溶膠－凝膠法制備SiO2陶瓷坯體的抗彎強(qiáng)度

王德慶，葛楠

(大連交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

0 引言

凝膠注模成型［1］是將有機(jī)聚合物單體及陶瓷粉末顆粒分散在介質(zhì)中制成低粘度、高固相體積含量的濃懸浮體，并加入交聯(lián)劑、引發(fā)劑及催化劑后將這種濃懸浮體注人非多孔模型中，通過溫度和催化劑的作用使有機(jī)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(jié)而固化形成陶瓷坯體［2-4］.該工藝具有設(shè)備簡(jiǎn)單，可成型復(fù)雜零件和成本低廉等優(yōu)點(diǎn).凝膠注模成型的另一顯著優(yōu)點(diǎn)在于成型后的陶瓷坯體具有一定的機(jī)械加工強(qiáng)度，可在燒結(jié)前將陶瓷坯體機(jī)械加工成形狀更復(fù)雜、尺寸更精確的部件，以滿足不同的制備需要［4］.因此，受到了學(xué)術(shù)和工業(yè)界的廣泛關(guān)注.

凝膠注模成型坯體的強(qiáng)度主要是由單體與交聯(lián)劑聚合所成的三維網(wǎng)狀高聚物所提供［5］，形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)將陶瓷顆粒原位固定、粘接，使形成的陶瓷坯體具有一定的強(qiáng)度.因此，溶膠體系中有機(jī)物的含量，直接影響陶瓷坯體的抗彎強(qiáng)度［5］.目前對(duì)于溶膠-凝膠成型陶瓷坯體抗彎強(qiáng)度的影響因素主要集中于對(duì)單體濃度、交聯(lián)劑加入量、固相體積分?jǐn)?shù)和添加劑加入量的研究［6-8］，但對(duì)于成型陶瓷坯體微觀表面有機(jī)物分布均勻性的研究很少，同時(shí)研究的陶瓷材料主要集中于氧化鋁、氧化鈹、氮化硅等陶瓷坯體［6，9-11］.對(duì)于溶膠 - 凝膠成型氧化硅陶瓷工藝的研究也多集中于陶瓷漿料粘度的影響因素和陶瓷燒結(jié)的問題［12-13］，而對(duì)陶瓷坯體抗彎強(qiáng)度的影響因素則沒有系統(tǒng)的研究.本文采用溶膠-凝膠工藝制備SiO2與低熔點(diǎn)玻璃粉組成的陶瓷坯體，系統(tǒng)的研究了單體濃度、交聯(lián)劑加入量以及固相含量對(duì)SiO2陶瓷坯體抗彎強(qiáng)度的影響，并對(duì)不同單體濃度和固相含量下陶瓷坯體表面有機(jī)物分布的均勻性進(jìn)行觀察，從而確定單體濃度、交聯(lián)劑加入量及固相含量的最佳值以制備具有一定機(jī)械加工強(qiáng)度的陶瓷坯體.

1 實(shí)驗(yàn)方法

利用溶膠-凝膠工藝制備陶瓷坯體所選用的陶瓷粉體是SiO2粉和自制的低熔點(diǎn)玻璃粉，凝膠體系采用水溶性丙烯酰胺(純度為98%)為有機(jī)單體，N，N’—亞甲基雙丙烯酰胺(純度為98%)作為交聯(lián)劑，分散劑為檸檬酸銨(純度為98.5%)，引發(fā)劑為過硫酸銨(純度為98%)和N，N，N’，N’—四甲基乙二胺(純度為98%)作為催化劑，去離子水為溶劑，鹽酸作為pH值調(diào)節(jié)劑.

制備SiO2陶瓷坯體的工藝流程如圖1所示.分別按表1所示的成分制備溶膠，用鹽酸調(diào)節(jié)使溶膠的pH值為5，然后加入不同體積的陶瓷粉體，制備出不同固相含量的陶瓷漿料.利用編號(hào)為1～4的溶膠研究單體濃度對(duì)陶瓷坯體抗彎強(qiáng)度的影響，利用編號(hào)為5～9的溶膠研究交聯(lián)劑加入量對(duì)陶瓷坯體抗彎強(qiáng)度的影響，利用編號(hào)為10～12的溶膠研究固相含量對(duì)陶瓷坯體抗彎強(qiáng)度的影響.

圖1 溶膠－凝膠制備SiO2陶瓷坯體工藝流程

表1 溶膠主要成分

根據(jù)GB:6569-86工程陶瓷彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)方法中的規(guī)定，將干燥后的陶瓷坯體加工成3 mm×4 mm×36 mm的試樣，采用三點(diǎn)彎曲方法測(cè)量試樣的抗彎強(qiáng)度.由于已有實(shí)驗(yàn)設(shè)備最小載荷超過試樣的最大折斷載荷，所以采用自制的測(cè)量試樣抗彎強(qiáng)度的三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)裝置.抗彎強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)原理如圖2所示.其中試樣支點(diǎn)間距離L=30 mm，支點(diǎn)半徑r=3 mm.

圖2 抗彎強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)原理

在對(duì)試樣抗彎強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量的過程中，利用杠桿平衡原理間接求出試樣承受的最大載荷F2.圖2中的A端為旋轉(zhuǎn)支點(diǎn)，B為試樣最大載荷作用點(diǎn)，C為重物施加壓力點(diǎn).測(cè)定過程中保持AB桿水平，使LAB與LAC的長(zhǎng)度分別等于阻力臂與動(dòng)力臂的長(zhǎng)度.在試樣折斷瞬間，B點(diǎn)向下的壓力即為試樣折斷時(shí)所受壓力F2.根據(jù)杠桿平衡原理及作用力與反作用力的關(guān)系如式(1)所示:

式中，LAC為阻力臂，mm;LAB為動(dòng)力臂，mm;F1為C點(diǎn)所受作用力，N;F2為試樣斷裂時(shí)所受壓力，N.將F2代入式(3)，即可求出試樣的抗彎強(qiáng)度Rγ.

式中，F(xiàn)2為試樣斷裂時(shí)的最大載荷，N;L是支點(diǎn)間距離，mm;b與h分別為試樣的寬度和高度，mm.

將抗彎強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)后的試樣制成高為4 mm的斷口分析試樣，在斷面噴金后用JSM-6360LV型掃描電鏡對(duì)試樣斷口表面的有機(jī)物分布均勻性進(jìn)行觀察.

2 結(jié)果與討論

2.1 單體濃度對(duì)陶瓷坯體抗彎強(qiáng)度的影響

單體濃度對(duì)陶瓷坯體抗彎強(qiáng)度的影響如圖3所示，可以看出陶瓷坯體的抗彎強(qiáng)度隨著單體濃度的增加而提高.當(dāng)單體濃度為0.3 moL/L時(shí)，陶瓷坯體抗彎強(qiáng)度為11.2 MPa;當(dāng)單體濃度升高到1.2 moL/L時(shí)，陶瓷坯體抗彎強(qiáng)度提高到17.2 MPa.這是因?yàn)樘沾蓾{料的凝膠固化過程是吸附在陶瓷顆粒表面的有機(jī)單體發(fā)生聚合反應(yīng)，形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu).形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)將陶瓷顆粒固定，使陶瓷坯體具有一定的抗彎強(qiáng)度.隨著單體濃度的提高，單位體積內(nèi)的單體分子數(shù)量增多，同時(shí)顆粒表面有機(jī)物含量也就增多，在聚合時(shí)形成的高分子鏈也就越多，使凝膠體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更為完整和致密［9］，從而使制備出的陶瓷坯體抗彎強(qiáng)度增強(qiáng).

圖3 單體濃度對(duì)坯體抗彎強(qiáng)度的影響

通過研究單體濃度對(duì)陶瓷漿料凝膠固化時(shí)間的影響(圖4所示)可以得出，隨著單體濃度的增加，陶瓷漿料的凝膠固化時(shí)間明顯縮短.當(dāng)單體濃度從0.3 moL/L增加到1.2 moL/L時(shí)，凝膠固化時(shí)間由421 s縮短為124 s，使攪拌漿料與注模的可操作時(shí)間縮短.在對(duì)凝膠注模成型制備氧化鋁坯體進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)在坯體抗彎強(qiáng)度隨著單體濃度的增加而增強(qiáng)的同時(shí)隨著單體濃度增大，固化時(shí)間明顯縮短，使得沒有充足的時(shí)間將漿料注膜［15］，同時(shí)，隨著單體濃度的增大，陶瓷坯體中有機(jī)物的含量也會(huì)逐漸增大，過多的有機(jī)物會(huì)降低陶瓷坯體的燒結(jié)密度［9］.凝膠注模成型工藝的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)在于陶瓷坯體具有一定機(jī)械加工強(qiáng)度，能夠使陶瓷在燒結(jié)前可對(duì)陶瓷坯體進(jìn)行簡(jiǎn)單的機(jī)械加工.由圖3可以看出在單體濃度為0.3 moL/L時(shí)抗彎強(qiáng)度最低，但仍能達(dá)到11.2 MPa，仍然具有一定機(jī)械加工強(qiáng)度，一般注模操作時(shí)間需要90 s左右，在單體濃度為0.6 moL/L時(shí)凝膠時(shí)間為160 s，在保證了注模操作時(shí)間的條件下也可以保證陶瓷坯體可機(jī)械加工性能，所以選擇單體濃度為0.6 moL/L.

圖4 單體濃度對(duì)凝膠固化時(shí)間的影響

圖5所示為不同濃度單體條件下制備的陶瓷坯體的微觀組織形貌，可以看出隨著單體濃度的增加，顆粒表面有機(jī)物的含量明顯增多.如圖5(a)和圖5(b)所示，當(dāng)單體濃度較低時(shí)，顆粒表面的有機(jī)物含量較低，導(dǎo)致陶瓷坯體的抗彎強(qiáng)度低.當(dāng)單體濃度較高時(shí)，如圖5(c)和圖5(d)所示，顆粒表面有機(jī)物明顯增多，導(dǎo)致陶瓷坯體的抗彎強(qiáng)度增加.這說明單體濃度的增加使得顆粒表面有機(jī)物增多，從而使陶瓷坯體的抗彎強(qiáng)度得以提高.

圖5 單體濃度對(duì)坯體微觀組織影響

2.2 交聯(lián)劑加入量對(duì)陶瓷坯體抗彎強(qiáng)度的影響

不同交聯(lián)劑加入量對(duì)陶瓷坯體抗彎強(qiáng)度影響如圖6所示.從圖6可以看出，隨著所加入單體與交聯(lián)劑的比值增大，陶瓷坯體的抗彎強(qiáng)度增加，在比值為20處達(dá)到最大值13.3 MPa.但是當(dāng)該比值增加到20后，陶瓷坯體的抗彎強(qiáng)度開強(qiáng)后降低.

圖6 變聯(lián)劑加入量對(duì)坯體抗彎強(qiáng)度的影響

溶膠-凝膠成型原理是利用有機(jī)單體與交聯(lián)劑的原位聚合使懸浮體凝膠化，單體聚合成大分子鏈，交聯(lián)劑將鏈狀的聚合物大分子進(jìn)行聯(lián)結(jié)，形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對(duì)陶瓷顆粒起到原位固定作用［11，16］.如圖 7［2］所示交聯(lián)劑分子中的兩個(gè)烯鍵分別嵌入單體大分子鏈中使單體大分子鏈交聯(lián)起來進(jìn)而形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu).

溶膠-凝膠法成型坯體的抗彎強(qiáng)來源于共聚物的交聯(lián)程度，即所謂形成三維網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)均勻性.如果體系中不加入交聯(lián)劑，單體聚合成線狀水溶性的單體大分子鏈互不聯(lián)結(jié)，不能形成穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而使得坯體強(qiáng)度較低.在交聯(lián)劑用量很低時(shí)，隨著交聯(lián)劑用量的增加，單體大分子鏈被交聯(lián)程度增加，三位網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分布均勻性提高，從而導(dǎo)致坯體強(qiáng)度增強(qiáng)，結(jié)合圖6可知，當(dāng)單體與交聯(lián)劑的比值由30降到20時(shí)，即溶膠體系中交聯(lián)劑的加入量增多，陶瓷坯體的抗彎強(qiáng)度由12.2 MPa增大到13.2 MPa;隨著交聯(lián)劑加入量的繼續(xù)增多，單體與交聯(lián)劑的比值由15降低到5，陶瓷坯體的抗彎強(qiáng)度明顯降低，在單體與交聯(lián)劑的比值為5時(shí)陶瓷坯體的抗彎強(qiáng)度為9.6 MPa，這是因?yàn)楫?dāng)溶膠體系中交聯(lián)劑的加入量超過一定值后，多余的交聯(lián)劑會(huì)在飽和均勻的三維空間分子鏈上雜亂搭接，降低了空間結(jié)構(gòu)的均勻性和穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致陶瓷坯體的抗彎強(qiáng)度降低［15］.

圖7 單體與交聯(lián)劑交聯(lián)關(guān)系

2.3 固相含量對(duì)陶瓷坯體抗彎強(qiáng)度的影響

不同固相含量對(duì)陶瓷坯體抗彎強(qiáng)度的影響如圖8所示.從圖8中可以看出，隨著漿料固相含量的增加，陶瓷坯體的抗彎強(qiáng)度降低.當(dāng)固相含量為40%時(shí)，陶瓷坯體的抗彎強(qiáng)度為14.1 MPa，而陶瓷坯體在固相含量增大為53%時(shí)的抗彎強(qiáng)度降低為12.1 MPa.這是因?yàn)殡S著固相含量的提高，漿料中顆粒的總表面積增加，而在溶膠加入量一定的情況下陶瓷顆粒單位表面上吸附的有機(jī)物減少，從而使顆粒間有機(jī)物的粘結(jié)作用減弱，使陶瓷坯體的抗彎強(qiáng)度降低［7］.

圖8 固相含量對(duì)坯體抗彎強(qiáng)度的影響

盡管在固相含量為53%時(shí)的坯體抗彎強(qiáng)度最低(12 MPa)，但是仍能夠滿足一定的可機(jī)械加工性能.在氧化鋁陶瓷凝膠注模成型工藝的研究中，其他研究者對(duì)素坯抗彎強(qiáng)度的研究結(jié)果也表明，隨著固相體積含量的增加，素坯的抗彎強(qiáng)度下降［5］.雖然漿料的粘度隨著固相含量的增大而增大，對(duì)漿料的注模和坯體的均勻性有很大的影響，但當(dāng)固相含量為53%時(shí)，漿料仍能保證具有一定的流動(dòng)性，能夠很好的填充模具，并且漿料中的顆粒能夠很好的分散，不易發(fā)生聚沉.同時(shí)，在固相含量為53%時(shí)，陶瓷坯體的抗彎強(qiáng)度為12.1MPa，能夠保證陶瓷坯體具有一定可機(jī)械加工強(qiáng)度，因此確定漿料的固相含量為53%.

圖9所示為在不同的固相含量條件下制備的陶瓷坯體的微觀組織形貌.從圖中可以看出，隨著固相含量的增大，單位面積顆粒上的有機(jī)物含量降低，使得有機(jī)物的粘結(jié)力減弱，從而導(dǎo)致坯體抗彎強(qiáng)度的降低.從圖9(a)和圖9(b)中可以看出，顆粒表面已經(jīng)完全被有機(jī)物所覆蓋，有機(jī)物之間的交聯(lián)固化作用較大使得陶瓷顆粒間的結(jié)合力很大，因此陶瓷坯體的抗彎強(qiáng)度也比較大.隨著固相含量的增大，顆粒的總表面積增大，在溶膠中單體濃度保持不變的情況下，顆粒單位表面積上的有機(jī)物含量明顯減少，如圖9(c)和圖9(d)中所示，此時(shí)，有機(jī)物的粘接作用力減弱，導(dǎo)致陶瓷坯體的抗彎強(qiáng)度降低.

圖9 固相含量對(duì)坯體微觀組織的影響

3 結(jié)論

(1)陶瓷坯體的抗彎強(qiáng)度隨著單體濃度的增加而提高.當(dāng)單體濃度從0.3 moL/L增加到1.2 moL/L時(shí)，陶瓷坯體抗彎強(qiáng)度從11.2 MPa提高到17.2 MPa;

(2)隨著單體與交聯(lián)劑比值的增大，陶瓷坯體的抗彎強(qiáng)度首先提高;當(dāng)單體與交聯(lián)劑的比值增加到20后，坯體的抗彎強(qiáng)度開始減小.當(dāng)單體與交聯(lián)劑的比值為5、20和30時(shí)，陶瓷坯體的抗彎強(qiáng)度分別為9.6、13.3和12.4 MPa;

(3)坯體的抗彎強(qiáng)度隨著固相含量的增加而提高.當(dāng)固相含量為40%時(shí)，陶瓷坯體的抗彎強(qiáng)度為14.1 MPa，當(dāng)固相含量為53%時(shí)，陶瓷坯體抗彎強(qiáng)度為12.1 MPa;

(4)隨著單體濃度的增加，顆粒表面的有機(jī)物的含量增多且趨于均勻分布，導(dǎo)致陶瓷坯體的抗彎強(qiáng)度增加.而當(dāng)固相含量增大，顆粒表面的有機(jī)物含量減少，導(dǎo)致顆粒間的結(jié)合減弱，使陶瓷坯體的抗彎強(qiáng)度降低.

［1］OMATETE O O，JENNEYm A，NUNN S D.Gel-Casting from Laboratory Development toward Industrial Production［J］.European Ceramic Society，1991，17(2):407-413.

［2］黃志彬.陶瓷粉末凝膠注模成型工藝研究［D］.長(zhǎng)沙:湖南大學(xué)，2008.

［3］陳大明.陶瓷的凝膠注模工藝研究［J］.現(xiàn)代技術(shù)陶瓷，1996，66(4):793-797.

［4］劉衛(wèi)華，賈成廠，郭志猛.凝膠注模成型技術(shù)理論研究［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2006，20(1):19-22.

［5］王亞利，郝俊杰，郭志猛.凝膠注模成型生坯強(qiáng)度影響因素的研究［J］.材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，25(2):262-264.

［6］王小鋒，王日初，彭超群.工藝條件對(duì)氧化鈹凝膠注模坯體強(qiáng)度的影響［J］.功能材料，2011，42(7):1197-1202.

［7］李艷，郭志猛，郝俊杰.工藝參數(shù)對(duì)凝膠注模成型不銹鋼坯體強(qiáng)度和燒結(jié)密度的影響［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30(1):30-34.

［8］謝志鵬，楊金龍，黃勇.AlOOH對(duì)Al2O3直接凝固注模成型坯體強(qiáng)度等性能的影響［J］.無機(jī)材料學(xué)報(bào)，1997，12(6):855-860.

［9］余琴仙，包鎮(zhèn)紅，苗立峰.氧化鋁凝膠注模成型的工藝研究［J］.中國陶瓷，2009，45(8):27-29.

［10］金曉，楊金龍，蔡鍇等.單體含量對(duì)凝膠注模工藝固化時(shí)內(nèi)應(yīng)力及坯體性能的影響［J］.硅酸鹽學(xué)報(bào)，2011，39(5):794-798.

［11］嚴(yán)友蘭，余娟麗，張健.單體與交聯(lián)劑比例對(duì)凝膠注模成型多孔氮化硅性能的影響［J］.宇航材料工藝，2010(2):59-62.

［12］李綱，官文杰，趙興中.二氧化硅陶瓷靶材的燒結(jié)［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，49(3):350-352.

［13］程薇.氧化硅凝膠注模成型技術(shù)研究［J］.中國陶瓷工業(yè)，2010，17(6):23-29.

［14］李鑫，何真，劉貴山，等.N-羥甲基丙烯酰胺體系凝膠注模成型氧化鋁陶瓷［J］.大連輕工業(yè)學(xué)報(bào)，2005，24(2):79-83.

［15］向軍輝，黃勇，楊金龍，等.Al2O3凝膠固化成型的影響因素［J］.無機(jī)材料學(xué)報(bào)，2001，16(6):1101-1107.

［16］孟德安，簡(jiǎn)本成.氧化鋁陶瓷凝膠注模成型工藝研究［J］.現(xiàn)代技術(shù)陶瓷，2009，28(4):14-16.