基于原料選控的氧化鋁水基凝膠成型工藝分析

張富啟

（珠海粵科京華科技有限公司，珠海 519050）

1 前言

氧化鋁結構瓷因其原料易得，性能優異，在現代工業生產中扮演著十分重要的地位[1]。隨著諸如流延成型、凝膠注模成型等新型成形工藝的發展，精密復雜陶瓷件的制備對其原料粉體提出了越來越高的要求[2]。然而長期以來，我國在高純氧化鋁原料粉體方面受制于人，市場主要被日本的住友化學工業、大明化學、法國的BAIKOWSKI 等廠商占據[3]，國產氧化鋁原料粉體在燒結活性、粒度級配、批次穩定性等方面仍與國外有較大差距。需要應用端更多的技術積累和數據反饋來提高優質氧化鋁粉體原料的生產技術水平。

凝膠注模成型工藝是在陶瓷漿料中摻入微量的有機單體，通過一定的理化反應，形成堅固的交聯網狀結構，最后經過脫模、排膠、燒結后得到所需的陶瓷零件。傳統的凝膠體系有丙烯酰胺、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸羥乙酯等[4-7]。本研究選用的異丁烯/馬來酸酐共聚物（Isobam）具有自發凝膠，無需額外添加劑、用量少且環境友好等特點[8]是開發新型凝膠注模工藝的理想材料。

2 實驗過程

本研究選用的各類氧化鋁粉原料如表1 所示。

表1 氧化鋁原料廠商及規格

本文首先通過干壓成型的方式對原料的燒結性能進行初篩，在氧化鋁粉中加入粉體質量8%的聚乙烯醇（PVA）-5%水溶液進行手工造粒。造粒后的粉體在200 MPa 的壓力下被壓制成生坯。

對于凝膠注模樣品，在固含量為體積分數45%-50%的陶瓷漿料中添加0.2%-0.5wt%的異丁烯/馬來酸酐共聚物(Isobam600)及其預水解產物（Isobam104）作為粘結劑和分散劑，并添加少量氨水堿化的聚丙烯酸（PAA-NH4）作為分散劑調整漿料的粘度。

按照配方調整的漿料經過球磨混合均勻后注模，先在室溫下自發凝膠、干燥12h，然后分別在60℃、110℃干燥6h 完成生坯制備。

使用南京博蘊通公司生產的1800℃高溫燒結爐在1550-1650℃對生坯進行排膠燒結，燒結階段升降溫速率為5℃/min，保溫時間2 或3 小時。

本研究采用阿基米德排水法測量樣品的體積密度和氣孔率；參考GB/T 6569-2006《精細陶瓷彎曲強度試驗方法》測試樣品的彎曲強度；使用博勒飛粘度計3 號轉子測量陶瓷漿料的粘度；使用掃描電鏡觀察原料粉體和燒結后樣品的表面形貌。

3 數據分析

3.1 干壓成型燒結測試

由于實驗原料采購批次不同，本實驗采用的部分原料粉體經過造粒壓片排膠后，分別在1600℃和1650℃保溫3 小時進行燒結，比較其燒結致密度和顯氣孔率，如圖1 所示。根據同等工藝下的燒結致密化情況可以看出，北京博宇的#2 粉體和中國鋁業集團的5 款粉體均具有較好的燒結活性，易于實現致密化燒結。

3.2 漿料最大固含量測試

為了盡量減少后續凝膠注模過程中樣品的變形開裂，要求陶瓷漿料應具有盡量高固相含量。由于高固相含量陶瓷漿料的流變特性受粉體的粒度、表面形貌等影響較大。本實驗選用的12 款原料在添加足量分散劑的情況下，經過球磨混料除泡，只有中鋁#2、博宇#2、杰眾#1、杰眾#2 四款粉體能夠在固含量達到45vol%的情況下保持較好的流動性，滿足注模工藝要求，因此我們將其作為進一步的篩選條件。

其中博宇#2 的漿料流動性最好，最高固含量可達55vol%。杰眾#2 與博宇#2 的50vol%固含量漿料經過不同球磨時間后，漿料粘度測試轉速之間的關系如圖2 所示。由此可見，博宇#2 漿料的粘度更低，而杰眾#2 漿料的粘度則對球磨時間延長呈上升趨勢，推測可能與其本身粘度較大，球磨時產熱多，升溫快，加速溶劑揮發，同時也對Isobam 凝膠有促進作用。

圖2 杰眾#2 與博宇#2 的50 vol%固含量漿料粘度與球磨時間、測試轉速的關系

本文以中鋁#2 和杰眾#2 為原料，首先探究了不同組分分散劑的組合對于陶瓷漿料粘度的影響，如圖3、圖4 所示，對比圖2 可以看出，由于作為分散劑的表面活性劑微量高效的特點，在實驗范圍內，分散劑的種類和添加量對漿料粘度影響不大，粉體本身特性是決定漿料工藝性能的主要因素。

圖3 不同分散劑組分對中鋁#2 漿料粘度的影響

圖4 不同分散劑組分對杰眾#2 漿料粘度的影響

3.3 凝膠注模樣品性能分析

通過對比圖5 中杰眾#1 與杰眾#2 干壓和凝膠注模樣品在1650℃下保溫3h 燒結的樣品的體積密度與彎曲強度。可以看出，相比于干壓成型，凝膠注模成型因其均勻性好、生坯密度高，燒結后致密度和彎曲強度均高于干壓樣品。

圖5 杰眾干壓與凝膠注模樣品性能對比

而圖6 中展示了中鋁#2 與博宇#2 原料粉體干壓和凝膠注模樣品在同等條件下燒結后樣品體積密度的對比。因其原料粉體本身流動性好，燒結活性高，干壓樣品理論致密度超過98%因此兩種工藝制備的測試樣品性能差距不明顯。

圖6 博宇#2 與中鋁#2 干壓與凝膠注模樣品性能對比

4 結論

研究發現，對于基于Isobam 粘結劑的氧化鋁陶瓷水基凝膠注模成型工藝，粉體本身的燒結活性是影響材料性能的主要因素，同時凝膠注模工藝要求粉體的粒度分布要求更高，過細的原料會導致漿料分散難度加大，從而影響后續的注模過程。相比于干壓成型，凝膠注模成型樣品的力學性能更好，且其生坯可以滿足機械加工的條件，更適合制備具有復雜結構的精密氧化鋁零件。

本研究中，盡管北京博宇生產的1.5 微米陶瓷粉體（博宇#2）各方面綜合性能最優，但后續購買同規格產品（博宇#3）與博宇#2 性能差距較大，不能滿足實驗需求。因此，同規格產品的批次一致性應當作為選用陶瓷粉體原料的關鍵參考指標。