（材料学专业论文）αal2o3水相悬浮体系分散性及稳定性的研究.pdf

a a 1 2 0 3 水相悬浮体系分散性及稳定性的研究 摘要 胶态成型是近些年发展起来的一种新型的成型工艺，它可制备密度高、坯体均 匀、大尺寸、缺陷少且形状复杂的陶瓷坯体，且素坯的强度可进行加工，而日益成 为陶瓷成型研究的焦点。而高固相含量、低粘度、流动性好的浆料是胶态成型的基 础。浆料的分散、流交性及颗粒的表面改性等问题还有待于进一步研究。 本论文通过对g a 1 2 0 3 颗粒表面电位的测量及悬浮体系沉降实验的观察和粘 度实验的测试，讨论分散剂质量分数与颗粒的悬浮性及悬浮体系粘度的变化关系， 及p h 值对悬浮体系粘度的影响，以进一步研究分散剂质量分数及p h 值对a a l 。吼 悬浮体系悬浮性、稳定性的作用。 对“一a l 。0 3 水相悬浮体系，在p h = l o 时，粘度法( 采用u b b e l o h d e 粘度计及旋 转粘度计) 、沉降法所反映的悬浮体系稳定性随分散剂质量分数的变化规律是基本一 致的，即当分散剂质量分数较少时，随着分散剂质量分数的增加，a 1 。0 。悬浮体系的 稳定性越来越好。此种分散剂的最佳质量分数为0 0 4 ，且在0 0 4 0 2 4 较宽范 围内，均可制得粘度较低、悬浮稳定性较好的低固相含量的a a 1 ：0 s 悬浮体系。且 其最佳分散剂质量分数不随a a 1 。0 。悬浮体系的固相体积含量发生变化。 溶液中颗粒的显微照片，真实地表现了a h i 。0 3 颗粒在溶液中的分散状态。当 分散剂用量不足时( 分散剂质量分数为0 0 3 ) ，颗粒处于明显的絮凝状态；当分散 剂质量分数在0 0 4 0 2 范围内，可以观察到颗粒处于较好的分散状态，这与用 沉降法、粘度法测得的结果相一致。 通过对比低固相含量* a 1 2 0 3 悬浮体系的粘度及极稀浓度悬浮体系的z e t a 电位 随p h 值的变化曲线，发现可以通过测量低固相含量a - a 1 2 0 3 悬浮体系粘度的方法确 定添加了分散剂的a 1 2 0 3 颗粒的i e p 。 对a 1 2 0 3 水相悬浮体系，在低固相含量的情况下，在p h 为o 5 8 3 7 6 及 青岛大学硕士学位论文 5 3 7 一，1 2 0 较宽的范围内，悬浮体系的粘度很小且变化不大；在高固相含量的情况 下，在p h = 1 2 8 3 2 0 的酸性区及p h = 7 0 0 1 2 0 的碱性区均可得到a 1 2 0 3 固相含 量的体积分数 5 8 、低粘度、流动性好的悬浮体系。 从溶液中的显微图片可以看出p h 在2 左右的酸性区及7 1 2 的 碱性区悬浮液颗粒的分散性均较好。在离子强度较大的强酸及强碱区，颗粒均处于 明显的团聚状态。在p h - - 4 5 的等电点附近，颗粒处于明显的絮凝状态，这与粘度法 测得的结果相一致。 硕士研究生张新霓( 材料学) 指导教师陈沙鸥教授 关键词：旷a i ：0 。，悬浮液，粘度，等电点，f 电位，分散，显微图片，流变性 i i o t - - a 1 2 0 3 水相悬浮体系分散性及稳定性的研究 i n v e s t i g a t i o no nd i s p e r s i o na n ds t a b i l i t yo f 酷- a 1 2 0 3a q u e o u ss u s p e n s i o n a b s t r a c t t h en o v e lc o l l o i d a lf o r m i n gd e v e l o p e di nr e c e n ty e a r se n a b l e dt h e f o r m i n go fh i g h d e n s i t y , l a r g ed i m e n s i o n ，d e f e c t f r e e ，c o m p l e x s h a p e dc e r a m i c sw i t hh i 【曲q u a l i t y t h e h i 曲s t r e n g t ho fg r e e nb o d yi sa f f o r d e dt ob e i n gm a n u f a c t u r e d r e c e n t l y , t h ec o l l o i d a l f o r m i n gt e c h n i q u e sh a v ed r a w nag r e a ta t t e n t i o ni nc e r a m i cf i e l d 。t h ep r e p a r a t i o no fa s t a b l ec o l l o i d a ls u s p e n s i o nw i t hh i 曲s o l i d sl o a d i n ga n dl o w v i s c o s i t yi st h ep r e r e q u i s i t e f o rc o l l o i d a lf o r m i n gp r o c e s s y b t m a n yp r o b l e m si n v o l v e di nc o l l o i d sf o r m i n g p r o c e s s n e e d st ob ei n v e s t i g a t e d ，s u c ha st h ed i s p e r s i o no f s u s p e n s i o n ，t h er h e o l o g i c a lp r o p e r t i e s o ft h es l u r r ya n dt h es u r f a c em o d i f i c a t i o n o f p o w d e r s t h ee f f e c to f d i s p e r s a n tm a s sf r a c t i o na n dp h o nt h es u s p e n s i o no f p a r t i c l e sa n di nt h e o a 1 2 0 3s u s p e n s i o ns y s t e ma n dt h ev i s c o s i t yo f a 1 2 0 3s u s p e n s i o ns y s t e mw e r e i n v e s t i g a t e db yfp o t e n t i a l ，s e d i m e n t a t i o na n dv i s c o s i t ym e a s u r e m e n t s t h ea i mi st o s t u d y t h ee f f e c to f d i s p e r s a n tm a s sf r a c t i o na n d p h o nt h es t a b i l i t yo f a - a 1 2 0 3 s u s p e n s i o n t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a t ，f o rs u s p e n s i o ns y s t e m ，t h ev a r i a t i o nt e n d e n c yo fs t a b i l i t y w i t ht h ec h a n g eo f d i s p e r s a n tm a s sf r a c t i o nw a sa l m o s ts a r l eb yu s i n gt h ev i s c o s i t ya n d s e d i m e n t a t i o nm e a s u r e m e n t s t h ev i s c o s i t ye x p e r i m e n ts h o w e dt h eo p t i m u l t id i s p e r s a n t m a s sf r a c t i o nw a so 0 4 a n dt h el o w e s tv i s c o s i t yo f a 1 2 0 3 s u s p e n s i o nw a so b t a i n e d u n d e rt h i sc o n d i t i o n t h er e s u l t sf u r t h e rd i s p l a y e dt h eo p t i m u md i s p e r s a n tm a s sf r a c t i o n r e m a i n e da sa c o n s t a n t ，w h i c h i si n d e p e n d e n to nt h es o l i d sl o a d i n g i nl o ws o l i d sl o a d i n g ， t h el o wv i s c o s i t ya n ds t a b l ea 1 2 0 3s u s p e n s i o n sw e r eo b t a i n e dw i t h i naw i d er a n g eo f d i s p e r s a n tm a s s f r a c t i o n t h e m i c r o g r a p ho f * a 1 2 0 3s u s p e n s i o na c t u a l l ye x h i b i t st h ed i s p e r s e ds t a t eo fp a r t i c l e s i ti n d i c a t e dt h a tp a r t i c l e sf l o c c u l a t ea sd i s p e r s a n tm a s sf r a c t i o ni sl o w e rt h a nt h eo p t i m u m d i s p e r s a n tm a s sf a c t i o n ，a n dg o o dd i s p e r s e ds t a t e sc a l lb eo b s e r v e dw h e nd i s p e r s a n tm a s s f r a c t i o ni sw i t h i no 0 4 - 0 2 2 w h i c hi s a g r e e d w i t h v i s c o s i t y a n ds e d i m e n t a t i o n m e a s u r e m e n t s c o m p a r i n g t h ev i s c o s i t yo fl o ws o l i dl o a d i n go f a 1 2 0 3 s u s p e n s i o nv i ap hw i t h i l l 。重墨查堂堡主堂垡笙塞 p o t e n t i a lo fv e r yd i l u t es o l u t i o nv i ap h ，i ti sf o u n dt h a tt h ei s o e l e c t r i cp o i n t ( i e p ) o f a 1 2 0 3c o a t e dw i t hd i s p e r s a n t sc a r lb ee v a l u a t e dv i av i s c o s i t ym e a s u r e m e n t si nl o ws o l i d l o a d i n g t h er e s u l t si n d i c a t et h a tas o l i d l o a d i n ga b o v e5 8 v 0 1 w i t hl o wv i s c o s i t yc a nb e o b t a i n e da tab r o a d e rp hr a n g eo f7 1 2 4 8i na l k a l i n er e g i o na n d3 2 1 2 8i na c i d i c r e g i o n p a r t i c l e si ns u s p e n s i o nw i t hp ho f2o r7 1 2r e g i o ni sw e l ld i s p e r s e db yo b s e r v i n g m i c r o g r a p h h o w e v e r , p a r t i c l e sa t - ei no b v i o u sf l o c c u l a t i o na tp h = 4 5 ( i s o e l e c t r i cp o i n t ) a n di ns t r o n g e ra c i do ra l k a l i n es o l u t i o nr e s p e c t i v e l y p o s t g r a d u a t es t u d e n t ：x i n - n iz h a n g ( m a t e r i a ls c i e n c e ) d i r e c t e db yp r o f s h a o uc h e n k e yw o r d s ：o r - a l u m i n a ；s u s p e n s i o n s ；v i s c o s i t y ；i s o e l e c t r i cp o i m ；i p o t e n t i a l ；d i s p e r s a n t m i c r o g r a p h ；r h e o l o g y 第一章陶瓷粉体分散研究进展 第一章陶瓷粉体分散研究进展 1 1 绪论 材料是一切技术发展的物质基础，也是人类进化的重要里程碑。材料科学已成 为二十世纪最引人注目的发展领域之一，世界各国政府都在这方面投入了大量的 人力、物力、财力进行研究与开发工作。陶瓷材料在人类生活和现代化建设中是不 可缺少的一种材料，它和金属材料、有机高分子材料并列为当代三大支柱材料。新 型陶瓷材料或称精细陶瓷是近年来在传统陶瓷基础上发展起来的又不同于传统陶 瓷的新型材料。由于陶瓷材料所具有的共价键和离子键的键台都具有较强的方向性 和较高的结合强度，因此陶瓷材料具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀等优异性能，是最 具发展潜力的新兴材料之一，在航空航天等国防尖端技术领域和机械、冶金、化工 等一般工业领域均有着广泛的应用前景。 在新型陶瓷材料中，在所有新型陶瓷材料中，氧化铝具有最广泛的用途和发展 潜力【1 1 。它突出的机械性能( 抗弯强度8 9 2 - - 2 6 1 8 m p a ，莫氏硬度9 o ) ，良好的耐 热冲击性能( 6 5 7 8 4 3 c m - n ) ，优良的电性能( 绝缘强度高，功率因数小) 以及化 学稳定性和耐磨性，使它在电子、航空航天等尖端领域和机械加工、冶金等一般工 业领域都有广泛的应用。但高性能陶瓷的应用仍受到许多方面的限制，主要问题是 可靠性低、成本较高、难以成型大尺寸复杂形状的制品，这在很大程度上与成形工 艺有关，而且由于陶瓷对制备过程中产生的缺陷非常敏感，为了使陶瓷产品获得最 好的性能，应减少制备过程的缺陷f 2 】。因此，陶瓷的成型技术与方法对于制备性能 优良的制品具有重要的意义。成型方法分为：胶态成型、模压与冷等静压成型。模 压与冷等静压成型，在成型过程中由于粉体的团聚，造成最终的烧结体的显微结构 不均匀，产生的缺陷对陶瓷的可靠性产生影响。胶态成型，如注浆成型、凝胶注模 成型和直接凝固注模成型，可以制各形状复杂、高密度、高强度、均匀性好的坯体， 因而被认为是一种较理想的成型方法。胶态成型方法的关键环节之一是制备高固相 含量、体系均一、稳定性和流变性好的浓悬浮体系【3 “。悬浮体系的流变性与分散 荆的类型、分散剂的用量、p h 值范围、粉体的粒径、固相含量等密切相关【引。目 前人们常采用加入分散剂、调节浆料p h 值等方法来改善浆料的稳定性【6 】。 本实验所用的离子型高分子分散剂在悬浮体系中通过与陶瓷微粒表面发生吸 附，增加颗粒间的空间距离，及增大颗粒表面的z e t a 电位，以电空间位阻稳定机 理来阻止微粒间的团聚，改善陶瓷悬浮体系的流变性及稳定性。分教剂在悬浮体系 青岛大学硕士学位论文 中通过与陶瓷微粒表面发生相互作用而阻止微粒间的团聚，稳定机理大致有三种： 静电稳定、空间稳定和电空间位阻稳定【7 l 。 本文采用一种新的共聚型高分子分散剂，利用u b b e l o h d e 粘度计测定了微米级 。一a 1 。0 。悬浮体系的分散剂用量及p h 值与其粘度的变化关系，用z e t a 电位研究了 悬浮体系的电动特性。在此基础上，通过不同p h 值、a a 1 7 0 。高固相含量浆料的 粘度测试，确定了在比较宽的p h 值范围内高围相含量a a 1 ：0 ，稳定浆料的制备。 1 2 陶瓷成型 陶瓷材料因其独特的性能已广泛应用于电子、机械、国防等工业领域。但陶瓷 材料烧结后很难进行机加工，故人们一直在寻求复杂形状陶瓷元件的净尺寸成型方 法，这己成为保证陶瓷元件质量和获得具有实际应用价值材料的关键环节。陶瓷材 料的成型方法，一般可分为干法和湿法两大类。 为降低陶瓷材料制备的成本，并提高制品的可靠性，成型工艺需满足以下条件： 1 坯体均匀性好，这是保证坯体及烧结体具有较好显微结构及较好性能的前 提。 2 坯体密度高，可使素坯在较低温度下烧结，减少收缩，提高最终制品的致 密度。 3 坯体强度较高，可使复杂形状的不见易于脱模，便于进行规模化生产及产 品的预加工。 4 尺寸成型，可消除或减少最终制品的加工量。 1 。2 。1 干法成型 干法成型主要包括干压法和等静压法。 1 2 1 。1 千压法【8 _ 9 】 干压成型工程陶瓷生产中常用的成型方法。模压成型工艺简单、操作方便、生 产效率高，有利于连续生产，同时得到的坯体密度较高、尺寸较精确、收缩较少、 制成品性能较好：但单向或双向加压将造成坯体密度分布的不均匀，收缩时易产生 开裂和分层现象。 模压成型是在压力作用下将粉料制成一定形状的坯体，粉料的特性，尤其是充 第一章陶瓷粉体分散研究进展 填特性对压制过程有十分重要的作用。考虑球形颗粒的填充，当球颗粒等大时，规 则排列时的最大填充率为立方密堆的7 4 0 5 ，而不规则排列时的最大致密度为 6 3 7 。陶瓷粉体显然是一种不规则排列。在等大球填充所生成的空隙中进一步填 充小球，可以获得紧密的填充，当空隙中不是填充一个小球时，可以得到更为密实 的填充。在模压成型中要经常考虑粉料的颗粒配合，采用三级颗粒配合可以减少孔 隙率，提高堆积密度。实际粉料自由堆积孔隙率比理论值大得多。实际粉料往往是 非球形的，加之颗粒表面的粗糙结构使得颗粒之间互相咬和，形成拱桥形空间，称 作拱桥现象，导致气孔率增加。在粉料的堆积过程中，当粉料颗粒形状逐渐偏离球 形，成为片状、棒状，填充孔隙率会越来越大，结构将变得越来越疏松：即使对于 球形颗粒，颗粒表面的粗糙程度也会增加填充时的摩擦阻力，增加孔隙率。这类影 响一般随颗粒度的变小而表现的更加明显。由于对水分的吸附，实际粉体之间存在 比较强烈的凝聚力，同时颗粒本身之间也存在相互作用，颗粒之间的团聚构成一种 填充阻力，会妨碍致密化。模压成型就是在外力作用下，克服凝聚力、摩擦力、减 少相互作用力，破坏拱桥现象，提高粉体之间的结合强度，减少气孔率的过程。在 加压的起始阶段，粉料颗粒产生位移，填充孔隙，密度急剧提高；随成型压力增加， 颗粒位移填充孔隙的同时，颗粒的弹塑性变形使颗粒间接触面积大大增加，出现原 子间的相互作用，密度缓慢增加，强度增加很快；更进一步提高压力，坯体密度、 孔隙率和强度变化则都不十分明显。研究表明，粉料自由堆积孔隙率越低，成型后 密度越高，因此必须控制粉料密度与颗粒级配。粉料颗粒度过细或过粗，成型坯体 密度和强度都不高，同时过细粉料颗粒间分布着的大量气体会导致加压气体沿与加 压方向垂直的平面逸出，产生层裂。压力的增加有利于提高坯体密度，压制过程中 的总压力包括克服粉料阻力和克服粉料颗粒与模壁的摩擦力，一般先进陶瓷的成型 压力为4 0 1 0 0 m p a 。延长加压时间有利于减少气孔率，也可采取逐步增加压力、 多次加压的方式，以利于坯体中空气的排除和压力的传递，提高坯体密度和密度的 均匀性。此外应注意卸压速度的控制，过快的卸压速度会造成坯体中残余空气急剧 膨胀，从而产生裂纹。 在模压成型的粉料中，加入成型润滑剂、粘合剂和表面活性剂物质有利于减少 颗粒间的摩擦力，提高粉料成型密度和强度。压制先进陶瓷时可采用含极性官能团 的有机物作润滑剂，如油酸、硬脂酸锌、硬脂酸镁、石蜡、树脂等。用量在粉料重 的1 以下，采用有机粘合剂，如聚乙烯醇水溶液( 浓度7 ，用量为粉料重的5 1 5 ) 、石蜡( 用量为粉料重的4 7 ) 、淀粉水溶液等。模压成型加压方式有单向 青岛大学硕士学位论文 加压和双向加压两种，在压制过程中，颗粒移动与颗粒重排在颗粒之间，颗粒与模 壁之间产生摩擦力，这种摩擦力阻碍压力的传递，离加压面越远的坯体受到的压力 越小，密度越小。密度的不均匀会造成烧成时坯体各部位收缩的不一致，引起产品 变形和开裂。密度变化随坯体高度l 与直径d 的比值增加更加显著。单向加压坯体 在上方和近模壁处密度最大，下方和中心部位密度最小：双向加压坯体在中心部位 密度最低。 1 2 1 2 冷等静压成型“” 冷等静压是指常温下对密封于塑性模具中的粉料各向异性同时旅压的一种成 型工艺技术。在冷等静压过程中耪料颗粒与塑性包套接触的表面在成型期间无相对 位移，不存在模壁摩擦作用，即使对于塑性包套中有刚性模件的情况，其粉料颗粒 与刚性模表面之间的摩擦作用也远低于常规模压。可以认为，在冷等静压过程中， 成型压力不受或很少受到模壁摩擦力的抵消，成型压力通过包套壁在各个方向作用 于粉料，因此所得到的坯体密度比常规模压高，而且均匀。粉料成型过程中的规律 基本是一致的，包括致密化过程。影响致密化的主要因数：粉料特性、添加剂的作 用，等等。 冷等静压设备主要由高压缸、高压发生装置和辅助设备组成。高压缸是最重要 的部件，也是设备中最大的受力部件，高压缸的安全设计是十分重要的。高压缸所 用的液体传压介质具有一定的可压缩性，以仓u 造高压存储能量的环境，常用的液体 有甘油、水、刹车油和锭子油。高压发生装置包括高压泵和相应的管道和阀门，高 压柱塞泵和增压器是常用的加压装置。冷等静压成型分湿袋和干袋法两种。因此设 备也相应分为湿袋法冷等静压机和干袋法冷等静压机。湿袋法冷等静压机又称为自 由模冷等静压机，成型前在压机外对模具装粉组装，抽真空密封后放入高压妊中， 直接与高压液体介质接触，成型后从高压缸中取出模具，脱模得到坯体。其操作工 序多，适用于生产多品种、形状复杂、产量小、大型制品；干袋法冷等静压机中， 弹性模具直接固定在高压缸内，并用带孔钢罩支撑，粉料直接装入干袋模中，如果 需要排出粉料中的气体，可采用振动装爨或真空泵，加压时液体介质注入缸内壁与 模具外表面之间，对模具各向同时均匀加压。干袋法适合生产形状简单、批量大的 小型产品。我国自制和引进的冷等静压机多数采用湿袋法，目前设备向大型化、高 压化方向发展。包套和模具的设计是冷等静压技术的重要组成部分。根据成型方法 的不同，包套和模具可分成三种形式：湿袋法用包套模具、干袋法用包套模具和均 4 第一章陶瓷粉体分散研究进展 衡压制用包套模具。其中湿袋法用包套模具又称为“自由模具：干袋法用包套模 具又分为固定模和组合模，组合模是在固定模内部增加塑性和刚性模件所构成的， 通过增设的橡胶筒和上下端橡胶塞的传压实现对粉料的各向均匀加压，克服了固定 模只能径向加压的缺点，此外装料和脱模可在等静压机外进行i 均衡压制用厚壁模 具实现是机械模压的一种改进，将厚壁模具置于刚性金属模具中，通过单向或双向 加压，依靠厚壁塑性包套的弹性变形来实现等静压成型。 塑性包套材料应该与传压介质和粉料具有稳定的化学相容性，耐磨、高弹性、 高抗撅裂强度，而且容易制各。常用作包套的弹性材料有天然橡胶、合成橡胶( 氯 丁橡胶、硅橡胶) 、聚氯丁烯( e v c ) 和聚氨酯。天然橡胶和氯丁橡胶一般用于制备湿 袋法工艺用的包套模具，聚氯乙烯和聚氨酯则主要用于制备干袋法用的包套模具。 冷等静压的加压过程由三个阶段组成：第一阶段，升压阶段，升压速度应该力 求快而平稳，升压速度的决慢由设备能力与欲成型坯体大小确定。压制塑性粉料时 应采用较低的最高成型压力。第二阶段，保压阶段，保压可以增加颗粒的塑性变形， 提高坯体密度，在实际生产中保压时间一般为几分钟，不超过l o m i n ，坯体截面较大 时保压时间可长些。但有研究表明，当采用厚壁模迸行均衡压制时，保压有降低坯 体密度的趋势。一般来说，最佳保压时间为4 0 6 0 s 第三阶段，卸压阶段，在冷等 静压成型工艺中，卸压速度是一个十分重要的工艺参数。对小型坯体来说，卸压速 度没有多少区别。但对于大型坯体，卸压速度控制不当，则会由于坯体中残余气体 的膨胀、压制坯体的弹性后效、塑性模套的弹性回复造成坯体开裂，一般应控制卸 压速度，以免这些现象的发生。 1 2 2 湿法成型 与干法成型相比，湿法成型可以更有效地控制坯体的团聚及减少坯体的缺陷， 并可成型各种复杂形状的陶瓷部件。 1 2 2 1 注射成型n 2 ”1 应用塑料成型方法，在陶瓷粉料中加入约i 5 3 0 重量百分数的热塑性树脂、 石蜡、增塑剂和溶剂等，把加热混匀后的坯料放入注射成型机中，经加热熔融，通 过喷嘴把其压入金属模具，经冷却脱模得到产品坯体。 注射成型法与金属压力铸造方法类似，所制得的坯体尺寸精度高、表面光洁度 青岛大学硕士学位论文 高，可制造形状复杂且批量生产的产品，目前主要用于生产纺织机用陶瓷配件。 在注射成型方法中，需要非常精确地控制成型温度，同时成型后需对坯体进行 长时间低温加热处理，以脱排树脂等粘合剂。 为了避免脱排树脂的麻烦，也有人研究采用冷冻注射成型法。使用该法时，不 添加任何粘合剂，将用水混匀的坯料注射到用液氮冷却的金属模具中，冷冻固化后 脱模，然后千燥，得到坯体。冷冻成型法目前存在的主要问题是坯体强度不高，干 燥时易变形开裂。 瞍1 1 注射成型流程图 第一章陶瓷粉体分散研究进展 陶瓷注射成型( c e r a m i c si n j e c t i o n m o i d i n g 简称c i m ) 正是一种近净尺寸陶瓷 可塑成型方法。如图1 1 所示。陶瓷注射成型是在聚合物注射成型技术比较成熟的 基础上发展而来的，是当今国际上发展最快、应用最广的陶瓷零部件精密制造技术。 具有如下突出有点( 1 ) 成型过程机械化和自动化程度高；( 2 ) 可净近成型各种复杂 形状的陶瓷零部件，使烧结后的陶瓷产品无需进行机加工或少加工，从而减少昂贵 的陶瓷加工成本( 3 ) 成型出的陶瓷产品具有极高的尺寸精度和表面光洁度。主要 包括以下几个方面：首先，喂料制备，即将可烧结的陶瓷粉料与合适的有机载体按 一定配比( 热塑性树脂、石蜡等具有不同性质和功能的有机物) 在一定温度下均匀混 炼，然后干燥、造粒：而后进行注射成型，即喂料在料筒加热熔融，在一定温度和 压力下高速注人模具内，达到完好的充模和脱模；随后进行脱脂，即通过加热或其 它物理化学方法将成型内的有机物排除；脱脂后的坯体即可在高温下致密化烧结， 烧结所得到的坯体可以进行后续的加工。在过去几十年的发展中，采用陶瓷注射成 型技术已制备出热机、发动机用陶瓷部件和光纤连接器陶瓷插针，用于航空、军事、 通讯等领域；此外注射成型技术还用于生产计算机、汽车部件以及医疗器械等。陶 瓷c i m 难点是脱脂。因为脱脂过程中不正确的脱脂工艺方式和脱脂参数将导致变 形、开裂、鼓泡等缺陷，并且产生的裂纹和变形不能通过烧结来弥补；另外脱脂过 程耗时长，如热脱脂般要花费十几个小时甚至几天的时问。所以脱脂能否顺利完 成，对于保证坯体质量、提高制品合格率、减少能耗至关重要。为了提高制品脱脂 速率和质量，近几年出现一些新的脱脂技术，主要包括：( 1 ) 溶解萃取脱脂：萃取脱 脂比热脱脂提高了脱脂速率，成型体被浸在萃取溶剂的气相或液相中，溶剂能加速 有机载体从坯体中的排除，并能帮助打开坯体中的气孔。残存的有机载体和溶剂最 后通过热脱脂的过程除去。( 2 ) 催化脱脂：其原理是利用一种催化剂把有机载体分子 分解为较小的可挥发的分子，这些分子比其它脱脂过程中的有机载体分子片段有较 高的蒸气压，能迅速地扩散出坯体。( 3 ) 水基萃取脱脂：它是在萃取脱脂工艺的基 础上，经过改进而发展起来的一种新型的脱脂方法。此方法所用的粘结剂可分为两 部分：一部分是水溶性的，另一部分是不溶于水的。脱脂分为2 个阶段进行：首先 坯体浸于水中，水溶性的粘结剂通过水的沥取作用而被脱除，然后部分不溶于水的 粘结剂可通过加热等其它方法脱除粘结剂中的某些聚合物。其优点是安全可靠，操 作程序简单和环保要求相适应，不会危害操作者的健康。 1 ，2 2 2 直接凝固成型“”3 青岛大学硕士学位论文 图1 2 直接凝固成型流程图 直接凝固注模成型( d i r e c tc o a g u l a t i o nc a s t i n g ，简称d c c ) 成果是2 0 世纪 9 0 年代初由苏黎世瑞士联邦理工大学g a u c k l e r 教授及其研究小组提出的一种原位 凝固成型方法。该工艺是在高固相体积分数的浓悬浮体中引入生物酶，通过控制酶 ( e n z y m e ) 对底物( s u b s t r a t e ) 的催化分解反应即可改变浆料的p h 值移动至等电点 或增加反离子浓度压缩双电层，从而消除陶瓷颗粒之间的静电斥力，通过颗粒之间 的范德华吸引力形成网络结构达到悬浮体直接凝固的目的。首先通过分散剂制得固 相体积分数大于5 0 的商浓度悬浮体。为了控制尿酶对尿素的催化反应，注模前 引入尿酶时悬浮体须保持较低的温度( o 一5 ) 。浆料注入非多孔模具( 与传统注浆 第一章陶瓷粉体分散研究进展 成型用的石膏模具不同) 后通过温度改变引发酶催化反应，从而改变浆料州值至等 电点或增加反离子浓度，实现液态悬浮体向固态坯体的转化。凝固时间取决于酶的 浓度和模具内浆料温度，固化时间可从几分钟到几小时。凝固的坯体经脱模，干燥， 无需脱脂可直接烧结。直接凝固注模成型特点是：可成型各种复杂形状陶瓷坯体， 坯体密度高、均匀性好；成型用有机物无毒性、含量少( ty 时，体系才能流动。塑性流体又分两种：若流体流动遵循n e w t o n 粘度定律，流动方程为： t 2 t y + t 1 这类流体称为普通b i n g h a m 流体，r i 为塑性粘度。若流体流动不遵循n e w t o n 定律，这类流体称为非线性b i n g h a m 流体。特殊地，若流体遵循幂定律，h e r s c h e l - - b u l k l e y 方程为： 1 = t 。+ k y “ 塑性流体在静止时，颗粒之间能形成空间网状结构，施加一定的力可以使网状 结构破坏，静切应力的大小反应