自發(fā)凝固成型
——大尺寸陶瓷部件解決方法

成型是陶瓷材料最為重要的工藝過程之一，直接影響到最終產(chǎn)品的品質(zhì)和制造成本。自發(fā)凝固成型是一種新的原位固化成型工藝，具有有機(jī)物添加量小、適于常溫大氣環(huán)境操作等特性，具有普適性，現(xiàn)已引發(fā)國內(nèi)外二十多家研究機(jī)構(gòu)跟蹤研究。

與傳統(tǒng)的原位固化體系相比，自發(fā)凝固體系僅采用一種叫異丁烯和馬來酸酐共聚物的銨鹽(簡(jiǎn)稱PIBM)就可以實(shí)現(xiàn)Al2O3的自發(fā)凝固成型。PIBM共聚物首先吸附在氧化物陶瓷顆粒表面發(fā)揮分散作用，在靜置狀態(tài)下相鄰的PIBM分子鏈間形成低密度有機(jī)網(wǎng)絡(luò)，該有機(jī)網(wǎng)絡(luò)屬物理凝膠,有利于水分運(yùn)輸，干燥應(yīng)力更容易釋放。該技術(shù)完美地解決了大尺寸陶瓷濕坯在干燥和脫粘過程中的變形和開裂等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸問題，為大尺寸陶瓷部件的制備提供一條新的低成本制造方法。

圖1 PIBM自發(fā)凝固機(jī)理

圖2 陶瓷濕坯的干燥和脫粘過程

PIBM自發(fā)凝固成型技術(shù)由中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所王士維研究員團(tuán)隊(duì)研發(fā)成功，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。為了解決注凝成型中凝膠體系聚合反應(yīng)中單體有毒、氧阻聚和添加劑繁多且量大的問題，該團(tuán)隊(duì)自2003年開始了陶瓷原位固化成型技術(shù)的研究。首先發(fā)展了基于親核加成聚合反應(yīng)的水溶性環(huán)氧樹脂-多胺凝膠體系(J.Am.Ceram.Soc.，2008)，先后成功應(yīng)用于致密Al2O3、AlN和SiC，半透明Al2O3，透明Y2O3、YAG和AlON以及泡沫Al2O3等先進(jìn)陶瓷的成型，相關(guān)成果已實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化。2010年受到楊燕和島井駿藏實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的啟發(fā)，將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了PIBM自發(fā)凝固體系。先后嘗試了不同規(guī)格、添加量的PIBM并應(yīng)用于不同類型的陶瓷漿體中，最終確認(rèn)了一種可以廣泛應(yīng)用的新型濕法成型體系——PIBM自發(fā)凝固。2011年申報(bào)了中國發(fā)明專利，2013年P(guān)IBM自發(fā)凝固成型的首篇論文發(fā)表在J.Mater.Res.雜志上；隨后，PIBM自發(fā)凝固體系逐漸進(jìn)入同行研究人員的實(shí)驗(yàn)室。

目前，團(tuán)隊(duì)已利用這項(xiàng)成果突破大尺寸坯體干燥和脫粘技術(shù)，成功制備出直徑達(dá)600 mm和長(zhǎng)度超過1 000 mm的高純氧化鋁陶瓷研磨盤和載運(yùn)板。相關(guān)成果已與企業(yè)合作，建成中試線，產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)銷售。

圖3 直徑360～600 mm研磨盤

圖4 1 200 mm×500 mm長(zhǎng)板