Завдяки своїй високій твердості, стійкості до високих температур, стійкості до корозії та чудовій електроізоляції глиноземна кераміка широко використовується в -галузях високоякісного виробництва, таких як аерокосмічна промисловість, електронне пакування, медичне обладнання та-зносостійкі частини. У цих додатках процес формування є критичним етапом, який визначає кінцеву продуктивність, точність розмірів і надійність кераміки. Формування відноситься до процесу підготовки порошку оксиду алюмінію в сире тіло певної форми та розміру. Щоб уникнути деформації або розтріскування під час подальшого сушіння або спікання, необхідно, щоб сироватка мала якомога високу щільність і хорошу однорідність.
Класифікація методів формування глиноземної кераміки
Процеси формування кераміки можна класифікувати відповідно до характеристик потоку заготовки на сухе формування та вологе формування, причому вологе формування далі поділяється на пластичне формування та колоїдне формування.
Сухе формування
При сухому формуванні заготовка містить мало або зовсім не містить води (менше 6%), а вміст інших зв’язуючих або мастильних матеріалів зазвичай не перевищує 1–2%. Процес передбачає розміщення порошку у формі та застосування зовнішньої механічної сили для формування порошку. Керамічне зелене тіло утримується тертям між керамічними частинками, зберігаючи певний розмір і форму. Зелене тіло - це композиційна система, що складається з заготовки, рідкої фази (зв'язуючого) і повітря.
01 Сухе пресування
Сухе пресування передбачає спочатку змішування порошку з водою або зв’язуючою речовиною для формування гранул, потім поміщення гранульованого порошку у форму та застосування тиску для формування зеленого тіла певної міцності та форми. Переваги сухого пресування включають простий процес, легку експлуатацію, придатність для-масштабного промислового виробництва, високу щільність неспеченого продукту та малу усадку спеченого продукту. Однак, оскільки при сухому пресуванні використовується одноосьове пресування, необроблене тіло демонструє значну не-однорідність щільності, яка стає більш вираженою зі збільшенням товщини зразка. Крім того, агломерати в порошку неможливо усунути під час приготування порошку, що ускладнює виробництво тонкої кераміки.
02 Ізостатичне пресування
Ізостатичне пресування передбачає розміщення порошку в гумовій формі, що деформується, а потім застосування однакового тиску з різних осей через газоподібне або рідке середовище для формування деталі. Порівняно з сухим пресуванням, ізостатичне пресування використовує багатоосьове пресування, яке вирішує проблему нерівномірності щільності сухого пресування зелених тіл і зменшує відстань руху частинок порошку, тим самим збільшуючи швидкість формування. Однак ізостатичне пресування має такі недоліки, як висока вартість обладнання, складне обслуговування та сприйнятливість до дефектів (наприклад, нерівності поверхні, тріщини від стиснення). Для виробів великого розміру ізостатичне пресування схильне до «слонової лапки» або градієнтів щільності ззовні всередину. В даний час глиноземна кераміка, вироблена ізостатичним пресуванням у Китаї, в основному використовується для керамічних обтічників, високочастотних ізоляційних керамічних гільз тощо.
Традиційне вологе формування
У порівнянні з сухим формуванням, вологе формування може уникнути агломерації порошку, зменшити або навіть усунути дефекти в необробленому тілі та підвищити надійність керамічних виробів, пропонуючи надійний шлях для виробництва тонкої кераміки або керамічної плівки. Мокре формування зазвичай включає наступні етапи: (1) синтез або змішування керамічного порошку; (2) приготування керамічної суспензії; (3) затвердіння суспензії; (4) сушіння для видалення розчинника; (5) спікання для отримання кераміки. Ключовими моментами мокрого формування є приготування керамічної суспензії та сушіння сирця.
01 Шлікерне лиття
Шлікерне лиття передбачає рівномірне диспергування керамічного порошку в рідкому середовищі з утворенням керамічної суспензії, а потім виливання суспензії в гіпсову форму. Капілярна сила гіпсової форми поглинає розчинник із суспензії, змушуючи кераміку затвердіти та утворити зелене тіло певної форми та розміру. Шлікерне лиття вимагає, щоб суспензія мала чудову текучість і стабільність. Крім того, прес-форма повинна мати хорошу проникність для полегшення видалення рідкого середовища з зеленого тіла. Шлікерне лиття має такі переваги, як простий процес, низька вартість виробництва та легке керування процесом. Однак час формування тривалий, щільність і міцність необробленого матеріалу низькі, а також схильні до появи дефектів, таких як розтріскування та точкові отвори. На основі шликерного лиття дослідники розробили вдосконалені методи, такі як відцентрове шликерне лиття, шликерне лиття під тиском і фільтр-пресування.
02 Кастинг стрічки
Керамічна суспензія, яка використовується для стрічкового лиття, є в’язкою, погано текучою сумішшю керамічного порошку, пластифікатора, диспергатора та розчинника. Після видалення повітря суспензію поміщають на машину для відливання стрічки, наносять ракелем певної товщини на несучу стрічку, сушать і відшаровують для утворення тонкої плівки. Потім зелений корпус обробляється відповідно до розмірів продукту. Суспензія для стрічкового лиття вимагає рівномірної дисперсії керамічного порошку без агломератів або нерозчиненого сполучного. Під час підготовки зеленого тіла лиття стрічки схильне до таких проблем, як нерівномірна товщина, шорстка поверхня, шрами та дефекти. Стрічкове лиття в основному використовується для виробництва тонких керамічних пластин, які широко застосовуються в підкладках інтегральних схем, матеріалах підкладок для підкладок, конденсаторах і варисторах низької напруги.
Нові процеси утворення колоїдів
Колоїдне формування передбачає рівномірне диспергування керамічного порошку в розчиннику з отриманням керамічної суспензії з високим вмістом твердої речовини та низькою в’язкістю, яку потім виливають у форму та тверднуть різними методами для отримання необробленого тіла певної форми та розміру. В останні роки було досягнуто значного прогресу в таких методах формування, що призвело до кількох похідних процесів, таких як гель-лиття, пряме коагуляційне лиття та спонтанне коагуляційне лиття.
01 Гельлиття
Гельлиття поєднує традиційне вологе формування з полімерною хімією. Органічні мономери піддаються полімеризації за певних умов з утворенням тривимірної полімерної мережі, яка замикає керамічні частинки та молекули розчинника в сітці, змушуючи керамічну суспензію твердіти та формувати зелене тіло. Цей метод не тільки успадковує переваги традиційного мокрого формування (шликерне лиття, лиття під тиском), але й значною мірою долає їхні проблеми, роблячи його практично цінним процесом формування кераміки.
The greatest challenge in gelcasting is preparing a high‑solids (>50 об.%, але низьков’язка керамічна суспензія. Текучість суспензії в основному визначається здатністю до диспергування та стабільністю порошку в розчиннику, чого можна досягти шляхом вибору відповідного диспергатора та контролю pH суспензії. Інша проблема полягає в контролі затвердіння суспензії. Умови полімеризації вибраного органічного мономеру та зшиваючого агента мають бути легко контрольованими. Вміст органіки в зеленому тілі має бути якомога меншим, а отримане зелене тіло повинно мати високу міцність. Органічна добавка під час гель-лиття зазвичай становить менше 5 мас.%, тому окрема стадія вигоряння сполучного не потрібна. Отримана зелень має високу міцність і однорідну структуру. Gelcasting пропонує такі переваги, як формування майже чистої форми, можливість виробляти продукти складної форми та можливість виробляти вироби великого розміру.
02 Лиття прямої коагуляції
Пряме коагуляційне лиття — це нова техніка формування кераміки, розроблена на основі гелевого лиття. Він використовує такі методи, як ферментний каталіз, контроль рН керамічної суспензії або контроль концентрації електроліту, щоб регулювати відштовхування подвійного шару між керамічними частинками, дестабілізувати стабільність суспензії керамічної суспензії та викликати твердіння керамічних частинок на місці з утворенням зеленого тіла. Механізм перетворення рідини в тверду речовину передбачає регулювання ван-дер-ваальсового притягання та електростатичного відштовхування, створюваного подвійним шаром. Змінюючи величину сили Ван-дер-Ваальса та електростатичного відштовхування, твердіння суспензії контролюється: коли домінує Ван-дер-Ваальсове тяжіння, суспензія прагне тверднути; коли домінує електростатичне відштовхування, суспензія має тенденцію розсіюватися. Вміст твердих речовин у суспензії для прямого коагуляційного лиття має становити не менше 55 об.%, щоб затвердіння можна було досягти шляхом регулювання рН суспензії. Умови затвердіння легко контрольовані та досяжні. Пряме коагуляційне лиття дає сирі тіла з високою щільністю, хорошою однорідністю, низьким вмістом органічних речовин і здатністю формувати продукти складної форми. Однак процес є складним, міцність необробленого матеріалу відносно низька, а методу бракує універсальності.
03 Спонтанна коагуляція
Мимовільне коагуляційне лиття — це новий процес формування кераміки, розроблений Шанхайським інститутом кераміки в 2011 році. Він використовує водорозчинні сополімери на основі ізобутилену як диспергатор і сполучну речовину для приготування керамічних необроблених тіл. Спонтанне коагуляційне лиття подібне до гелевого лиття за приготуванням суспензії, способом формування та характеристиками зеленого тіла. Різниця полягає в тому, що при спонтанному коагуляційному литті водорозчинний сополімер на основі ізобутилену діє і як диспергатор, і як зв’язуюча речовина, досягаючи затвердіння через з’єднання довгих молекулярних ланцюгів. Навпаки, гель-лиття досягає затвердіння шляхом полімеризації молекул мономерів і зшиваючих засобів для утворення тривимірної мережі, яка вловлює керамічні частинки. Переваги лиття зі спонтанною коагуляцією включають низький вміст органіки, затвердіння при кімнатній температурі, просту роботу та низьку вартість виробництва.