实验讲义-无机材料凝胶注模成型

====Word行业资料分享====Word行业资料分享--可编辑版本--双击可删====源源-于-网-络-收-集实验5 无机材料凝胶注模成型无机材料因其独特的性能已广泛地应用于电子、机械、国防等工业领域，但无机材料（陶瓷材料烧结后很难进行机加工，故人们一直在寻求复杂形状陶瓷元件的净尺寸成型方法，这已成为保证陶瓷元件质量和使所研制的材料获得实际应用的关键环节。陶瓷材料的成型方法，一般可分为干法和湿法两大类。相比而言，湿法成型工艺设备简单、成型坯体组分均匀、缺陷少、易于成型复杂形状零件等优点，实用性较强，但传统的湿法成型技术都存在一些问题，如注浆成型是靠石膏模吸水来实现的，造成坯体中形成密度梯度分布和不均匀变形，并且坯体强度低，易于损坏。热压铸或注射成型需加入质量分数高达20%的蜡或有机物，造成脱脂过程繁琐，结合剂的融化或蒸发使坯体的强度降低，易形成缺陷甚至倒塌。这些问题提高了陶瓷材料的生产成本，降低了其质量的稳定性。20世纪90(Gelcasting)一.实验目的了解无机材料凝胶注模成型工艺原理；凝胶注模成型的特点及其应用。二.实验原理凝胶注模成型工艺作为近年来发明的一种较为新颖的近净尺寸原位凝固新型成型技术,在低粘度高固相含量的料浆悬浮液中加入少量的有机单体,然后利用催化剂及引发剂,使悬浮体中的有机单体聚凝胶注模成型技术是传统的注浆工艺与有机化学高聚合理论的完美结合，它通过引入一种新的定50%)、低粘度(小于1Pa.s（无机材料）浆料中，掺入低浓度的有机单体。当加入引发剂并浇铸后，浆料中的有机单体在一定的条件下发生原位聚合反应，形成坚固的交链网状结构，使浆料立即原位凝固，从而使陶瓷坯体原位定型。然后进行脱模、干燥、去除有机物、烧结，即可制得所需陶瓷零件。其工艺流程如图1胶注模成型与热压铸或注射成型相比，主要差别在于，后两种工艺中作为粘结剂的有机聚合物或蜡被有机单体取代，然后利用有机单体原位聚合来实现定型。(Nonaqueous又发明了用于水溶剂的水凝胶注模成型(aqueousgelcasting)，并广泛应用于各种陶瓷中。能用于水凝胶注模成型工艺中的有机单体体系应满足以下性能：20%，而后者至少2%)解度过低，有机单体就不是溶液聚合，而是溶液沉淀聚合。这样就不能成型出密度均匀的坯体，并且还会影响坯体的强度。证有足够的脱模强度。1表1用水疑胶注模的有机单体体系名名称简称符号单体丙烯酰胺AM甲基丙烯酰胺MAM甲基聚乙二醇单甲基丙烯酯MPEGMA乙烯基吡咯酮NVP交联剂亚甲基双丙烯酰胺MBAM凝胶注模成型是一种实用性很强的技术，它具有以下几个显著特点：(1)可适用于各种陶瓷材料，成型各种复杂形状和尺寸的陶瓷零件。的凝胶体来实现的。所以成型坯体组分均匀、密度均匀、缺陷少。5～60min。该工艺所用模具为无孔模具，且对模具无特殊要求，可以是金属、玻璃或塑料等。坯体中有机物含量较小，其质量分数一般为3%～5%。但强度较高，一般在10MPa以上。可对坯烧结体可保持成型时的形状和尺寸比例。所用陶瓷料为高固相(体积分数不小于50%)、低粘度(小于1Pa.s型坯体的密度、强度及均匀性的因素，粘度的大小关系到所成坯体形状的好坏及浆料的排气效果。这也是应用该技术的难点和能否成功的关键。介质。该工艺包括几个过程（见图。在一定的温度条件下引发有机单体聚合,浆料粘度骤增,从而导致浆料原位凝固成型,最终形成具有一料浆中有机单体的凝胶固化过程为：首先是引发剂分解，形成初级自由基；初级自由基与====Word行业资料分享--可编辑版本--双击可删====单体加成，形成单体自由基；单体自由基不断与单体分子结合形成链自由基。上述反应不断进行，从而生成长链聚合物，最终完成单体的聚合反应。而料浆中的交联剂由于具有 2个酞胺基所以，可将丙烯酞胺长链相互连接起来，生成由聚丙烯酞胺构成的三维立体结构，陶瓷颗粒被固定其中，陶瓷颗粒与聚合物凝胶通过吸附作用，形成具有一定强度和柔韧性的坯体。热反应，较高的温度有利于促进初级自由基的形成，提高引发效率；而单体的聚合反应是一个放热过程，在反应引发后，所放出的热量足以支持反应进行。聚合反应的进行，聚合反应放出的热反应，又促使体系温度进一步升高，所以，随固化温度的升高凝胶固化速度加快，所需要的时间也就减少。但当温度达到 60℃以上，凝胶固化过程对度的变化已不再敏感，实际上，由于浇注体具有一定的厚度，热量从表面向内部传递也需要一定的时间，所以，凝胶固化过程不仅决定于温度，还受到热量传递时间的影响。凝胶化温度的控制必须保证整个体系能够均匀固化，这也是获得材料密度均匀的重要条件之一。在凝胶注模成型工艺中凝胶固化时间是一个重要的工艺参数。一般情况下，为使分散剂均相体积含量及引发剂和催化剂的加入量等有关系。图1陶瓷凝胶注模成型工艺流程三、实验器材球磨机、球磨罐；或行星球磨机、球磨罐；真空搅拌机（或电动增力搅拌器；凝胶注模成型模具（塑料模或橡胶模或金属模；泥浆杯（注浆杯；20目、40目分析筛；源-于-网-络-收-集====Word行业资料分享====Word行业资料分享--可编辑版本--双击可删====源源-于-网-络-收-集玻璃棒；修坯刀；电热鼓风干燥箱（或恒温恒湿干燥箱。四、实验步骤4.1高强度氧化铝陶瓷坯体凝胶注模成型………………………………………………熔融石英陶瓷坯体凝胶注模成型烯酞胺聚合物—亚甲基聚丙烯酞胺，这种聚合物具有高效的增稠性和极强的抗剪切力，因此凝胶注浆成型工艺所得的坯体强度极高。实验原料熔融石英粉；有机单体：丙烯酰胺(AM)；引发剂：过硫酸铵[(NH4)2S208](简称APS)；交联剂：亚甲基双丙烯酰胺(MBAM)；催化剂：四甲基乙二胺(TEMED)；乳酸做为稀释剂（分散剂）；实验步骤①．将一定量的MBAMAM与水配制成预混液；②．将预混液和一定量的熔融石英粉以及一定量的乳酸分散剂（稀释剂） ，加入球磨罐中磨一定时间（根据配料及球磨机效率等，确定球磨时间 2~6hr；③．加入一定量的引发剂，迅速搅拌均匀；④．再将料浆注入一次模具中，并以此刻作为凝胶固化的开始，在水浴中由室温逐渐升到指定温度，采用目测液相消失的办法来判断凝胶固化的结束；⑤．固化完成后，脱模，得到高强度的熔融石英陶瓷坯体；⑥．对凝胶注模坯体在设定的干燥制度下干燥；必要时，可在恒温恒湿箱中进行；通过上述步骤，可制备出高固相含量、微小收缩，生坯强度极高的可进行机械加工的熔融石英陶瓷坯体；如果需要，可进行排胶和高温烧结过程，制备熔融石英陶瓷。五、注意事项坯体的性能。综合考虑，根据不同的配方体系以及具体实验，选择合适的凝胶注模成型固化温度。降低气孔率。料浆固相体积含量增加，凝胶时间缩短，有利于坯体及材料密度的均匀以及强度的提高，但固相含量过高，料浆的流动性变差，不利于复杂形坯体的浇注，也不利于固化过程中内部