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1、氧化铝陶瓷注凝成型技术的研究氧化铝陶瓷注凝成型技术的研究 姓姓 名：名：刘永军刘永军 导师姓名：王志义导师姓名：王志义 教授教授 工程领域：无机非金属材料工程领域：无机非金属材料 1主要内容主要内容一一.文献综述文献综述二二.选题依据及技术难度选题依据及技术难度三三.研究内容和拟解决的关键问题研究内容和拟解决的关键问题 四四.设计方法、技术路线、实验方设计方法、技术路线、实验方案的可行性分析案的可行性分析 五五.课题研究工作安排及预期成果课题研究工作安排及预期成果六六.参考文献参考文献2文献综述文献综述氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷(刚玉瓷刚玉瓷)化学性质稳定化学性质稳定：坩埚、理化器皿、炉管、炉坩埚、
2、理化器皿、炉管、炉 芯、热电偶保护管、耐芯、热电偶保护管、耐酸泵叶轮、泵体、泵盖、酸泵叶轮、泵体、泵盖、轴套、输送酸管的内衬和阀门轴套、输送酸管的内衬和阀门 机械强度高：机械强度高：陶瓷刀具，机械中的耐磨零件，耐磨工具陶瓷刀具，机械中的耐磨零件，耐磨工具优异光透过性、电性能：优异光透过性、电性能：微波电解质，雷微波电解质，雷 达天线罩，超高频大功率电子管支架、窗口、管达天线罩，超高频大功率电子管支架、窗口、管 壳、晶体管底座、集成电路基板和元件壳、晶体管底座、集成电路基板和元件3传统氧化铝陶瓷成型工艺传统氧化铝陶瓷成型工艺 热压铸成型热压铸成型：用于制造形状复杂，精度和尺寸要用于制造形状复杂，
3、精度和尺寸要求较高的产品，但其制造工序复杂，耗能大，工期长，求较高的产品，但其制造工序复杂，耗能大，工期长，污染严重，不适宜大型薄壁制品污染严重，不适宜大型薄壁制品传统注浆成型传统注浆成型：适宜大型、形状复杂、薄壁产适宜大型、形状复杂、薄壁产品，但石膏消耗量大，浆料性能调整困难，生坯强度品，但石膏消耗量大，浆料性能调整困难，生坯强度低，无法机械加工，难以保证制品的规整度，烧成后低，无法机械加工，难以保证制品的规整度，烧成后冷加工量大、成本高，劳动强度大，占地面积多，生冷加工量大、成本高，劳动强度大，占地面积多，生产周期长，产品质量、产量低产周期长，产品质量、产量低 模压成型模压成型：工程陶瓷生
4、产常用，但模具加工复杂、工程陶瓷生产常用，但模具加工复杂、寿命短、成本高，坯体易产生开裂和分层寿命短、成本高，坯体易产生开裂和分层4冷等静压成型冷等静压成型：常温下成型密封于柔性模具中常温下成型密封于柔性模具中的粉料，但设备投资大，生产工艺复杂、工序繁的粉料，但设备投资大，生产工艺复杂、工序繁 多、多、产品易变形开裂产品易变形开裂 挤压成型挤压成型：适宜成型管状、柱状和端面规则的适宜成型管状、柱状和端面规则的产品，也用来挤制片状膜、蜂窝状和筛格式穿孔制产品，也用来挤制片状膜、蜂窝状和筛格式穿孔制品，但挤嘴结构复杂，加工精度要求高，坯体干燥品，但挤嘴结构复杂，加工精度要求高，坯体干燥与烧成收缩大
5、与烧成收缩大 注射成型注射成型：主要用于生产纺织机用陶瓷配件，主要用于生产纺织机用陶瓷配件，但成型温度难以精确控制，坯体强度低，易开裂变但成型温度难以精确控制，坯体强度低，易开裂变形形 5凝胶注模成型的研究概况及发展趋势凝胶注模成型的研究概况及发展趋势 凝胶注模成型的起源：凝胶注模成型的起源：上世纪上世纪90年代初，美年代初，美国橡树岭国家实验室发明的一种全新的陶瓷材国橡树岭国家实验室发明的一种全新的陶瓷材料湿法成型技术，该工艺与传统成型工艺相比，料湿法成型技术，该工艺与传统成型工艺相比，具有设备简单、成型坯体组分均匀、缺陷少、具有设备简单、成型坯体组分均匀、缺陷少、不需脱脂、不易变形、可成型
6、复杂形状零件及不需脱脂、不易变形、可成型复杂形状零件及实用性强等突出优点。实用性强等突出优点。应用：应用：此法已被用来成型从单组分体系到多组此法已被用来成型从单组分体系到多组分复合体系，形状从块状到板状、管状、叶片、分复合体系，形状从块状到板状、管状、叶片、齿轮、涡轮转子等多种陶瓷。原料除陶瓷粉末齿轮、涡轮转子等多种陶瓷。原料除陶瓷粉末外，还可用金属粉末如不锈钢粉末等外，还可用金属粉末如不锈钢粉末等6Al2O3陶瓷凝胶注模成型中凝胶体系分为陶瓷凝胶注模成型中凝胶体系分为单分单分子聚合子聚合和和高分子凝胶高分子凝胶体系。体系。K.Prabhakaram研究了研究了单分子聚合体系单分子聚合体系尿素
7、尿素-甲醛凝胶成型的甲醛凝胶成型的三个方面：制备高浓度的浆料，控制三个方面：制备高浓度的浆料，控制methylol urea单体缩聚反应使其凝胶成型，丙烯酸共聚单体缩聚反应使其凝胶成型，丙烯酸共聚作用提高坯体的强度和加工性能。烧结后产品作用提高坯体的强度和加工性能。烧结后产品密度可达到理论密度的密度可达到理论密度的97%高分子凝胶体系高分子凝胶体系，谢志鹏谢志鹏研究了研究了“琼脂糖凝胶琼脂糖凝胶注模成型陶瓷部件注模成型陶瓷部件”，利用天然水溶性琼脂糖，利用天然水溶性琼脂糖高分子在水溶液中加热时溶解、冷却时凝固具高分子在水溶液中加热时溶解、冷却时凝固具有一定强度的特性，成型形状复杂的陶瓷部件，有
8、一定强度的特性，成型形状复杂的陶瓷部件，并烧结出均匀致密、内部无明显缺陷的涡轮转并烧结出均匀致密、内部无明显缺陷的涡轮转子子 7Marsha A.Huha等等研研究究了了聚聚合合物物对对A12O3-PVA凝凝浇浇注注模模悬悬浮浮体体化化学学流流变变性性能能及及干干燥燥的的影影响响，在在通通过过Ti离离子子络络合合交交联联剂剂形形成成的的A12O3-PVA悬悬浮浮体体体体系系中中，PVA体体积积分分数数和和交交联联剂剂浓浓度度不不变变的的情情况况下下，悬悬浮浮体体的的化化学学流流变变性性能能与与聚聚合合物物PVA的的水水解解程程度度及及分分子子量量密密切切相相关关，增增加加PVA的的水水解解程程
9、度度和和分分子子量量，弹弹性性模模量量相相应应增增加加，同同时时凝凝胶胶时时间间减减小小。当当PVA体体积积分分数数不不变变时时，凝凝胶胶时时间间随随交交联联剂剂浓浓度度、温温度度和和固固相相体体积积分分数数的的增增大大而而减减小小。干干燥燥过过程程中中，PVA水水解解程程度度大大的的 所所 形形 成成 的的 最最 大大 应应 力力 和和 残残 余余 应应 力力 也也 大大8吴吴镇镇江江等等研研究究了了Al2O3凝凝胶胶注注模模成成型型添添加加TiO2助助烧烧剂剂的的影影响响，加加入入TiO25%时时大大大大降降低低Al2O3陶陶瓷瓷烧烧结结温温度度，1300常常压压烧烧结结密密度度可可达达9
10、7%Chang-Gi Ha等研究了等研究了颗粒尺寸颗粒尺寸对对Al2O3凝胶注凝胶注模成型工艺及坯体性能的影响，采用的凝胶体模成型工艺及坯体性能的影响，采用的凝胶体系为：有机单体系为：有机单体AM、交联剂、交联剂MBAM、引发剂、引发剂APS、催化剂、催化剂TEMED、分散剂、分散剂Duramax D-3019。颗粒尺寸小，比表面积大，吸附分散剂。颗粒尺寸小，比表面积大，吸附分散剂多，对气孔尺寸、分布、微结构及强度有较大多，对气孔尺寸、分布、微结构及强度有较大的影响，但对收缩率和密度影响不大的影响，但对收缩率和密度影响不大9赵雷赵雷等研究了等研究了微量离子微量离子对注凝成型丙烯酸聚合对注凝成型
11、丙烯酸聚合体系凝胶点的影响。体系凝胶点的影响。Fe2+、Cu2+、Al3+、Ca2+等等无机离子常以微量杂质的形式存在于陶瓷粉末无机离子常以微量杂质的形式存在于陶瓷粉末中，微量中，微量Fe2+、Cu2+对凝胶体系聚合有明显加对凝胶体系聚合有明显加速作用，使凝胶时间变短，速作用，使凝胶时间变短，Al3+也会使聚合加速，也会使聚合加速，但效果不明显，但效果不明显，Ca2+对体系有阻聚作用对体系有阻聚作用 10选题依据及技术难度选题依据及技术难度凝胶注模成型与传统成型工艺相比，有设备简单、凝胶注模成型与传统成型工艺相比，有设备简单、成型坯体组分均匀、缺陷少、不需脱脂、不易变形、成型坯体组分均匀、缺陷
12、少、不需脱脂、不易变形、可成型复杂形状零件等突出优点以及半成品机械加可成型复杂形状零件等突出优点以及半成品机械加工强度高、加工余量少等后续加工优势，可实现近工强度高、加工余量少等后续加工优势，可实现近净尺寸成型，具有很强的实用性。另外，胶凝成型净尺寸成型，具有很强的实用性。另外，胶凝成型远未实现产业化，还有较多技术问题未得到解决，远未实现产业化，还有较多技术问题未得到解决，因此研究该技术的工业化具有较大的价值。因此研究该技术的工业化具有较大的价值。存在主要技术问题：存在主要技术问题：如何获得低烧成收缩、高规如何获得低烧成收缩、高规整度、高生坯强度的氧化铝陶瓷坯体，实现机械化整度、高生坯强度的氧
13、化铝陶瓷坯体，实现机械化半成品加工；半成品加工；实现浆料凝胶化时间、固相含量、实现浆料凝胶化时间、固相含量、料浆的流动性的可控和最优化；料浆的流动性的可控和最优化；利用工业级原料利用工业级原料实现产业化生产；实现产业化生产；进一步降低氧化铝陶瓷烧成温进一步降低氧化铝陶瓷烧成温度度11研究内容和拟解决的关键问题研究内容和拟解决的关键问题以氧化铝陶瓷为体系，研究注凝成型工艺以氧化铝陶瓷为体系，研究注凝成型工艺各参数对生坯抗弯强度、固相含量、浆料各参数对生坯抗弯强度、固相含量、浆料流变性、注浆时间（胶凝时间）等的影响，流变性、注浆时间（胶凝时间）等的影响，同时考察实现工业化生产的可行性，重点同时考察
14、实现工业化生产的可行性，重点研究注凝原料由分析纯改为工业纯后，注研究注凝原料由分析纯改为工业纯后，注凝工艺参数的变化。凝工艺参数的变化。拟解决的关键问题：获得高固相含量、低拟解决的关键问题：获得高固相含量、低浆料粘度的浆体；研究采用工业纯原料对浆料粘度的浆体；研究采用工业纯原料对注凝成型工艺的影响；探讨工业化小试的注凝成型工艺的影响；探讨工业化小试的可行性。可行性。12设计方法、技术路线、实验方案的设计方法、技术路线、实验方案的可行性分析可行性分析制备高固相含量、低粘度氧化铝陶瓷浆料：以丙制备高固相含量、低粘度氧化铝陶瓷浆料：以丙烯酰胺烯酰胺(MA)、N,N-亚甲基双丙烯酰胺亚甲基双丙烯酰胺(
15、MBAM)为研为研究体系，以浆料粘度、固含量、生坯的抗弯强度究体系，以浆料粘度、固含量、生坯的抗弯强度为主要表征手段，详细探讨单体、分散剂、交联为主要表征手段，详细探讨单体、分散剂、交联剂、水相对含量、浆料的剂、水相对含量、浆料的pH值的影响值的影响采用工业级原料，探讨注凝成型工艺的稳定性和采用工业级原料，探讨注凝成型工艺的稳定性和工业化小试的可行性工业化小试的可行性研究各添加剂如氧化钛、氧化铬稀土氧化物等对研究各添加剂如氧化钛、氧化铬稀土氧化物等对氧化铝陶瓷低温烧成的影响，探讨进一步降低氧氧化铝陶瓷低温烧成的影响，探讨进一步降低氧化铝陶瓷烧结温度的可行性化铝陶瓷烧结温度的可行性13课题研究工
16、作安排及预期成果课题研究工作安排及预期成果2005.7-2005.12 查阅文献，了解国内外发展概况查阅文献，了解国内外发展概况和研究趋势，撰写文献综述，准备开题和研究趋势，撰写文献综述，准备开题2006.1-2007.3 实验室实验和工业化小试阶段实验室实验和工业化小试阶段2007.3-2007.5 结果整理、毕业论文撰写结果整理、毕业论文撰写2007.6-7 毕业论文答辩毕业论文答辩期望能在工厂小批量生产氧化铝陶瓷器件期望能在工厂小批量生产氧化铝陶瓷器件14参考文献参考文献1 M.A.Janney,O.O.Omatete.Gel-casting-a new ceramic forming
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