注凝成型工艺的研究进展(2)

中 国 陶 瓷因此，在添加分散剂时应根据不同的粉料加入适量的分散剂。

2.1.3 固相含量的影响

为了减小产品收缩和避免变形、开裂等缺陷的产生，应尽量提高料浆中固体粉料的比例， 浆料的固相含量一般应大于50%。高固含量的陶瓷浆料黏度可用Quemada 模型[10]算：

η-2 r =(1-φ/φm) (1)式中：ηr为悬浮体的相对黏度；φ为悬浮体的固含量(体积分数)；φm为最大固含量（固相的体积分数）。由（1）式可知，随着固含量的增加，黏度急剧增加。王金锋[11]研究了固相含量对氧化锆陶瓷的影响，在剪切速率为60rpm的情况下，当固相含量由50%提高到54% 时，料浆黏度由0.319Pa·S 增加到0.952Pa·S，约为原来的三倍。因此，获得高固相含量、低黏度的浆料是浆料制备的关键。2.1.4 粉体性质的影响

粉体的形状、粒径和粒度分布对浆料的流变性能产生很大的影响。球形颗粒的需水量较小，自身旋转运动产生的阻力小，而不规则的颗粒会吸附更多的水，颗粒旋转运动产生的阻力大，从而使系统的黏度增加。刘学健等[12]研究了两种形状的氮化硅，发现含有棒状粒子的浆料比含有球状粒子浆料的黏度大。此外，随着粉体粒径的减小，浆料黏度增加。这是由于，随着粒径的减小比表面积增加，润湿粉体需要的溶剂量增加；另外，根据Woodcock 公式

[13]

可知：

h 25

12

d= 3+6

1

(2)

式中：φ为固含量(固相的体积分数)；h为颗粒间的距离；d为颗粒直径。在固含量一定的条件下，随着粒径的减小，颗粒间距也将减小，接触的颗粒不断增多，阻碍了悬浮体层间的相对运动，黏度快速增加。Ha Chang-Gi [14]研究了4.6μm、0.32μm和10nm三种颗粒尺寸对氧化铝流变性能的影响，相应的获得低黏度可浇注浆料的最大体积分数分别为59vol%，57vol%，15vol%。

通过颗粒级配的方式可以获得理想的粒度分布，从而也可以有效降低浆料的黏度，有利于制备高固相含量的浆料。刘炜[15]采用中位径尺寸分别为0.98μm和2. 72μm的两种氧化铝粉体，通过级配的方式制备了低黏度、高固相含量的浆料。发现当粗、细粉比例按6∶4混合时，可以配制成固相体积分数高达65%的浆料，其最小黏度值小于1 Pa·s，能够满足注凝成型的要求。

此外，一些陶瓷粉体，由于其具有水解的特性，在采用水基注凝成型前,一般需采用表面改性的方法提高其抗水解能力。Oliveira 等[16]用H3PO4和羟基阴离子表面

2│中国陶瓷│CHINA CERAMICS│2011(47)第 3 期

2011年 第 3 期

活性剂AS对AlN粉末进行改性，AlN粉末经质量分数为0.2%的H3PO4和0.5%的AS改性后，在常温水中浸泡400min，悬浮液的pH值约为3.50，其抗水解能力显著提高。Kumar[17]等将AlN粉体分别在50℃和70℃的1%磷酸溶液中保温40分钟然后合成AlON粉体。发现随着球磨时间的增加，采用未经表面处理的AlN合成的粉体悬浮液pH值由8.6提高到了10.6，而表面改性过的AlN合成的粉体的悬浮液pH值基本不发生变化，所制得浆料的黏度也明显减小。Ganesh[18]通过采用H3PO4和Al(H2PO4)3的乙醇溶液对MgAl2O4粉末进行表面处理，获得了固相含量达到45%的悬浮体。

2.2 注模成型

坯体的注模和凝胶过程需要控制浆料中气泡的消除以及惰性时间和凝胶固化时间。悬浮液中的气泡会形成陶瓷坯体中的气孔，阻碍陶瓷的致密化。气泡的消除通常可以采用真空搅拌脱气和加入消泡剂的方法。经真空处理后，浆料中氧气的含量减少，阻聚作用减弱，因此可以增加坯体的强度。

影响凝胶过程的因素有成胶温度、有机单体、交联剂、引发剂等。这些因素不仅对浆料的惰性时间和凝胶固化时间有影响，对坯体也有极大的影响。郭文利[19]研究了单体用量，成胶温度对凝胶过程的影响，结果表明，m(NMAM)∶m(H2O)=0.1时，响应时间为40分钟，超过这个比例，响应时间不变；成胶温度为40～50℃时，NMAM 具有很好的凝胶特性，所对应的时间也有利于注模工艺的控制。成胶温度升高有利于提高单体的聚合反应速度，减少固化时间，但是温度过高会使料浆中的水分

汽化过快，在坯体中形成气孔，所以成型前要尽量保持

较低的温度，待料浆注入模型后再升温到40℃～80℃之间使单体聚合。Yu[20]研究了AM加入量与AM/MBAM的比值对Si3N4陶瓷性能的影响，研究结果表明：随着单体含量的增加坯体的收缩率下降，坯体强度增大。坯体的弯曲强度随着AM/MBAM比值的增大而增大，当单体AM加入量为55%，AM/MBAM=9时为最佳点，弯曲强度为89MPa，当AM/MBAM的值大于最佳点后弯曲强度开始减小。此外国内外学者进行了低毒，无毒凝胶体系的研究，但所获得的湿坯性能较AM体系仍然有一定差距[19]，因此，低毒无毒凝胶体系的开发仍是研究热点。

2.3脱模干燥

干燥过程坯体由于含水量较大，水分蒸发快，收缩率高，坯体易产生开裂，因此坯体的干燥工艺要求较高。研究发现氧阻聚和温度梯度是导致剥落的主要原因[21]。宁武成[3]通过在模具的内表面和不接触模具的坯体表面喷射10～50% PVP的溶液，有效地抑制了表面的氧阻聚，解决了坯体表面起皮剥落的问题。王金锋[22]通过将ZrO2坯体在聚乙二醇(PEG)溶液中脱水至平衡状态再放置到空气中干燥，可以避免变形、开裂等缺陷的产生，并发