基于原料選控的氧化鋁水基凝膠成型工藝分析

張富啟

（珠?；浛凭┤A科技有限公司，珠海 519050）

1 前言

氧化鋁結(jié)構(gòu)瓷因其原料易得，性能優(yōu)異，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中扮演著十分重要的地位[1]。隨著諸如流延成型、凝膠注模成型等新型成形工藝的發(fā)展，精密復(fù)雜陶瓷件的制備對其原料粉體提出了越來越高的要求[2]。然而長期以來，我國在高純氧化鋁原料粉體方面受制于人，市場主要被日本的住友化學(xué)工業(yè)、大明化學(xué)、法國的BAIKOWSKI 等廠商占據(jù)[3]，國產(chǎn)氧化鋁原料粉體在燒結(jié)活性、粒度級配、批次穩(wěn)定性等方面仍與國外有較大差距。需要應(yīng)用端更多的技術(shù)積累和數(shù)據(jù)反饋來提高優(yōu)質(zhì)氧化鋁粉體原料的生產(chǎn)技術(shù)水平。

凝膠注模成型工藝是在陶瓷漿料中摻入微量的有機單體，通過一定的理化反應(yīng)，形成堅固的交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，最后經(jīng)過脫模、排膠、燒結(jié)后得到所需的陶瓷零件。傳統(tǒng)的凝膠體系有丙烯酰胺、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸羥乙酯等[4-7]。本研究選用的異丁烯/馬來酸酐共聚物（Isobam）具有自發(fā)凝膠，無需額外添加劑、用量少且環(huán)境友好等特點[8]是開發(fā)新型凝膠注模工藝的理想材料。

2 實驗過程

本研究選用的各類氧化鋁粉原料如表1 所示。

表1 氧化鋁原料廠商及規(guī)格

本文首先通過干壓成型的方式對原料的燒結(jié)性能進行初篩，在氧化鋁粉中加入粉體質(zhì)量8%的聚乙烯醇（PVA）-5%水溶液進行手工造粒。造粒后的粉體在200 MPa 的壓力下被壓制成生坯。

對于凝膠注模樣品，在固含量為體積分?jǐn)?shù)45%-50%的陶瓷漿料中添加0.2%-0.5wt%的異丁烯/馬來酸酐共聚物(Isobam600)及其預(yù)水解產(chǎn)物（Isobam104）作為粘結(jié)劑和分散劑，并添加少量氨水堿化的聚丙烯酸（PAA-NH4）作為分散劑調(diào)整漿料的粘度。

按照配方調(diào)整的漿料經(jīng)過球磨混合均勻后注模，先在室溫下自發(fā)凝膠、干燥12h，然后分別在60℃、110℃干燥6h 完成生坯制備。

使用南京博蘊通公司生產(chǎn)的1800℃高溫?zé)Y(jié)爐在1550-1650℃對生坯進行排膠燒結(jié)，燒結(jié)階段升降溫速率為5℃/min，保溫時間2 或3 小時。

本研究采用阿基米德排水法測量樣品的體積密度和氣孔率；參考GB/T 6569-2006《精細(xì)陶瓷彎曲強度試驗方法》測試樣品的彎曲強度；使用博勒飛粘度計3 號轉(zhuǎn)子測量陶瓷漿料的粘度；使用掃描電鏡觀察原料粉體和燒結(jié)后樣品的表面形貌。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 干壓成型燒結(jié)測試

由于實驗原料采購批次不同，本實驗采用的部分原料粉體經(jīng)過造粒壓片排膠后，分別在1600℃和1650℃保溫3 小時進行燒結(jié)，比較其燒結(jié)致密度和顯氣孔率，如圖1 所示。根據(jù)同等工藝下的燒結(jié)致密化情況可以看出，北京博宇的#2 粉體和中國鋁業(yè)集團的5 款粉體均具有較好的燒結(jié)活性，易于實現(xiàn)致密化燒結(jié)。

3.2 漿料最大固含量測試

為了盡量減少后續(xù)凝膠注模過程中樣品的變形開裂，要求陶瓷漿料應(yīng)具有盡量高固相含量。由于高固相含量陶瓷漿料的流變特性受粉體的粒度、表面形貌等影響較大。本實驗選用的12 款原料在添加足量分散劑的情況下，經(jīng)過球磨混料除泡，只有中鋁#2、博宇#2、杰眾#1、杰眾#2 四款粉體能夠在固含量達(dá)到45vol%的情況下保持較好的流動性，滿足注模工藝要求，因此我們將其作為進一步的篩選條件。

其中博宇#2 的漿料流動性最好，最高固含量可達(dá)55vol%。杰眾#2 與博宇#2 的50vol%固含量漿料經(jīng)過不同球磨時間后，漿料粘度測試轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系如圖2 所示。由此可見，博宇#2 漿料的粘度更低，而杰眾#2 漿料的粘度則對球磨時間延長呈上升趨勢，推測可能與其本身粘度較大，球磨時產(chǎn)熱多，升溫快，加速溶劑揮發(fā)，同時也對Isobam 凝膠有促進作用。

圖2 杰眾#2 與博宇#2 的50 vol%固含量漿料粘度與球磨時間、測試轉(zhuǎn)速的關(guān)系

本文以中鋁#2 和杰眾#2 為原料，首先探究了不同組分分散劑的組合對于陶瓷漿料粘度的影響，如圖3、圖4 所示，對比圖2 可以看出，由于作為分散劑的表面活性劑微量高效的特點，在實驗范圍內(nèi)，分散劑的種類和添加量對漿料粘度影響不大，粉體本身特性是決定漿料工藝性能的主要因素。

圖3 不同分散劑組分對中鋁#2 漿料粘度的影響

圖4 不同分散劑組分對杰眾#2 漿料粘度的影響

3.3 凝膠注模樣品性能分析

通過對比圖5 中杰眾#1 與杰眾#2 干壓和凝膠注模樣品在1650℃下保溫3h 燒結(jié)的樣品的體積密度與彎曲強度?？梢钥闯?，相比于干壓成型，凝膠注模成型因其均勻性好、生坯密度高，燒結(jié)后致密度和彎曲強度均高于干壓樣品。

圖5 杰眾干壓與凝膠注模樣品性能對比

而圖6 中展示了中鋁#2 與博宇#2 原料粉體干壓和凝膠注模樣品在同等條件下燒結(jié)后樣品體積密度的對比。因其原料粉體本身流動性好，燒結(jié)活性高，干壓樣品理論致密度超過98%因此兩種工藝制備的測試樣品性能差距不明顯。

圖6 博宇#2 與中鋁#2 干壓與凝膠注模樣品性能對比

4 結(jié)論

研究發(fā)現(xiàn)，對于基于Isobam 粘結(jié)劑的氧化鋁陶瓷水基凝膠注模成型工藝，粉體本身的燒結(jié)活性是影響材料性能的主要因素，同時凝膠注模工藝要求粉體的粒度分布要求更高，過細(xì)的原料會導(dǎo)致漿料分散難度加大，從而影響后續(xù)的注模過程。相比于干壓成型，凝膠注模成型樣品的力學(xué)性能更好，且其生坯可以滿足機械加工的條件，更適合制備具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精密氧化鋁零件。

本研究中，盡管北京博宇生產(chǎn)的1.5 微米陶瓷粉體（博宇#2）各方面綜合性能最優(yōu)，但后續(xù)購買同規(guī)格產(chǎn)品（博宇#3）與博宇#2 性能差距較大，不能滿足實驗需求。因此，同規(guī)格產(chǎn)品的批次一致性應(yīng)當(dāng)作為選用陶瓷粉體原料的關(guān)鍵參考指標(biāo)。