氧化铝陶瓷注凝成型的研究

吴洋 李文杰

摘 要：本实验探究了氧化铝陶瓷注凝成型工艺，综合分析了分散剂和浆料的固相含量对氧化铝陶瓷浆料粘度的影响，实验证明：当分散剂的加入量为0.6%，浆料的固相含量为50%时，浆料适宜注浆，得到的陶瓷产品颗粒分布均匀，结构致密。

关键词：氧化铝；分散剂；固含量；注凝成型

1 引言

氧化铝陶瓷具有高硬度、耐腐蚀、耐磨损以及良好的机械性能而被广泛地运用到各行业中，但是传统的成型工艺如等静压成型、注浆成型在制造一些大尺寸、形状复杂的陶瓷制品时比较困难，生坯的强度低，不利于产品的后续加工。热压铸成型虽然能够制备一些形状复杂的陶瓷类制品，但是这种成型工艺复杂，耗能也高，热压铸成型工艺中，要将石蜡等有机塑性剂与陶瓷粉料均匀混合，在排蜡的过程中，石蜡不完全燃烧、高温裂解的低碳低氢物质、反应不完全的碳等等造成了大量的空气污染，所需要能耗也巨大，这与国家制定的节能减排战略是相悖的。因此，寻求新的成型工艺来制备高性能陶瓷势在必行。

注凝成型的出现[1-4]为解决这种问题提供了一种选择，该工艺是首先制备高浓度低粘度的浆料，之后注模，然后通过加入的引发剂和催化剂，控制一定的温度，引发有机单体聚合，使得浆料原位凝固成型，形成具有一定强度的三维网状结构的生坯，生坯经过脱模之后，干燥、排胶，然后烧结得到制品。该技术创造性地将陶瓷工艺和聚合物有机化学结合在一起，开创了高分子聚合交联成型的先例。其特点在于：1）工艺简单；2）素坯均匀性好，强度高易于加工；3）该工艺过程对模具无要求，坯体收缩小，适用于成型大尺寸，形状复杂的陶瓷制品；4）烧结后的陶瓷致密，均匀性好，性能优异，所加入的高分子在高温下热分解掉，不会残留杂质。目前，这一工艺已运用于各种复杂陶瓷制品的研究工作，已开创出较多的陶瓷注凝成型体系，如丙烯酰胺体系，羟基甲基丙烯酰胺体系等等。随着技术的不断完善，注凝成型[5-7]也会渐渐成为一种重要的陶瓷材料成型方法。

本实验采用丙烯酰胺水基注凝体系[8-10]，研究了浆料的固相含量、分散剂含量对浆料粘度的影响，结合样品的显微结构分析，探索亚微米级氧化铝陶瓷凝胶注模工艺。

2 实验内容

2.1 实验原料

本实验所采用的氧化铝粉体为工业氧化铝，主晶相为α-Al2O3，平均粒径为2 μm左右；以CaCO3、MgO、SiO2为烧结助剂，总添加量为2%；实验采用水基丙烯酰胺体系，以丙烯酰胺（AM）为有机单体，N，N-亚甲基双丙烯酰胺（MBAM）为交联剂，引发剂为过硫酸铵（APS），催化剂为N，N，N，N-四甲基乙二胺（TEMED），分散剂为柠檬酸三铵。具体组成如表1所示。

2.2 实验过程

（1）将一定比例的有机单体AM和交联剂MBAM溶于水，配成一定浓度的预混液；

（2） 然后加入陶瓷原料粉和分散剂柠檬酸三胺，球磨24 h之后出浆，得到高固相含量低粘度的浆料；

（3） 浆料经过真空除气之后，在均匀搅拌下加入适量催化剂TEMED和引发剂APS（要严格控制催化剂和引发剂的量，使得浆料在注模的时候具有良好的流动性），快速搅拌之后将浆料注入模具当中；

（4） 在70 ℃的恒温箱中充分保温一段时间，直至浆料完全凝胶化；

（5） 脱模干燥后，在900 ℃排胶然后升温至1570 ℃保温1 h。

整个实验流程如图1所示。

3 结果与讨论

3.1 分散剂对陶瓷浆料粘度的影响

图2为浆料粘度随分散剂用量变化的关系，从图2可以看出，随着分散剂用量的增加，浆料的粘度迅速下降，当分散剂的添加量为6%左右时，浆料的粘度降到最低；继续增加分散剂的用量，浆料的粘度反而升高。出现这种情况的可能原因是：空间位阻机理认为，高分子量的聚合物分子一般存在着可溶性的基团和非可溶性的基团，其非溶性基团锚固在固体颗粒表面，而可溶性的基团会在介质中充分的延伸，充当为稳定的部分，防止颗粒发生沉降，起到稳定浆料的作用。

分散剂柠檬酸铵是一种表面活性剂，能够电离生成有机酸根离子和铵离子，如果表面是极性的，亲水基吸附在表面，如果表面是非极性的，那么就是憎水基吸附在表面。氧化铝陶瓷颗粒表面是极性的，有机酸根离子在表面具有很强的吸附作用，其离子的分子链垂直于颗粒表面，从而使得颗粒之间的斥力增强，颗粒在浆料中就呈现出更为稳定的状态。但是随着添加量的增加，颗粒表面的有机酸根离子达到饱和，多余的分散剂反而会影响颗粒的流动，浆料的粘度反而会提升。

3.2 固相含量对浆料粘度的影响

我们知道，浆料粘度的升高不利于后续注浆的过程，因此控制合适的浆料的粘度才能有利于注凝成型的进行。实验选取了五组不同固相含量的陶瓷浆料，图3为浆料粘度随固相含量变化的关系，从图3中可以看出，随着浆料固相含量的增加，浆料的粘度先缓慢增加然后迅速提升，出现这种现象的原因是：由woodcock公式：

式中：Φ—固相体积分数，%；

h —颗粒之间的距离， μm；

d —颗粒的直径，μm；

由公式（1）可知，在粉体粒径一定的前提下，固相含量的提升，颗粒间的距离就会减小，相互接触的颗粒不断增多，体系中的自由水也就相应的减少，粉体颗粒之间的间距显著降低，颗粒之间的相互作用力也随之增大。不仅如此，加入到陶瓷浆料当中的分散剂吸附在颗粒的表面，加大了陶瓷颗粒的有效体积，陶瓷颗粒的相对移动也变得更加困难，悬浮体的流动性会受到相应的影响，因而浆料的粘度会急剧的增加，实验表明：最适合注浆的浆料固相含量为50%。

3.3 坯体的显微结构

图4是采用注凝成型的陶瓷试样的显微形貌图，从图4可以看出，晶粒的“自形”较为明显，可以明显地看到六方的氧化铝晶粒，整个结构较为致密，晶粒的尺寸分布较为均匀，没有异常长大的晶粒，晶粒尺寸约为1～2 μm。注凝成型是采用浆料原位固化成型的方式得到生坯，固相含量为50%的微米氧化铝陶瓷浆料，流动性较好，适宜注浆，从而保证了原料颗粒分布的均匀性，能够促进陶瓷的烧结，并且显著地降低了陶瓷中大气孔的数量，使得陶瓷更加致密化，陶瓷的显微结构得以改善。

4 结论

（1） 随着分散剂用量的增加，陶瓷浆料的粘度先下降后上升，最佳的添加量为0.6%；

（2） 随着浆料固相含量的增加，浆料的粘度先缓慢增加然后迅速提升，实验表明最适合注浆的浆料固相含量为50%；

（3） 注凝成型可以提高陶瓷原料分布的均匀性，优化显微结构，最终提高陶瓷制品的宏观物理性能。

参考文献

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