石英陶瓷又稱熔融石英陶瓷、石英玻璃陶瓷、石英玻璃燒結(jié)產(chǎn)品，以熔融石英或石英玻璃為原料，通過破碎、成型、燒結(jié)工藝，熔融石英陶瓷具有熱穩(wěn)定性好、熱膨脹系數(shù)小、介電常數(shù)低、耐酸堿腐蝕、電絕緣好、成本低等一系列優(yōu)良性能，石英陶瓷廣泛應(yīng)用于宇宙飛船、火箭、導(dǎo)彈、雷達(dá)、原子能、電子、鋼鐵、煉焦、有色金屬、玻璃等工業(yè)領(lǐng)域。

用于膠體成型的陶瓷漿料是由陶瓷粉、水、有機(jī)物等介質(zhì)組成的膠體系統(tǒng)。系統(tǒng)中的陶瓷顆粒具有良好的分散性，顆粒之間的團(tuán)聚較少，隨著膠體系統(tǒng)的流動，陶瓷顆?？梢孕纬蓮?fù)雜的坯體。因此，膠體成型已廣泛應(yīng)用于熔融石英陶瓷的制備中。膠體成型主要包括：注射成型、輔助氣體注射成型、直接凝固注射成型、溫度誘導(dǎo)成型、電泳沉積成型、壓濾成型、離心灌漿成型、凝結(jié)成型等。

1.傳統(tǒng)的膠態(tài)成型工藝

(1)注射成型

注射成型是利用聚合物聚合物的高溫熔化和低溫凝固，使坯體成型，然后去除有機(jī)物。

優(yōu)點(diǎn)：形狀復(fù)雜的產(chǎn)品，坯體尺寸精度高，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)均勻。

缺點(diǎn)：模具設(shè)計(jì)復(fù)雜，有機(jī)物難以消除。

(2)輔助氣體注射成型

輔助氣體注射成型是在聚合物熔體中加入氣體，使成型過程更容易進(jìn)行的一種成型方法。

輔助氣體注射成型原理圖

a：熔體 b：氣體引入 c：氣體保壓 d：氣體排出和脫模

優(yōu)點(diǎn):由于流動狀態(tài)下各方向壓力相同，避免了漿料的定向行為，使坯料具有更好的尺寸穩(wěn)定性，避免了坯料的內(nèi)部翹曲；輔助氣體成型的坯料管壁較薄，即使用相同的原料，可以生產(chǎn)管徑較大的產(chǎn)品。因此，降低了原材料成本，提高了生產(chǎn)效率。

缺點(diǎn):料漿熱性能和工藝難以控制。

(3)直接凝固注模成型

通過改變漿液，將生物酶技術(shù)、膠態(tài)化學(xué)和陶瓷工藝融為一體pH值，或漿體系中的離子強(qiáng)度，從而降低粉體表面的電荷。

直接凝固注模成型示意圖

優(yōu)點(diǎn)：漿料不需要有機(jī)添加劑，坯料不需要脫脂，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)均勻，相對密度高，可形成大尺寸、形狀復(fù)雜的產(chǎn)品。

(4)溫度誘導(dǎo)成型

該成型原理是利用物質(zhì)溶解度隨溫度的變化產(chǎn)生凝膠成型。溫度誘導(dǎo)成型制備的漿液固相含量高，有機(jī)物含量低。

優(yōu)點(diǎn)：需要少量的有機(jī)添加劑，減少有機(jī)物的排除過程，坯體內(nèi)氣孔少。

(5)電泳沉積成型

電泳沉積成型是以水基陶瓷漿料為基礎(chǔ)的成型工藝。電泳陶瓷漿料應(yīng)具有良好的分散性，以確保漿料顆粒能夠沉淀到電極上。

優(yōu)點(diǎn)：簡單、靈活、可靠。

(6)離心灌漿成型

離心灌漿成型結(jié)合濕粉制備和無應(yīng)力致密技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，用于制備大體積、近凈尺寸的陶瓷產(chǎn)品。粉末濕處理避免了團(tuán)聚等影響因素造成的缺陷。

缺點(diǎn)：由于形狀和成本的限制，該成型方法仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。

(7)壓濾成型

壓濾成型是在灌漿成型的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。影響壓濾過程的因素有壓降、液體介質(zhì)粘度、表面積、間隙分布和壓濾成型模具。

壓濾成型示意圖

2.先進(jìn)的膠體成型工藝-注凝成型

注凝成型工藝是自20世紀(jì)90年代以來出現(xiàn)的一種新型膠體成型工藝，是橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室M.A.Jammey其他人首先發(fā)明的是傳統(tǒng)膠體成型工藝與有機(jī)化學(xué)理論的理想結(jié)合。

凝結(jié)成型原理是將有機(jī)聚合物單體和交聯(lián)劑配合成前驅(qū)體溶液，在前驅(qū)體溶液中加入陶瓷顆粒，制成低粘度、高固相含量的漿料，然后加入引發(fā)劑和催化劑，在一定溫度條件下將漿料加入模具中。

熔融石英陶瓷注塑工藝流程圖

傳統(tǒng)的膠體成型方法存在一些缺點(diǎn)，如注漿坯在厚度方向上形成密度梯度分布，坯干燥變形，強(qiáng)度低，不能機(jī)械加工；注射坯強(qiáng)度和均勻性好，但有機(jī)含量高，有機(jī)物難以消除；壓濾成型需要特殊的多孔模具，成型坯體均勻性差，強(qiáng)度低；直接凝固注模成型坯體均勻性大大提高，但成型坯體強(qiáng)度也較低。

對比幾種膠成型方法

因此，熔融石英陶瓷注凝成型不僅具有其它膠體成型的優(yōu)點(diǎn)，而且克服了其它膠體成型方法的缺點(diǎn)，具有以下特點(diǎn)：

坯體強(qiáng)度高，可機(jī)械加工成形狀復(fù)雜的陶瓷零件；坯體整體均勻性好，可降低燒成溫度，大大提高陶瓷零件的可靠性；與注射成型相比，注射成型方法有機(jī)物含量低，無脫脂排塑困難；注射成型可實(shí)現(xiàn)近凈尺寸成型；固化反應(yīng)時間可根據(jù)成型過程中砂漿處理、充模、動態(tài)作用等工藝時間的要求，控制引發(fā)劑的添加量；設(shè)備要求簡單，操作方便。

綜上所述，凝膠注塑成型在制備熔融石英陶瓷方面具有很大的優(yōu)勢，可以有效控制材料的顯微結(jié)構(gòu)，減少材料內(nèi)部的各種缺陷，提高材料的力學(xué)性能和使用可靠性。

參考資料：

趙增寶.熔融石英陶瓷制備技術(shù)及性能檢測方法及表征

呂鋒.高密度熔融石英陶瓷研究

文定.熔融石英陶瓷工藝的研究

張浩益.研究高強(qiáng)度高致密熔融石英陶瓷的動態(tài)注凝成型方法

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