氧化鋁陶瓷凝膠注模成型工藝研究[1]

1、科研與探討2009年第4期(總第122期現(xiàn)代技術(shù)陶瓷作者簡介:孟德安(1972,男,本科,工程師.主要從事氧化鋁陶瓷的研究.氧化鋁陶瓷凝膠注模成型工藝研究孟德安 簡本成(中國鋁業(yè)股份有限公司鄭州研究院,鄭州 450041摘 要:本文介紹了氧化鋁陶瓷的凝膠注模成型工藝。所制備的濃懸浮體的固相體積分數(shù)高達60vo%l ,粘度低于200mP a #S 。脫脂后的坯體密度可達理論密度的62%,抗彎強度達19M pa 。研究了球磨時間、固相體積含量和助燒劑對懸浮體的粘度的影響,并研究了有機單體與交聯(lián)劑的比例與含量對生坯抗彎強度的影響。關(guān)鍵詞:凝膠注模;氧化鋁;粘度氧化鋁陶瓷是一種以A 氧化鋁為主晶相的陶

2、瓷材料,它具有機械強度高,絕緣電阻大,硬度大,耐磨、耐腐蝕及耐高溫等特性。它廣泛應(yīng)用于紡織、煤礦、石油、化工、電力及建筑等各個行業(yè)1。陶瓷的凝膠注模成型工藝是1990年美國橡樹嶺國家重點實驗室的Janney 教授等24發(fā)明的,其目的是通過制備低粘度、高固相體積含量(50%的濃懸浮體,可近凈尺寸成型復(fù)雜形狀的陶瓷部件,從而獲得高密度、高強度、均勻性好的坯體。其思路是將低粘度的高固相體積含量的濃懸浮體,在催化劑和引發(fā)劑的作用下,使?jié){料中的有機單體交聯(lián)形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),從而使?jié)鈶腋◇w原位固化成型5。此工藝設(shè)備簡單,成型坯體密度、強度高,收縮率小,易成型復(fù)雜形狀的零部件,是一種實用性強、應(yīng)用前景廣泛的

3、成型工藝。受到國內(nèi)外研究部門和工業(yè)界的極大重視。近年來國內(nèi)外眾多研究人員對這種成型工藝進行了較深入的研究,本文就是在前人工作的基礎(chǔ)上對氧化鋁陶瓷凝膠注模成型工藝進行了研究。1 實驗1.1 實驗原料本實驗采用的A 氧化鋁粉料,其平均粒徑為1-2L m,粉料的主要性能指標見表1。M gO 采用化學(xué)純藥劑。有機單體為N 一羥甲基丙烯酰胺(NMAM ,交聯(lián)劑為N,N .亞甲基雙丙烯酰胺(M B AM ,引發(fā)劑為過硫酸銨(NH 42S 2O 8,催化劑為N,N,N .,N .四甲基乙二胺(TE MED,分散劑的商品名為J A-281。表1 A 氧化鋁粉料的主要性能指標A 相轉(zhuǎn)化率/%真密度/g #c m

4、 -3化學(xué)組成/%A l 2O 3Si O 2Fe 2O 3N a 2O 973.9799.80.040.030.051.2 實驗過程凝膠注模成型的工藝過程包括以下幾個過程:將有機單體、交聯(lián)劑、分散劑加入到蒸餾水中配成預(yù)混液(混合水溶液,將預(yù)混液、陶瓷粉末和氨水按比例放入球磨罐中,研磨48h 。球磨轉(zhuǎn)速80r /m in ,球磨介質(zhì)為直徑10mm 氧化鋯球,料球質(zhì)量比為1B 3。球磨完的漿料加入引發(fā)劑和催化劑,在室溫下澆注成60mm 10mm 10mm 的試條,于70e 下固化,在設(shè)定的干燥制度下干燥。1.3 性能檢測用上海精密科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)的pH S-14科研與探討現(xiàn)代技術(shù)陶瓷2009

5、年第4期(總第122期3B 型精密p H 計測量漿料及溶液的p H 值。采用上海精科天平生產(chǎn)的NDJ 一1旋轉(zhuǎn)粘度計測定料漿的粘度。測定前漿料先預(yù)剪切30s ,過30s后再測量其粘度。采用湘潭湘儀儀器有限公司生產(chǎn)的SWG 數(shù)顯式工程陶瓷強度綜合試驗儀測試氧化鋁陶瓷的抗彎強度。2 結(jié)果與討論 2.1 球磨時間對懸浮體粘度的影響要獲得高均勻性的懸浮體,必須經(jīng)過球磨,實驗結(jié)果表明,球磨的時間應(yīng)該適中。球磨時間太短,可能由于球磨不充分懸浮體不均勻,分散劑沒有充分起作用,粘度較大;時間太長,可能由于球磨發(fā)熱而使懸浮體溫度升高,導(dǎo)致N 一羥甲基丙烯酰胺單體產(chǎn)生部分聚合而使懸浮體的粘度變大。經(jīng)過實驗后得到球

6、磨時間對懸浮體的粘度的影響結(jié)果如圖1所示。從圖中可以看出,該氧化鋁瓷粉懸浮體的球磨時間以24h 左右較合適。 圖1 球磨時間對懸浮體粘度的影響2.2 固相體積含量對懸浮體流變性的影響在凝澆注模成型工藝中,要求懸浮體的固相體積分數(shù)即固相體積含量應(yīng)在50%以上,否則生坯的干燥收縮率大,強度低。由流體流變學(xué)可知,懸浮體的粘度隨著懸浮體中固相體積含量的增加而增加,特別是較濃懸浮體(U 0.4,懸浮體的粘度隨固相體積含量的增加成指數(shù)關(guān)系增加。當(dāng)固相體積含量增加到某一值時,懸浮體形成連續(xù)的整體而失去流動性,粘度達到無窮大,此時的固相體積含量稱為最大堆積分數(shù)。由圖2可知,隨著懸浮體中氧化鋁體積分數(shù)的增加,粘

7、度隨之增加,固相含量大于50vo %l 時,粘度隨固相含量呈指數(shù)關(guān)系增加,這一趨勢基本符合流體流變學(xué)規(guī)律。本實驗中氧化鋁體積分數(shù)高達60%時,懸浮體的粘度僅為183mPa #S。圖2懸浮體粘度與氧化鋁固相體積含量的關(guān)系2.3 助燒劑對A 氧化鋁懸浮體流變性的影響助燒劑M g O 的加入,不僅可降低氧化鋁陶瓷的燒結(jié)溫度,在燒結(jié)過程中還可抑制氧化鋁二次結(jié)晶,提高氧化鋁陶瓷的性能。由實驗結(jié)果可知,氧化鋁瓷粉體積分數(shù)小于50%時,M g O 對懸浮體的粘度幾乎無影響;當(dāng)氧化鋁瓷粉體積分數(shù)大于50%時,M g O 的加入稍微增加了懸浮體的粘度。這是由于實驗中,隨著固相體積含量的增加,有機單體濃度、分散劑

8、濃度略有增加,引起助燒劑M gO 的溶解量略有增加,溶解電離出的微量M g 2+增加了懸浮體的反離子濃度,壓縮顆粒表面雙電層,降低了顆粒間的靜電斥力,減弱了分散劑對氧化鋁顆粒的穩(wěn)定分散作用,因而使?jié)鈶腋◇w的粘度略有增加。即使如此,氧化鋁體積分數(shù)高達60%時,A l 2O 3M gO 懸浮體的粘度僅為192M Pa #S,其流動性完全可以滿足復(fù)雜形狀零件的注模要求。2.4 有機單體與交聯(lián)劑的比例對成型的影響2.4.1 NMAM 與M B AM (交聯(lián)劑的比例對坯體強度的影響實驗中,選取單體與交聯(lián)劑的比例為5,10,20,30,研究了兩者比例對凝膠注模坯體強度的15科研與探討2009年第4期(總第

9、122期現(xiàn)代技術(shù)陶瓷影響。從實驗結(jié)果可以看出,隨著兩者比例的增大,坯體強度有了提高,并在20時達到最大,隨后又有所減小。原因是交聯(lián)劑對單體膠凝化形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)起著橋梁的作用,用量越多,強度越高。但是,交聯(lián)劑MBAM在水中的最大溶解度為2%(質(zhì)量比,因此存在著最佳點,而并非越多越好。2.4.2NMAM的含量對坯體強度的影響實驗結(jié)果表明:坯體的強度隨有機單體的升高而升高。隨著有機單體用量的增加,在適量引發(fā)劑的作用下,可使其中的長鏈增加,且增加了長鏈之間的鉸鏈性和纏繞,氧化鋁顆粒可以與高分子長鏈更多更緊密地結(jié)合在一起,從而提高了坯體強度。在l8%時強度有所下降,主要是因為引發(fā)劑和催化劑的加入量相對

10、于有機單體的比例降低。2.5凝膠注模成型坯體的性能將固相體積含量為60%,質(zhì)量分數(shù)為1%的M g O的懸浮體進行注模,在70e下固化,得到均勻的坯體。坯體經(jīng)一定工藝進行脫脂后,不開裂,不變形。圖3為氧化鋁去塑后的坯體密度與懸浮體的固相體積含量的關(guān)系?？梢娕黧w密度隨固相體積含量的升高呈上升趨勢。氧化鋁體積分數(shù)達60%時,坯體密度為理論密度的62%,對應(yīng)的干坯強度達19MPa 。圖3坯體密度與固相體積含量的關(guān)系3結(jié)論1.制備出固相體積含量為60%,粘度低于200m Pa#S的濃氧化鋁懸浮體。2.成型坯體脫脂后,其密度可達理論密度的62%,抗彎強度達19M Pa。3.凝膠注模成型工藝可制備氧化鋁陶瓷

11、。參考文獻1欽征騎.新型陶瓷材料手冊.南京:江蘇科學(xué)技術(shù)出版社,1995.239-2402Janney M A,U.S.P at.N o.4894194.1990-01-163Om ate te O O,Janney M A,S trek l ow R A,Cera m ic Bull e-ti n,70(10,1641-49(19914Janney M A,Oma tete O O,U S P at.N o.5145908.1992-09-085張燦英.A-氧化鋁及氧化鋁基復(fù)相陶瓷凝澆注模成型工藝的研究(懸浮體的制備及流變特性.現(xiàn)代技術(shù)陶瓷,1998(增刊:874-878Study on t

12、he G elcasti ng of A l u m ina Cera m icsM eng D ean J i an B en cheng(Zhengzhou R esearch Instit ute o f Cha lco,Z heng z hou450041Abst ract:This paper descri b es the alum i n a cera m ics ge lcasti n g process.The prepared concentrated sus-pensi o n of solid-phase vo lu m e fraction as h i g h as60vo%l,v iscosity of less than200mPa#S.Adobe after deg reasi n g the density of up to62%of theoreti c al density,bend i n g streng th up to19M Pa.Stud ied the m illing ti m e,so li d-phase vo l u m e content and sinteri n g agent on the v iscosity o