注凝成形制備氧化鋯陶瓷刀

李小燕　馮斌　周耀　劉春江

摘 要：本文采用注凝成形工藝制備氧化鋯陶瓷刀。以超細(xì)氧化鋯粉為原料，加入丙烯酰胺（單體）、N，N-亞甲基雙丙烯酰胺（交聯(lián)劑）、過硫酸銨（引發(fā)劑）、四甲基乙二胺（催化劑）、JA-281分散劑及氨水制備出了固相含量52%的氧化鋯基陶瓷懸浮體，經(jīng)注凝成形，1500℃燒結(jié)。文中比較了不同規(guī)格的鋯粉，并確認(rèn)了較適用于注凝成形的鋯粉。同時(shí)，檢測(cè)了注凝干燥坯體及燒結(jié)樣品的相關(guān)理化性能，并將其與干壓冷等靜壓成形坯體進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，懸浮體固化后顆粒仍保持原有的位置，坯體光滑致密無(wú)氣孔。生坯抗彎曲強(qiáng)度為24.19MPa，高于干壓冷等靜壓的15.24MPa，注凝坯體經(jīng)1500℃燒結(jié)，樣品吸水率為0%、體積密度為6.13g/cm3、抗彎強(qiáng)度為929.70MPa。

關(guān)鍵詞：注凝成形；氧化鋯；陶瓷刀

1 引言

氧化鋯陶瓷刀首先由日本京瓷研制成功并投放市場(chǎng)，一經(jīng)問世就受到人們的青睞和追捧，是近年來的高科技產(chǎn)品。氧化鋯陶瓷刀獨(dú)具玉石般豐潤(rùn)亮澤，時(shí)尚典雅，號(hào)稱“貴族刀”。其刀刃鋒利無(wú)比，耐磨性比鋼刀高幾十倍，堪稱“永不磨損”。氧化鋯陶瓷具有化學(xué)穩(wěn)定性高、耐酸堿腐蝕、易清洗不生銹、切物無(wú)異味等特性，是典型的“綠色環(huán)保產(chǎn)品”。目前，在日本、美國(guó)及歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家已得到廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)也有多家企業(yè)工業(yè)化生產(chǎn)氧化鋯陶瓷刀，大量出口并作為貴重禮品相互饋贈(zèng)[1]。

目前，國(guó)內(nèi)外大多數(shù)企業(yè)都是以化學(xué)共沉淀法生產(chǎn)的3%Y2O3-ZrO2造粒粉為原料，采用干壓成形法生產(chǎn)氧化鋯刀坯。干壓成形機(jī)械化程度高，因此成本低，生產(chǎn)效率高，但坯體密度低，結(jié)構(gòu)不均勻，燒結(jié)時(shí)收縮率過大，容易變形、開裂，產(chǎn)品質(zhì)量較差。為此，對(duì)于尺寸較大的刀坯，采用冷等靜壓工藝提高坯體密度和結(jié)構(gòu)均勻性，以解決上述問題。但是這樣無(wú)疑會(huì)增加設(shè)備和工藝成本，并大大降低生產(chǎn)效率。干壓成形后，即使經(jīng)過冷等靜壓，陶瓷坯體氣孔分布一般在不同程度上仍會(huì)表現(xiàn)為多峰分布，坯體中難免會(huì)存在氣孔缺陷，影響陶瓷刀的質(zhì)量。本文采用水基料注凝成形法制備氧化鋯陶瓷刀，凝膠注模成形是上世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種近凈尺寸成形工藝，最早由美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Omatete O O等人提出[2]。該工藝可成形形狀復(fù)雜、微觀結(jié)構(gòu)均勻、強(qiáng)度高、密度高的坯體，能直接進(jìn)行機(jī)加工，明顯優(yōu)于其它復(fù)雜形狀部件的成形工藝[3]，已在工程陶瓷領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[4-7]。注凝成形的機(jī)理是通過外加有機(jī)單體和交聯(lián)劑的聚合反應(yīng)形成高分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)而將陶瓷粉體原位固化定型。在此過程中，并不發(fā)生溶劑介質(zhì)的散失，其體積基本不發(fā)生收縮變化，凝膠坯體的初始體積密度基本保持料漿本身的體積密度，是一種生產(chǎn)高質(zhì)量的氧化鋯陶瓷刀的理想工藝。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

本實(shí)驗(yàn)所采用的原料有超細(xì)二氧化鋯粉料、丙烯酰胺（CH2CONH2，AM）為有機(jī)單體、N，N'- 亞甲基雙丙烯酰胺[（CH2CONH）2CH2，MBAM]為交聯(lián)劑、JA-281為分散劑、采用過硫酸銨[（NH4）2S2O8，APS] 作引發(fā)劑、N，N - 四甲基乙二銨（TEMED）作催化劑、用氨水調(diào)節(jié)料漿pH值。

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

按照表1的實(shí)驗(yàn)配方，將有機(jī)單體AM、交聯(lián)劑MBAM和分散劑混合得到預(yù)混液，和陶瓷原料粉末一起攪拌，球磨得到高固相、低粘度的漿料，在有機(jī)物和陶瓷顆粒得到均勻的混合后加入催化劑TEMED 和引發(fā)劑APS，快速攪拌后注入模具，使懸浮體中的有機(jī)單體聚合交聯(lián)形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而使液態(tài)漿料轉(zhuǎn)變成固態(tài)坯體，在50℃漿料固化形成凝膠。脫模后干燥，600℃脫脂，在硅鉬棒高溫電爐內(nèi)1500℃保溫2 h燒結(jié)致密化后得到陶瓷樣品。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 不同粒徑氧化鋯粉對(duì)陶瓷刀性能的影響

以不同規(guī)格參數(shù)的鋯粉為原料，采用固相含量相同，以及有機(jī)單體、交聯(lián)劑、催化劑及引發(fā)劑的加入量均相同的注凝成形工藝制備氧化鋯陶瓷刀，其品分別為A1、A2、A3。通過相同的干燥方式及燒成制度所制得的鋯刀的各性能參數(shù)如表2所示。比較各樣品的性能，選取較適合注凝成形所適用的鋯粉。由表2可知，鋯刀密度均在6.0g/cm3以上，吸水率、顯氣孔率均為0%，則說明鋯刀均可于1500℃燒結(jié)致密化。隨著氧化鋯粉粒徑的增加，鋯刀的密度有所增加。由于在固相含量相同的條件下，隨著鋯粉粒度的減小，其漿料的穩(wěn)定性及陶瓷粉料的分散性變差，導(dǎo)致料漿內(nèi)氣體含量升高，成形后坯體中的氣孔增多導(dǎo)致坯體的燒結(jié)密度略微有所降低。固相含量相同，燒成收縮不同，可能是由于粉體本身的特性有關(guān)。而影響抗彎強(qiáng)度的主要因素有配方組成、燒成溫度、晶粒尺寸和分布、玻璃相的分布、氣孔的大小和分布等。由于配方組成、燒成溫度一致，主要區(qū)別是粉體粒徑。按理論而言，粉體粒徑越細(xì)，成品燒結(jié)越致密，缺陷越少，抗彎強(qiáng)度越高。但是氧化鋯存在相變，如果鋯粉性能不穩(wěn)定，可能導(dǎo)致燒成后的四方相氧化鋯不穩(wěn)定，在抗壓過程中也許會(huì)導(dǎo)致氧化鋯相變而使得抗彎強(qiáng)度減小。

同時(shí)，由表2可知，回收廢料的抗彎強(qiáng)度不比新粉低，這主要是由于廢料回收重新球磨，粉體顆粒同樣可均勻分散，鋯刀燒結(jié)致密，缺陷少。雖然采用回收廢料制備鋯刀性能不差，但是刀拋光后表面會(huì)存在斑點(diǎn)，影響美觀，因此回收廢料不適用于生產(chǎn)鋯刀。

3.2 不同成形方法對(duì)氧化鋯刀性能的影響

采用干壓冷等靜壓與注凝成形兩種不同成形工藝制備氧化鋯刀的性能測(cè)試，其結(jié)果如表3所示。（下轉(zhuǎn)第18頁(yè)） 由表3可知，注凝成形的生坯抗彎強(qiáng)度要比干壓冷等靜壓的生坯抗彎強(qiáng)度大很多，這是由于注凝成形是在低粘度、高固相含量的粉體-溶劑懸浮液體系中加入少量的有機(jī)單體，然后利用催化劑和引發(fā)劑，使懸浮體中的有機(jī)單體交聯(lián)形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，是液態(tài)漿料原位固化成形，從而得到具有粉體與高分子物質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度坯體。由于注凝成形所制備的漿料通過真空攪拌除氣，注凝出的坯體致密度更高，注凝出的坯體缺陷少，燒成后的抗彎強(qiáng)度較干壓冷等靜壓所得制品要高。

4 結(jié)論

（1） 注凝成形氧化鋯刀比冷等靜壓成形生坯強(qiáng)度高2倍，燒成后強(qiáng)度提高15%以上，拋光后成品強(qiáng)度高15%以上。所以，注凝成形比冷等靜壓要好。

（2） 不同粒徑的鋯粉燒成后抗彎強(qiáng)度有細(xì)微區(qū)別，規(guī)律性不強(qiáng)，以0.2μm粒徑成形制品各項(xiàng)性能最佳。

（3） 由于注凝法可以滿足器件形狀多樣化、復(fù)雜化的要求，目前注凝成形工藝的應(yīng)用正處于一個(gè)研究的熱潮中。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳大明.先進(jìn)陶瓷材料的注凝技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，120-121.

[2] Omatete O O， Janney M A and Strehlow R A. A new ceramic forming process. [J].Ceramic Bulletin， 1991， 70（10）： 1641～1649.

[3] 劉開琪， 宋慎泰， 洪彥若. 凝膠注模成形工藝的研究[J].耐火材料， 2004， 38（5）： 343～346.

[4] 王剛， 閻逢元， 石雷. 精密陶瓷凝膠注模成形工藝評(píng)述[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2003， 21（4）： 602～606.

[5] Gilissen R， Erauw J P， Smoldres A， et al. Gelcasting， a near shape technique [J]. Materials and Design， 2000， 21： 251～257.

[6] Kai C， Yong H， Jinlong Y. Alumina gelcasting by using HEMA system [J]. Journal of the European Ceramic Society， 2005 （25）：1089～1093.

[7] 宴伯武. 凝膠注模成形工藝的研究[J]. 中國(guó)陶瓷， 2006， 42（2）：8～11.