影响特种陶瓷干压密度的因素探讨

1、影响特种陶瓷干压成形坯体致密度的因素李晓东1，周文孝2，杨东亮2，殷书建2(1山东理工大学材料科学与工程学院，淄博255049；2山东硅酸盐研究设计院，淄博255086)摘 要 从干压工艺和粉体性能两个方面探讨了影响坯体致密度的因素。分析了99亚微米氧化铝造粒粉颗粒在加压过程中的坯体密度变化，全面分析了引起层裂的原因。重点讨论了粘结剂及水分含量对坯体致密度的影响。关键词 亚微米氧化铝粉；干压工艺；层裂；坯体致密度中图分类号：tql7475+8 文献标识码：a特种陶瓷的成形方法有多种，如干压成形，注浆成形，注射成形，凝胶浇注成形等，但是在特种陶瓷的生产中最常用的还是干压成形。这是因为干压成形拥有

2、粘结剂含量低，不经干燥可直接烧结，生产工序简单，效率高，坯体收缩小，可自动化生产等优点。高致密的坯体不仅可以减小颗粒间气孔直径，促进烧结，降低烧结温度，而且还有利于提高陶瓷材料的烧结致密度及性能，如力学性能、电绝缘性能等【l矗。因此，如何制备出致密度高且密度梯度均匀的坯体便成为众多陶瓷工作者研究的重点。制备致密度高且密度梯度均匀的坯体，整体上分析有两方面因素；第一千压工艺；第二粉体性能。本文将从干压工艺及粉体性能这两方面展开研究，分析干压成形时影响坯体致密度的因素。1干压工艺的影响干压工艺主要指加压方式、加压压力、加压速度以及保压时间等。11加压方式的影响在干压成形中，加压方式有单向加压和双向

3、加压。加压方式不同，压力在模具内的分布与传递也不同。图1(a)、1(b)、1(c)31分别为单向加压和双向加压的压力梯度示意图，图中数字是各层压强的相对值。从图1中可以看出，双向加压要比单向加压拥有更加均匀的密度梯度，而相同压力下双向加压并在模具内壁涂抹脱模剂，得到收稿日期：2010一03一02的坯体效果最为理想。12加压压力的影响一般来说，坯体的密度随着压力的增大而提高。在压制过程中，压力对生坯的密度、强度、孔隙率等性能的影响，比其它因素更重要，同时对生坯烧结后的性能也有明显影响。图2是以99亚微米氧化铝粉做的压力与密度的关系平衡图，其中该造粒粉的松装密度为1129cm3。由图2可以看出，压

4、力为30mpa时，坯体的密度已经达到212 gcm3；当压力上升到90mpa时，坯体密度也迅速上升到226 gcm3；压力从90mpa上升到130mpa，密度逐渐缓慢增加，130mpa时，密度达到最大值，继续增加压力到140mpa，坯体密度不再变大。由此可见，整个压制过程大体上分为两个阶段：(1)90mpa以前，随着加压压力的增大，坯体密度迅速上升。这是因为：最初充填于模具内的造粒粉颗粒是松散堆积的，造粒粉的排列并不规则，从而形成大量的孔隙，当受到外加压力时，颗粒就会有效的克服颗粒间的阻力而发生位移，使颗粒之间重新进行排列，细小颗粒会充填于大颗粒之间所形成的孑l隙之中，从而气孔率下降，坯体密度

5、得到提升；(2)90mpa到130mpa直至140mpa，压力不断增大，但坯体密度增大的速度越来越慢，直到接近该种粉料的理论堆积密度。这是因为当压力达到一定的数值时，坯体密度的增加方式已由颗粒间的滑移为主转为颗粒的变形和破碎为主，所以这一阶段坯体的密度增加变得万方数据第2期 李晓东等：影响特种陶瓷干压成形坯体致密度的因素21(c)双向加压并加脱模剂图1加压方式示意图图2压力与坯体密度关系曲线越来越慢。极限压力下，密度不但不再提高，甚至有时会呈下降趋势，这是由于所施加的压力超过极限压力时，当压力撤销后，坯体将产生弹性后效，引起层裂，使密度下降。坯体的层裂主要是由于弹性后效引起的4。这是因为：(1

6、)当压力达到极限时，颗粒表面接触进一步加大，有的颗粒发生脆性断裂，有的颗粒表面产生弹性变形，外力撤销后，已经变形的颗粒极力恢复原形，使纵向的反弹力大于颗粒之间的各种结合力，因而产生弹性后效，引起层裂。(2)当压力取消后，空隙中被压缩的空气竭力膨胀，横向受到模具侧壁的阻止，只能沿纵向膨胀，使纵向呈较大的膨胀，由于膨胀的不均匀性以及坯体性质的不均匀性，导致坯体产生层裂。除此之外，坯体中被压缩的空气能够增加颗粒的弹性后效和弹性变形，从而引起层裂。(3)另外不可忽视的原因是：由于靠近模具侧壁的坯体较密实，与模具的摩擦力也较大，故受模具的阻止比较厉害。当从模具中顶出坯体时，已经顶出的坯体部分不受模具壁的

7、约束，留在模具中的坯体部分受模具的阻止越大，变形越大。这样底层面受弯的力超过与上一层的结合力时，便产生层裂。除了以上分析的引起层裂的几点原因以外，坯体中的水分、干压成形时的加压次数以及加压速度等也会对层裂产生一定的影响。由上可见，为了得到致密度高且缺陷少或者没有缺陷的坯体，压力的选择是非常重要的。太小的压力，坯体达不到最大致密化，以至于影响烧结致密化过程；压力过大，又会出现类似于层裂的缺陷；只有压力适中，才会压制出理想的坯体。所以，在实际生产中，人们通常会通过实验来绘制压制平衡曲线，然后在该曲线上选定生产应用的压力区间，从而更好地控制产品的质量。13加压速度及保压时间的影响加压速度和保压时间，

8、对坯体性能有很大的影响j，即与压力的传递和气体的排出有很大的关系，如果加压过快，保压时间又短气体就不容易排出。同样，当压力没有传递到应有的深度时，外力就已经去掉，也难以得到理想的坯体质量。当然，如果加压速度太慢，保压时间又太长，便会降低生产效率。故应根据坯体的大小、形状和厚薄来调整加压速度和保压时间。2粉体性能的影响粉体的性能主要指颗粒粒度、颗粒级配、粘结剂及水分的含量、粉料的流动性等。21颗粒粒度及颗粒级配的影响在相同压力作用下，粒度大的粉体压坯密度大，粒度小的粉体烧结密度大；同一粒度粉体，压坯密度和烧结密度均随压力增大而增大67。由此，颗粒粒度的增大有利于坯体致密度的提高。但是，考虑到最终

9、陶瓷体的烧结，原料粉的粒度应该综合各方面因素进行选择。国国一目万方数据22山东陶瓷 第33卷对颗粒级配与堆积密度关系的研究已有多处报道2，但是，所用粉料颗粒尺寸均在微米数量级以上，甚至达到数百个微米，而且两种颗粒粒径之比均大于10。在实际陶瓷材料的制备中并没有意义，而事实上，在陶瓷粉料向亚微米纳米发展的今天，对超细粉体的堆积行为和成形行为进行研究，才具有更重要的现实意义。中国科学院上海硅酸盐研究所的张金栋等对纯度为9999的亚微米氧化铝粉体进行颗粒级配，当粗颗粒(o37“m)细颗粒(o15_um)体积比为2：1时，素坯密度最高，在300mpa压力下干压成形相对密度可达到575，而未经过级配的单

10、一颗粒在同样条件下相对密度只有50。此外张金栋还用压滤成形的方法进行了实验，同样条件下经过颗粒级配的坯体相对密度高达725，而未经级配的只有65。此外还有人采用三级颗粒级配进行研究，结果表明当粗颗粒体积分数50，中颗粒10，细颗粒40时，粉料的孔隙率最小5。22粘结剂及水分的含量的影响特种陶瓷干压成形时首先需要对符合要求的陶瓷粉末进行造粒，然后对造粒粉进行压制，最终得到坯体。造粒粉的性能如假颗粒的形状、尺寸、尺寸分布、粉体的流动性等将最终影响陶瓷坯体的致密度，而粘结剂的含量则影响着造粒粉的性能引。在陶瓷干压成形过程中，粘结剂主要起粘合作用，增大假颗粒粒径，增加颗粒强度。在造粒过程中，如果粘结剂

11、含量过高，会增加浆料的粘度系数、喷雾雾化角变小、雾滴经干燥造粒后易团聚在一起，得到粒度分布范围广，流动性差的粉体，从而于压成形时难以获得高致密度的坯体。如果粘结剂含量过低，坯体的强度就达不到加工的要求。聚乙烯醇是特种陶瓷生产中最常用的一种粘结剂，下面以聚乙烯醇为例说明粘结剂含量对坯体致密度的影响。聚乙烯醇是一种非离子型聚合物，主要以物理吸附的形式吸附在粉体颗粒表面，吸附分子间有内聚力存在，靠得很紧，形成一层薄膜，有降低摩擦的作用。当聚乙烯醇加入量适量时，在粉体颗粒表面形成一层很薄的润滑膜，改善了颗粒表面的粗糙度，减小了其相对滑动的阻力，故而使粉末流动性有所提高。随着聚乙烯醇加入量的增加，其在粉

12、体颗粒表面形成的膜愈厚，当膜厚达到一定程度，颗粒表面粘附力的增加超过了摩擦阻力的减小，从而流动性下降，松装密度变小，进而影响坯体的致密度。水分含量对坯体的致密度也有很大的影响：含水量过大则干燥收缩大，对生坯的尺寸控制就困难，并且成形时粉料易与模具发生粘连，从而影响坯体的致密度；含水量过小，又会影响造粒粉的破碎性能，不利于得到高致密度的坯体。仍以结合剂为pva时说明水分含量对坯体致密度的影响。结合剂pva的玻璃转化温度e。对造粒粉的成形具有重要作用9。当环境温度高于0。时，pva具有可塑性，随pva可塑性的增加，坯体成形时，造粒颗粒易发生变形，形成窄粒径分布的均匀坯体结构；而低于0e时，pva呈

13、现脆性，成形时造粒颗粒具有较强抵抗变形的能力，使之几乎以原来形态残留在坯体中。水分能降低pva的0。温度，水分对pva相当于增塑剂。当残余水分含量过低时，pva的钆高于环境温度(如25)，故坯体中造粒颗粒之间的结合强度较低，坯体断裂时呈现沿颗粒之间断开，几乎不发生变形(但可能在其表面产生裂纹)。此时造粒颗粒间的大气孔仍遗留在坯体中，坯体密度相对较低；当残余水分适中时，假设所有水分被吸附在pva中，则pva中的相对水分就比较高，按文献10报道，此时pva的钆已低于成形时的环境温度(如25)。在成形压力下，造粒颗粒发生变形，使造粒颗粒间气孔减少，同时靠pva的粘结作用，造粒颗粒界面具有较高的结合强

14、度，而造粒颗粒内部，因pva含量较少，结合强度较低，使坯体的断裂主要以颗粒内部的断裂为主，从而不但提高了坯体的致密度也提高了坯体的强度。23粉料流动性的影响良好的流动性可保证干压成形时颗粒间的内摩擦小，粉料能顺利地填满模型的各个角落，同时也有利于增加粉料的填充密度，从而在较小的压力下获得密实而均匀的陶瓷坯体。除此之外，良好的流动性还能够加快填充速度，从而提高生产效率。3结论合理的干压工艺和良好的粉体性能是干压成形时获得高致密度坯体的两个必要条件。万方数据第2期 李晓东等：影响特种陶瓷干压成形坯体致密度的因素2331双向加压并涂抹脱模剂、合理的加压压力、加压速度、保压时间有利于高致密度坯体的获得

15、；32合理的颗粒粒度及颗粒级配、适量的粘结剂及水分含量、流动性好的粉料容易获得高致密度的坯体。参考文献1 zheng jingmin，william b carls。n。james s reeddependence of compaction in dry pressing on the pa rticie size dist r一butionjam ceram soc，1995，78(9)：252725332张金栋旌剑林氧化铝粉料的颗粒级配对成形行为和烧结行为的影响j无机材料学报1997，12(2)：175一1803钱征骑新型陶瓷手册m南京：江苏科学技术出版社19954 李世波张宝生葛勇特种

16、陶瓷的成形与坯体密度的关系j哈尔滨建筑大学学报1999，4(2)：67705 张锐陶瓷工艺学m化学工业出版社，20076pathak i，c，mlshra s k，bhattacharya d，et a1synthesisand sinte“ng characte“stics of ybacuoxide supe卜conductorsjmate“alsscience and technology(b)，2004110(2)：11921317alqureshi h a，galiotto a，klein a non the mechanics of coid die compaction for powder meta“urgyjjournai of materials processing technology， 2005，1 66(z