先进材料成形技术

1、AbstractAbstract纳米陶瓷概述纳米陶瓷胶态成型技术l 注射成型法l 离心注浆成型l 流延成型l 胶直接成型l 凝胶注模成型纳米陶瓷成型技术的展望纳米陶瓷概论 纳米陶瓷是指平均晶粒尺寸小于100nm的陶瓷材料，属于三维纳米块体材料，其晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等都在纳米数量级范围内。纳米数量级的介观粒子具有许多微观和宏观物质所不具有的独特性质，主要包括表面与界面效应、体积效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等，纳米陶瓷材料正是利用纳米粒子的这些特征效应来提高材料的性能。 纳米陶瓷的优异功能：优异的强度、韧性、耐磨以及与金属类似的超塑性，展现出诱人的应用前景，因此纳米陶

2、瓷的研究成为纳米材料应用研究的热点。而陶瓷胶态成型技术由于可有效地控制颗粒的团聚、可靠性好、又可近净尺寸成型形状复杂的陶瓷零部件、成本低、操作简单，适合产业化和规模化生产，因此胶态成型成为目前国际上广泛重视的纳米陶瓷成型方法。纳米陶瓷制备工艺：其流程为：原料一纳米粉体制备一成型一烧结一成品。纳米陶瓷粉体的制备：气相法制得的陶瓷粉体纯度高、团聚较少、烧结性能较好，但其设备昂贵、产量较低而不易普及。固相法设备简单、操作方便，但所得粉体纯度不高，粒度分布较大，适合对粉体要求比较低的场合。液相法设备简单、无需高真空等苛刻的物理条件、易放大、粉体纯净、团聚少、易实现工业化生产，因此很有发展前途，是现在和

3、今后制备纳米陶瓷粉体的重要方法。纳米陶瓷的成型： 干法成型 特点： 艺简单、操作方便、效率高，但也有缺点，如 磨具损耗大、成本高、素坯压块分层、需要过多的粘 结剂等。 塑性成型 湿法成型 胶态成型 湿法成型：能够有效控制坯体团聚及杂质的含量，减少坯体的缺陷，可以用于形状复杂的陶瓷部件的成型，其缺点在于成型中所需介质过多、双电层状态改变、流变状态改变、素坯密度降低等。由于干法成型在成型复杂部件、尺寸精度和内部均匀性方面都不及湿法成型，因此湿法成型成为了目前研究的热点。 纳米陶瓷胶态成型技术 以往陶瓷研究中，人们侧重于粉体制备和烧结工艺的研究，而对其间承上启下的成型工艺研究甚少，但随着纳米陶瓷研究

4、的兴起，粉体颗粒逐渐细化，颗粒间受范德华力的作用而极易团聚在一起，这些团聚体可能保持在坯体中而直接影响成型坯体的性能(如均匀性、密度、气孔分布等)及制品烧结过程中的变形、开裂及其它烧结行为，同时纳米复合陶瓷要求两相或多相颗粒在坯体中均匀分散，以达到增强增韧的目的，因此逐渐认识到通过改善成型工艺，获得显微结构均匀、各相分布均匀的素坯在改善制品性能方面的重要性。20世纪90年代初开始兴起的多种胶态成型技术，由于可有效控制颗粒的团聚、可靠性好、又可近净尺寸成型形状复杂的陶瓷零部件、成本低、操作简单、适合产业化和规模化生产，因此成为目前国际上广泛重视的纳米陶瓷成型方法。 陶瓷注射成型是借助高分子聚合物

5、高温熔融状态下，在注射机上于一定温度和压力下高速注入模具，迅速冷凝后脱模取出坯体，然后500600下脱脂而成型。 优点:可成型形状复杂的素坯，并且自动化程度高，成型精度高。缺点:一方面是素坯中有机载体含量较高(一般为3055(体积分数)，有机物的富集和颗粒的重排等现象使坯体均匀性变差、易于开裂，另一方面是模具设计加工成本和脱脂环节成本比较高。目前发展的新型注射成型技术主要有粉末共注成型、低压注射成型、微粉注射成型、水溶液注射成型和快速凝固注射成型等。 离心注浆成型是将陶瓷粉体原料制备成具有良好流动性的水系浆料，然后利用离心力将其成型。其工艺流程为：陶瓷粉体一分散一沉降一絮凝一离心注模一干燥一烧

6、结。 近年来离心注浆成型在众多的胶态成型工艺中颇受关注，因为该成型技术利用加速力场形成坯体，对悬浮体的固相体积分数没有严格的限制，成型坯体密度高，操作简便，设备费用低而且成型速度快，几乎不需要添加任何有机粘结剂，克服了脱脂工艺造成的种种不利因素。这种方法的缺点在于易造成坯体分层，但可以通过制备高固相含量浆料得到解决。 流延成型通常分两个阶段进行：首先将陶瓷粉体、溶剂和分散剂球磨混合，这一过程主要是消除硬团聚；然后加入粘结剂和塑性剂，继续球磨混合均匀，浆料混合后加入消泡剂搅拌或抽真空脱气，流延成型。 获得高固相含量、稳定、分散性良好的浆料及流延过程中各个工艺参数的控制是流延成型的关键。该成型方法

7、设备简单，坯体易于加工，工艺稳定，可连续操作，生产效率高，可实现高度自动化，适于成型大型薄板陶瓷，基片的厚度可薄至10btm以下，厚至lmm以上。但流延成型只能成型带状坯体，成型密度低。此外，由于浆料中有机物含量较高，素坯密度低，脱脂过程中坯体易变形开裂，收缩率大(达2021)。 目前新型的流延成型工艺主要有水基流延成型、紫外引发聚合流延成型和凝胶流延成型。 凝胶直接成型是指通过反应生成溶胶一凝胶沉淀而直接固化成型。通常粉体制备和素坯成型是分步进行的，而粉体制备时在干燥等工艺过程中很容易产生团聚，尤其是纳米粉体，对其后烧结不利。凝胶直接成型和别的成型方法不同，其特点就是粉体制备与成型过程一气呵

8、成，省略了湿法制粉的干燥工序，从而有效地减少了团聚的形成，所得坯体具有更好地结构均匀性，有利于低温下烧结纳米陶瓷。同时在凝胶直接成型过程中，一方面颗粒不会暴露在空气中而避免意外的污染给烧结和材料性能带来的不利影响，另一方面毛细管中的液体为表面张力很大的水，有利于在形成凝胶的过程中更好地实现颗粒堆积和重排。 用凝胶直接成型了纳米Tioz素坯，凝胶直接成型过程中解胶是关键的一步，解胶能减少溶胶中的硬团聚，形成静电稳定的胶粒，从而使颗粒在凝胶过程中堆积密集，形成均匀的结构，经解胶处理的沉淀干燥后气孔率低而且容易致密，相对密度高达60。 凝胶注模成型技术是将陶瓷粉料分散于含有有机单体和交联剂的水溶液中

9、制备出低粘度高固相体积分数的浓悬浮体，然后加入引发剂和催化剂，使有机单体相互交联成三维网状结构的高聚物，从而形成凝胶而原位固化。凝胶注模成型过程中制备低粘度(不大于1Pas)、高固相体积分数(小于50)的浓悬浮体是成型高质量坯体的关键。 凝胶注模成型可分为水溶液凝胶注模成型和非水溶液凝胶注模成型。 凝胶注模成型由于使用的单体少，加入的固相陶瓷粉末的体积分数高，因此成型后坯体收缩小(在干燥过程中坯体一般要收缩12)，是一种陶瓷近净尺寸成型技术。悬浮体的粘度、成型固化时间及排胶时间可以通过加入的交联剂、引发剂、催化剂和分散剂来调控，所以此方法有利于成型工艺的连续化和机械化。 该方法的缺点是由于空气中氧的阻聚作用，素坯容易起皮，且干燥条件苛刻、干燥时间长。 目前纳米陶瓷制备技术还不够成熟，大规模生产及应用方面还存在许多问题，尤其是在陶瓷粉体成型环节，这些问题正是研究的重点，也是急需解决的。从纳米陶瓷胶态成型技术的发展来看，成型方面存在的问题及其研究热点有：(1)减少有机物的添加量，缩短脱脂时间，从而减少坯体缺