Vanwege de hoge hardheid, hoge temperatuurbestendigheid, corrosiebestendigheid en uitstekende elektrische isolatie wordt aluminiumoxide-keramiek veel gebruikt in hoogwaardige productiegebieden zoals de lucht- en ruimtevaart, elektronische verpakkingen, medische apparaten en slijtvaste onderdelen. Bij deze toepassingen is het vormingsproces een cruciale stap die de uiteindelijke prestaties, maatnauwkeurigheid en betrouwbaarheid van het keramiek bepaalt. Vormen verwijst naar het proces waarbij aluminiumoxidepoeder wordt bereid tot een groen lichaam met een bepaalde vorm en grootte. Om vervorming of barsten tijdens het daaropvolgende drogen of sinteren te voorkomen, moet het groene lichaam een zo hoog mogelijke dichtheid en goede uniformiteit hebben.
Classificatie van keramische vormmethoden voor aluminiumoxide
Keramische vormprocessen kunnen worden geclassificeerd op basis van de vloei-eigenschappen van de plano in droogvormen en natvormen, waarbij natvormen verder wordt onderverdeeld in kunststofvormen en colloïdaal vormen.
Droog vormen
Bij droogvervormen bevat de plano weinig of geen water (minder dan 6%), en het gehalte aan andere bindmiddelen of smeermiddelen bedraagt doorgaans niet meer dan 1%–2%. Het proces omvat het plaatsen van het poeder in een mal en het toepassen van externe mechanische kracht om het poeder te vormen. Het keramische groene lichaam wordt bij elkaar gehouden door wrijving tussen keramische deeltjes, waardoor een bepaalde grootte en vorm behouden blijft. Het groene lichaam is een samengesteld systeem dat bestaat uit de blanco, vloeibare fase (bindmiddel) en lucht.
01 Droogpersen
Bij droogpersen wordt het poeder eerst gemengd met water of een bindmiddel om korrels te vormen, waarna het gegranuleerde poeder in een mal wordt geplaatst en druk wordt uitgeoefend om een groen lichaam met een bepaalde sterkte en vorm te vormen. De voordelen van droogpersen zijn onder meer een eenvoudig proces, gemakkelijke bediening, geschiktheid voor grootschalige industriële productie-, hoge groendichtheid en kleine krimp van het gesinterde product. Omdat bij droog persen echter gebruik wordt gemaakt van uniaxiaal persen, vertoont het groene lichaam een significante niet--dichtheidsuniformiteit, die duidelijker wordt naarmate de dikte van het monster toeneemt. Bovendien kunnen agglomeraten in het poeder niet worden geëlimineerd tijdens de poederbereiding, waardoor het moeilijk wordt om fijne keramiek te produceren.
02 Isostatisch persen
Bij isostatisch persen wordt poeder in een vervormbare rubberen mal geplaatst en vervolgens via een gasvormig of vloeibaar medium gelijke druk vanuit verschillende assen uitgeoefend om het onderdeel te vormen. Vergeleken met droogpersen wordt bij isostatisch persen gebruik gemaakt van multi-axiaal persen, wat het niet-uniformiteitsprobleem van de dichtheid van drooggeperste groene lichamen oplost en de reisafstand van poederdeeltjes verkleint, waardoor de vormingssnelheid toeneemt. Isostatisch persen heeft echter nadelen zoals hoge apparatuurkosten, complex onderhoud en gevoeligheid voor defecten (bijvoorbeeld onregelmatigheden in het oppervlak, compressiescheuren). Bij grote producten is het isostatisch persen gevoelig voor "olifantenvoet" of dichtheidsgradiënten van buiten naar binnen. Momenteel wordt aluminiumoxide-keramiek geproduceerd door isostatisch persen in China voornamelijk gebruikt voor keramische radarkoepels, hoogfrequente isolerende keramische hulzen, enz.
Traditioneel natvormen
Vergeleken met droogvormen kan natvormen poederagglomeratie voorkomen, defecten in het groene lichaam verminderen of zelfs elimineren, en de betrouwbaarheid van keramische producten verbeteren, wat een betrouwbare route biedt voor het produceren van fijn keramiek of keramische films. Natvormen omvat doorgaans de volgende stappen: (1) synthese of mengen van keramisch poeder; (2) bereiding van keramische slurry; (3) stollen van de slurry; (4) drogen om oplosmiddel te verwijderen; (5) sinteren om het keramiek te verkrijgen. De belangrijkste punten bij natvormen zijn de bereiding van de keramische slurry en het drogen van het groene lichaam.
01 Slipgieten
Slipgieten omvat het gelijkmatig dispergeren van keramisch poeder in een vloeibaar medium om een keramische slurry te vormen, en het vervolgens in een gipsen mal gieten. De capillaire kracht van de gipsmal absorbeert het oplosmiddel uit de slurry, waardoor het keramiek stolt en een groen lichaam vormt met een bepaalde vorm en grootte. Slipgieten vereist dat de slurry een uitstekende vloeibaarheid en stabiliteit heeft. Bovendien moet de mal een goede permeabiliteit hebben om het verwijderen van het vloeibare medium uit het groene lichaam te vergemakkelijken. Slipgieten heeft voordelen zoals een eenvoudig proces, lage productiekosten en eenvoudige procescontrole. De vormingstijd is echter lang, de groene dichtheid en sterkte zijn laag en defecten zoals barsten en gaatjes kunnen gemakkelijk optreden. Op basis van slipgieten hebben onderzoekers verbeterde methoden ontwikkeld, zoals centrifugaal slipgieten, druk-slipgieten en filterpersen.
02 Tapecasten
De keramische slurry die wordt gebruikt bij het gieten van tape is een stroperig, slecht stromend mengsel van keramisch poeder, weekmaker, dispergeermiddel en oplosmiddel. Na het ontluchten wordt de slurry op een tape-gietmachine geplaatst, met een rakel tot een bepaalde dikte op een dragertape uitgespreid, gedroogd en afgepeld om een dunne film te vormen. Het groene lichaam wordt vervolgens machinaal bewerkt op basis van productafmetingen. De slurry voor het gieten van tape vereist een uniforme dispersie van het keramische poeder zonder agglomeraten of onopgelost bindmiddel. Tijdens de voorbereiding van het groene lichaam is het gieten van tape gevoelig voor problemen zoals ongelijkmatige dikte, ruw oppervlak, littekens en defecten. Tapegieten wordt voornamelijk gebruikt om dunne keramische platen te produceren, die op grote schaal worden toegepast in substraten voor geïntegreerde schakelingen, substraatmaterialen voor substraten, condensatoren en laagspanningsvaristoren.
Nieuwe colloïdale vormingsprocessen
Bij colloïdaal vormen wordt keramisch poeder gelijkmatig gedispergeerd in een oplosmiddel om een keramische slurry met een hoog vaste stofgehalte en een lage viscositeit te verkrijgen, die vervolgens in een mal wordt gegoten en op verschillende manieren wordt gestold om een groen lichaam met een bepaalde vorm en grootte te verkrijgen. De afgelopen jaren is er aanzienlijke vooruitgang geboekt bij dergelijke vormingsmethoden, wat heeft geleid tot verschillende afgeleide processen, zoals gelgieten, direct coagulatiegieten en spontaan coagulatiegieten.
01 Gelcasten
Gelcasting combineert traditioneel natvervormen met polymeerchemie. Organische monomeren ondergaan onder bepaalde omstandigheden polymerisatie om een driedimensionaal polymeernetwerk te vormen, dat de keramische deeltjes en oplosmiddelmoleculen in het netwerk opsluit, waardoor de keramische slurry stolt en een groen lichaam vormt. Deze methode erft niet alleen de voordelen van traditioneel natvormen (slipgieten, spuitgieten), maar overwint ook grotendeels de problemen ervan, waardoor het een praktisch waardevol keramisch vormingsproces wordt.
The greatest challenge in gelcasting is preparing a high‑solids (>50 vol.%) en toch laagviskeuze keramische slurry. De vloeibaarheid van de slurry wordt voornamelijk bepaald door de dispergeerbaarheid en stabiliteit van het poeder in het oplosmiddel, wat kan worden bereikt door een geschikt dispergeermiddel te kiezen en de pH van de slurry te regelen. Een andere uitdaging is het beheersen van de stolling van de slurry. De polymerisatieomstandigheden van het geselecteerde organische monomeer en verknopingsmiddel moeten gemakkelijk controleerbaar zijn. Het organische gehalte in het groene lichaam moet zo laag mogelijk zijn en het resulterende groene lichaam moet een hoge sterkte hebben. De organische toevoeging bij gelcasting is in het algemeen minder dan 5 gew.%, dus er is geen afzonderlijke uitbrandstap van het bindmiddel vereist. Het verkregen groene lichaam heeft een hoge sterkte en uniforme structuur. Gelcasting biedt voordelen zoals vorming van bijna netvormige vormen, de mogelijkheid om producten met complexe vormen te produceren en de mogelijkheid om producten van groot formaat te produceren.
02 Direct coagulatiegieten
Direct coagulatiegieten is een nieuwe keramische vormtechniek, ontwikkeld op basis van gelcasting. Het maakt gebruik van methoden zoals enzymkatalyse, pH-controle van de keramische slurry of controle van de elektrolytconcentratie om de dubbellaagse afstoting tussen keramische deeltjes aan te passen, de suspensiestabiliteit van de keramische slurry te destabiliseren en ervoor te zorgen dat de keramische deeltjes in situ stollen om een groen lichaam te vormen. Het mechanisme van vloeistof-vaste stof-transformatie omvat het aanpassen van de van der Waals-aantrekking en de elektrostatische afstoting die door de dubbele laag wordt gegenereerd. Door de grootte van de van der Waals-kracht en de elektrostatische afstoting te veranderen, wordt het stollen van de slurry gecontroleerd: wanneer de van der Waals-aantrekking domineert, heeft de slurry de neiging te stollen; wanneer elektrostatische afstoting domineert, heeft de slurry de neiging zich te verspreiden. De hoeveelheid vaste stoffen in de slurry voor direct coagulatiegieten mag niet minder dan 55 vol.% bedragen, zodat stolling kan worden bereikt door de pH van de slurry aan te passen. De stollingsomstandigheden zijn gemakkelijk controleerbaar en haalbaar. Direct coagulatiegieten produceert groene lichamen met een hoge dichtheid, goede uniformiteit, een laag organisch gehalte en het vermogen om complex gevormde producten te vormen. Het proces is echter complex, de groene kracht is relatief laag en de methode ontbeert universaliteit.
03 Spontane coagulatiegieten
Spontaan coagulatiegieten is een nieuw keramisch vormingsproces dat in 2011 is ontwikkeld door het Shanghai Institute of Ceramics. Het maakt gebruik van in water oplosbare, op isobuteen gebaseerde copolymeren als dispergeermiddel en bindmiddel om keramische groene lichamen te bereiden. Spontaan coagulatiegieten is vergelijkbaar met gelgieten wat betreft de bereiding van de slurry, de vormmethode en de groene lichaamskenmerken. Het verschil is dat bij spontaan coagulatiegieten het in water oplosbare, op isobutyleen gebaseerde copolymeer zowel als dispergeermiddel als bindmiddel fungeert, waardoor stolling wordt bereikt door middel van overbrugging door lange moleculaire ketens. Gelcasting daarentegen bereikt stolling door polymerisatie van monomeermoleculen en crosslinkers om een driedimensionaal netwerk te vormen dat keramische deeltjes opvangt. De voordelen van spontaan coagulatiegieten zijn onder meer een laag organisch gehalte, stolling bij kamertemperatuur, eenvoudige bediening en lage productiekosten.