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熔融石英陶瓷的制备技术综述
来源:中国粉体技术网    更新时间:2015-05-04 11:42:35    浏览次数:
 
     (中国粉体技术网/龙小水)石英陶瓷是指以石英玻璃或熔融石英为原料,经破碎、成型、烧成等一系列制作工艺形成的制品。石英玻璃由于具有热膨胀系数小、热震稳定性好、电性能好、耐化学侵蚀性好等特点,得到了广泛的应用,但其粘度大,挥发性也随着温度的升高而增加,难以用普通的工艺来生产大型、形状复杂的制品;另外,由于价格昂贵,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备形状复杂制品的缺点,具备了石英玻璃的优良特性(如热膨胀系数小、热稳定性高等),而且还具有一些石英玻璃制品所不具备的性质,如发生少量析晶也仍可使用,并且其成本要远低于石英玻璃制品。目前,熔融石英陶瓷主要用于耐火材料及高温下能够抵抗温度变化的结构材料。
1 传统制备技术
       目前,熔融石英陶瓷的生产普遍采用的成型工艺是注浆成型,其次还有离心浇注成型、浇灌成型、蜡注成型、半干法成型、等静压成型、石墨模热压成型与捣打成型等。上述成型工艺制备的产品普遍存在着一些缺点:如制品坯体结构不均匀、性能可靠性差、仅限于形状简单的制品、生产工艺复杂、工艺条件难控制、效率低、成本较高等,难以适应大批量工业化生产的需要,特别是一些用于特殊用途的石英陶瓷制品,传统的成型制备工艺已经不能满足其特殊用途的性能要求。随着科学技术的发展,新成型方法不断涌现,如注凝成型技术得到了较快的发展应用,已经成功应用于许多陶瓷的制备,如A12O3陶瓷、SiC陶瓷等,石英陶瓷制备也已经开始应用注凝成型技术,并取得了较好的效果。
2 胶态成型技术
       胶态成型所用的陶瓷料浆是由陶瓷粉料与水、有机物等介质组成的胶态体系。体系中的陶瓷颗粒分散性好,颗粒之间团聚少,并且陶瓷颗粒随着胶态体系的流动而能够成型为形状复杂的坯体,因此胶态成型得到广泛的应用。胶态成型主要包括:注射成型、气相辅助注射成型、直接凝固注模成型、温度诱导成型、电泳沉积成型、注凝成型、压滤成型和离心注浆成型等。
2.1 注射成型技术
       注射成型是借助高分子聚合物高温熔融、低温凝固的特性使坯体成型后,再把有机物脱除。注射成型的优点是:可成型形状复杂的制品、坯体尺寸精度篙、制品结构均匀;缺点是:模具设计复杂、有机物排除困难等。
2.2 气体辅助注射成型
       是一种通过在聚合物熔体中加入气体,使成型过程更容易进行的成型方式。其优点:由于在流动状态下各方向的压力相同,避免了料浆的定向行为,使坯体具有更好的尺寸稳定性,避免了坯体内部翘曲;气体辅助成型的坯体具有更薄的管壁,即应用相同的原料可以生产管径更大的产品,因此,降低了原料成本,提高了生产效率。缺点:料浆热性质及工艺过程难以控制。
2.3 直接凝固注模成型
       直接凝固注模成型(简称DCC)由苏黎世联邦工业学院发明,它将生物酶技术、胶态化学及陶瓷工艺学溶为一体,通过改变料浆pH值,或者增加料浆体系中离子强度从而降低粉体表面电荷来成型,它成型所需要的料浆分散机理为静电稳赳211。在DCC成型过程中,酶的作用重大,它通过分子合成及降解反应来改变陶瓷悬浮体的pH值或者离子强度,常用的酶有:尿素酶水解尿素体系、酰胺酶水解胺类物质体系、葡萄糖苷酶.葡萄糖体系、胶质蛋白质水解酶体系。DCC工艺的主要优点:料浆不需有机添加剂,坯体不需脱脂,产品结构均匀,相对密度高,可采用此方法成型大尺寸、形状复杂的产品。
2.4 温度诱导成型
       温度诱导成型(简称TIF)由德国斯图加特Max.Plank研究所发明。TIF成型原理:利用物质溶解度随温度的变化产生凝胶化成型。首先,用小分子分散剂稳定陶瓷颗粒,从而得到高固相含量的陶瓷料浆,然后,升高温度利用溶解驱动力把陶瓷粉体吸附的分散剂变为聚合物大分子层,聚合物之间通过桥联絮凝而成型。TIF制备的料浆固相含量高,有机物含量低,有利于制备结构陶瓷及功能陶瓷。
2.5 电泳沉积成型
       电泳沉积成型(简称EC)是以水基陶瓷浆料为基础的成型工艺,其机理:利用直流电场中颗粒迁移,并沉淀到相反极上。整个工艺由2个串联过程所组成:颗粒电泳迁移和颗粒在电极上放电沉积。电泳成型的陶瓷浆料应有良好的分散性,保证料浆颗粒能单独沉淀到电极上。
2.6 离心注浆成型
       离心注浆成型(简称CSC)结合了湿态粉末制备和无应力致密化技术的优点,用来制备大体积、近净尺寸形状的陶瓷产品,粉末湿态处理避免了由于团聚及其它影响因素造成的缺陷。
       要获得结构比较均匀的制品,就要求料浆体系的颗粒分布要窄,并且料浆不能出现颗粒的团聚现象,相反,如果料浆体系的颗粒分布比较宽,由于在成型过程中的离心作用,则会形成具有阶梯空隙分布的坯体。
2.7 压滤成型
       压滤成型(简称PSC)是在注浆成型基础上加压发展得到的。在PSC中,水是在压力的驱动下脱除,并不是通过毛细管作用力脱除,速度快,提高了生产效率。影响压滤过程的4个因素为:坯体中的压力降、液体介质的粘度、坯体的表面积、坯体中空隙的分布情况以及压滤成型模具。
       在PSC中,压力对成型坯体的性能有很大的影响。在成型过程中施加大小合适的压力,可使坯体中的颗粒紧密的排列,减少由于颗粒的沉降作用而产生的分层和梯度现象,从而提高坯体均匀性。如果压力太大则会导致坯体在干燥和烧结过程中出现缺陷、裂纹和开裂。
       在PSC成型过程中,另一个重要的影响因素就是模具的设计,模具内气孔尺寸及分布要在合适的范围内。其最大缺点为制造工艺成本过高。
2.8 注凝成型技术
       注凝成型工艺是20世纪90年代以后出现的一种新的胶态成型工艺,是美国橡树岭国家实验室M.A.Jammey等人首先发明的,是传统的胶态成型工艺与有机化学理论的理想结合。其原理:将有机聚合物单体、交联剂配成前驱体溶液,将陶瓷颗粒加入到前驱体溶液中,制成低粘度、高固相含量的料浆,然后加入引发剂及催化剂,将料浆注入模具中,在一定的温度条件下,有机聚合物单体交联聚合成三维网络状聚合物凝胶,并将陶瓷颗粒原位粘结而固化形成坯体,即原位固化。
       注凝成型技术料浆中含有较低含量的有机物,提高了陶瓷部件结构的均匀性,增加了陶瓷材料的可靠性。该工艺实为注浆成型和聚合化学的复合,它巧妙的将传统陶瓷工艺和聚合物化学结合起来,已成功的应用于多种结构陶瓷,如A12O3、SiC、Si3N4、pZT等的工业化生产。
       注凝成型根据采用介质性质的不同,又可分为非水基注凝成型和水基注凝成型。非水基注凝成型主要适用于遇水发生化学反应的陶瓷粉体的成型,所用介质为有机溶剂。有机溶剂必须满足:能够溶解有机单体、粘度低、在交联温度下具有较低的蒸汽压,这样才能提高料浆固相含量,使有机单体在聚合过程中能形成完善的交联网络结构,使坯体具有较强的体积密度。但有机溶剂大多具有一定的毒性,且容易对环境造成污染,在使用过程中存在危险,因此,本论文采用的是水基注凝成型。水基注凝成型体系中料浆粘度低,干燥工艺简单,且使用95wt%的水作为溶剂,所以避免了有机溶剂所带来的污染问题。水基注凝成型分两种体系:一是丙烯酸酯体系,二是丙烯酰胺体系。注凝成型体系料浆应具有高固相含量并且具有较好的流动性,料浆流动性越好,料浆越能充满模具的各个角落,使坯体中形成的缺陷减少,并且料浆中的气泡越容易排除,使制品的结构均匀,提高制品的强度和可靠性。因此,在浇注前应真空排除混合时产生的气泡,否则会在坯体中产生裂纹和气孔,降低其密度和强度。
       在制备复杂形状陶瓷部件时,胶态成型方法有着巨大的优势,可以有效控制材料的显微结构、减少材料内部的各种缺陷、提高材料的力学功能和使用的可靠性。今后,提高胶态成型技术的可靠性、降低成本、商业化是其发展的主要目标。


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