På grund af sin høje hårdhed, høje temperaturbestandighed, korrosionsbestandighed og fremragende elektriske isolering er aluminiumoxidkeramik i vid udstrækning brugt i-avancerede fremstillingsområder, såsom rumfart, elektronisk emballage, medicinsk udstyr og slidbestandige-dele. I disse applikationer er formningsprocessen et kritisk trin, der bestemmer den endelige ydeevne, dimensionelle nøjagtighed og pålidelighed af keramikken. Formning refererer til processen med at forberede aluminiumoxidpulver til en grøn krop med en bestemt form og størrelse. For at undgå deformation eller revner under efterfølgende tørring eller sintring kræves det, at det grønne legeme har så høj densitet og god ensartethed som muligt.
Klassificering af aluminiumoxid keramiske formningsmetoder
Keramiske formningsprocesser kan klassificeres i henhold til emnets flydeegenskaber i tør formning og vådformning, med vådformning yderligere opdelt i plastformning og kolloid formning.
Tør formning
Ved tørformning indeholder emnet kun lidt eller intet vand (mindre end 6%), og indholdet af andre bindemidler eller smøremidler overstiger generelt ikke 1%-2%. Processen involverer at placere pulveret i en form og påføre ekstern mekanisk kraft til at forme pulveret. Det keramiske grønne legeme holdes sammen af friktion mellem keramiske partikler, der opretholder en vis størrelse og form. Den grønne krop er et sammensat system bestående af råemnet, flydende fase (bindemiddel) og luft.
01 Tørpresning
Tørpresning involverer først at blande pulveret med vand eller et bindemiddel for at danne granulat, derefter placere det granulerede pulver i en form og påføre tryk for at danne en grøn krop med en vis styrke og form. Fordelene ved tørpresning omfatter enkel proces, nem betjening, egnethed til stor-industriel produktion, høj grøn densitet og lille krympning af det sintrede produkt. Men fordi tørpresning bruger enakset presning, udviser det grønne legeme betydelig tæthedsujævnhed-, hvilket bliver mere udtalt, efterhånden som prøvetykkelsen øges. Desuden kan agglomerater i pulveret ikke elimineres under pulverfremstilling, hvilket gør det vanskeligt at fremstille fint keramik.
02 Isostatisk presning
Isostatisk presning involverer at placere pulver i en deformerbar gummiform og derefter påføre lige tryk fra forskellige akser via et gasformigt eller flydende medium for at danne delen. Sammenlignet med tørpresning bruger isostatisk presning multiaksial presning, som løser tæthedsuensartethedsproblemet for tørpressede grønne kroppe og reducerer pulverpartiklernes vandringsafstand, hvorved formningshastigheden øges. Imidlertid har isostatisk presning ulemper såsom høje udstyrsomkostninger, kompleks vedligeholdelse og modtagelighed for defekter (f.eks. overfladeuregelmæssigheder, kompressionsrevner). For produkter i store størrelser er isostatisk presning tilbøjelig til "elefantfod" eller tæthedsgradienter fra ydersiden og indad. I øjeblikket bruges aluminiumoxidkeramik produceret ved isostatisk presning i Kina hovedsageligt til keramiske radomer, højfrekvente terminalisolerende keramiske muffer osv.
Traditionel vådformning
Sammenlignet med tør formning kan vådformning undgå pulveragglomerering, reducere eller endda eliminere defekter i den grønne krop og forbedre pålideligheden af keramiske produkter, hvilket tilbyder en pålidelig vej til fremstilling af fine keramik eller keramiske film. Vådformning indbefatter generelt følgende trin: (1) syntese eller blanding af keramisk pulver; (2) fremstilling af keramisk opslæmning; (3) størkning af opslæmningen; (4) tørring for at fjerne opløsningsmiddel; (5) sintring for at opnå keramikken. Nøglepunkterne i vådformning er forberedelsen af den keramiske opslæmning og tørringen af den grønne krop.
01 Slipstøbning
Slipstøbning involverer en ensartet dispergering af keramisk pulver i et flydende medium for at danne en keramisk opslæmning, hvorefter opslæmningen hældes i en gipsform. Gipsformens kapillarkraft absorberer opløsningsmidlet fra gyllen, hvilket får keramikken til at størkne og danne en grøn krop med en bestemt form og størrelse. Slipstøbning kræver, at gyllen har fremragende flydeevne og stabilitet. Desuden skal formen have god permeabilitet for at lette fjernelse af det flydende medium fra det grønne legeme. Slipstøbning har fordele såsom enkel proces, lave produktionsomkostninger og nem processtyring. Formningstiden er dog lang, grøntætheden og styrken er lav, og defekter som revner og nålehuller er tilbøjelige til at opstå. Baseret på slipstøbning har forskere udviklet forbedrede metoder såsom centrifugal slipstøbning, trykslipstøbning og filterpresning.
02 Tapestøbning
Den keramiske opslæmning, der anvendes til tapestøbning, er en viskøs, dårligt flydende blanding af keramisk pulver, blødgører, dispergeringsmiddel og opløsningsmiddel. Efter afluftning anbringes gyllen på en tapestøbemaskine, spredes med en rakel til en vis tykkelse på et bærebånd, tørres og pilles af for at danne en tynd film. Den grønne krop bearbejdes derefter i henhold til produktdimensioner. Opslæmningen til tapestøbning kræver ensartet dispersion af det keramiske pulver uden agglomerater eller uopløst bindemiddel. Under forberedelse af grøn krop er tapestøbning tilbøjelig til problemer såsom ujævn tykkelse, ru overflade, ar og defekter. Tape støbning bruges hovedsageligt til at fremstille tynde keramiske plader, der er almindeligt anvendt i integrerede kredsløbssubstrater, substratmaterialer til substrater, kondensatorer og lavspændingsvaristorer.
Nye kolloide formningsprocesser
Kolloid dannelse involverer ensartet dispergering af keramisk pulver i et opløsningsmiddel for at opnå en keramisk opslæmning med høj fast stof og lav viskositet, som derefter hældes i en form og størkner ved forskellige metoder for at opnå en grøn krop med en bestemt form og størrelse. I de senere år er der gjort betydelige fremskridt i sådanne formningsmetoder, hvilket fører til adskillige afledte processer, såsom gelstøbning, direkte koagulationsstøbning og spontan koagulationsstøbning.
01 Gelstøbning
Gelcasting kombinerer traditionel vådformning med polymerkemi. Organiske monomerer undergår polymerisering under visse betingelser for at danne et tredimensionelt polymernetværk, som låser de keramiske partikler og opløsningsmiddelmolekyler i netværket, hvilket får den keramiske opslæmning til at størkne og danne en grøn krop. Denne metode arver ikke kun fordelene ved traditionel vådformning (slipstøbning, sprøjtestøbning), men overvinder også stort set deres problemer, hvilket gør det til en praktisk talt værdifuld keramisk formningsproces.
The greatest challenge in gelcasting is preparing a high‑solids (>50 vol.%), men alligevel lavviskositet keramisk opslæmning. Fluiditeten af opslæmningen bestemmes hovedsageligt af pulverets dispergerbarhed og stabilitet i opløsningsmidlet, hvilket kan opnås ved at vælge et passende dispergeringsmiddel og kontrollere opslæmningens pH. En anden udfordring er at kontrollere størkningen af gyllen. Polymerisationsbetingelserne for den valgte organiske monomer og tværbinderen bør være let at kontrollere. Det organiske indhold i den grønne krop skal være så lav som muligt, og den resulterende grønne krop skal have høj styrke. Den organiske tilsætning ved gelstøbning er generelt mindre end 5 vægt%, så der kræves ikke noget separat bindemiddeludbrændingstrin. Den opnåede grønne krop har høj styrke og ensartet struktur. Gelstøbning tilbyder fordele såsom dannelse af næsten net-form, evnen til at producere komplekst formede produkter og evnen til at producere store produkter.
02 Direkte koaguleringsstøbning
Direkte koagulationsstøbning er en ny keramisk formningsteknik udviklet baseret på gelstøbning. Den bruger metoder som enzymkatalyse, pH-kontrol af den keramiske opslæmning eller elektrolytkoncentrationskontrol til at justere dobbeltlagsfrastødningen mellem keramiske partikler, destabilisere suspensionsstabiliteten af den keramiske opslæmning og forårsage in-situ størkning af de keramiske partikler til at danne en grøn krop. Mekanismen for væske-faststof-transformation involverer justering af van der Waals-tiltrækningen og den elektrostatiske frastødning genereret af dobbeltlaget. Ved at ændre størrelsen af van der Waals kraft og elektrostatisk frastødning kontrolleres størkningen af gyllen: når van der Waals tiltrækning dominerer, har gyllen tendens til at størkne; når elektrostatisk frastødning dominerer, har gyllen tendens til at spredes. Tørstofbelastningen af gyllen til direkte koagulationsstøbning bør ikke være mindre end 55 vol.%, således at størkning kan opnås ved at justere gyllens pH. Størkningsbetingelserne er let kontrollerbare og opnåelige. Direkte koagulationsstøbning producerer grønne kroppe med høj densitet, god ensartethed, lavt organisk indhold og evnen til at danne kompleksformede produkter. Processen er dog kompleks, den grønne styrke er relativt lav, og metoden mangler universalitet.
03 Spontan koagulationsstøbning
Spontan koagulationsstøbning er en ny keramisk formningsproces udviklet af Shanghai Institute of Ceramics i 2011. Den bruger vandopløselige isobutylen-baserede copolymerer som både dispergeringsmiddel og bindemiddel til at fremstille keramiske grønne legemer. Spontan koagulationsstøbning svarer til gelstøbning i gylleforberedelse, formningsmetode og grønne kropskarakteristika. Forskellen er, at ved spontan koagulationsstøbning fungerer den vandopløselige isobutylen-baserede copolymer som både dispergeringsmiddel og bindemiddel og opnår størkning gennem brodannelse af lange molekylkæder. I modsætning hertil opnår gelstøbning størkning gennem polymerisering af monomermolekyler og tværbindere for at danne et tredimensionelt netværk, der fanger keramiske partikler. Fordelene ved spontan koagulationsstøbning omfatter lavt organisk indhold, størkning ved stuetemperatur, enkel betjening og lave produktionsomkostninger.