超细二氧化锆注凝成型排胶过程探究.doc

超细二氧化错注凝成型排胶过程探究摘要：研究了超细二氧化错注凝成型排胶过程中坯体 内部的物理化学变化、排胶对坯体强度的影响以及排胶工艺 的影响因素结果表明，温度在250C以下时，坯体内残余 水分排除；250〜510",坯体内聚合物分解，网络软化，坯 体强度下降直至消失；5109以上时，坯体内局部烧结，强 度回升排胶受升温速率、坯体形状等因素影响关键词：超细二氧化错排胶注凝成型DTA-TG一、前言Zr02所制备的结构陶瓷元器件如刀具、模具、阀门、轴 承、发动机衬里、高温耐火材料等具有优良的机械和物理性 能，其超细粉体所制备出的陶瓷材料性能更加优异，展现出 诱人的应用前景[1-3],但超细粉体由于晶粒尺寸小、比表 面积大，传统的成型方法容易引入缺陷，坯体内部颗粒很难 分布均匀，采用凝胶注模成型技术能有效地控制颗粒的团 聚，减少坯体的缺陷，制备强度高、结构均匀的陶瓷坯体 [4-9]o凝胶注模工艺使用了一定量的有机物（有机单体、交联 剂等），这些有机物在烧结前必须被排除掉，否则在烧结时 由于粘结剂的挥发和软化，会造成坯体严重变形，或坯体中 出现较多气孔导致机械强度降低因此，需要先将坯体中的 有机物排除干净，然后再进行烧结。

排胶过程有3个作用［101：①排除粘结剂，保持原有形 状，为下一步烧结工作做准备②使陶瓷坯体获得一定的强 度；③消除粘结剂烧除时的还原作用，在通风不好时，粘结 剂会生成C0气体，使制品受还原气氛的影响本文采用了凝胶注模成型工艺制备超细二氧化错的陶 瓷坯体，对排胶过程的影响因素进行了系统的研究二、试验方法1. 试验原料超细二氧化错粉料，d50=0. lum,有机单体为丙烯酰胺(CH2CONH2, AM),交联剂为N，N，一亚甲基双丙烯酰胺［(CH2CONH) 2CH2, MBAM］,采用过硫酸铁［(NH4) 2S208, ASP］作引发剂，N, N, N，，N，一四甲基乙二胺(TEMED)作 催化剂，用氨水调节料浆pH值2. 试验过程按100： 15： 1的比例将有机单体、交联剂和去离子水 搅拌混合，将其pH值调节到10〜11间，加入Zr02粉体和 分散剂，球磨20h制得Zr02料浆悬浮体，加入引发剂和催 化剂，使料浆中的有机单体交联聚合成三维网状结构，注入 到模具中凝胶成型将凝胶化反应得到的Zr02成型坯体置 于不同浓度的聚乙二醇(PEG10000)溶液中脱水干燥至恒重， 取出后在室温下继续干燥得到所需坯体。

3•性能测试试验采用(中国科学院科学仪器厂生产的KYKY2800扫 描电镜(SEM)观察材料表面形貌用HCT-2型微机差天平 研究二氧化错坯体的差热及失重曲线，测定的温度范围是室 温至750C,升温速率为10C /mine采用WE-100B度盘式 液压万能试验测试材料的弯曲强度三、试验结果与分析1. 排胶过程中坯体内部物理化学变化图1超细二氧化错坯体DTA-TG曲线Fig. 1 DTA-TG curves of green bodies of ultrafine zirconia图1是坯体排胶过程的差热分析(DTA)—热失重(TG) 曲线曲线反映了升温过程中坯体内部物理的物理化学变化 过程，排胶工艺可依据曲线变化制定由图可知，对于超细 二氧化锥注凝成型坯体，250C以内，差热曲线有微小的吸 热变化，热失重变化较小，主要是坯体内残留水分的挥发过 程；250~38(TC时，坯体内部聚合物开始分解，其内部分子 发生缩合反应脱去结构水，并放出热量此时，坯体内部网 络软化，但未遭到大的破坏，因此这一阶段失重较小；此后, 温度继续升高，聚合物发生剧烈的氧化反应，坯体内部的高 分子网络分解、气化并由坯体排出，使得坯体热失重增加； 当温度达到510C时，失重基本完毕。

由此可见，510C以前 不宜升温过快，以免造成坯体开裂2. 排胶过程中坯体强度变化图2是固相量为52%的二氧化错坯体排胶过程中坯体强 度的变化曲线室温下坯体强度可高达53.9MPa随着排胶 温度升高，坯体强度开始下降，510C排胶后坯体强度降至 最低主要是因为250~38(TC是聚合物网络分解、氧化的阶 段，高分子内部的梭基缩合脱去分子间水和分子内部的水， 坯体内部网络发生软化，因此强度降低380C时，坯体内 聚合物开始发生强烈的氧化反应，有机聚合物网络高温而降 解，高分子网络发生分解、蒸发，其粘结作用失效，坯体强 度进一步降低510C排胶，坯体坯体强度已降至最低排 胶后继续升温，部分氧化错颗粒发生粘结，坯体重新获得一 定强度，随温度增加，其抗弯强度随之增加3. 升温速率对排胶过程影响升温速率对排胶过程有较大影响，图3是坯体分别在 100C/h和25(TC/h的升温速率下排胶后的断口形貌的扫描 电镜照片由图可知，排胶速度较慢时，坯体中颗粒分布均 匀，没有大的团聚体出现，颗粒间孔隙分布也比较均匀而 升温速率过快，水分和有机物排除过快，在坯体当中留有较 大气孔，颗粒团聚，且易产生起皮、表层脱落以及开裂等缺 陷。

4. 坯体形状对排胶过程影响超细二氧化错注凝成型的坯体，其形状对排胶过程有着 重要影响，在制定排胶工艺制度时，要给予充分考虑对于 壁厚、形状复杂的坯体，排胶过程中升温速率要慢，以避免 水分和及有机物气化快速排出坯体时，使坯体局部应力过 大，引起坯体的变形或开裂温度在380~51(TC时升温更宜 缓慢，以防止坯体胀裂四、结论1.随温度上升，排胶过程有阶段性变化，坯体强度也随 之改变温度在250C以内，坯内残留水分的挥发，坯体强 度略有下降；升温至250~38(TC时，坯内聚合物开始分解， 网络软化，坯体强度有较大降低继续升温至380~51(TC, 聚合物发生剧烈的氧化反应，气化后由坯体排出，坯体强度 降至最低；510C以，坯体部分烧结，强度回升2•排胶过程受升温速率影响，升温速率较慢时，坯体中 颗粒细小，粒径均匀，颗粒间孔隙分布也比较均匀，排胶效 果较好；快速排胶，即升温速率过快时，坯体内会产生较大 气孔，且易产生变形、起泡、起皮以及开裂等缺陷3•对于壁厚、形状复杂的坯体，升温速率宜慢，以免水 分及有机物气化快速排出，使坯体局部应力过大，引起坯体 的变形或开裂温度在380〜50(TC时升温更宜缓慢，以防坯 体胀裂。

4.超细二氧化锥注凝成型坯体强度很高，可直接进行机加工，坯体内有机物含量少，排胶工艺简单，适于制备性能 特异的陶瓷材料，应用前景广阔参考文献：[1] 斯温MV.陶瓷的结构与性能[M].郭景坤等译.北京： 科学出版社，1998:92^102.[2] Mayo M J, Hague D C, Chen D J. Processing nanocrystalline ceramics for applications in superplasticity[J].Mater Sci Eng A, 1993, 166(1-2) ：145〜159.[3] Mayo M J. Synthesis and applications of nanocrystalline ceramics [J]・ Mater Design, 1993, 16(6)： 323~329・[4] 施剑林.固相烧结T气孔显微结构模型及其热力学 稳定，致密化方程[J].硅酸盐学报,1997, 25 (5) ：499〜513.[5] Chen Pei-lin, Chen I-wei・ Sintering of Fine Oxide Powders： I, Microstruetural Evolution[J]・ J Am Ceram Soc, 1996, 79 (12) ：3129〜3141・[6] Jae-Pyoung Ahn, Moo-YoungHuh, Jong-Ku Park・ Effect of green density on subsequent densification and grain growth of nanophase SnO2powder during isothermal sint ering[J]. Nanos true tu red Mat er, 1997,8(5) ： 637^643..7]Ivanov V, Kotov Y A, Samatov OH, et a 1. Synthesis and dynamic compaction of ceramic nano powders by techniques based on electric pulsed power[J]・ Nanostructured Mater, 1995, 6 (1-4) :287^290.[8] 李蔚，高濂，久米秀树，等.橡胶等静压成型纳米Zr02 (3Y)粉素坯[J]・无机材料学报，2002, 17 (6) : 1297^1300.[9] 张永胜，胡丽天，陈建敏.氧化错纳米陶瓷素坯成 型研究[J].材料热处理学报.2005, 26 (6) ：5~8.[10] 刘晓光，全建峰，李宝伟，陈大明•水基凝胶注模 坯体的排胶工艺研究[J].航空材料学报，2005, 25(1) ：48~52・。