注凝成型工艺的研究进展

注凝成型工艺的研究进展

刘 昊， 沈春英，丘 泰

（南京工业大学 材料科学与工程学院， 南京 210009）

【摘 要】介绍了陶瓷的注凝成型工艺原理、工艺流程、

浆料分散机理、凝胶固化过程和素坯干燥理论，分析了pH 值、分散剂、固相含量及粉体特性对注凝成型浆料流变性能的影响，指出了陶瓷注凝成型工艺的发展趋势及存在的问题。

【关键词】注凝成型，流变性，固化，干燥

中图分类号: TQ174.6+2 文献标识码:A

引 言

注凝成型成型技术是20世纪90年代初由美国橡树岭国家实验室发明的一种全新的陶瓷材料湿法成型技术[1]。由于其具有成型设备简单、可以成型复杂形状和成本低廉等优点，近年来该工艺已逐步应用于各种结构陶瓷、功能陶瓷及陶瓷基复合材料等的成型。目前，随着技术的不断改进，注凝成型工艺日臻完善并成为现代陶瓷材料一种重要的成型方法。本文综述了注凝成型工艺的研究进展，介绍了注凝成型的关键工艺，并指出了注凝成型工艺的发展趋势和发展前景。

1 注凝成型成型原理

注凝成型的基本原理是在低黏度、高固相含量的粉体-溶剂悬浮体系中加入少量的有机单体，然后利用催化剂和引发剂，使悬浮体中的有机单体聚合交联形成三维网状结构，使液态浆料原位固化成型，从而得到具有粉体与高分子物质复合结构的坯体，然后进行脱模、干燥、去除有机物、烧结，最后得到所需的陶瓷部件。

注凝成型按所用溶剂可分为两类。一类是以有机溶剂为介质的称为非水基注凝成型工艺；一类是以水为介质的称为水基注凝成型工艺。由于水基注凝成型工艺操作工艺简单、材料成本低并且利于环保，因此成为近年来最为活跃的陶瓷成型方法之一。

2 注凝成型的关键工艺

注凝成型工艺流程包括浆料制备、注模成型、脱模干燥和制品烧成四个工段。首先将陶瓷粉体与含有有机单体、交联剂和分散剂的溶液混合，借助真空球磨工艺排除浆料中的气泡，降低悬浮液黏度，增加浆料的流动性，制备出低黏度高固相体积分数的浓悬浮液。然后加入引

收稿日期：2011-1-10

基金项目：国防科工委基金资助项目作者简介：刘昊（1987－），男，江苏徐州人，研究生，研究方向为无机功能材料。

E-mail: kyleliu@

发剂，随后将悬浮体浇注到模具中。在引发剂的作用下，悬浮体内陶瓷颗粒原位固化，形成湿坯。在一定的温度湿度下，经过干燥、脱模，形成陶瓷素坯。最后将干坯排胶并烧结，得到致密的陶瓷部件。本文从浆料制备、注模成型、脱模干燥三个方面介绍水基注凝成型工艺的研究进展。

2.1浆料制备

低黏度、高均匀性、高稳定性及高固相含量浆料的制备是注凝成型高质量坯体的关键。影响悬浮液流变性能的因素很多，主要有悬浮液的pH值，分散剂的种类和用量，固相体积含量，粉体本身的性质等。因此，根据不同的粉体，选择合适的浆料制备工艺至关重要。2.1.1 pH值的影响

pH值是影响悬浮液的黏度重要因素之一。Anderson[2]等认为具有较高负Zeta电位值的溶液相应具有较低的黏度。因为从静电稳定的角度出发，在溶液中，胶团离子带同种电荷，同种电荷相互排斥，Zeta电位的绝对值越大，胶团间的排斥力越大，胶团在溶液中分散性越好，黏度越低。研究发现，Al2O3浆料中加入PAA NH4分散剂后，在pH为9时Zeta电位值最大为59 mV[3]。彭志坚[4]等研究发现同中性条件下相比，在弱碱性条件下，ZnO浆料在采用不同分散剂时都具有较大的Zeta电位，所获得的浆料的流动性和稳定性较好，然而在强碱或强酸的条件下，浆料黏度较大，甚至产生固化。因此，根据不同粉料调节合适的pH值十分重要。2.1.2分散剂的影响

分散剂是通过吸附在颗粒表面，产生足够高的位垒，使颗粒分散开来，因此分散剂的吸附对浆料的流变性质有重要意义。分散剂的种类较多，有聚丙烯酸、聚甲基丙稀酸铵、柠檬酸铵、四甲基氢氧化铵、多聚磷酸钠等。目前研究较多的是聚丙烯酸（PAA）、聚甲基丙烯酸（PMAA）的钠盐或铵盐。王浚[5]研究发现，聚丙烯酸铵和聚甲基丙烯酸铵阴离子型分散剂使Y-TZP粉体的等电点降低，浆料的流变性也因为加入分散剂得到明显的改善。周芳[6]等对比了聚丙烯酰胺、四甲基氢氧化铵和柠檬酸胺分别作为分散剂时固相含量为55%的钛酸钡浆料的流变性，发现添加0.2～0.3%的聚丙烯酰胺和四甲基氢氧化铵的效果较好。Zhang[7]通过加入0.5wt%四甲基氢氧化铵分散剂，得到了固相含量为50%的SiC浆料。研究表明[8～9]，随着分散剂的加入，浆料的黏度逐渐下降，当加入量超过某一特定值时，黏度又出现上升的现象。

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