Datorită durității sale ridicate, rezistenței la temperaturi ridicate, rezistenței la coroziune și izolației electrice excelente, ceramica cu alumină este utilizată pe scară largă în domeniile de producție de ultimă generație, cum ar fi industria aerospațială, ambalaje electronice, dispozitive medicale și piese rezistente la uzură-. În aceste aplicații, procesul de formare este un pas critic care determină performanța finală, acuratețea dimensională și fiabilitatea ceramicii. Formarea se referă la procesul de preparare a pulberii de alumină într-un corp verde cu o anumită formă și dimensiune. Pentru a evita deformarea sau fisurarea în timpul uscării sau sinterizării ulterioare, corpul verde trebuie să aibă o densitate cât mai mare și o uniformitate cât mai bună.
Clasificarea metodelor de formare a ceramicii cu alumină
Procesele de formare ceramică pot fi clasificate în funcție de caracteristicile de curgere ale semifabricatului în formare uscată și formare umedă, cu formare umedă împărțită în continuare în formare plastică și formare coloidală.
Formare uscată
La formarea uscată, semifabricatul conține puțină sau deloc apă (mai puțin de 6%), iar conținutul de alți lianți sau lubrifianți nu depășește, în general, 1%-2%. Procesul implică plasarea pulberii într-o matriță și aplicarea unei forțe mecanice externe pentru a modela pulberea. Corpul ceramic verde este ținut împreună prin frecarea dintre particulele ceramice, menținând o anumită dimensiune și formă. Corpul verde este un sistem compozit format din martor, fază lichidă (liant) și aer.
01 Presare uscată
Presarea uscată presupune mai întâi amestecarea pulberii cu apă sau un liant pentru a forma granule, apoi plasarea pulberii granulate într-o matriță și aplicarea presiunii pentru a forma un corp verde cu o anumită rezistență și formă. Avantajele presării uscate includ proces simplu, operare ușoară, adecvare pentru producția industrială la scară mare-, densitate mare în verde și contracție mică a produsului sinterizat. Cu toate acestea, deoarece presarea uscată utilizează presarea uniaxială, corpul verde prezintă neuniformitate semnificativă a densității, care devine mai pronunțată pe măsură ce grosimea probei crește. Mai mult, aglomeratele din pulbere nu pot fi eliminate în timpul preparării pulberii, ceea ce face dificilă producerea ceramicii fine.
02 Presare izostatică
Presarea izostatică implică plasarea pulberii într-o matriță de cauciuc deformabilă și apoi aplicarea unei presiuni egale din diferite axe printr-un mediu gazos sau lichid pentru a forma piesa. În comparație cu presarea uscată, presarea izostatică utilizează presarea multi-axială, care rezolvă problema neuniformității densității a corpurilor verzi presate uscat și reduce distanța de deplasare a particulelor de pulbere, crescând astfel viteza de formare. Cu toate acestea, presarea izostatică are dezavantaje, cum ar fi costul ridicat al echipamentului, întreținerea complexă și susceptibilitatea la defecte (de exemplu, neregularități ale suprafeței, fisuri de compresie). Pentru produsele de dimensiuni mari, presarea izostatică este predispusă la „picior de elefant” sau gradienți de densitate din exterior spre interior. În prezent, ceramica de alumină produsă prin presare izostatică în China este utilizată în principal pentru radomurile ceramice, manșoanele ceramice izolatoare terminale de înaltă frecvență etc.
Formare umedă tradițională
În comparație cu formarea uscată, formarea umedă poate evita aglomerarea pulberilor, poate reduce sau chiar elimina defectele din corpul verde și poate îmbunătăți fiabilitatea produselor ceramice, oferind o cale de încredere pentru producerea ceramicii fine sau a filmelor ceramice. Formarea umedă include în general următoarele etape: (1) sinteza sau amestecarea pulberii ceramice; (2) prepararea suspensiei ceramice; (3) solidificarea suspensiei; (4) uscare pentru îndepărtarea solventului; (5) sinterizarea pentru obținerea ceramicii. Punctele cheie în formarea umedă sunt prepararea suspensiei ceramice și uscarea corpului verde.
01 Slip Casting
Turnarea cu alunecare implică dispersarea uniformă a pulberii ceramice într-un mediu lichid pentru a forma o suspensie ceramică, apoi turnarea suspensiei într-o matriță de ipsos. Forța capilară a formei de ipsos absoarbe solventul din suspensie, determinând solidificarea ceramicii și formarea unui corp verde cu o anumită formă și dimensiune. Turnarea cu alunecare necesită ca nămolul să aibă o fluiditate și stabilitate excelente. În plus, matrița trebuie să aibă o permeabilitate bună pentru a facilita îndepărtarea mediului lichid din corpul verde. Turnarea cu alunecare are avantaje precum proces simplu, cost de producție scăzut și control ușor al procesului. Cu toate acestea, timpul de formare este lung, densitatea verde și rezistența sunt scăzute, iar defecte precum fisurarea și găurile sunt predispuse să apară. Pe baza turnării cu alunecare, cercetătorii au dezvoltat metode îmbunătățite, cum ar fi turnarea cu alunecare centrifugă, turnarea cu alunecare sub presiune și presarea cu filtru.
02 Turnare cu bandă
Suspensia ceramică utilizată în turnarea cu bandă este un amestec vâscos, cu curgere slabă de pulbere ceramică, plastifiant, dispersant și solvent. După dezaerizare, suspensia este plasată pe o mașină de turnat cu bandă, răspândită cu o lamă de racle la o anumită grosime pe o bandă de transport, uscată și îndepărtată pentru a forma o peliculă subțire. Corpul verde este apoi prelucrat conform dimensiunilor produsului. Suspensia pentru turnarea cu bandă necesită o dispersie uniformă a pulberii ceramice fără aglomerate sau liant nedizolvat. În timpul pregătirii corpului verde, turnarea cu bandă este predispusă la probleme precum grosimea neuniformă, suprafața rugoasă, cicatrici și defecte. Turnarea cu bandă este utilizată în principal pentru a produce plăci ceramice subțiri, aplicate pe scară largă în substraturi de circuite integrate, materiale de substrat pentru substraturi, condensatoare și varistoare de joasă tensiune.
Procese noi de formare coloidală
Formarea coloidală implică dispersarea uniformă a pulberii ceramice într-un solvent pentru a obține o suspensie ceramică cu solide solide și cu vâscozitate scăzută, care este apoi turnată într-o matriță și solidificată prin diferite metode pentru a obține un corp verde cu o anumită formă și dimensiune. În ultimii ani, s-au făcut progrese semnificative în astfel de metode de formare, conducând la mai multe procese derivate, cum ar fi turnarea pe gel, turnarea prin coagulare directă și turnarea prin coagulare spontană.
01 Gelcasting
Gelcasting combină formarea umedă tradițională cu chimia polimerului. Monomerii organici sunt supuși polimerizării în anumite condiții pentru a forma o rețea polimerică tridimensională, care blochează particulele ceramice și moleculele de solvent în rețea, determinând să se solidifice suspensia ceramică și să formeze un corp verde. Această metodă nu numai că moștenește avantajele formării umede tradiționale (turnare cu alunecare, turnare prin injecție), dar și depășește în mare măsură problemele acestora, făcându-l un proces de formare ceramică practic valoros.
The greatest challenge in gelcasting is preparing a high‑solids (>50 vol.%), dar suspensie ceramică cu vâscozitate scăzută. Fluiditatea suspensiei este determinată în principal de dispersabilitatea și stabilitatea pulberii în solvent, care poate fi realizată prin selectarea unui dispersant adecvat și controlul pH-ului suspensiei. O altă provocare este controlul solidificării suspensiei. Condițiile de polimerizare ale monomerului organic selectat și ale agentului de reticulare ar trebui să fie ușor de controlat. Conținutul organic din corpul verde ar trebui să fie cât mai scăzut posibil, iar corpul verde rezultat ar trebui să aibă o rezistență ridicată. Adăugarea organică în turnarea pe gel este în general mai mică de 5% în greutate, deci nu este necesară nicio etapă separată de ardere a liantului. Corpul verde obținut are o rezistență ridicată și o structură uniformă. Gelcasting oferă avantaje, cum ar fi formarea în formă aproape de rețea, capacitatea de a produce produse de formă complexă și capacitatea de a produce produse de dimensiuni mari.
02 Turnare cu coagulare directă
Turnarea prin coagulare directă este o nouă tehnică de formare a ceramicii dezvoltată pe baza turnării pe gel. Folosește metode precum cataliza enzimatică, controlul pH-ului suspensiei ceramice sau controlul concentrației de electroliți pentru a regla repulsia în dublu strat între particulele ceramice, pentru a destabiliza stabilitatea suspensiei suspensiei ceramice și pentru a determina solidificarea in situ a particulelor ceramice pentru a forma un corp verde. Mecanismul transformării lichid-solid implică ajustarea atracției van der Waals și a repulsiei electrostatice generate de stratul dublu. Prin modificarea mărimii forței van der Waals și a repulsiunii electrostatice, solidificarea suspensiei este controlată: atunci când atracția van der Waals domină, suspensia tinde să se solidifice; când domină repulsia electrostatică, suspensia tinde să se disperseze. Încărcarea cu solide a suspensiei pentru turnarea prin coagulare directă nu trebuie să fie mai mică de 55% în volum, astfel încât solidificarea să poată fi realizată prin ajustarea pH-ului suspensiei. Condițiile de solidificare sunt ușor de controlat și realizabil. Turnarea prin coagulare directă produce corpuri verzi cu densitate mare, uniformitate bună, conținut organic scăzut și capacitatea de a forma produse de formă complexă. Cu toate acestea, procesul este complex, puterea verde este relativ scăzută, iar metoda nu are universalitate.
03 Turnare de coagulare spontană
Turnarea prin coagulare spontană este un nou proces de formare a ceramicii dezvoltat de Institutul de Ceramică din Shanghai în 2011. Utilizează copolimeri pe bază de izobutilenă solubili în apă atât ca dispersant, cât și ca liant pentru a prepara corpurile verzi ceramice. Turnarea prin coagulare spontană este similară cu turnarea pe gel în prepararea suspensiei, metoda de formare și caracteristicile corpului verde. Diferența este că, în turnarea prin coagulare spontană, copolimerul pe bază de izobutilenă solubil în apă acționează atât ca dispersant, cât și ca liant, realizând solidificarea prin crearea de punte prin lanțuri moleculare lungi. În schimb, gelcasting-ul realizează solidificarea prin polimerizarea moleculelor de monomeri și a agenților de reticulare pentru a forma o rețea tridimensională care prinde particulele ceramice. Avantajele turnării prin coagulare spontană includ conținut organic scăzut, solidificare la temperatura camerei, funcționare simplă și costuri de producție reduse.