采用注凝成形工藝制備氧化鋯陶瓷刀
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小陶陶
2019-06-15 139
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一、引言
氧化鋯陶瓷刀首先由日本京瓷研制成功并投放市場，一經問世就受到人們的青睞和追捧，是近年來的高科技產品。氧化鋯陶瓷刀獨具玉石般豐潤亮澤，時尚典雅，號稱“貴族刀”。其刀刃鋒利無比，耐磨性比鋼刀高幾十倍，堪稱“永不磨損”。氧化鋯陶瓷具有化學穩定性高、耐酸堿腐蝕、易清洗不生銹、切物無異味等特性，是典型的“綠色環保產品”。目前，在日本、美國及歐洲等發達國家已得到廣泛應用，國內也有多家企業工業化生產氧化鋯陶瓷刀，大量出口并作為貴重禮品相互饋贈[1]。
目前，國內外大多數企業都是以化學共沉淀法生產的3%Y2O3-ZrO2造粒粉為原料，采用干壓成形法生產氧化鋯刀坯。干壓成形機械化程度高，因此成本低，生產效率高，但坯體密度低，結構不均勻，燒結時收縮率過大，容易變形、開裂，產品質量較差。為此，對于尺寸較大的刀坯，采用冷等靜壓工藝提高坯體密度和結構均勻性，以解決上述問題。但是這樣無疑會增加設備和工藝成本，并大大降低生產效率。干壓成形后，即使經過冷等靜壓，陶瓷坯體氣孔分布一般在不同程度上仍會表現為多峰分布，坯體中難免會存在氣孔缺陷，影響陶瓷刀的質量。本文采用水基料注凝成形法制備氧化鋯陶瓷刀，凝膠注模成形是上世紀90年代發展起來的一種近凈尺寸成形工藝，最早由美國橡樹嶺國家實驗室Omatete O O等人提出[2]。該工藝可成形形狀復雜、微觀結構均勻、強度高、密度高的坯體，能直接進行機加工，明顯優于其它復雜形狀部件的成形工藝[3]，已在工程陶瓷領域得到廣泛應用[4-7]。注凝成形的機理是通過外加有機單體和交聯劑的聚合反應形成高分子網絡結構而將陶瓷粉體原位固化定型。在此過程中，并不發生溶劑介質的散失，其體積基本不發生收縮變化，凝膠坯體的初始體積密度基本保持料漿本身的體積密度，是一種生產高質量的氧化鋯陶瓷刀的理想工藝。
二、實驗內容
2.1 實驗原料
本實驗所采用的原料有超細二氧化鋯粉料、丙烯酰胺（CH2CONH2，AM）為有機單體、N，N'- 亞甲基雙丙烯酰胺[（CH2CONH）2CH2，MBAM]為交聯劑、JA-281為分散劑、采用過硫酸銨[（NH4）2S2O8，APS] 作引發劑、N，N - 四甲基乙二銨（TEMED）作催化劑、用氨水調節料漿pH值。
2.2 實驗過程
按照表1的實驗配方，將有機單體AM、交聯劑MBAM和分散劑混合得到預混液，和陶瓷原料粉末一起攪拌，球磨得到高固相、低粘度的漿料，在有機物和陶瓷顆粒得到均勻的混合后加入催化劑TEMED 和引發劑APS，快速攪拌后注入模具，使懸浮體中的有機單體聚合交聯形成三維網絡結構，從而使液態漿料轉變成固態坯體，在50℃漿料固化形成凝膠。脫模后干燥，600℃脫脂，在硅鉬棒高溫電爐內1500℃保溫2 h燒結致密化后得到陶瓷樣品。
三、結果分析與討論
3.1 不同成形方法對氧化鋯刀性能的影響
采用干壓冷等靜壓與注凝成形兩種不同成形工藝制備氧化鋯刀的性能測試，其結果如表3所示。（下轉第18頁）由表3可知，注凝成形的生坯抗彎強度要比干壓冷等靜壓的生坯抗彎強度大很多，這是由于注凝成形是在低粘度、高固相含量的粉體-溶劑懸浮液體系中加入少量的有機單體，然后利用催化劑和引發劑，使懸浮體中的有機單體交聯形成三維網狀結構，是液態漿料原位固化成形，從而得到具有粉體與高分子物質復合結構的高強度坯體。由于注凝成形所制備的漿料通過真空攪拌除氣，注凝出的坯體致密度更高，注凝出的坯體缺陷少，燒成后的抗彎強度較干壓冷等靜壓所得制品要高。
3.2不同粒徑氧化鋯粉對陶瓷刀性能的影響
以不同規格參數的鋯粉為原料，采用固相含量相同，以及有機單體、交聯劑、催化劑及引發劑的加入量均相同的注凝成形工藝制備氧化鋯陶瓷刀，其品分別為A1、A2、A3。通過相同的干燥方式及燒成制度所制得的鋯刀的各性能參數如表2所示。比較各樣品的性能，選取較適合注凝成形所適用的鋯粉。由表2可知，鋯刀密度均在6.0g/cm3以上，吸水率、顯氣孔率均為0%，則說明鋯刀均可于1500℃燒結致密化。隨著氧化鋯粉粒徑的增加，鋯刀的密度有所增加。由于在固相含量相同的條件下，隨著鋯粉粒度的減小，其漿料的穩定性及陶瓷粉料的分散性變差，導致料漿內氣體含量升高，成形后坯體中的氣孔增多導致坯體的燒結密度略微有所降低。固相含量相同，燒成收縮不同，可能是由于粉體本身的特性有關。而影響抗彎強度的主要因素有配方組成、燒成溫度、晶粒尺寸和分布、玻璃相的分布、氣孔的大小和分布等。由于配方組成、燒成溫度一致，主要區別是粉體粒徑。按理論而言，粉體粒徑越細，成品燒結越致密，缺陷越少，抗彎強度越高。但是氧化鋯存在相變，如果鋯粉性能不穩定，可能導致燒成后的四方相氧化鋯不穩定，在抗壓過程中也許會導致氧化鋯相變而使得抗彎強度減小。
同時，由表2可知，回收廢料的抗彎強度不比新粉低，這主要是由于廢料回收重新球磨，粉體顆粒同樣可均勻分散，鋯刀燒結致密，缺陷少。雖然采用回收廢料制備鋯刀性能不差，但是刀拋光后表面會存在斑點，影響美觀，因此回收廢料不適用于生產鋯刀。
四、結論
（1） 由于注凝法可以滿足器件形狀多樣化、復雜化的要求，目前注凝成形工藝的應用正處于一個研究的熱潮中。
（2） 不同粒徑的鋯粉燒成后抗彎強度有細微區別，規律性不強，以0.2μm粒徑成形制品各項性能最佳。
（3） 注凝成形氧化鋯刀比冷等靜壓成形生坯強度高2倍，燒成后強度提高15%以上，拋光后成品強度高15%以上。所以，注凝成形比冷等靜壓要好。
責任編輯：涂春承
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