=dat/dt
单体聚合的诱导期为从加入引发剂到单体开始聚合之间的时间间隔。(2)悬浮颗粒的静电稳定机制悬浮颗粒的静电稳定机制悬浮颗粒的静电稳定机制悬浮颗粒的静电稳定机制b)悬浮颗粒的（电）空间稳定机制b)悬浮颗粒的（电）空间稳定机制双电层及ζ电位双电层及电位图4电解质对ζ电势的影响ζ电势随着溶剂化层中离子的浓度而改变，少量外加电解质对电势的数值会有显著的影响，随着电解质浓度的增加，电势的数值降低。图10绘出了ζ电位随外加电解质浓度的增加而变化的情形。在图中δ为固体表面所束缚的溶剂化层的厚度。d为没有外加电解质时扩散双电层的厚度，其大小与电解质的浓度、价数及温度均有关系。随着外加电解质浓度的增加有更多与固体表面离子符号相反的离子进入溶剂化层，同时双电层的厚度变薄（从d变成d/、d//、…）。ζ电势下降（从ζ变成ζ’、ζ”、…）。当双电层被压缩到与溶剂化层叠合时，ζ电势降以零为极限。
溶胶是热力学上不稳定体系，粒子间有相互聚结而降低其表面能的趋势，即具有具结不稳定性。离子要聚集在一起，必须克服一定的势垒，这是稳定的溶胶中离子不相互聚结的原因，在这种情况下尽管布朗运动使粒子相碰，但当粒子靠近到双电层重叠时随即发生排斥作用又使其离开，就不会引聚结。
2.凝胶注模成型工艺特点（1）配制单体预混液（2）制备陶瓷浆体表4固含量对浆料流动性的影响*球磨过程中粉料的添加顺序对浆料粘度的影响球磨过程中粉料的添加顺序对浆料粘度的影响球磨过程中粉料的添加顺序对浆料粘度的影响（3）注浆及凝胶反应表3催化剂四甲基乙二胺对凝胶时间的影响催化剂四甲基乙二胺对凝胶时间的影响PH值对浆料粘度的影响Al2O3ξ电位与PH值关系图5Al2O3ξ电位与PH值关系浆料粘度与PH值的关系图6浆料粘度与PH值的关系分散剂对浆料粘度的影响分散剂对浆料粘度的影响坯体干燥表5固含量对坯体收缩率的影响坯体加工排胶与烧结综合分析上述工序,3个因素成为决定Gelcasting成型品性能的关键:
(1)浆料中的固相含量,要求固相含量越高越好;
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