凝膠注模制備15m級輕碳化硅陶瓷素坯的研究

凝膠注模制備15m級輕碳化硅陶瓷素坯的研究

1凝膠注模成型技術(shù)碳化硅（sic）陶瓷材料具有較高的比較高的剛性和良好的穩(wěn)定性。因此，在空間反射鏡的應(yīng)用上，它比傳統(tǒng)的金屬、玻璃或玻璃陶瓷材料更有效。但是空間反射鏡基體的大尺寸和復(fù)雜形狀給陶瓷材料的制備帶來了很大難度,從而限制了SiC在空間光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用。隨著陶瓷制備技術(shù)的不斷發(fā)展,涌現(xiàn)了以凝膠注模成型技術(shù)為代表的一大批先進(jìn)的陶瓷成型工藝,這些工藝在一定程度上解決了大尺寸復(fù)雜形狀陶瓷素坯的制備問題。20世紀(jì)80年代,美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的MarkA.Janny和O.Omattete發(fā)明了凝膠注模成型技術(shù)。該技術(shù)將陶瓷坯體的注漿成型工藝與高分子化學(xué)理論有機(jī)結(jié)合,形成了一種能夠?qū)崿F(xiàn)大尺寸復(fù)雜形狀陶瓷素坯近凈尺寸成型的先進(jìn)工藝。它首先將能夠形成凝膠體的單體、交聯(lián)劑、溶劑和陶瓷顆?；旌?制備得到具有良好流動(dòng)性的高固相含量、低黏度的陶瓷漿料。然后在加入催化劑和引發(fā)劑后,將陶瓷漿料注入模具。在一定溫度下,單體和交聯(lián)劑形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、原位固定陶瓷顆粒、成型所需的形狀,干燥后即可得到陶瓷素坯。采用凝膠注模成型技術(shù)能夠制備得到大尺寸、復(fù)雜形狀的陶瓷部件,素坯干燥收縮小、強(qiáng)度高,因此這項(xiàng)技術(shù)被公認(rèn)為是目前世界上最先進(jìn)的陶瓷成型工藝之一。本文采用凝膠注模成型技術(shù),成功制備了1.5m量級SiC陶瓷素坯,反應(yīng)燒結(jié)后獲得了RB-SiC鏡坯,為大型光學(xué)系統(tǒng)反射鏡提供了性能優(yōu)異的材料。2實(shí)驗(yàn)2.1催化劑和引發(fā)劑為n,n三丙胺temd的催化劑本文采用濰坊新方磨料磨具有限公司生產(chǎn)的SiC粉體。凝膠注模過程中使用的有機(jī)單體為丙烯酰胺(C2H3CONH2,AM),交聯(lián)劑為N,N′-亞甲基雙丙酰胺((C2H3CONH)2CH2,MBAM);分散劑選用四甲基氫氧化銨(TMAH),同時(shí)加入丙三醇(甘油)作為增塑劑;引發(fā)劑選用過硫酸銨((NH4)2S2O8,APS),促使引發(fā)劑常溫分解的催化劑選用N,N,N′,N′四甲基乙二胺(TEMED)。所有試劑均為分析純。2.2實(shí)驗(yàn)過程1.5m量級復(fù)雜形狀SiC陶瓷素坯凝膠注模成型工藝流程如圖1所示。3結(jié)果與討論3.1sic粉體級配方式的確定為了能夠充分填充模具,漿料要具備良好的流動(dòng)性,其中對陶瓷粉體進(jìn)行合理顆粒級配是最有效的手段之一。在理想的球體模型中,最大固相體積分?jǐn)?shù)會(huì)隨著粉體粒徑分布的變寬而增大,對于等徑球體系,固相體積分?jǐn)?shù)的上限是0.74;當(dāng)顆粒粒徑具有無窮多的分散分布時(shí),其固相體積分?jǐn)?shù)能夠達(dá)到100%。但實(shí)際SiC粉體顆粒形狀偏離球體較遠(yuǎn),顆粒之間不僅有點(diǎn)接觸,還有面接觸和體接觸,顆粒之間間隙形狀也不規(guī)則,因此很難達(dá)到理論密度。為了盡可能提高漿料固相含量,本文選擇d50在0.5~40μm內(nèi)的SiC粉體進(jìn)行3組分顆粒級配,d1,d2,d3分別代表粗顆粒、中顆粒和細(xì)顆粒的中位粒徑。根據(jù)Dinger-Funk公式計(jì)算了不同粉體的質(zhì)量百分含量,如表1所示。在最佳分散條件下,測試了固相含量為65%,具有不同級配方式SiC漿料的流變性能,如圖2所示。根據(jù)測試結(jié)果可知,顆粒級配方式的改變導(dǎo)致漿料的流變性發(fā)生了改變,隨著粗顆粒含量的增加,漿料由脹流型流體變?yōu)榧偎苄粤黧w。這是因?yàn)闈{料中細(xì)顆粒比例增多時(shí),其比表面積迅速增加,所需分散介質(zhì)較多,因此表觀黏度隨著剪切速率的增加而增大;而隨著粗顆粒量的增加,所需分散介質(zhì)降低,同時(shí)顆粒能夠形成比較松散的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),隨著剪切速率的變大,具備這種松散結(jié)構(gòu)的漿料比較容易流動(dòng),因此表觀黏度降低;但隨著粗顆粒量的進(jìn)一步增加,低剪切速率下促使?jié){料流動(dòng)的剪切應(yīng)力增加,因此漿料黏度進(jìn)一步加大。在3種剪切變稀的假塑性流體配方中,3#具有較低的黏度,因此本文選用3#級配方式獲得了固相含量高達(dá)65%,黏度滿足注模要求的SiC漿料。3.2固相含量的影響圖3為最佳分散條件下,不同固相含量SiC漿料的流變曲線。從圖中可以看出,隨著固相含量增加,漿料黏度迅速增大,本文同時(shí)制備的70%固相含量漿料已無法進(jìn)行流變性能測試。隨著漿料固相含量的增加,顆粒間的流動(dòng)介質(zhì)減少,間距大大縮小,因此造成漿料表觀黏度的急劇增大。黏度過大的漿料無法進(jìn)行漿料內(nèi)部氣體的排出和催化劑、引發(fā)劑加入等工序,最終導(dǎo)致無法注模成型,因此本文制備的SiC漿料的固相含量為65%。3.3表觀黏度驗(yàn)算本文制備SiC漿料時(shí)首先進(jìn)行機(jī)械攪拌,利用攪拌器的機(jī)械力將較大的顆粒團(tuán)聚打散,然后再通過球混分散較小的顆粒團(tuán)聚,達(dá)到制備均勻漿料的目的。其中,混料時(shí)間是球磨過程中的一個(gè)重要參數(shù)。圖4是不同混料時(shí)間SiC漿料的表觀黏度值,SiC漿料的固相含量為65%,對應(yīng)表觀黏度的剪切速率為100Hz。從圖中可以看到,混料時(shí)間為1~2h時(shí),漿料黏度下降較快,這是因?yàn)樵谠摱螘r(shí)間內(nèi),雖然較大顆粒團(tuán)聚已經(jīng)在機(jī)械攪拌階段消除,但仍存在較多小顆粒團(tuán)聚,因此漿料黏度下降比較明顯。當(dāng)混料時(shí)間超過4h后,漿料黏度上升。這是由于混料時(shí)間過長,磨球與磨球之間、磨球與球磨罐內(nèi)壁之間相互摩擦,產(chǎn)生一定熱量,而熱量不能及時(shí)排除,導(dǎo)致罐內(nèi)溫度升高,預(yù)混液中部分易揮發(fā)有機(jī)物變?yōu)闅怏w,漿料固相含量相對提高,引起黏度增加;同時(shí)在一定溫度下,SiC顆粒表面的SiO2層與漿料中的OH-反應(yīng),改變了顆粒表面的雙電層結(jié)構(gòu),影響分散性能,也會(huì)導(dǎo)致漿料黏度增加。因此本文選擇的最佳混料時(shí)間為4h。3.4微觀組織結(jié)構(gòu)的影響圖5為SiC素坯脫脂后斷口不同位置的掃描電鏡圖片。從圖中可以看出,不同部位的顯微組織結(jié)構(gòu)一致,充分體現(xiàn)了凝膠注模成型工藝的優(yōu)勢。脫脂后SiC素坯的抗彎強(qiáng)度值為24.6MPa,能夠滿足后續(xù)起吊翻轉(zhuǎn)、素坯加工及反應(yīng)燒結(jié)過程的要求。圖6為脫脂后的Φ1.5mSiC陶瓷素坯。3.5rb-sic鏡坯表2為反應(yīng)燒結(jié)SiC陶瓷RB-SiC的各項(xiàng)性能。圖7為光學(xué)拋光后的Φ1.5mRB-SiC鏡坯。Φ1.5m鏡坯表面經(jīng)銑磨、研磨和拋光后,鏡面粗糙度值優(yōu)于3nm,面形精度RMS值優(yōu)于λ/10(λ=632.8nm)。4sic陶瓷坯的制備本文根據(jù)Dinger-Funk公式計(jì)算得到了SiC粉體的不同級配方式,通過實(shí)驗(yàn)確定了最佳顆粒級配。在穩(wěn)定分散條件下,控制混料時(shí)間為4h,制備得到了固相含量為65%,剪切速率為10