Благодарение на високата си твърдост, устойчивост на висока температура, устойчивост на корозия и отлична електрическа изолация, алуминиевият оксид се използва широко в производствени области от висок-както аерокосмическа индустрия, електронни опаковки, медицински устройства и-устойчиви на износване части. В тези приложения процесът на формоване е критична стъпка, която определя крайната производителност, точността на размерите и надеждността на керамиката. Формоването се отнася до процеса на приготвяне на алуминиев прах в зелено тяло с определена форма и размер. За да се избегне деформация или напукване по време на последващо сушене или синтероване, зеленото тяло трябва да има възможно най-висока плътност и добра еднородност.
Класификация на методите за формоване на алуминиева керамика
Процесите на формоване на керамика могат да бъдат класифицирани според характеристиките на потока на заготовката на сухо формоване и мокро формоване, като мокрото формоване допълнително се разделя на пластично формоване и колоидно формоване.
Сухо формоване
При сухо формоване заготовката съдържа малко или никаква вода (по-малко от 6%), а съдържанието на други свързващи вещества или смазващи вещества обикновено не надвишава 1%-2%. Процесът включва поставяне на праха във форма и прилагане на външна механична сила за оформяне на праха. Керамичното зелено тяло се държи заедно чрез триене между керамични частици, поддържайки определен размер и форма. Зеленото тяло е съставна система, състояща се от заготовка, течна фаза (свързващо вещество) и въздух.
01 Сухо пресоване
Сухото пресоване включва първо смесване на праха с вода или свързващо вещество за образуване на гранули, след това поставяне на гранулирания прах във форма и прилагане на натиск за образуване на зелено тяло с определена сила и форма. Предимствата на сухото пресоване включват прост процес, лесна работа, пригодност за-промишлено производство в голям мащаб, висока плътност в зелено и малко свиване на синтерования продукт. Въпреки това, тъй като сухото пресоване използва едноосно пресоване, зеленото тяло проявява значителна не-еднородност на плътността, която става по-изразена с увеличаване на дебелината на пробата. Освен това, агломератите в праха не могат да бъдат елиминирани по време на приготвянето на праха, което затруднява производството на фина керамика.
02 Изостатично пресоване
Изостатичното пресоване включва поставяне на прах в деформируема гумена форма и след това прилагане на еднакъв натиск от различни оси чрез газообразна или течна среда за формиране на детайла. В сравнение със сухото пресоване, изостатичното пресоване използва многоосно пресоване, което решава проблема с неравномерността на плътността на сухо пресованите зелени тела и намалява разстоянието на пътуване на прахообразните частици, като по този начин увеличава скоростта на формоване. Въпреки това, изостатичното пресоване има недостатъци като висока цена на оборудването, сложна поддръжка и чувствителност към дефекти (напр. повърхностни неравности, пукнатини при компресия). За продукти с големи размери изостатичното пресоване е склонно към „слонски крак“ или градиенти на плътност отвън навътре. Понастоящем керамиката от алуминиев оксид, произведена чрез изостатично пресоване в Китай, се използва главно за керамични обтекатели, високочестотни изолиращи клеми керамични ръкави и др.
Традиционно мокро формоване
В сравнение със сухото формоване, мокрото формоване може да избегне агломерацията на прах, да намали или дори да елиминира дефектите в зеленото тяло и да подобри надеждността на керамичните продукти, предлагайки надежден път за производство на фина керамика или керамични филми. Мокрото формоване обикновено включва следните стъпки: (1) синтез или смесване на керамичен прах; (2) приготвяне на керамична суспензия; (3) втвърдяване на суспензията; (4) сушене за отстраняване на разтворителя; (5) синтероване за получаване на керамика. Ключовите моменти при мокрото формоване са подготовката на керамичната каша и сушенето на зеленото тяло.
01 Слип Кастинг
Шликерното леене включва равномерно диспергиране на керамичен прах в течна среда за образуване на керамична суспензия, след което суспензията се излива в гипсова форма. Капилярната сила на гипсовата форма абсорбира разтворителя от суспензията, карайки керамиката да се втвърди и да образува зелено тяло с определена форма и размер. Шликерното леене изисква суспензията да има отлична течливост и стабилност. В допълнение, формата трябва да има добра пропускливост, за да улесни отстраняването на течната среда от зеленото тяло. Шликерното леене има предимства като прост процес, ниски производствени разходи и лесен контрол на процеса. Въпреки това, времето за формоване е дълго, зелената плътност и здравина са ниски и са склонни да се появят дефекти като напукване и дупки. Въз основа на шликерното леене изследователите са разработили подобрени методи като центробежно шликерно леене, шликерно леене под налягане и филтърно пресоване.
02 Леене на лента
Керамичната суспензия, използвана при леене на лента, е вискозна, слабо течаща смес от керамичен прах, пластификатор, дисперсант и разтворител. След обезвъздушаване суспензията се поставя върху машина за леене на лента, разпръсква се с ракел до определена дебелина върху носеща лента, изсушава се и се отлепва, за да се образува тънък филм. След това зеленото тяло се обработва според размерите на продукта. Суспензията за леене на лента изисква равномерно диспергиране на керамичния прах без агломерати или неразтворено свързващо вещество. По време на подготовката на зелено тяло, леенето на лента е предразположено към проблеми като неравномерна дебелина, грапава повърхност, белези и дефекти. Леенето на ленти се използва главно за производство на тънки керамични пластини, широко използвани в субстрати за интегрални схеми, субстратни материали за субстрати, кондензатори и варистори с ниско напрежение.
Нови процеси на образуване на колоиди
Колоидното формоване включва равномерно диспергиране на керамичен прах в разтворител, за да се получи керамична суспензия с високо съдържание на твърди вещества и нисък вискозитет, която след това се излива във форма и се втвърдява чрез различни методи, за да се получи зелено тяло с определена форма и размер. През последните години е постигнат значителен напредък в такива методи на формоване, което води до няколко производни процеса, като леене с гел, директно коагулационно леене и спонтанно коагулационно леене.
01 Гелкастинг
Gelcasting съчетава традиционното мокро формоване с полимерна химия. Органичните мономери претърпяват полимеризация при определени условия, за да образуват триизмерна полимерна мрежа, която заключва керамичните частици и молекулите на разтворителя в мрежата, карайки керамичната каша да се втвърди и да образува зелено тяло. Този метод не само наследява предимствата на традиционното мокро формоване (шликерно леене, леене под налягане), но също така до голяма степен преодолява техните проблеми, което го прави практически ценен процес на формоване на керамика.
The greatest challenge in gelcasting is preparing a high‑solids (>50 vol.%), но керамична суспензия с нисък вискозитет. Течливостта на суспензията се определя главно от диспергируемостта и стабилността на праха в разтворителя, което може да се постигне чрез избор на подходящ дисперсант и контролиране на рН на суспензията. Друго предизвикателство е контролирането на втвърдяването на суспензията. Условията на полимеризация на избрания органичен мономер и омрежващ агент трябва да могат лесно да се контролират. Органичното съдържание в зеленото тяло трябва да бъде възможно най-ниско, а полученото зелено тяло трябва да има висока якост. Органичното добавяне при гел-леене обикновено е по-малко от 5 тегл.%, така че не е необходима отделна стъпка на изгаряне на свързващото вещество. Полученото зелено тяло има висока якост и еднородна структура. Gelcasting предлага предимства като формиране на почти мрежова форма, възможност за производство на продукти със сложна форма и възможност за производство на продукти с големи размери.
02 Директно коагулационно отливане
Директното коагулационно леене е нова техника за формоване на керамика, разработена на базата на леене с гел. Той използва методи като ензимна катализа, контрол на рН на керамичната суспензия или контрол на концентрацията на електролит, за да регулира двуслойното отблъскване между керамичните частици, да дестабилизира стабилността на суспензията на керамичната суспензия и да причини втвърдяване на място на керамичните частици, за да образуват зелено тяло. Механизмът на трансформация течно-твърдо вещество включва регулиране на привличането на Ван дер Ваалс и електростатичното отблъскване, генерирано от двойния слой. Чрез промяна на величините на силата на Ван дер Ваалс и електростатичното отблъскване, втвърдяването на суспензията се контролира: когато привличането на Ван дер Ваалс доминира, суспензията има тенденция да се втвърди; когато доминира електростатичното отблъскване, суспензията има тенденция да се разпръсне. Съдържанието на твърди вещества в суспензията за директно коагулационно леене трябва да бъде не по-малко от 55 об.%, така че втвърдяването да може да се постигне чрез регулиране на pH на суспензията. Условията на втвърдяване са лесно контролирани и постижими. Директното коагулационно леене произвежда зелени тела с висока плътност, добра еднородност, ниско органично съдържание и способност за образуване на продукти със сложна форма. Въпреки това, процесът е сложен, зелената сила е относително ниска и методът няма универсалност.
03 Спонтанна коагулация
Спонтанното коагулационно леене е нов процес на формоване на керамика, разработен от Шанхайския институт по керамика през 2011 г. Той използва водоразтворими съполимери на основата на изобутилен като дисперсант и свързващо вещество за приготвяне на керамични зелени тела. Спонтанното коагулационно леене е подобно на гел леене по отношение на подготовката на суспензията, метода на формоване и характеристиките на зеленото тяло. Разликата е, че при спонтанно коагулационно леене, водоразтворимият съполимер на основата на изобутилен действа едновременно като диспергиращо и свързващо вещество, постигайки втвърдяване чрез свързване чрез дълги молекулни вериги. За разлика от това, гелкастингът постига втвърдяване чрез полимеризация на мономерни молекули и омрежващи агенти за образуване на триизмерна мрежа, която улавя керамичните частици. Предимствата на спонтанното коагулационно леене включват ниско органично съдържание, втвърдяване при стайна температура, лесна работа и ниски производствени разходи.