中國(guó)粉體網(wǎng)訊 傳統(tǒng)的陶瓷制備工藝機(jī)械加工法、注射成型法、粉漿饒注法等，這些方法在成型復(fù)雜的構(gòu)件時(shí)存有一定的局限，機(jī)械加工法可以通過機(jī)械處理得到復(fù)雜構(gòu)件，但是加工成本較貴；注射成型法在制備復(fù)雜構(gòu)件，其尺寸受到嚴(yán)格的限制，而且排膠時(shí)間較長(zhǎng)；粉漿澆注需要較長(zhǎng)時(shí)間來干燥成型，而且漿料的黏度過大導(dǎo)致料液無法充分填充模具。
20 世紀(jì) 90 年代初美國(guó)橡樹嶺國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 Mark A，Janney 教授等人將傳統(tǒng)陶瓷工藝和聚合物化學(xué)有機(jī)地結(jié)合起來，提出在陶瓷成型工藝中利用高分子單體聚合進(jìn)行成型的凝膠注模成型技術(shù)。在制備復(fù)雜陶瓷構(gòu)件時(shí)凝膠注模成型技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1)適用范圍廣，對(duì)粉體無特殊要求；
2)可實(shí)現(xiàn)近凈尺寸成型，制備出復(fù)雜形狀的部件；
3)坯體強(qiáng)度高，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)成型工藝所制的坯體，可進(jìn)行機(jī)械加工；
4)坯體有機(jī)物含量低；
5)坯體和燒結(jié)體性能均勻性好；
6)工藝過程易控制；
7)成本低廉。
凝膠注模成型技術(shù)原理
凝膠注模成型技術(shù)是將傳統(tǒng)粉體成型工藝與有機(jī)聚合物化學(xué)結(jié)合，采用具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高分子物質(zhì)將分散均勻低黏度、高固相體積分?jǐn)?shù)的懸浮液來實(shí)現(xiàn)凈尺寸成型高強(qiáng)度、高密度均勻坯體。
基本原理：在低黏度、高固相體積分?jǐn)?shù)的粉體−溶劑懸浮體中加入有機(jī)單體，然后在催化劑和引發(fā)劑的作用下通過加熱或冷卻等方式使?jié)鈶腋◇w中有機(jī)單體化學(xué)交聯(lián)聚合或物理交聯(lián)成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而使懸浮體原位固化成型。
凝膠注射成型工藝
1.粉料與分散劑加入溶劑，球磨、超聲震蕩等方式處理配成懸浮漿料；
2.有機(jī)單體與交聯(lián)劑溶于懸浮漿料，真空球磨工藝除氣降低黏度、增加漿料流動(dòng)性，制備低黏度高固相體積分?jǐn)?shù)濃懸浮液；
3.注模前依次加入引發(fā)劑，充分?jǐn)嚢枳⒛＃?/p>
4.一定溫度下引發(fā)有機(jī)單體凝膠反應(yīng)，漿料黏度隨之增加導(dǎo)致粉料被原位包裹、固化成型，最終形成具有一定強(qiáng)度和柔韌性的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，得到含一定溶劑的坯體；
5.脫模后，在一定溫度、濕度下干燥，得到較高強(qiáng)度坯體，將干坯排膠并燒結(jié)得到致密部件。
凝膠注模成型技術(shù)分類
根據(jù)凝膠注模技術(shù)所用的溶劑不同，可以將凝膠注模分為水系凝膠注模和非水系凝膠注模。
非水系凝膠注模
非水系凝膠注模工藝采用的溶劑為醇、酮、醚和烴等有機(jī)溶劑。
水系凝膠注模
與非水系凝膠注模成型技術(shù)相比，水系具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1) 水作為溶劑的凝膠注模成型技術(shù)與傳統(tǒng)成型方法更接近；
2) 干燥過程更簡(jiǎn)單；
3) 可降低凝膠前驅(qū)物黏度；
4) 可避免有機(jī)物帶來的環(huán)境污染問題。
凝膠體系
根據(jù)根據(jù)凝膠的來源可將凝膠體系分為天然凝膠體系和合成凝膠體系。
天然凝膠體系
天然凝膠體系是濃懸浮液中有機(jī)單體在物理作用方式下，通過物理交聯(lián)形成凝膠。常見天然凝膠體系：瓊脂糖、明膠、果膠、愛爾蘭臺(tái)膠、殼聚糖和蛋白質(zhì)等。
合成凝膠體系
合成凝膠體系是濃懸浮液中有機(jī)單體在引發(fā)劑與催化劑等引發(fā)作用下，通過高分子化學(xué)反應(yīng)合成凝膠。
有機(jī)單體包括至少一個(gè)單功能團(tuán)單體(稱作單體)和一個(gè)多功能團(tuán)單體(交聯(lián)劑)。有機(jī)單體應(yīng)滿足以下性能：
1)單體/交聯(lián)劑可溶，溶解度過低易沉淀聚合；成型密度不均影響坯體強(qiáng)度；
2)加入有機(jī)單體不影響濃懸浮液流動(dòng)性，若流動(dòng)性降低，則難以制備高固相、低黏度的濃懸浮液；
3)凝膠應(yīng)具有一定強(qiáng)度、優(yōu)良的硬度和韌性，這樣才能起到原位定型作用，保證脫模及后續(xù)加工；
4)有機(jī)單體應(yīng)無毒性或低毒性；
5)有機(jī)單體價(jià)格要低廉，便于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
為使單組元凝膠體系或多組元凝膠體系發(fā)生凝膠反應(yīng)，需加入引發(fā)劑。不同單體體系應(yīng)使用不同引發(fā)劑。為加速單體聚合，可以采用加熱及紫外光、紅外光、可見光、電子束輻照及壓應(yīng)力、催化劑等方法。此外，為了改善坯體的可加工性，通常加入增塑劑。
凝膠注模成型技術(shù)應(yīng)用
在粗粒度粉體中的應(yīng)用
采用微米級(jí)粉末原料制備精細(xì)陶瓷和復(fù)雜形狀陶瓷部件，采用粒徑分布寬原料制備粗顆粒體系陶瓷和高級(jí)耐火材料。凝膠注模成型技術(shù)制備粗顆粒體系的陶瓷或耐火材料的關(guān)鍵是高固相體積分?jǐn)?shù)漿料的制備。
在復(fù)合材料領(lǐng)域中的應(yīng)用
采用凝膠注模成型技術(shù)制備復(fù)合材料體系最大的難點(diǎn)是如何制備出固相體積分?jǐn)?shù)高、流動(dòng)性好、分散均勻的漿料。通過粉體表面改性、超聲波輔助分散、復(fù)合分散劑的選擇等技術(shù)來提高復(fù)相陶瓷漿料的固相體積分?jǐn)?shù)及均勻性，可以制備出較好的陶瓷復(fù)合材料。
在多孔材料材料領(lǐng)域中的應(yīng)用
凝膠注模成型制備多孔陶瓷具有下述優(yōu)點(diǎn)：
1)大幅度提高坯體強(qiáng)度提高成品率；
2)提高微孔徑均勻性控制過濾精度；
3)減少有機(jī)物使用量，減少環(huán)境污染；
在功能材料領(lǐng)域中的應(yīng)用
凝膠注模成型技術(shù)制備功能陶瓷主要應(yīng)用于壓電陶瓷(PZT)，因?yàn)槟z注模技術(shù)十分適合制備形狀復(fù)雜的壓電陶瓷產(chǎn)品，滿足批量生產(chǎn)要求。運(yùn)用凝膠注模技術(shù)制備壓電陶瓷的關(guān)鍵是選取合適凝膠體系以及分散劑等添加劑，從而嚴(yán)格地控制陶瓷的化學(xué)成分。
凝膠注模成型工藝的重點(diǎn)和難點(diǎn)
高固含量、低粘度漿料的制備。影響固含量的主要因素是粉料在介質(zhì)中的
膠體特性，因此可通過選用合適的分散劑，調(diào)節(jié)pH獲得理想的漿料。
陶瓷漿料的可控固化。在應(yīng)用凝膠注模成型工藝的過程中，陶瓷漿料的可
控固化是一個(gè)棘手的問題。
排膠對(duì)坯體強(qiáng)度及其顯微結(jié)構(gòu)的影響。在排膠過程中，隨著排膠溫度的升高，坯體強(qiáng)度及其顯微結(jié)構(gòu)發(fā)生階段性的變化。
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（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/江岸）
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