陶瓷凝胶注模成型

凝胶注模成型工艺研究

夏培

(天津大学材料科学与工程学院，教育部先进陶瓷与加工重点实验室，天津300072)

摘要：凝胶注模成型是一种优于传统成型工艺的先进陶瓷成型方法，为净尺寸高性能复杂形状陶瓷的制备提供了有效的技术途径。本文对陶瓷凝胶注模成型的原理、工艺、成型体系、特点等进行了简单的概论介绍,综述了目前凝胶注模成型的研究现状、存在的问题和应用情况并展望了发展趋势。

关键词：凝胶注模；研究现状；问题与展望

Study on the gel-casting

XIA Pei

(Key Laboratory of Advanced Ceramics and Machining Technology, Ministry of Education, college of Material Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin

300072, Tianjin, China)

Abstract: Gel-casting process is an advanced manufacturing technology for ceramic forming, which is superior to the traditional one, and has provided an effective approach to prepare high performance net size ceramics with complicated shapes. The principles,procedures,forming system and character of gel-casting are simply discussed in this paper, moreover, the present research process,problems as well as applications are also included. Finally, the tendency of this technology is forecasted in a dialectical way.

Key words: gel-casting; present research; problems and prospects

1.引言

随着当代科学技术的发展，国防、工业等技术领域对结构材料的要求越来越高，耐高温、耐腐蚀、高硬度和综合力学性能好的结构材料的开发和研究已经变得十分重要。但陶瓷材料烧结后很难进行机加工，人们一直在寻求复杂形状陶瓷元件的净尺寸成型方法，这已成为保证陶瓷元件质量和获得具有实际应用价值材料的关键环节[1]。

陶瓷材料的成型方法[2]，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。这些问题都在制约着陶瓷产业的大众化发展和应用前景。

凝胶注模成型技术是美国橡树岭国家实验室在20世纪90年代初首先发明的一种新的胶态快速成型工艺[3]。该工艺与其他湿法成型工艺相比，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，受到国内外学术界和工业界的极大关注。目前，凝胶注模成型技术已广泛地应用于A12O3、ZrO2、SIC、AIN、Si3N4等氧化物或非氧化物的精密陶瓷体系[4]，随着技术的不断改进，凝胶注模成型工艺也日臻完善并成为现代陶瓷材料的一种重要的成型方法。

以下图1是有关文献资料中，对于几种成型方法的比较[5]：

图1几种成型方法的比较

2.凝胶注模成型概论

2.1基本原理

陶瓷凝胶注模成型是原位凝固胶态成型工艺，所谓原位凝固胶态成型[6][7]就是指颗粒在悬浮体中的位置不变，靠颗粒之间的作用力或悬浮体内部的一些载体性质的变化，使悬浮体从液态转变为固态。在从液态转变为固态的过程中，坯体没有收缩或收缩很小，介质的量没有改变。它可以以净尺寸制造复杂形状的陶瓷部件，具有良好的坯体均匀性和高强度，其操作工艺简单、坯体中有机物杂质含量少，而且陶瓷烧结体性能优良[8]。

凝胶注模成型技术成功的将传统的粉体成型工艺与有机聚合物化学完美结合，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。实际上，凝胶注模的坯体就是一种粉体与高分子有机物的复合材料。该方法的基本原理是在低黏度、高固相体积分数的粉体-溶剂悬浮体中，加入有机单体，然后，通过某种手段，如在催化剂和引发剂的作用下或通过加热或冷却等方式使浓悬浮体中的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[9]。具体成型原理图[7]如下：

图2凝胶注模成型原理示意图

2.2工艺流程

凝胶注模的基本工艺流程如图3[8]所示。首先，将陶瓷粉料分散于含有机单体和交联剂的水溶液或非水溶液中，加入分散剂，制备出低黏度高固相体积分数的浓悬浮液；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，从而有利于注模成型；依次加入引发剂和催化剂，充分混合均匀后，将浓悬浮液注入模具，在一定的温度下引发单体的原位聚合，将陶瓷粉粒粘结在一起，最终形成具有一定强度和柔韧性的三维网状结构；坯体脱模后，经室温干燥处理，然后进行高温脱脂、烧结，有机凝胶将在高温下分散挥发，坯体致密化烧结后将直接成为可精加工的陶瓷部件[10]。

图3 凝胶注模的基本工艺流程