Ze względu na wysoką twardość, odporność na wysokie temperatury, odporność na korozję i doskonałą izolację elektryczną ceramika z tlenku glinu jest szeroko stosowana w-najwyższych dziedzinach produkcji, takich jak przemysł lotniczy, opakowania elektroniczne, urządzenia medyczne i części-odporne na zużycie. W tych zastosowaniach proces formowania jest krytycznym etapem determinującym ostateczną wydajność, dokładność wymiarową i niezawodność ceramiki. Formowanie odnosi się do procesu przygotowania proszku tlenku glinu do postaci surowej bryły o określonym kształcie i rozmiarze. Aby uniknąć odkształcenia lub pękania podczas późniejszego suszenia lub spiekania, surowa bryła musi mieć możliwie wysoką gęstość i dobrą jednorodność.
Klasyfikacja metod formowania ceramiki z tlenku glinu
Procesy formowania ceramicznego można sklasyfikować zgodnie z charakterystyką płynięcia półfabrykatu na formowanie na sucho i formowanie na mokro, przy czym formowanie na mokro dzieli się dalej na formowanie plastyczne i formowanie koloidalne.
Formowanie na sucho
Przy formowaniu na sucho półwyrób zawiera niewielką ilość wody lub nie zawiera jej wcale (poniżej 6%), a zawartość innych spoiw lub smarów na ogół nie przekracza 1–2%. Proces polega na umieszczeniu proszku w formie i przyłożeniu zewnętrznej siły mechanicznej w celu nadania mu kształtu. Ceramiczny zielony korpus jest utrzymywany razem poprzez tarcie pomiędzy cząstkami ceramicznymi, zachowując określony rozmiar i kształt. Surowy korpus jest układem kompozytowym składającym się ze ślepej próby, fazy ciekłej (spoiwa) i powietrza.
01 Tłoczenie na sucho
Prasowanie na sucho obejmuje najpierw zmieszanie proszku z wodą lub spoiwem w celu utworzenia granulek, następnie umieszczenie granulowanego proszku w formie i wywarcie nacisku w celu utworzenia surowej bryły o określonej wytrzymałości i kształcie. Zalety prasowania na sucho obejmują prosty proces, łatwą obsługę, przydatność do-produkcji przemysłowej na dużą skalę, wysoką gęstość surową i mały skurcz spiekanego produktu. Jednakże, ponieważ prasowanie na sucho wykorzystuje prasowanie jednoosiowe, surowa bryła wykazuje znaczną niejednorodność- gęstości, która staje się bardziej wyraźna wraz ze wzrostem grubości próbki. Ponadto podczas przygotowywania proszku nie można wyeliminować aglomeratów znajdujących się w proszku, co utrudnia produkcję drobnej ceramiki.
02 Prasowanie izostatyczne
Prasowanie izostatyczne polega na umieszczeniu proszku w odkształcalnej gumowej formie, a następnie przyłożeniu równego ciśnienia z różnych osi za pośrednictwem ośrodka gazowego lub ciekłego w celu uformowania części. W porównaniu z prasowaniem na sucho, prasowanie izostatyczne wykorzystuje prasowanie wieloosiowe, co rozwiązuje problem niejednorodności gęstości surowych brył prasowanych na sucho i zmniejsza drogę przemieszczania się cząstek proszku, zwiększając w ten sposób szybkość formowania. Jednakże prasowanie izostatyczne ma wady, takie jak wysoki koszt sprzętu, skomplikowana konserwacja i podatność na wady (np. Nieregularności powierzchni, pęknięcia kompresyjne). W przypadku produktów o dużych rozmiarach prasowanie izostatyczne jest podatne na wystąpienie „stopy słonia” lub gradientów gęstości od zewnątrz do wewnątrz. Obecnie ceramikę z tlenku glinu produkowaną metodą prasowania izostatycznego w Chinach stosuje się głównie do produkcji ceramicznych kopuł antenowych, ceramicznych tulejek izolujących końcówki wysokiej częstotliwości itp.
Tradycyjne formowanie na mokro
W porównaniu z formowaniem na sucho, formowanie na mokro pozwala uniknąć aglomeracji proszku, zmniejszyć lub nawet wyeliminować defekty w surowej masie i poprawić niezawodność produktów ceramicznych, oferując niezawodną metodę produkcji drobnej ceramiki lub folii ceramicznych. Formowanie na mokro zazwyczaj obejmuje następujące etapy: (1) syntezę lub mieszanie proszku ceramicznego; (2) przygotowanie zaczynu ceramicznego; (3) zestalenie zawiesiny; (4) suszenie w celu usunięcia rozpuszczalnika; (5) spiekanie w celu uzyskania ceramiki. Kluczowymi punktami w formowaniu na mokro są przygotowanie zaczynu ceramicznego i suszenie surowej masy.
01 Odlewanie poślizgowe
Odlewanie metodą ślizgową polega na równomiernym zdyspergowaniu proszku ceramicznego w ciekłym ośrodku w celu utworzenia zawiesiny ceramicznej, a następnie wlaniu zawiesiny do formy gipsowej. Siła kapilarna formy gipsowej pochłania rozpuszczalnik z zawiesiny, powodując zestalenie się ceramiki i utworzenie zielonej bryły o określonym kształcie i rozmiarze. Odlewanie z gęstwy wymaga, aby zawiesina miała doskonałą płynność i stabilność. Ponadto forma musi mieć dobrą przepuszczalność, aby ułatwić usuwanie ciekłego ośrodka z surowej masy. Odlewanie z gęstwy ma zalety, takie jak prosty proces, niskie koszty produkcji i łatwa kontrola procesu. Jednakże czas formowania jest długi, gęstość surowa i wytrzymałość są niskie, a także podatne są na powstawanie defektów, takich jak pękanie i porów. W oparciu o odlewanie gęstwe badacze opracowali ulepszone metody, takie jak odlewanie odśrodkowe, odlewanie ciśnieniowe i prasowanie filtracyjne.
02 Odlewanie taśmy
Zawiesina ceramiczna stosowana do odlewania taśm jest lepką, słabo płynącą mieszaniną proszku ceramicznego, plastyfikatora, środka dyspergującego i rozpuszczalnika. Po odpowietrzeniu zawiesinę umieszcza się na maszynie do odlewania taśm, rozprowadza za pomocą rakla do określonej grubości na taśmie nośnej, suszy i odrywa, tworząc cienką warstwę. Surowy korpus jest następnie obrabiany zgodnie z wymiarami produktu. Zaczyn do odlewania taśm wymaga równomiernego rozproszenia proszku ceramicznego bez aglomeratów i nierozpuszczonego spoiwa. Podczas przygotowywania świeżego ciała odlewanie taśmy jest podatne na problemy, takie jak nierówna grubość, szorstka powierzchnia, blizny i defekty. Odlewanie taśmowe stosowane jest głównie do produkcji cienkich płytek ceramicznych, szeroko stosowanych na podłoża obwodów scalonych, materiały podłoża na podłoża, kondensatory i warystory niskiego napięcia.
Nowe procesy formowania koloidalnego
Formowanie koloidalne polega na równomiernym zdyspergowaniu proszku ceramicznego w rozpuszczalniku w celu uzyskania zawiesiny ceramicznej o dużej zawartości części stałych i niskiej lepkości, którą następnie wlewa się do formy i zestala różnymi metodami w celu uzyskania surowej bryły o określonym kształcie i rozmiarze. W ostatnich latach nastąpił znaczny postęp w zakresie takich metod formowania, co doprowadziło do kilku procesów pochodnych, takich jak odlewanie żelowe, odlewanie z bezpośrednią koagulacją i odlewanie z koagulacją spontaniczną.
01 Żelowanie
Gelcasting łączy tradycyjne formowanie na mokro z chemią polimerów. Monomery organiczne ulegają polimeryzacji w określonych warunkach, tworząc trójwymiarową sieć polimerową, która zamyka w sieci cząstki ceramiczne i cząsteczki rozpuszczalnika, powodując zestalenie zawiesiny ceramicznej i utworzenie zielonej bryły. Metoda ta nie tylko dziedziczy zalety tradycyjnego formowania na mokro (odlewanie metodą wtrysku, formowanie wtryskowe), ale w dużym stopniu przezwycięża ich problemy, czyniąc ją praktycznie wartościowym procesem formowania ceramiki.
The greatest challenge in gelcasting is preparing a high‑solids (>50% objętościowych, ale o niskiej lepkości, zawiesina ceramiczna. Płynność zawiesiny zależy głównie od zdolności do dyspergowania i stabilności proszku w rozpuszczalniku, co można osiągnąć poprzez dobór odpowiedniego środka dyspergującego i kontrolowanie pH zawiesiny. Kolejnym wyzwaniem jest kontrolowanie krzepnięcia szlamu. Warunki polimeryzacji wybranego monomeru organicznego i środka sieciującego powinny być łatwe do kontrolowania. Zawartość substancji organicznych w zielonej masie powinna być jak najniższa, a otrzymana surówka powinna charakteryzować się dużą wytrzymałością. Dodatek organiczny w procesie żelowania wynosi na ogół mniej niż 5% wag., zatem nie jest wymagany oddzielny etap wypalania spoiwa. Otrzymana masa surowa charakteryzuje się dużą wytrzymałością i jednolitą strukturą. Odlewanie żelowe oferuje takie korzyści, jak formowanie w kształcie zbliżonym do netto, możliwość wytwarzania produktów o skomplikowanych kształtach i możliwość wytwarzania produktów o dużych rozmiarach.
02 Bezpośredni odlew koagulacyjny
Odlewanie metodą bezpośredniej koagulacji to nowatorska technika formowania ceramiki opracowana w oparciu o odlewanie żelowe. Wykorzystuje metody takie jak kataliza enzymatyczna, kontrola pH zawiesiny ceramicznej lub kontrola stężenia elektrolitu w celu regulacji odpychania dwuwarstwowego pomiędzy cząstkami ceramicznymi, destabilizacji stabilności zawiesiny zawiesiny ceramicznej i spowodowania zestalenia in situ cząstek ceramicznych, tworząc zieloną bryłę. Mechanizm przemiany ciecz-ciało stałe polega na regulacji przyciągania van der Waalsa i odpychania elektrostatycznego generowanego przez warstwę podwójną. Zmieniając wielkość siły van der Waalsa i odpychania elektrostatycznego, kontrolowane jest krzepnięcie zawiesiny: gdy dominuje przyciąganie van der Waalsa, zawiesina ma tendencję do krzepnięcia; gdy dominuje odpychanie elektrostatyczne, zawiesina ma tendencję do rozpraszania się. Zawartość części stałych w zawiesinie do odlewania metodą bezpośredniej koagulacji powinna wynosić nie mniej niż 55% obj., aby można było osiągnąć zestalenie poprzez dostosowanie pH zawiesiny. Warunki krzepnięcia są łatwe do kontrolowania i osiągalne. Odlewanie metodą bezpośredniej koagulacji daje surowe bryły o dużej gęstości, dobrej jednorodności, niskiej zawartości substancji organicznych i zdolności do tworzenia produktów o skomplikowanych kształtach. Jednak proces jest złożony, wytrzymałość na surowo jest stosunkowo niska, a metodzie brakuje uniwersalności.
03 Odlewanie spontanicznej koagulacji
Odlewanie z koagulacją spontaniczną to nowatorski proces formowania ceramiki opracowany przez Instytut Ceramiki w Szanghaju w 2011 roku. Wykorzystuje rozpuszczalne w wodzie kopolimery na bazie izobutylenu zarówno jako środek dyspergujący, jak i spoiwo do przygotowania surowych brył ceramicznych. Odlewanie z koagulacją spontaniczną jest podobne do odlewania żelowego pod względem przygotowania zawiesiny, metody formowania i charakterystyki surowej masy. Różnica polega na tym, że w odlewaniu metodą spontanicznej koagulacji rozpuszczalny w wodzie kopolimer na bazie izobutylenu działa zarówno jako środek dyspergujący, jak i spoiwo, osiągając zestalenie poprzez mostkowanie długimi łańcuchami molekularnymi. Natomiast w procesie żelowania krzepnięcie następuje poprzez polimeryzację cząsteczek monomeru i środków sieciujących, tworząc trójwymiarową sieć, która wychwytuje cząstki ceramiczne. Zalety odlewania z koagulacją spontaniczną obejmują niską zawartość substancji organicznych, krzepnięcie w temperaturze pokojowej, prostą obsługę i niskie koszty produkcji.