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特种陶瓷成型工艺:粉体与液体的不解之缘
2020年03月23日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:131
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特种陶瓷行业中,粉体是不可或缺的重要原材料。随着陶瓷性能指标的不断提高,粉体也不断朝着更细、更匀的方向发展。近年来,纳米粉的应用已是大势所趋。然而,更细的粉体同时也带来了更多的“烦恼”,比如团聚问题。

 

TiO2纳米粉体

粉体团聚问题往往是由颗粒间引力、电荷引力、机械咬合力等因素导致的;而且,当粉体表面存在吸附水等液体时,颗粒间会产生明显的毛细管力,通过收缩作用使颗粒紧紧团抱在一起。“解铃还须系铃人”,事实上,粉体与液体间不仅有“团聚之缘”,更有“解聚之缘”。它们的不解之缘,全集结在成型工艺之中。

1 特种陶瓷成型工艺介绍

特种陶瓷一般采用纯度极高的氧化物、氮化物、硅化物、硼化物、碳化物等微纳米粉体作为主要原料,成型方式已汇总于下表中。其中,注浆成型、热压铸成型和流延成型的对象是浆料,液体占比一般在30%以上,具有较好的流动性,可填充模具的各个角落;挤压成型、轧膜成型的对象是坯料,液体占比一般在10%-30%之间,塑性较好,成型后几乎不变形;干压成型和等静压成型的对象是造粒粉,液体占比一般低于10%,依靠压力提高造粒粉的堆积密度,烧结收缩小。

特种陶瓷成型工艺汇总

成型工艺                

浆料性能要求                

应用场合                

注浆成型                

触变性小;流动性、稳定性、渗透性和脱模性佳;不含气泡                

大型、形状复杂、薄壁制品                

热压铸                

成型                

浆料具备稳定性和可铸性                

形状较复杂、精度要求高的中小型制品                

流延成型                

粉体粒度小、粒形圆润;浆料流动性好                

超薄型、多层结构制品                

挤压成型                

粉体细度小且圆润;泥料均匀、塑性高                

管状、棒状、片状等制品                

轧膜成型                

1mm以下的薄片状制品                

干压成型                

用少量液体对粉体造粒后,直接压制                

形状简单、基板类制品                

等静压成型                

液体占比一般3%以下,瘠性粉体细度应小于20μm                

热等静压适用于特种陶瓷,冷等静压适用于日用陶瓷                

 

轧膜成型示意图

 

等静压成型示意图

2 粉体与液体的“润湿现象”

在特种陶瓷成型工艺中,均离不开“粉体”与“液体”两位主角的身影。此二者如影随形,并根据比例不同形成造粒粉、胚体和浆料三种状态。其实,造粒粉利用的就是让人又爱又恨的“团聚之缘”。粉体与液体的缘分,实则源于“润湿现象”。

如同人世间的感情一样,粉体和液体的缘分也分“喜”和“恶”,可用杨氏方程的接触角θ来度量:当θ90°时,液体能润湿粉体,喜结良缘;当θ90°时,粉体“憎恶”液体,不能润湿。对于成型工艺而言,自然希望粉体和液体能够相亲相爱,家和万事兴嘛!

 

润湿现象(左边不润湿、右边润湿)

当粉体颗粒被液体润湿后,根据颗粒间液体量的大小,可形成四种类型的液相态:摆动状态——颗粒接触点存在液相,液相不相连;链索状态——液相连成网状,气孔分布其间;毛细管状态——液体充满颗粒间所有空隙,仅粉体层表面存在气液界面;浸渍状态——颗粒群浸在液体中,存在自由液面。

 

模压成型的造粒粉属于摆动状态,小颗粒利用液桥力“团聚”成大颗粒;塑性成型的坯体属于链索状态或毛细管状态,成型后能够克服自重影响而不变形;注浆成型的浆料属于浸渍状态,粉体颗粒在液体介质中均匀分散,而后干燥成型。

3 粉体在液体介质中的分散与调控

粉体与液体的缘分,其实更多体现在“解聚之缘”上,即粉体在液体中解聚、分散,以提高特种陶瓷的均一性和稳定性。

粉体在液体介质中的分散与其表面状态和润湿状态有关,包括三个步骤:粉体团聚体被液体润湿;②团聚体在机械力作用下被打开成独立的原生颗粒或较小的团聚体;③稳定原生颗粒或小团聚体,阻止其再次团聚。在工艺上,可通过介质调控、分散剂调控、机械搅拌调控和超声调控四种途径来改善粉体在液体中的分散状态。

粉体在液体中的分散调控方式

调控方式                

机理                

举例                

介质调控                

粉体与液体:                

①极性相同易分散;                

②润湿性越好,分散性越好                

氧化锌粉体在苯中分散性好,在乙醇+水中分散性差                

分散剂                

调控                

粉体吸附分散剂:                

①静电斥力作用;                

②空间位阻效应;                

③改善润湿性                

六偏磷酸钠分散剂可改善氧化镁在水中的分散性                

机械搅拌调控                

通过机械搅拌引起的液体强湍流运动使颗粒破碎悬浮                

利用球磨罐搅拌氧化铝浆料                

超声调控                

利用超声空化作用产生的局部高温、高压或强冲击波和微射流来分散颗粒                

利用超声波960-1600kHz分散100nm的硫酸钡悬浮液                

4 小结

粉体与液体的缘分,既可以“团聚造粒”,又可以“解聚分散”,现已被广泛应用于特种陶瓷成型工艺中,并将持续影响特种陶瓷的性能提升和应用拓展。

粉体圈 作者王京

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