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| 熔融石英陶瓷的制備技術(shù)綜述 |
| 來(lái)源：中國(guó)粉體技術(shù)網(wǎng) 更新時(shí)間：2015-05-04 11:42:35 瀏覽次數(shù)： |
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石英陶瓷是指以石英玻璃或熔融石英為原料，經(jīng)破碎、成型、燒成等一系列制作工藝形成的制品。石英玻璃由于具有熱膨脹系數(shù)小、熱震穩(wěn)定性好、電性能好、耐化學(xué)侵蝕性好等特點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用，但其粘度大，揮發(fā)性也隨著溫度的升高而增加，難以用普通的工藝來(lái)生產(chǎn)大型、形狀復(fù)雜的制品；另外，由于價(jià)格昂貴，使其使用受到了限制。
熔融石英陶瓷克服了石英玻璃不易制備形狀復(fù)雜制品的缺點(diǎn)，具備了石英玻璃的優(yōu)良特性(如熱膨脹系數(shù)小、熱穩(wěn)定性高等)，而且還具有一些石英玻璃制品所不具備的性質(zhì)，如發(fā)生少量析晶也仍可使用，并且其成本要遠(yuǎn)低于石英玻璃制品。目前，熔融石英陶瓷主要用于耐火材料及高溫下能夠抵抗溫度變化的結(jié)構(gòu)材料。
1 傳統(tǒng)制備技術(shù)
目前，熔融石英陶瓷的生產(chǎn)普遍采用的成型工藝是注漿成型，其次還有離心澆注成型、澆灌成型、蠟注成型、半干法成型、等靜壓成型、石墨模熱壓成型與搗打成型等。上述成型工藝制備的產(chǎn)品普遍存在著一些缺點(diǎn)：如制品坯體結(jié)構(gòu)不均勻、性能可靠性差、僅限于形狀簡(jiǎn)單的制品、生產(chǎn)工藝復(fù)雜、工藝條件難控制、效率低、成本較高等，難以適應(yīng)大批量工業(yè)化生產(chǎn)的需要，特別是一些用于特殊用途的石英陶瓷制品，傳統(tǒng)的成型制備工藝已經(jīng)不能滿(mǎn)足其特殊用途的性能要求。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新成型方法不斷涌現(xiàn)，如注凝成型技術(shù)得到了較快的發(fā)展應(yīng)用，已經(jīng)成功應(yīng)用于許多陶瓷的制備，如A12O3陶瓷、SiC陶瓷等，石英陶瓷制備也已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用注凝成型技術(shù)，并取得了較好的效果。
2 膠態(tài)成型技術(shù)
膠態(tài)成型所用的陶瓷料漿是由陶瓷粉料與水、有機(jī)物等介質(zhì)組成的膠態(tài)體系。體系中的陶瓷顆粒分散性好，顆粒之間團(tuán)聚少，并且陶瓷顆粒隨著膠態(tài)體系的流動(dòng)而能夠成型為形狀復(fù)雜的坯體，因此膠態(tài)成型得到廣泛的應(yīng)用。膠態(tài)成型主要包括：注射成型、氣相輔助注射成型、直接凝固注模成型、溫度誘導(dǎo)成型、電泳沉積成型、注凝成型、壓濾成型和離心注漿成型等。
2.1 注射成型技術(shù)
注射成型是借助高分子聚合物高溫熔融、低溫凝固的特性使坯體成型后，再把有機(jī)物脫除。注射成型的優(yōu)點(diǎn)是：可成型形狀復(fù)雜的制品、坯體尺寸精度篙、制品結(jié)構(gòu)均勻；缺點(diǎn)是：模具設(shè)計(jì)復(fù)雜、有機(jī)物排除困難等。
2.2 氣體輔助注射成型
是一種通過(guò)在聚合物熔體中加入氣體，使成型過(guò)程更容易進(jìn)行的成型方式。其優(yōu)點(diǎn)：由于在流動(dòng)狀態(tài)下各方向的壓力相同，避免了料漿的定向行為，使坯體具有更好的尺寸穩(wěn)定性，避免了坯體內(nèi)部翹曲；氣體輔助成型的坯體具有更薄的管壁，即應(yīng)用相同的原料可以生產(chǎn)管徑更大的產(chǎn)品，因此，降低了原料成本，提高了生產(chǎn)效率。缺點(diǎn)：料漿熱性質(zhì)及工藝過(guò)程難以控制。
2.3 直接凝固注模成型
直接凝固注模成型(簡(jiǎn)稱(chēng)DCC)由蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)學(xué)院發(fā)明，它將生物酶技術(shù)、膠態(tài)化學(xué)及陶瓷工藝學(xué)溶為一體，通過(guò)改變料漿pH值，或者增加料漿體系中離子強(qiáng)度從而降低粉體表面電荷來(lái)成型，它成型所需要的料漿分散機(jī)理為靜電穩(wěn)赳211。在DCC成型過(guò)程中，酶的作用重大，它通過(guò)分子合成及降解反應(yīng)來(lái)改變陶瓷懸浮體的pH值或者離子強(qiáng)度，常用的酶有：尿素酶水解尿素體系、酰胺酶水解胺類(lèi)物質(zhì)體系、葡萄糖苷酶．葡萄糖體系、膠質(zhì)蛋白質(zhì)水解酶體系。DCC工藝的主要優(yōu)點(diǎn)：料漿不需有機(jī)添加劑，坯體不需脫脂，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)均勻，相對(duì)密度高，可采用此方法成型大尺寸、形狀復(fù)雜的產(chǎn)品。
2.4 溫度誘導(dǎo)成型
溫度誘導(dǎo)成型(簡(jiǎn)稱(chēng)TIF)由德國(guó)斯圖加特Max．Plank研究所發(fā)明。TIF成型原理：利用物質(zhì)溶解度隨溫度的變化產(chǎn)生凝膠化成型。首先，用小分子分散劑穩(wěn)定陶瓷顆粒，從而得到高固相含量的陶瓷料漿，然后，升高溫度利用溶解驅(qū)動(dòng)力把陶瓷粉體吸附的分散劑變?yōu)榫酆衔锎蠓肿訉?，聚合物之間通過(guò)橋聯(lián)絮凝而成型。TIF制備的料漿固相含量高，有機(jī)物含量低，有利于制備結(jié)構(gòu)陶瓷及功能陶瓷。
2.5 電泳沉積成型
電泳沉積成型(簡(jiǎn)稱(chēng)EC)是以水基陶瓷漿料為基礎(chǔ)的成型工藝，其機(jī)理：利用直流電場(chǎng)中顆粒遷移，并沉淀到相反極上。整個(gè)工藝由2個(gè)串聯(lián)過(guò)程所組成：顆粒電泳遷移和顆粒在電極上放電沉積。電泳成型的陶瓷漿料應(yīng)有良好的分散性，保證料漿顆粒能單獨(dú)沉淀到電極上。
2.6 離心注漿成型
離心注漿成型(簡(jiǎn)稱(chēng)CSC)結(jié)合了濕態(tài)粉末制備和無(wú)應(yīng)力致密化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，用來(lái)制備大體積、近凈尺寸形狀的陶瓷產(chǎn)品，粉末濕態(tài)處理避免了由于團(tuán)聚及其它影響因素造成的缺陷。
要獲得結(jié)構(gòu)比較均勻的制品，就要求料漿體系的顆粒分布要窄，并且料漿不能出現(xiàn)顆粒的團(tuán)聚現(xiàn)象，相反，如果料漿體系的顆粒分布比較寬，由于在成型過(guò)程中的離心作用，則會(huì)形成具有階梯空隙分布的坯體。
2.7 壓濾成型
壓濾成型(簡(jiǎn)稱(chēng)PSC)是在注漿成型基礎(chǔ)上加壓發(fā)展得到的。在PSC中，水是在壓力的驅(qū)動(dòng)下脫除，并不是通過(guò)毛細(xì)管作用力脫除，速度快，提高了生產(chǎn)效率。影響壓濾過(guò)程的4個(gè)因素為：坯體中的壓力降、液體介質(zhì)的粘度、坯體的表面積、坯體中空隙的分布情況以及壓濾成型模具。
在PSC中，壓力對(duì)成型坯體的性能有很大的影響。在成型過(guò)程中施加大小合適的壓力，可使坯體中的顆粒緊密的排列，減少由于顆粒的沉降作用而產(chǎn)生的分層和梯度現(xiàn)象，從而提高坯體均勻性。如果壓力太大則會(huì)導(dǎo)致坯體在干燥和燒結(jié)過(guò)程中出現(xiàn)缺陷、裂紋和開(kāi)裂。
在PSC成型過(guò)程中，另一個(gè)重要的影響因素就是模具的設(shè)計(jì)，模具內(nèi)氣孔尺寸及分布要在合適的范圍內(nèi)。其最大缺點(diǎn)為制造工藝成本過(guò)高。
2.8 注凝成型技術(shù)
注凝成型工藝是20世紀(jì)90年代以后出現(xiàn)的一種新的膠態(tài)成型工藝，是美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室M．A．Jammey等人首先發(fā)明的，是傳統(tǒng)的膠態(tài)成型工藝與有機(jī)化學(xué)理論的理想結(jié)合。其原理：將有機(jī)聚合物單體、交聯(lián)劑配成前驅(qū)體溶液，將陶瓷顆粒加入到前驅(qū)體溶液中，制成低粘度、高固相含量的料漿，然后加入引發(fā)劑及催化劑，將料漿注入模具中，在一定的溫度條件下，有機(jī)聚合物單體交聯(lián)聚合成三維網(wǎng)絡(luò)狀聚合物凝膠，并將陶瓷顆粒原位粘結(jié)而固化形成坯體，即原位固化。
注凝成型技術(shù)料漿中含有較低含量的有機(jī)物，提高了陶瓷部件結(jié)構(gòu)的均勻性，增加了陶瓷材料的可靠性。該工藝實(shí)為注漿成型和聚合化學(xué)的復(fù)合，它巧妙的將傳統(tǒng)陶瓷工藝和聚合物化學(xué)結(jié)合起來(lái)，已成功的應(yīng)用于多種結(jié)構(gòu)陶瓷，如A12O3、SiC、Si3N4、pZT等的工業(yè)化生產(chǎn)。
注凝成型根據(jù)采用介質(zhì)性質(zhì)的不同，又可分為非水基注凝成型和水基注凝成型。非水基注凝成型主要適用于遇水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的陶瓷粉體的成型，所用介質(zhì)為有機(jī)溶劑。有機(jī)溶劑必須滿(mǎn)足：能夠溶解有機(jī)單體、粘度低、在交聯(lián)溫度下具有較低的蒸汽壓，這樣才能提高料漿固相含量，使有機(jī)單體在聚合過(guò)程中能形成完善的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使坯體具有較強(qiáng)的體積密度。但有機(jī)溶劑大多具有一定的毒性，且容易對(duì)環(huán)境造成污染，在使用過(guò)程中存在危險(xiǎn)，因此，本論文采用的是水基注凝成型。水基注凝成型體系中料漿粘度低，干燥工藝簡(jiǎn)單，且使用95wt％的水作為溶劑，所以避免了有機(jī)溶劑所帶來(lái)的污染問(wèn)題。水基注凝成型分兩種體系：一是丙烯酸酯體系，二是丙烯酰胺體系。注凝成型體系料漿應(yīng)具有高固相含量并且具有較好的流動(dòng)性，料漿流動(dòng)性越好，料漿越能充滿(mǎn)模具的各個(gè)角落，使坯體中形成的缺陷減少，并且料漿中的氣泡越容易排除，使制品的結(jié)構(gòu)均勻，提高制品的強(qiáng)度和可靠性。因此，在澆注前應(yīng)真空排除混合時(shí)產(chǎn)生的氣泡，否則會(huì)在坯體中產(chǎn)生裂紋和氣孔，降低其密度和強(qiáng)度。
在制備復(fù)雜形狀陶瓷部件時(shí)，膠態(tài)成型方法有著巨大的優(yōu)勢(shì)，可以有效控制材料的顯微結(jié)構(gòu)、減少材料內(nèi)部的各種缺陷、提高材料的力學(xué)功能和使用的可靠性。今后，提高膠態(tài)成型技術(shù)的可靠性、降低成本、商業(yè)化是其發(fā)展的主要目標(biāo)。
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