多孔碳化硅陶瓷成型工藝技術(shù)
多孔碳化硅陶瓷成型工藝技術(shù)與現(xiàn)代其他多孔陶瓷的成型工藝技術(shù)類似,也是主要采用5大類成型工藝方式:
一、固相粉末成型工藝:采用固相粉末成型傳統(tǒng)方法主要有模壓成型工藝、搗打成型工藝和等靜壓成型工藝,其中更早用于多孔碳化硅陶瓷的成型方法為模壓成型工藝,也是碳化硅陶瓷成型方式中目前應(yīng)用更廣泛的。
由于碳化硅粉末顆粒(粒度較大時) 本身沒有粘結(jié)性,無論是更古老的模壓成型方法,還是更新的無模具成型,都需要加入各種粘結(jié)劑成型。從早期使用的粘土,到后來逐漸使用的糊精、淀粉、糖蜜、焦油、瀝青、和各種有機樹脂,如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚碳酸酯(PC)、有機硅等物質(zhì)加入到碳化硅粉末中,目的都是為便于成型。如何選擇合適的坯體成型粘結(jié)劑,是從多孔碳化硅陶瓷開始制造時,到今天一直不斷在研究和關(guān)注一個課題。粘結(jié)劑的選擇的合適與否,對成型密度和干燥合格率、燒成后的氣孔率等都有直接的影響。此外,對坯體成型密度影響的主要因素是碳化硅顆粒(造粒后團聚體)的粒度分布、顆粒形貌等,也是碳化硅陶瓷成型工藝研究的重點。
固相粉末成型工藝的更大優(yōu)點是工藝簡單、易干燥,應(yīng)用廣泛,但存在很多缺點如:對粉料顆粒級配和形貌的要求較高,直接關(guān)系到成型坯體密度和密度的均勻性;制備過程中粉塵污染較大,不環(huán)保;設(shè)備工作效率低下,每制一個坯體需要重復(fù)模具抬升或下降加壓動作,和后續(xù)接坯動作,能源浪費大。
二、半固態(tài)流變成型工藝:根據(jù)采用此種工藝成型設(shè)備的差異,半固態(tài)流變成型工藝可分為熱壓鑄成型工藝、注射成型工藝、擠出成型工藝和振動成型工藝。同樣因為單純的碳化硅粉末缺乏粘性、良好的受壓流變性能、潤滑性、和加入溶劑(水、有機溶劑)后的膨脹性等半固態(tài)流變成型所必需的條件,因此需要加入一定量的粘結(jié)劑、潤滑劑、塑化劑、溶劑(水、有機溶劑)等各種添加劑。各種添加劑的研究、成型時流變工藝參數(shù)、模具設(shè)計及碳化硅粉末形貌、粒度分布,是此工藝研究的主要核心內(nèi)容。半固態(tài)流變成型工藝,普遍具有工藝過程復(fù)雜、工藝難度大,但設(shè)備簡單、投入少、成型效率高、環(huán)保等特點,適合形狀簡單、截面積一致的產(chǎn)品,如蜂窩多孔碳化硅陶瓷、多孔碳化硅管材、板材等產(chǎn)品。
三、液相料漿成型工藝:由于碳化硅晶體強共價鍵性質(zhì),決定了碳化硅粉末顆粒表面與水或其他極性溶劑之間的親和力非常的低,表面水(液)化膜非常的薄,碳化硅粉末在水中的懸浮性能差,加之碳化硅粉末本身粘性差,導(dǎo)致碳化硅料漿非常不穩(wěn)定,極易沉積。因此需要加入各種表面活性劑改善碳化硅顆粒的表面性能,同時減小碳化硅顆粒粒度來提高顆粒表面積,提高其與各種溶劑和表面活性劑的親和性,提高碳化硅料漿的穩(wěn)定性。碳化硅陶瓷的液相料漿成型,根據(jù)采用添加劑和設(shè)備模具的不同可分為澆注成型、直接凝固成型、凝膠成型、電泳沉積成型等工藝方法。在碳化硅陶瓷液相漿料成型工藝中,如何獲得高固相穩(wěn)定的漿料是其工藝關(guān)鍵之一,因此對各種添加劑和碳化硅粉末粒度分布、形貌等方面的研究成為廣大研究者的主要的著力點。此種工藝具有工藝過程復(fù)雜,自動化程度較低,生產(chǎn)效率低下,能源利用率不高,但適合于形狀復(fù)雜的產(chǎn)品。
四、氣相凝聚成型工藝:目前氣相凝聚成型的凝聚沉積速率一般較低,此種方法多用來制備多孔碳化硅陶瓷薄膜,用于制造功能器件。采用這種方法制備的多孔碳化硅陶瓷的孔壁多為致密結(jié)構(gòu),但所用設(shè)備復(fù)雜而精密,設(shè)備投資大,如磁控濺射、化學(xué)或物理氣相沉積設(shè)備等。
五、多相復(fù)合成型工藝:多相復(fù)合成型工藝是目前多孔碳化硅陶瓷制備中研究的熱點,以模板法為代表。模板法工藝根據(jù)模板在碳化硅陶瓷燒成過程作用的差異,可分為取代(犧牲)模板法和反應(yīng)模板法。模板法工藝的更大特點是獲得的多孔碳化硅陶瓷繼承了原始模板的結(jié)構(gòu),可以用來制造有序多孔碳化硅陶瓷。
取代(犧牲)模板法,即模板僅在陶瓷成型和燒成過程中起臨時支撐作用,而在燒成過程中,不參與反應(yīng)生成碳化硅陶瓷的過程,且獲得多孔碳化硅陶瓷中不含有模板的主要成分。反應(yīng)模板法,則模板在燒成過程中參與生成碳化硅陶瓷的反應(yīng),不僅在成型陶瓷坯體和燒成過程中起支撐體的作用,且在生成的多孔陶瓷中含有模板的主要成分。采用取代模板法以聚氨酯泡沫模板制備網(wǎng)眼(三維網(wǎng)絡(luò))多孔陶瓷為代表,是以含有陶瓷粉末(前驅(qū)體有機物、溶膠、無機物粉末)的陶瓷漿料(溶膠)浸漬有機泡沫板(聚氨酯泡沫板),液體漿料吸附在泡沫板表面,干燥,然后燒成脫去泡沫板,獲得多孔碳化硅陶瓷的方法。目前這樣方法得到廣泛的應(yīng)用,不僅可以制備大孔多孔陶瓷材料,還可制備介孔甚至納米孔多孔陶瓷材料。
反應(yīng)模板法,則以目前流行的生物多孔碳化硅陶瓷制備為代表,多以植物組織經(jīng)過炭化工藝處理得到炭模板,滲硅反應(yīng)生成多孔碳化硅陶瓷更為典型。此工藝過程一般為采用植物的莖,如:木材、秸稈,通過炭化處理獲得多孔炭坯體,然后將坯體浸漬各種液體(碳化硅料漿或先驅(qū)體有機物)然后干燥或直接是炭坯體通過高溫氣相(液相)滲硅,反應(yīng)燒成,獲得的多孔碳化硅陶瓷繼承了原始模板-植物組織結(jié)構(gòu)特征。
在干燥方面,采用固相粉末成型的多孔碳化硅陶瓷坯體多采用熱風干燥,尤其是大批量生產(chǎn)碳化硅耐火材料和碳化硅砂輪,其設(shè)備主要為熱風干燥房或是隧道式干燥器。對于采用其它工藝成型,含有大量液體的多孔碳化硅陶瓷坯體,如:擠出成型、多相復(fù)合成型中浸漬模板方法成型的坯體,目前趨向采用微波均勻干燥技術(shù)進行高速、均勻干燥。
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