陶瓷高价反离子直接凝固注模成型工艺

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室 作者:杨金龙

  陶瓷高价反离子直接凝固注模成型工艺是一种新的陶瓷胶态成型方法,其结合了直接凝固注模成型与经典胶体理论。本文系统阐述了陶瓷高价反离子直接凝固注模成型的理论基础、学术思想、实现方法及性能。最后根据该工艺目前的发展情况提出了今后研究的重点方向。

  高性能陶瓷具有高强、高硬、耐磨、耐高温、耐腐蚀等优异的物理和化学性能,被广泛应用于众多高技术领域,成为一类具有发展潜质的新型材料。人们越来越认识到陶瓷材料制备技术对发展高技术陶瓷产业的重要性。粉体制备工艺、成型工艺、烧结工艺和机加工技术的研究一直是陶瓷材料研究领域的热点。其中,陶瓷成型工艺的研究已逐渐成为陶瓷制备工艺科学研究的主流,因为它是陶瓷及复杂部件制备的关键环节,是陶瓷设计和配方实现的前提,在陶瓷的制备工艺中起着承上启下的作用,也是限制高性能陶瓷产业化的主要问题之一。

  传统成型方法如干压成型及注浆成型等已经在工业上获得应用,但是由于存在的密度梯度及不均匀等问题而不适合制备高性能陶瓷。20世纪90年代发展起来的先进陶瓷胶态成型工艺,如凝胶注模成型、水解辅助固化成型、直接凝固注模成型等,可以制备微观结构均匀、尺寸精度高、形状复杂的陶瓷坯体,使胶态成型技术再次受到广泛关注。但是,凝胶注模成型所采用的丙烯酰胺单体具有神经毒性,从一定程度上限制了其进一步应用。虽然人们不断研究低毒或者无毒凝胶体系,但是因为效果不好而未能大规模应用。水解辅助成型工艺中采用氮化铝水解方式固化悬浮体,其过程产生氨气,需要特殊的装备收集氨气,工艺复杂且不能广泛用于各种陶瓷体系。直接凝固注模成型具有有机添加剂少、坯体不需脱脂、坯体密度均匀等优点,可成型形状复杂、高可靠性的陶瓷部件。调节pH 值至等电点方法虽能够制备性能良好的陶瓷,氧化铝陶瓷的韦伯模数高达47。但是由于湿坯强度太低,不便于脱模及后期处理,因此,该方法也未能得到广泛应用。而直接凝固注模成型中的增加离子强度方法因坯体中容易产生裂纹且固化时间长而未能够得到很好的推广。

  综上所述,发展一种高效、环保的陶瓷胶态成型方法是当前陶瓷成型工艺的研究热点。目前绝大多数相关研究都关注于高价反离子对陶瓷悬浮体的负面影响,尤其是其对悬浮体粘度的升高作用。众所周知,当反离子浓度大于临界聚沉浓度时,悬浮体的粘度急剧增大,当超过一定的浓度时可以使悬浮体发生原位固化。近年来,我们提出一种新型的陶瓷成型方法,即陶瓷高价反离子直接凝固注模成型(direct coagulation casting via high valence counterions,DCC-HVCI),通过高价反离子的可控释放使陶瓷悬浮体发生原位固化。

  本文将就陶瓷高价反离子直接凝固注模成型的理论基础,实现方法及性能等方面进行阐述,并对该工艺的未来发展方向进行展望。

结论及展望

  本文系统阐述了DCC-HVCI工艺。DCC-HVCI完善和丰富了直接凝固注模成型工艺的理论,实验和理论分析表明高价反离子固化悬浮体的方法是在第一极小值固化,避免了一价离子固化方法在第二极小值固化导致的开裂和内应力等问题,为直接凝固注模成型工艺的深入研究和推广应用奠定了坚实的基础。作为一种新的成型方法,DCC-HVCI工艺具有很多优点,同时也存在一些不足,需要研究人员努力去克服和解决。其今后的主要研究方向包括:

  (1)高固相含量、低粘度陶瓷悬浮体的制备。

  (2)系统研究本方法在其它陶瓷体系的适用性,并测试相关性能。

  (3)开发更具有普适性的可控释放高价反离子的方法。

  (4)系统优化工艺参数,实现大型陶瓷部件的制备及工业化。

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