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| 熔融石英陶瓷的制備技術(shù)綜述 |
| 來(lái)源：中國粉體技術(shù)網(wǎng) 更新時(shí)間：2015-05-04 11:42:35 瀏覽次數： |
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石英陶瓷是指以石英玻璃或熔融石英為原料，經(jīng)破碎、成型、燒成等一系列制作工藝形成的制品。石英玻璃由于具有熱膨脹系數小、熱震穩定性好、電性能好、耐化學(xué)侵蝕性好等特點(diǎn)，得到了廣泛的應用，但其粘度大，揮發(fā)性也隨著(zhù)溫度的升高而增加，難以用普通的工藝來(lái)生產(chǎn)大型、形狀復雜的制品；另外，由于價(jià)格昂貴，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備形狀復雜制品的缺點(diǎn)，具備了石英玻璃的優(yōu)良特性(如熱膨脹系數小、熱穩定性高等)，而且還具有一些石英玻璃制品所不具備的性質(zhì)，如發(fā)生少量析晶也仍可使用，并且其成本要遠低于石英玻璃制品。目前，熔融石英陶瓷主要用于耐火材料及高溫下能夠抵抗溫度變化的結構材料。
1 傳統制備技術(shù)
目前，熔融石英陶瓷的生產(chǎn)普遍采用的成型工藝是注漿成型，其次還有離心澆注成型、澆灌成型、蠟注成型、半干法成型、等靜壓成型、石墨模熱壓成型與搗打成型等。上述成型工藝制備的產(chǎn)品普遍存在著(zhù)一些缺點(diǎn)：如制品坯體結構不均勻、性能可靠性差、僅限于形狀簡(jiǎn)單的制品、生產(chǎn)工藝復雜、工藝條件難控制、效率低、成本較高等，難以適應大批量工業(yè)化生產(chǎn)的需要，特別是一些用于特殊用途的石英陶瓷制品，傳統的成型制備工藝已經(jīng)不能滿(mǎn)足其特殊用途的性能要求。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新成型方法不斷涌現，如注凝成型技術(shù)得到了較快的發(fā)展應用，已經(jīng)成功應用于許多陶瓷的制備，如A12O3陶瓷、SiC陶瓷等，石英陶瓷制備也已經(jīng)開(kāi)始應用注凝成型技術(shù)，并取得了較好的效果。
2 膠態(tài)成型技術(shù)
膠態(tài)成型所用的陶瓷料漿是由陶瓷粉料與水、有機物等介質(zhì)組成的膠態(tài)體系。體系中的陶瓷顆粒分散性好，顆粒之間團聚少，并且陶瓷顆粒隨著(zhù)膠態(tài)體系的流動(dòng)而能夠成型為形狀復雜的坯體，因此膠態(tài)成型得到廣泛的應用。膠態(tài)成型主要包括：注射成型、氣相輔助注射成型、直接凝固注模成型、溫度誘導成型、電泳沉積成型、注凝成型、壓濾成型和離心注漿成型等。
2.1 注射成型技術(shù)
注射成型是借助高分子聚合物高溫熔融、低溫凝固的特性使坯體成型后，再把有機物脫除。注射成型的優(yōu)點(diǎn)是：可成型形狀復雜的制品、坯體尺寸精度篙、制品結構均勻；缺點(diǎn)是：模具設計復雜、有機物排除困難等。
2.2 氣體輔助注射成型
是一種通過(guò)在聚合物熔體中加入氣體，使成型過(guò)程更容易進(jìn)行的成型方式。其優(yōu)點(diǎn)：由于在流動(dòng)狀態(tài)下各方向的壓力相同，避免了料漿的定向行為，使坯體具有更好的尺寸穩定性，避免了坯體內部翹曲；氣體輔助成型的坯體具有更薄的管壁，即應用相同的原料可以生產(chǎn)管徑更大的產(chǎn)品，因此，降低了原料成本，提高了生產(chǎn)效率。缺點(diǎn)：料漿熱性質(zhì)及工藝過(guò)程難以控制。
2.3 直接凝固注模成型
直接凝固注模成型(簡(jiǎn)稱(chēng)DCC)由蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)學(xué)院發(fā)明，它將生物酶技術(shù)、膠態(tài)化學(xué)及陶瓷工藝學(xué)溶為一體，通過(guò)改變料漿pH值，或者增加料漿體系中離子強度從而降低粉體表面電荷來(lái)成型，它成型所需要的料漿分散機理為靜電穩赳211。在DCC成型過(guò)程中，酶的作用重大，它通過(guò)分子合成及降解反應來(lái)改變陶瓷懸浮體的pH值或者離子強度，常用的酶有：尿素酶水解尿素體系、酰胺酶水解胺類(lèi)物質(zhì)體系、葡萄糖苷酶．葡萄糖體系、膠質(zhì)蛋白質(zhì)水解酶體系。DCC工藝的主要優(yōu)點(diǎn)：料漿不需有機添加劑，坯體不需脫脂，產(chǎn)品結構均勻，相對密度高，可采用此方法成型大尺寸、形狀復雜的產(chǎn)品。
2.4 溫度誘導成型
溫度誘導成型(簡(jiǎn)稱(chēng)TIF)由德國斯圖加特Max．Plank研究所發(fā)明。TIF成型原理：利用物質(zhì)溶解度隨溫度的變化產(chǎn)生凝膠化成型。首先，用小分子分散劑穩定陶瓷顆粒，從而得到高固相含量的陶瓷料漿，然后，升高溫度利用溶解驅動(dòng)力把陶瓷粉體吸附的分散劑變?yōu)榫酆衔锎蠓肿訉?，聚合物之間通過(guò)橋聯(lián)絮凝而成型。TIF制備的料漿固相含量高，有機物含量低，有利于制備結構陶瓷及功能陶瓷。
2.5 電泳沉積成型
電泳沉積成型(簡(jiǎn)稱(chēng)EC)是以水基陶瓷漿料為基礎的成型工藝，其機理：利用直流電場(chǎng)中顆粒遷移，并沉淀到相反極上。整個(gè)工藝由2個(gè)串聯(lián)過(guò)程所組成：顆粒電泳遷移和顆粒在電極上放電沉積。電泳成型的陶瓷漿料應有良好的分散性，保證料漿顆粒能單獨沉淀到電極上。
2.6 離心注漿成型
離心注漿成型(簡(jiǎn)稱(chēng)CSC)結合了濕態(tài)粉末制備和無(wú)應力致密化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，用來(lái)制備大體積、近凈尺寸形狀的陶瓷產(chǎn)品，粉末濕態(tài)處理避免了由于團聚及其它影響因素造成的缺陷。
要獲得結構比較均勻的制品，就要求料漿體系的顆粒分布要窄，并且料漿不能出現顆粒的團聚現象，相反，如果料漿體系的顆粒分布比較寬，由于在成型過(guò)程中的離心作用，則會(huì )形成具有階梯空隙分布的坯體。
2.7 壓濾成型
壓濾成型(簡(jiǎn)稱(chēng)PSC)是在注漿成型基礎上加壓發(fā)展得到的。在PSC中，水是在壓力的驅動(dòng)下脫除，并不是通過(guò)毛細管作用力脫除，速度快，提高了生產(chǎn)效率。影響壓濾過(guò)程的4個(gè)因素為：坯體中的壓力降、液體介質(zhì)的粘度、坯體的表面積、坯體中空隙的分布情況以及壓濾成型模具。
在PSC中，壓力對成型坯體的性能有很大的影響。在成型過(guò)程中施加大小合適的壓力，可使坯體中的顆粒緊密的排列，減少由于顆粒的沉降作用而產(chǎn)生的分層和梯度現象，從而提高坯體均勻性。如果壓力太大則會(huì )導致坯體在干燥和燒結過(guò)程中出現缺陷、裂紋和開(kāi)裂。
在PSC成型過(guò)程中，另一個(gè)重要的影響因素就是模具的設計，模具內氣孔尺寸及分布要在合適的范圍內。其最大缺點(diǎn)為制造工藝成本過(guò)高。
2.8 注凝成型技術(shù)
注凝成型工藝是20世紀90年代以后出現的一種新的膠態(tài)成型工藝，是美國橡樹(shù)嶺國家實(shí)驗室M．A．Jammey等人首先發(fā)明的，是傳統的膠態(tài)成型工藝與有機化學(xué)理論的理想結合。其原理：將有機聚合物單體、交聯(lián)劑配成前驅體溶液，將陶瓷顆粒加入到前驅體溶液中，制成低粘度、高固相含量的料漿，然后加入引發(fā)劑及催化劑，將料漿注入模具中，在一定的溫度條件下，有機聚合物單體交聯(lián)聚合成三維網(wǎng)絡(luò )狀聚合物凝膠，并將陶瓷顆粒原位粘結而固化形成坯體，即原位固化。
注凝成型技術(shù)料漿中含有較低含量的有機物，提高了陶瓷部件結構的均勻性，增加了陶瓷材料的可靠性。該工藝實(shí)為注漿成型和聚合化學(xué)的復合，它巧妙的將傳統陶瓷工藝和聚合物化學(xué)結合起來(lái)，已成功的應用于多種結構陶瓷，如A12O3、SiC、Si3N4、pZT等的工業(yè)化生產(chǎn)。
注凝成型根據采用介質(zhì)性質(zhì)的不同，又可分為非水基注凝成型和水基注凝成型。非水基注凝成型主要適用于遇水發(fā)生化學(xué)反應的陶瓷粉體的成型，所用介質(zhì)為有機溶劑。有機溶劑必須滿(mǎn)足：能夠溶解有機單體、粘度低、在交聯(lián)溫度下具有較低的蒸汽壓，這樣才能提高料漿固相含量，使有機單體在聚合過(guò)程中能形成完善的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò )結構，使坯體具有較強的體積密度。但有機溶劑大多具有一定的毒性，且容易對環(huán)境造成污染，在使用過(guò)程中存在危險，因此，本論文采用的是水基注凝成型。水基注凝成型體系中料漿粘度低，干燥工藝簡(jiǎn)單，且使用95wt％的水作為溶劑，所以避免了有機溶劑所帶來(lái)的污染問(wèn)題。水基注凝成型分兩種體系：一是丙烯酸酯體系，二是丙烯酰胺體系。注凝成型體系料漿應具有高固相含量并且具有較好的流動(dòng)性，料漿流動(dòng)性越好，料漿越能充滿(mǎn)模具的各個(gè)角落，使坯體中形成的缺陷減少，并且料漿中的氣泡越容易排除，使制品的結構均勻，提高制品的強度和可靠性。因此，在澆注前應真空排除混合時(shí)產(chǎn)生的氣泡，否則會(huì )在坯體中產(chǎn)生裂紋和氣孔，降低其密度和強度。
在制備復雜形狀陶瓷部件時(shí)，膠態(tài)成型方法有著(zhù)巨大的優(yōu)勢，可以有效控制材料的顯微結構、減少材料內部的各種缺陷、提高材料的力學(xué)功能和使用的可靠性。今后，提高膠態(tài)成型技術(shù)的可靠性、降低成本、商業(yè)化是其發(fā)展的主要目標。
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