氧化鋯陶瓷凝膠注模成形研究＊

徐 研 王春云

（1河北聯(lián)合大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北省無機(jī)非金屬材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河北 唐山 063009）（2河北聯(lián)合大學(xué)輕工學(xué)院 河北 唐山 063000）

前言

近年來，我國陶瓷行業(yè)發(fā)展迅速，但陶瓷材料脆性和硬度較大，燒結(jié)后很難進(jìn)行機(jī)加工，所以，人們一直在尋求陶瓷組件的凈尺寸成形方法。陶瓷材料的成形一般可分為干法和濕法2大類。相比而言，濕法成形工藝設(shè)備簡單，易于成形，成形坯體組分均勻，缺陷少。但傳統(tǒng)濕法成形技術(shù)存在一些問題，如注漿成形的坯體強(qiáng)度低，密度梯度分布不均勻造成變形；熱壓鑄或注射成形時(shí)需加入大量的蠟等有機(jī)物，造成脫脂過程繁瑣，且結(jié)合劑融化或蒸發(fā)后坯體強(qiáng)度降低，易形成缺陷甚至倒塌。因此，一種新型的、適用范圍廣的，操作方便的陶瓷凝膠注模成形技術(shù)亟待發(fā)展。

氧化鋯作為一種耐高溫、耐磨損、耐腐蝕的無機(jī)非金屬材料，具有優(yōu)良的物理化學(xué)特性，熔沸點(diǎn)高、硬度大，是目前陶瓷材料中韌性最好的材料之一，其制品除耐磨損，耐腐蝕外，還具有生物相容性、離子傳導(dǎo)性、熱穩(wěn)定性和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷。

因此，氧化鋯陶瓷凝膠注模成形的研究很有必要也很有前景。

1 試驗(yàn)過程

1.1 主要原料

含釔氧化鋯超細(xì)粉、丙烯酰胺、檸檬酸胺、聚乙二醇6000、四甲基乙二胺等。

1.2 試驗(yàn)用設(shè)備儀器

球磨機(jī)、萬孔篩、推板窯、烘箱、粘度計(jì)、天平、燒杯等。

1.3 試驗(yàn)工藝流程（見圖1）

圖1 凝膠注模成形的工藝流程

1.4 試驗(yàn)內(nèi)容

主要研究固相體積百分含量，單體含量，單體與交聯(lián)劑的比例，分散劑、引發(fā)劑、塑化劑對漿料流變性的影響，從而確定合理的工藝參數(shù)。

表1 固相含量影響試驗(yàn)Tab.1 The influence test of solid content

表2 單體與交聯(lián)劑比例的影響試驗(yàn)Tab.2 The influence test of monomer and crosslinking agent ratio

表3 單體含量的影響試驗(yàn)Tab.3 The influence test of the monomer content

表4 分散劑的影響試驗(yàn)Tab.4 The influence test of dispersant agent

續(xù)表4

表5 塑化劑的影響試驗(yàn)Tab.5 The influence test of plasticizing agent

2 試驗(yàn)結(jié)果討論

2.1 關(guān)于漿料流變性能影響因素的討論

2.1.1 固相體積含量對料漿流變性能的影響

表6 固相含量影響試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 The influences test results of solid content

2.1.2 單體與交聯(lián)劑比例對料漿流變性能的影響

表7 單體與交聯(lián)劑比例影響試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 The influences test results of monomer and crosslinking agent ratio

圖2 固相含量對漿料流變性能影響Fig.2 Solid content on slurry rheological properties influence

圖3 單體與交聯(lián)劑比例對漿料流變性能影響Fig.3 Monomer and crosslinking agent ratio on slurry rheological properties influence

由圖2、圖3可知，最佳固相體積含量為1、2組試驗(yàn)，單體與交聯(lián)劑最佳比例為4、5組試驗(yàn)。

2.1.3 分散劑含量對料漿流變性能的影響

表8 分散劑影響試驗(yàn)結(jié)果Tab.8 The influences test results of dispersant agent

由圖4、圖5可知，分散劑最佳含量為3、4組試驗(yàn)，塑化劑最佳含量為2、3組試驗(yàn)。

圖4 分散劑含量對漿料流變性能影響Fig.4 Dispersant agent on slurry rheological properties influence

圖5 塑化劑對漿料流變性能影響Fig.5 Plasticizing agent on slurry rheological properties influence

2.1.4 塑化劑含量對料漿流變性能的影響

表9 塑化劑影響試驗(yàn)結(jié)果Tab.9 The influences test results of plasticizing agent

2.2 性能測試結(jié)果分析

圖6 試樣燒結(jié)表面的SEM圖譜分析Fig.6 Sample sintering surface SEM spectrum analysis

從圖6中可以看出，晶粒呈六方晶形，平均粒徑為2 μm，其左圖為3μm并且尺寸比較均勻，有個(gè)別晶粒異常長大的現(xiàn)象。其右圖中的黑色部分為氣孔，致密化程度比較高，燒結(jié)后的坯體的結(jié)構(gòu)緊密，顆粒尺寸較均勻。右圖是固相質(zhì)量百分含量為50%的料漿的成形制品的分析，該圖顆粒尺寸均勻，結(jié)晶尺寸細(xì)小。圖6中，左圖為D－3的表面圖譜，沒有對其進(jìn)行表面處理，右圖為D－4的表面圖譜對其進(jìn)行了表面加工，粒度便于測量，更加有利于粒度分析。

圖7為放大10 000倍的試樣掃描電鏡斷面照片，在右圖試樣燒結(jié)的SEM照片中，可以明顯看到氣孔的存在，這與料漿粘度和燒成制度有關(guān)。料漿粘度偏高偏低都不利于注模過程的進(jìn)行，使制品中含有氣泡；試樣的燒結(jié)溫度偏低，料漿的懸浮穩(wěn)定性及陶瓷粉體的分散性變差，導(dǎo)致料漿內(nèi)氣體含量升高，造成坯體氣孔率上升，坯體的燒結(jié)密度降低。因此，在密度下降不大的情況下，選用固相量較高的坯體燒結(jié)性能更好，更易獲得性能優(yōu)良的材料。

圖7 試樣斷面的SEM圖譜分析Fig.7 Sample section of the SEM spectrum analysis

4 結(jié)語

1）通過試驗(yàn)得到最佳配方為：料漿固相體積百分含量為50%，有機(jī)單體含量為3.0%左右，單體與交聯(lián)劑的最佳比例為17∶1，分散劑的用量為0.2%～0.6%，料漿pH值為10左右。

2）與其他成形法相比，凝膠注模成形的生坯強(qiáng)度高、密度大、坯體內(nèi)部顆粒及氣孔分布更均勻，可直接用于機(jī)械加工。

1 徐國良，劉憶明，賀與平，等.凝膠注模成形氧化鋯陶瓷坯體的性能和顯微結(jié)構(gòu)分析.保山師專學(xué)報(bào)，2007（2）：1～3

2 Omatete，Janney M A，Strehlow R A.Gelcasting a new ceramic forming process.Ceramic bulletin，1991，70（10）：1 641～1 649

3 王永剛，孫琦，等.氧化鋯陶瓷的凝膠注模成形研究.硅酸鹽通報(bào)，2006（1）：6～9

4 王亞麗，郝俊杰，等.凝膠注模成形工藝影響因素的研究.材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007（2）：18～21