石英陶瓷的胶态成型工艺

石英陶瓷又称熔融石英陶瓷、石英玻璃陶瓷、石英玻璃烧结产品，以熔融石英或石英玻璃为原料，通过破碎、成型、烧结工艺，熔融石英陶瓷具有热稳定性好、热膨胀系数小、介电常数低、耐酸碱腐蚀、电绝缘好、成本低等一系列优良性能，石英陶瓷广泛应用于宇宙飞船、火箭、导弹、雷达、原子能、电子、钢铁、炼焦、有色金属、玻璃等工业领域。

用于胶体成型的陶瓷浆料是由陶瓷粉、水、有机物等介质组成的胶体系统。系统中的陶瓷颗粒具有良好的分散性，颗粒之间的团聚较少，随着胶体系统的流动，陶瓷颗粒可以形成复杂的坯体。因此，胶体成型已广泛应用于熔融石英陶瓷的制备中。胶体成型主要包括：注射成型、辅助气体注射成型、直接凝固注射成型、温度诱导成型、电泳沉积成型、压滤成型、离心灌浆成型、凝结成型等。

1.传统的胶态成型工艺

(1)注射成型

注射成型是利用聚合物聚合物的高温熔化和低温凝固，使坯体成型，然后去除有机物。

优点：形状复杂的产品，坯体尺寸精度高，产品结构均匀。

缺点：模具设计复杂，有机物难以消除。

(2)辅助气体注射成型

辅助气体注射成型是在聚合物熔体中加入气体，使成型过程更容易进行的一种成型方法。

辅助气体注射成型原理图

a：熔体 b：气体引入 c：气体保压 d：气体排出和脱模

优点:由于流动状态下各方向压力相同，避免了浆料的定向行为，使坯料具有更好的尺寸稳定性，避免了坯料的内部翘曲；辅助气体成型的坯料管壁较薄，即使用相同的原料，可以生产管径较大的产品。因此，降低了原材料成本，提高了生产效率。

缺点:料浆热性能和工艺难以控制。

(3)直接凝固注模成型

通过改变浆液，将生物酶技术、胶态化学和陶瓷工艺融为一体pH值，或浆体系中的离子强度，从而降低粉体表面的电荷。

直接凝固注模成型示意图

优点：浆料不需要有机添加剂，坯料不需要脱脂，产品结构均匀，相对密度高，可形成大尺寸、形状复杂的产品。

(4)温度诱导成型

该成型原理是利用物质溶解度随温度的变化产生凝胶成型。温度诱导成型制备的浆液固相含量高，有机物含量低。

优点：需要少量的有机添加剂，减少有机物的排除过程，坯体内气孔少。

(5)电泳沉积成型

电泳沉积成型是以水基陶瓷浆料为基础的成型工艺。电泳陶瓷浆料应具有良好的分散性，以确保浆料颗粒能够沉淀到电极上。

优点：简单、灵活、可靠。

(6)离心灌浆成型

离心灌浆成型结合湿粉制备和无应力致密技术的优点，用于制备大体积、近净尺寸的陶瓷产品。粉末湿处理避免了团聚等影响因素造成的缺陷。

缺点：由于形状和成本的限制，该成型方法仍处于实验室研究阶段。

(7)压滤成型

压滤成型是在灌浆成型的基础上发展起来的。影响压滤过程的因素有压降、液体介质粘度、表面积、间隙分布和压滤成型模具。

压滤成型示意图

2.先进的胶体成型工艺-注凝成型

注凝成型工艺是自20世纪90年代以来出现的一种新型胶体成型工艺，是橡树岭国家实验室M.A.Jammey其他人首先发明的是传统胶体成型工艺与有机化学理论的理想结合。

凝结成型原理是将有机聚合物单体和交联剂配合成前驱体溶液，在前驱体溶液中加入陶瓷颗粒，制成低粘度、高固相含量的浆料，然后加入引发剂和催化剂，在一定温度条件下将浆料加入模具中。

熔融石英陶瓷注塑工艺流程图

传统的胶体成型方法存在一些缺点，如注浆坯在厚度方向上形成密度梯度分布，坯干燥变形，强度低，不能机械加工；注射坯强度和均匀性好，但有机含量高，有机物难以消除；压滤成型需要特殊的多孔模具，成型坯体均匀性差，强度低；直接凝固注模成型坯体均匀性大大提高，但成型坯体强度也较低。

对比几种胶成型方法

因此，熔融石英陶瓷注凝成型不仅具有其它胶体成型的优点，而且克服了其它胶体成型方法的缺点，具有以下特点：

坯体强度高，可机械加工成形状复杂的陶瓷零件；坯体整体均匀性好，可降低烧成温度，大大提高陶瓷零件的可靠性；与注射成型相比，注射成型方法有机物含量低，无脱脂排塑困难；注射成型可实现近净尺寸成型；固化反应时间可根据成型过程中砂浆处理、充模、动态作用等工艺时间的要求，控制引发剂的添加量；设备要求简单，操作方便。

综上所述，凝胶注塑成型在制备熔融石英陶瓷方面具有很大的优势，可以有效控制材料的显微结构，减少材料内部的各种缺陷，提高材料的力学性能和使用可靠性。

参考资料：

赵增宝.熔融石英陶瓷制备技术及性能检测方法及表征

吕锋.高密度熔融石英陶瓷研究

文定.熔融石英陶瓷工艺的研究

张浩益.研究高强度高致密熔融石英陶瓷的动态注凝成型方法

http://www.foslst.com