Технология формования специальных керамических материалов

По мере расширения сфер применения специальных керамических материалов требования к их характеристикам становятся всё более строгими. Формование материала является важным этапом в производстве специальных керамик и определяет их свойства и области применения. Сколько же сегодня существует технологий формования керамики, и чем они отличаются друг от друга?

1. Инъекционное формование
Технология термопластичного литья керамики развилась на основе технологий формования пластмасс. Она заключается в том, что керамический порошок вместе с термопластичной смолой, парафином, пластификатором, растворителем и другими компонентами нагревают и тщательно перемешивают (или же изготавливают гранулы путём экструзии и резки), после чего материал поступает в машину для литья под давлением. Там он нагревается до расплавления, приобретая пластичность; затем под определённым давлением с высокой скоростью впрыскивается через сопло в полость металлической формы и за предельно короткий промежуток времени охлаждается и затвердевает, принимая заданную форму.
Особенности технологии литья под давлением: она позволяет формировать детали сложной геометрической формы, легко поддается автоматизации и массовому производству, а также обеспечивает высокую точность размеров и однородную микроструктуру. Однако в процессе литья под давлением содержание связующего довольно высоко, поэтому перед спеканием необходимо провести удаление жировой фазы из заготовки. При изготовлении крупногабаритных заготовок часто наблюдается накопление органических веществ и перераспределение частиц, что ухудшает однородность заготовки и повышает вероятность образования трещин. Поэтому данная проблема является насущной и требует срочного решения при применении технологии литья под давлением.
2. Формование методом электрофоретического осаждения
Электрофоретическое осаждение — это процесс формования, при котором постоянное электрическое поле вызывает перемещение заряженных частиц, которые затем осаждаются на электроды с противоположным зарядом. В ходе осаждения под воздействием электрофоретического переноса расстояние между частицами уменьшается; ведущую роль начинает играть притяжение Ван-дер-Ваальса, стабильная дисперсия суспензии постепенно теряется, и порошковые частицы постепенно оседают на электродах. Электрофоретическое осаждение состоит из двух последовательных этапов: электрофоретического перемещения частиц и их осаждения на электродах путём разряда. Чтобы частицы могли осаждаться на электродах по отдельности, не влияя друг на друга и на другие заряженные частицы, керамическая суспензия должна обладать высокой дисперсностью.
Электрофоретическое осаждение для формования обладает следующими особенностями: простота, гибкость и высокая надежность, что делает его подходящим методом формования многослойных керамических конденсаторов, датчиков и керамики с градиентными функциональными свойствами; однако оно довольно чувствительно к изменениям технологических параметров.
3. Центробежное формование методом инъекции
Электрофоретическое осаждение — это процесс формования, при котором постоянное электрическое поле вызывает перемещение заряженных частиц, которые затем осаждаются на электроды с противоположным зарядом. В ходе осаждения под воздействием электрофоретического переноса расстояние между частицами уменьшается; ведущую роль начинает играть притяжение Ван-дер-Ваальса, стабильная дисперсия суспензии постепенно теряется, и порошковые частицы постепенно оседают на электродах. Электрофоретическое осаждение состоит из двух последовательных этапов: электрофоретического перемещения частиц и их осаждения на электродах путём разряда. Чтобы частицы могли осаждаться на электродах по отдельности, не влияя друг на друга и на другие заряженные частицы, керамическая суспензия должна обладать высокой дисперсностью.
Электрофоретическое осаждение для формования обладает следующими особенностями: простота, гибкость и высокая надежность, что делает его подходящим методом формования многослойных керамических конденсаторов, датчиков и керамики с градиентными функциональными свойствами; однако оно довольно чувствительно к изменениям технологических параметров.
4. Центробежное осаждение и формование
Центробежное осаждение — это метод получения листовых и слоистых наномногослойных композитных материалов, основанный на последовательном равномерном осаждении различных суспензий друг за другом под действием центробежной силы, в результате чего они формируют единое целое. Также с помощью различий в размерах или массе частиц можно осаждать слои из материалов с разными свойствами.
Применение центробежного осаждения для формования слоистых материалов обладает следующими особенностями:
(1) Использование различных материалов для осаждения позволяет улучшить вязкость материала;
(2) Слои осадков могут сочетать в себе электрические, магнитные и оптические свойства, обладая многофункциональностью;
(3) Можно изготовить новые материалы с анизотропными свойствами.
5. Коллоидная формовка
Гель-инъекционное формование — это новая технология формования, разработанная в 1990-х годах в Лаборатории Оук-Ридж в США. Она объединяет традиционный процесс заливки и химию полимеров: высокомолекулярная сеть вызывает полимеризацию, что приводит к агрегации керамических частиц и образованию керамической заготовки. В суспензионную среду добавляют виниловые органические мономеры; под воздействием катализатора и инициатора после заливки керамической суспензии мономеры вступают в реакцию полимеризации на месте, в результате чего образуется затвердевшая керамическая заготовка. Гель-инъекционное формование является весьма практичной технологией, обладающей значительными преимуществами: получаемые заготовки отличаются высокой однородностью, имеют повышенную прочность и могут сразу подвергаться механической обработке для достижения необходимых размеров. Кроме того, после обжига усадка материала минимальна, что делает эту технологию особенно подходящей для получения деталей с точными размерами. Керамическое коллоидное инъекционное формование решает две важные ключевые задачи: быстрое ин-сitu отверждение концентрированных керамических суспензий и контроль над процессом инъекции. Благодаря глубоким исследованиям было установлено, что давление способно быстро инициировать ин-сitu отверждение концентрированных керамических суспензий, что позволило разработать технологию формования керамики под давлением.
Особенности технологии коллоидной литьевой формовки: она позволяет получать керамические заготовки высокой плотности, однородности и прочности. Эта технология формования устраняет агломераты частиц керамического порошка, снижает деформацию и трещинообразование деталей сложной формы в процессе спекания, тем самым уменьшая объем механической обработки готовых деталей и обеспечивая высокую надежность керамических материалов и компонентов. Данная технология не накладывает ограничений на размеры и толщину формованных изделий, избегает трудностей с удалением связующего вещества, возникающих при традиционном керамическом литье под давлением из-за использования большого количества органических добавок, и реализует процесс литья с использованием коллоидных систем. Эта технология подходит для серийного производства и является ключевой технологией для индустриализации высокотехнологичных керамических материалов.
В настоящее время появляется всё больше различных технологий формования керамики, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки. При производстве необходимо учитывать свойства материалов и области их применения, чтобы выбрать наиболее подходящую технологию формования и таким образом выпускать высококачественные керамические изделия.