凝胶浆料注模成型技术及工艺难点

凝胶注模成型技术及工艺难点分析

2017-5-18 作者：谭建波

凝胶注模成型最早是由美国橡树岭国家试验室（Oak Ridge National Laboratory, ORNL）的JANNEY和OMATETE发明的一种新的陶瓷成型技术。该技术将传统的陶瓷工艺和高分子聚合物化学巧妙地结合起来，是一种新型的制备高品质复杂形状陶瓷件的近净尺寸成型技术。

凝胶注模成型工艺与其它传统成型工艺相比具有许多优点，因而引起陶瓷界的普遍关注，使得该技术不断完善，并已在实际生产中应用。上世纪末，美国的Alliedsignal Ceramic Company、LOTEC Inc.、Ceramic Magnetics Inc.三家公司获得凝胶注模成型技术的使用许可。Alliedsignal陶瓷公司应用该技术成功制备了航天器辅助电源部分的Si3N4陶瓷涡轮机转子；LOTEC公司采用该技术制备了低膨胀陶瓷材料，这种材料在高温下不会发生膨胀，被应用于制造发动机排气管道的绝热材料；Ceramic Magnetics公司则将此技术应用于高能物理研究用粒子加速器中的大直径（直径>50cm）铁氧体磁性陶瓷环的生产。与此同时，美国Alliedsignal陶瓷公司已开发出年产10000只涡轮转子的凝胶注模成型自动化生产设备；美国集成系统公司（Integrated Systems Inc.）也基于热空气干燥理论开发出了胚体干燥的自动化控制设备。

在国内，2010年基于国家＂863＂计划项目的淄博博航电子陶瓷公司也应用凝胶注模成型技术主要生产氧化铝陶瓷基片，但其凝胶浆料的制备也都采用球磨的方法时间约20小时或以上。因此，如何提高凝胶注模成型的生产效率，开发与工艺配套的自动化生产设备是逼在眉睫的任务。可以设想，随着凝胶注模成型技术产业化的推广和工艺自动化控制设备的开发，该绿色环保的新技术必将会实现低成本、高效率、高可靠性和高重复性的产业化和实用化。

在工艺实践中我们总结了氧化铝陶瓷散热基板凝胶法注模成型工艺的技术难点：

①浆料的固含量：采用较粗粉料或预烧粉料可轻易提高固含量，但烧成制品晶粒粗大导致性能及强度劣化。通常使用亚微米级粉料的浆料固含量≥55%vol，烧结后成品性能及强度较优；

②凝胶浆料制备方法：亚微米级粉料球磨制浆液化时间长，通常大于20小时，生产效率低；

③凝胶浆料气泡的排除：使用传统方法排除气泡困难。气泡排除不充分，会阻碍凝胶浆料的凝聚并严重影响烧成瓷件的透明度、散热系数和机械强度；

④凝胶浆料触发剂的添加方法：触发剂添加方式不恰当。触发剂添加不均匀，会造成浆料局部爆聚，过度搅拌则容易带入气泡；

⑤注模和脱模问题：注模方法不恰当会带入气泡同时浆料注模不顺畅；脱模方法不恰当会造成脱模难、凝胶薄胚体易损坏，直接导致生产效率和产品合格率低下，成本高企。

针对批量化生产中存在的种种问题，我们通过对氧化铝、氧化锆及其复合粉末的凝胶形成机理及过程进行了深入的研究，开发出符合量产要求的凝胶悬浮浆料制备及注模成型的创新工艺方法与技术。创新的凝胶法注模成型技术能符合大生产大批量（高效率）的要求，较好地解决了凝胶法注模成型工艺中的难点。例如，创新技术的透明氧化铝凝胶浆料（亚微米级粉末、固含量≥55%vol）制备时间（10～50L浆料）仅需2～4小时。浆料具有固含量高、分散性好、流动性好的特点。适用于凝胶注模成型制备透明氧化铝或大尺寸细晶氧化铝陶瓷散热电路基板。（详情请联系：jmkenttan@)。