中國(guó)粉體網(wǎng)訊 科技的發(fā)展進(jìn)步，對(duì)先進(jìn)陶瓷的要求也不再局限于小尺寸且形狀規(guī)則的陶瓷成品，各種大尺寸或者復(fù)雜形狀精密陶瓷部件也在被越來(lái)越多的領(lǐng)域追求。此類(lèi)陶瓷在集成電路制造、航空航天、深海探測(cè)、醫(yī)藥醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，傳統(tǒng)的陶瓷成型技術(shù)無(wú)論是陶瓷部件的成型質(zhì)量，還是成型精度方面，都滿足不了要求。
陶瓷身上特有的耐磨抗造，強(qiáng)度、硬度雙加持，讓它在不少領(lǐng)域大顯身手，當(dāng)然它高硬脆性的特點(diǎn)又決定了陶瓷成型之路的艱辛。對(duì)于此類(lèi)大尺寸或者復(fù)雜形狀精密陶瓷部件制備過(guò)程極具挑戰(zhàn)性，而注凝成型技術(shù)啃下了這個(gè)“硬骨頭”。
注凝成型的優(yōu)勢(shì)
注凝成型是基于有機(jī)單體黏結(jié)劑原位聚合形成高分子網(wǎng)絡(luò)，將粉末顆粒凝聚在一起的一項(xiàng)技術(shù)。注凝成型的優(yōu)勢(shì)之處在于：
1）對(duì)粉體無(wú)特殊要求，可制備出大尺寸和復(fù)雜形狀及壁厚的部件；
2）模具可選用多種材料，成型周期短；
3）濕坯和干坯強(qiáng)度高，可進(jìn)行機(jī)械加工，坯體有機(jī)物含量低，坯體和燒結(jié)體性能均勻性好，工藝過(guò)程易控制，工藝過(guò)程和操作較為簡(jiǎn)單；
4）設(shè)備簡(jiǎn)易，成本低廉。
注凝成型工藝流程圖
注凝成型的制備工藝很好理解，沒(méi)有過(guò)多的復(fù)雜步驟，只不過(guò)復(fù)雜的是注凝成型技術(shù)中所需的溶劑很大程度會(huì)影響到制備工藝。
1、根據(jù)所需采用的溶劑是否為水溶液
通常將注凝成型凝膠體系分為兩大體系：非水基凝膠體系和水基凝膠體系。
非水基凝膠體系，采用的常見(jiàn)溶劑為醇、烴、醚和酮等有機(jī)溶劑。該體系具有本身黏度低，在發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)溫度點(diǎn)具備較低的蒸汽壓，主要缺點(diǎn)是有機(jī)物溶液會(huì)造成環(huán)境污染，不利于環(huán)保；
水基凝膠體系，該體系目前主要為丙烯酸酯體系和丙烯酰胺（AM）體系，由于水基注凝成型工藝操作簡(jiǎn)單、原材料成本低且利于環(huán)保，因此成為近年來(lái)最為活躍的陶瓷注凝成型方法之一。
但是AM的神經(jīng)毒性等級(jí)為4級(jí)，具有極強(qiáng)的水溶性，可以通過(guò)皮膚、黏膜等進(jìn)入人體。因此迫切需要開(kāi)發(fā)一種低毒或無(wú)毒的注凝成型體系。
2、根據(jù)有機(jī)聚合方式
（1）自由基反應(yīng)體系：自由基聚合反應(yīng)中，氧氣具有阻礙聚合的作用，從而導(dǎo)致生坯表面發(fā)生剝落現(xiàn)象，因此對(duì)氣氛有一定要求。
（2）親核加成反應(yīng)體系：有效地防止因氧氣阻礙了自由基聚合產(chǎn)生的表面剝離現(xiàn)象，這是空氣條件下陶瓷水凝膠澆注的重要因素。
（3）天然凝膠體系：環(huán)保問(wèn)題愈發(fā)引人關(guān)注，天然凝膠體系得以發(fā)展。
注凝成型的關(guān)鍵工藝不止一個(gè)
1、低粘度、高固相含量料漿的制備
注凝成型制備高性能陶瓷部件的關(guān)鍵是低粘度、高固相含量的穩(wěn)定料漿的制備。料漿的固相含量決定了生坯的體積密度，漿體的黏度決定了是否成型，所以對(duì)于料漿的制備與性能的研究至關(guān)重要。
分散劑的含量是配制高固相含量陶瓷料漿的關(guān)鍵技術(shù)之一。添加分散劑是通過(guò)靜電排斥力和空間位阻的穩(wěn)定作用來(lái)實(shí)現(xiàn)高固相料漿，分散劑對(duì)陶瓷顆粒有極強(qiáng)的親和性，與溶液有較高的相容性，充分伸展可形成空間位阻穩(wěn)定層，并可電離出離子產(chǎn)生靜電排斥，空間位阻與靜電斥力產(chǎn)生復(fù)合穩(wěn)定作用。
空間位阻穩(wěn)定機(jī)理示意圖
陶瓷懸浮液的粘度受分散劑和固含量的影響，分散劑加入量過(guò)少或過(guò)多會(huì)導(dǎo)致懸浮液穩(wěn)定性變差，只有選擇適量，使顆粒表面處于飽和吸附狀態(tài)時(shí)，分散性最好，可使其具有懸浮穩(wěn)定性；固含量增加，陶瓷懸浮液的粘度也會(huì)隨之增大，確定最佳的固含量是成功制備低粘度料漿的關(guān)鍵。
固含量對(duì)漿料粘度的影響
pH值對(duì)料漿的穩(wěn)定性影響也很大。pH值不同，粉體表面帶電狀況不同，即會(huì)改變其Zeta電位，Zeta電位的改變直接影響了粒子間的靜電斥力，從而影響了漿體的穩(wěn)定性。
顆粒尺寸對(duì)漿料粘度也有影響。當(dāng)顆粒尺寸減小時(shí)相應(yīng)的比表面積增大，所吸附水的總量就會(huì)增多，因此，漿料中自由水減少，料漿粘度增加。此外，粉體越細(xì)越易團(tuán)聚，團(tuán)聚的顆粒包裹水，導(dǎo)致一部分水損失，這也是料漿粘度升高的重要因素。
2、陶瓷坯體的安全干燥
注凝成型得到的坯體含有較高的水分，干燥過(guò)程中水分蒸發(fā)快，收縮率高，坯體就容易產(chǎn)生開(kāi)裂；另外，凝膠化的坯體干燥過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜且緩慢的過(guò)程，特別是大尺寸的坯體，更容易產(chǎn)生不均勻干燥收縮引起結(jié)構(gòu)應(yīng)力和殘余應(yīng)力的集中，從而導(dǎo)致坯體變形、翹曲等問(wèn)題。
注凝成型氧化鋯坯體在PEG10000熔液中(a)和在空氣中(b)的干燥情況
（圖片來(lái)源：超細(xì)ZrO2注凝成型液體干燥及燒結(jié)研究）
坯體的安全干燥對(duì)于解決尺寸精度以及裂紋的形成和擴(kuò)展等問(wèn)題非常重要。根據(jù)坯體內(nèi)水分蒸發(fā)所獲取熱能的方式不同，干燥方法可以分為熱空氣干燥、電熱干燥、輻射干燥、冷凍干燥等，還有新型的液體干燥。
熱空氣干燥：設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，但是熱效率低，干燥周期長(zhǎng)，干燥過(guò)程不易控制，容易出現(xiàn)開(kāi)裂、翹曲等情況，尤其是在生坯部件很大的情況下。
電熱干燥：干燥速度快，由于坯體中含水高的地方電流大，干燥快，反之含水少的地方干燥慢，整體干燥過(guò)程非常均勻。
輻射干燥：不需要任何干燥介質(zhì)，保證了坯體的清潔；設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，易于自動(dòng)化；干燥速度快，干燥較均勻。
液體干燥：水分能均勻析出，避免干燥不均勻而開(kāi)裂；坯體完全浸入液體中，不會(huì)產(chǎn)生毛細(xì)作用力，減小翹曲和開(kāi)裂。
3、坯體的機(jī)械加工
大多數(shù)的陶瓷具有高硬度、高強(qiáng)度的性能特點(diǎn)，導(dǎo)致其不容易變形；加之，陶瓷的脆性，使其加工困難。陶瓷的精加工是通過(guò)微變形或在加工點(diǎn)去除材料來(lái)完成的，加工的方法有多種，但目前主要加工方法還是機(jī)械加工。
注凝成型可以制作形狀復(fù)雜，密度高，均勻性好，強(qiáng)度相對(duì)較高，具有一定的塑性的坯體，這滿足生坯機(jī)械加工的要求，適合工業(yè)生產(chǎn)，并且能準(zhǔn)確控制生坯的尺寸和形狀，降低了生坯的加工量、加工難度和原材料的浪費(fèi)，進(jìn)而減少了燒結(jié)產(chǎn)品加工量以及加工過(guò)程引起的缺陷以及裂紋擴(kuò)展問(wèn)題，提高了加工的安全性，提高陶瓷的可靠性。
注凝成型在多孔材料、復(fù)合材料、功能材料領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛研究，作為一種新型的近凈尺寸成型工藝，它的優(yōu)點(diǎn)之多是傳統(tǒng)注漿成型無(wú)法比擬的。今后一段時(shí)間內(nèi)，研究低粘度、高固相體積分?jǐn)?shù)懸浮漿料的制備、改進(jìn)現(xiàn)有的凝膠體系、尋找高效無(wú)毒的新型凝膠體系、開(kāi)拓新的應(yīng)用領(lǐng)域、加快工業(yè)化生產(chǎn)和自動(dòng)化控制設(shè)備的開(kāi)發(fā)仍將是注凝成型研究的重點(diǎn)。
參考來(lái)源：
馬征：氧化鋁陶瓷精密部件制備技術(shù)的研究
周書(shū)助等：注凝成型技術(shù)的研究與進(jìn)展
肖玲等：注凝成型及其燒結(jié)工藝研究進(jìn)展
田靚：原位自生氧氮化硅助劑熔融石英陶瓷材料注凝成型及致密化機(jī)理的研究
王傳創(chuàng)等：氧化鋯陶瓷注凝成型工藝研究進(jìn)展
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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