Λόγω της υψηλής σκληρότητάς τους, της αντοχής σε υψηλές θερμοκρασίες, της αντοχής στη διάβρωση και της εξαιρετικής ηλεκτρικής μόνωσης, τα κεραμικά αλουμίνας χρησιμοποιούνται ευρέως σε τομείς κατασκευής υψηλών-όπως η αεροδιαστημική, οι ηλεκτρονικές συσκευασίες, οι ιατρικές συσκευές και τα εξαρτήματα ανθεκτικά στη φθορά{{1}. Σε αυτές τις εφαρμογές, η διαδικασία διαμόρφωσης είναι ένα κρίσιμο βήμα που καθορίζει την τελική απόδοση, την ακρίβεια διαστάσεων και την αξιοπιστία του κεραμικού. Ο σχηματισμός αναφέρεται στη διαδικασία παρασκευής σκόνης αλουμίνας σε πράσινο σώμα με συγκεκριμένο σχήμα και μέγεθος. Για να αποφευχθεί η παραμόρφωση ή το ράγισμα κατά τη διάρκεια της επακόλουθης ξήρανσης ή πυροσυσσωμάτωσης, το πράσινο σώμα απαιτείται να έχει όσο το δυνατόν μεγαλύτερη πυκνότητα και καλή ομοιομορφία.
Ταξινόμηση μεθόδων διαμόρφωσης κεραμικής αλουμίνας
Οι διαδικασίες μορφοποίησης κεραμικών μπορούν να ταξινομηθούν ανάλογα με τα χαρακτηριστικά ροής του ακατέργαστου σε ξηρή και υγρή διαμόρφωση, με την υγρή διαμόρφωση να διαιρείται περαιτέρω σε πλαστική και κολλοειδή διαμόρφωση.
Ξηρή Μορφοποίηση
Σε ξηρή μορφοποίηση, το ακατέργαστο υλικό περιέχει λίγο ή καθόλου νερό (λιγότερο από 6%) και η περιεκτικότητα σε άλλα συνδετικά ή λιπαντικά γενικά δεν υπερβαίνει το 1%-2%. Η διαδικασία περιλαμβάνει την τοποθέτηση της σκόνης σε ένα καλούπι και την εφαρμογή εξωτερικής μηχανικής δύναμης για τη διαμόρφωση της σκόνης. Το κεραμικό πράσινο σώμα συγκρατείται με την τριβή μεταξύ των κεραμικών σωματιδίων, διατηρώντας ένα συγκεκριμένο μέγεθος και σχήμα. Το πράσινο σώμα είναι ένα σύνθετο σύστημα που αποτελείται από την κενή, την υγρή φάση (συνδετικό) και τον αέρα.
01 Ξηρό πάτημα
Η ξηρή συμπίεση περιλαμβάνει πρώτα την ανάμειξη της σκόνης με νερό ή ένα συνδετικό για να σχηματιστούν κόκκοι, στη συνέχεια η τοποθέτηση της κοκκοποιημένης σκόνης σε ένα καλούπι και η άσκηση πίεσης για να σχηματιστεί ένα πράσινο σώμα με συγκεκριμένη αντοχή και σχήμα. Τα πλεονεκτήματα της ξηρής συμπίεσης περιλαμβάνουν την απλή διαδικασία, την εύκολη λειτουργία, την καταλληλότητα για-βιομηχανική παραγωγή μεγάλης κλίμακας, την υψηλή πράσινη πυκνότητα και τη μικρή συρρίκνωση του συντηγμένου προϊόντος. Ωστόσο, επειδή η ξηρή πίεση χρησιμοποιεί μονοαξονική πίεση, το πράσινο σώμα εμφανίζει σημαντική μη ομοιομορφία πυκνότητας, η οποία γίνεται πιο έντονη καθώς αυξάνεται το πάχος του δείγματος. Επιπλέον, τα συσσωματώματα στη σκόνη δεν μπορούν να εξαλειφθούν κατά την προετοιμασία της σκόνης, καθιστώντας δύσκολη την παραγωγή λεπτών κεραμικών.
02 Ισοστατική πίεση
Η ισοστατική συμπίεση περιλαμβάνει την τοποθέτηση σκόνης σε ένα παραμορφώσιμο ελαστικό καλούπι και στη συνέχεια την εφαρμογή ίσης πίεσης από διαφορετικούς άξονες μέσω ενός αερίου ή υγρού μέσου για να σχηματιστεί το εξάρτημα. Σε σύγκριση με την ξηρή συμπίεση, η ισοστατική συμπίεση χρησιμοποιεί πολυαξονική πίεση, η οποία λύνει το πρόβλημα της ανομοιομορφίας της πυκνότητας των πράσινων σωμάτων ξηρής πίεσης και μειώνει την απόσταση διαδρομής των σωματιδίων σκόνης, αυξάνοντας έτσι τον ρυθμό σχηματισμού. Ωστόσο, η ισοστατική συμπίεση έχει μειονεκτήματα όπως υψηλό κόστος εξοπλισμού, πολύπλοκη συντήρηση και ευαισθησία σε ελαττώματα (π.χ. επιφανειακές ανωμαλίες, ρωγμές συμπίεσης). Για προϊόντα μεγάλου μεγέθους, η ισοστατική πίεση είναι επιρρεπής σε «πόδι ελέφαντα» ή σε κλίσεις πυκνότητας από έξω προς τα μέσα. Επί του παρόντος, τα κεραμικά αλουμίνας που παράγονται με ισοστατική συμπίεση στην Κίνα χρησιμοποιούνται κυρίως για κεραμικές ράβδους, κεραμικά μανίκια με μόνωση ακροδεκτών υψηλής συχνότητας κ.λπ.
Παραδοσιακή Υγρή Διαμόρφωση
Σε σύγκριση με την ξηρή μορφοποίηση, η υγρή διαμόρφωση μπορεί να αποφύγει τη συσσωμάτωση σκόνης, να μειώσει ή ακόμα και να εξαλείψει ελαττώματα στο πράσινο σώμα και να βελτιώσει την αξιοπιστία των κεραμικών προϊόντων, προσφέροντας μια αξιόπιστη οδό για την παραγωγή λεπτών κεραμικών ή κεραμικών μεμβρανών. Η υγρή διαμόρφωση περιλαμβάνει γενικά τα ακόλουθα στάδια: (1) σύνθεση ή ανάμειξη κεραμικής σκόνης. (2) προετοιμασία κεραμικού πολτού. (3) στερεοποίηση του πολτού. (4) ξήρανση για την αφαίρεση του διαλύτη. (5) πυροσυσσωμάτωση για να ληφθεί το κεραμικό. Τα βασικά σημεία στην υγρή μορφοποίηση είναι η προετοιμασία του κεραμικού πολτού και η ξήρανση του πράσινου σώματος.
01 Slip Casting
Η χύτευση ολίσθησης περιλαμβάνει την ομοιόμορφη διασπορά της κεραμικής σκόνης σε ένα υγρό μέσο για να σχηματιστεί ένας κεραμικός πολτός και στη συνέχεια η έκχυση του πολτού σε ένα καλούπι γύψου. Η τριχοειδής δύναμη του καλουπιού γύψου απορροφά τον διαλύτη από τον πολτό, με αποτέλεσμα το κεραμικό να στερεοποιηθεί και να σχηματίσει ένα πράσινο σώμα με συγκεκριμένο σχήμα και μέγεθος. Η χύτευση ολίσθησης απαιτεί ο πολτός να έχει εξαιρετική ρευστότητα και σταθερότητα. Επιπλέον, το καλούπι πρέπει να έχει καλή διαπερατότητα για να διευκολύνει την απομάκρυνση του υγρού μέσου από το πράσινο σώμα. Η χύτευση ολίσθησης έχει πλεονεκτήματα όπως η απλή διαδικασία, το χαμηλό κόστος παραγωγής και ο εύκολος έλεγχος της διαδικασίας. Ωστόσο, ο χρόνος σχηματισμού είναι μεγάλος, η πυκνότητα και η αντοχή του πράσινου είναι χαμηλές και ελαττώματα όπως ρωγμές και τρύπες είναι επιρρεπείς σε εμφάνιση. Με βάση τη χύτευση ολίσθησης, οι ερευνητές έχουν αναπτύξει βελτιωμένες μεθόδους όπως η χύτευση φυγοκεντρικής ολίσθησης, η χύτευση με ολίσθηση υπό πίεση και η συμπίεση με φίλτρο.
02 Χύτευση ταινίας
Ο κεραμικός πολτός που χρησιμοποιείται στη χύτευση ταινιών είναι ένα παχύρρευστο, κακώς ρέον μίγμα κεραμικής σκόνης, πλαστικοποιητή, διασκορπιστικού και διαλύτη. Μετά την αφαίρεση του αέρα, ο πολτός τοποθετείται σε μια μηχανή χύτευσης ταινίας, απλώνεται με μια λεπίδα γιατρού σε ένα ορισμένο πάχος πάνω σε ταινία φορέα, στεγνώνει και ξεφλουδίζεται για να σχηματιστεί μια λεπτή μεμβράνη. Το πράσινο σώμα στη συνέχεια κατεργάζεται σύμφωνα με τις διαστάσεις του προϊόντος. Ο πολτός για χύτευση ταινίας απαιτεί ομοιόμορφη διασπορά της κεραμικής σκόνης χωρίς συσσωματώματα ή αδιάλυτο συνδετικό. Κατά την προετοιμασία του πράσινου σώματος, η χύτευση ταινίας είναι επιρρεπής σε θέματα όπως ανομοιόμορφο πάχος, τραχιά επιφάνεια, ουλές και ελαττώματα. Η χύτευση ταινίας χρησιμοποιείται κυρίως για την παραγωγή λεπτών κεραμικών πλακών, που εφαρμόζονται ευρέως σε υποστρώματα ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, υλικά υποστρωμάτων για υποστρώματα, πυκνωτές και βαρίστορ χαμηλής τάσης.
Νέες διεργασίες κολλοειδούς σχηματισμού
Ο σχηματισμός κολλοειδούς περιλαμβάνει την ομοιόμορφη διασπορά της κεραμικής σκόνης σε έναν διαλύτη για να ληφθεί ένας κεραμικός πολτός υψηλών στερεών, χαμηλού ιξώδους, ο οποίος στη συνέχεια χύνεται σε ένα καλούπι και στερεοποιείται με διάφορες μεθόδους για να ληφθεί ένα πράσινο σώμα με συγκεκριμένο σχήμα και μέγεθος. Τα τελευταία χρόνια, έχει σημειωθεί σημαντική πρόοδος σε τέτοιες μεθόδους σχηματισμού, που οδήγησαν σε διάφορες παράγωγες διεργασίες, όπως χύτευση με πηκτή, χύτευση απευθείας πήξης και χύτευση αυθόρμητης πήξης.
01 Gelcasting
Το Gelcasting συνδυάζει την παραδοσιακή υγρή διαμόρφωση με τη χημεία των πολυμερών. Τα οργανικά μονομερή υφίστανται πολυμερισμό υπό ορισμένες συνθήκες για να σχηματίσουν ένα τρισδιάστατο πολυμερές δίκτυο, το οποίο κλειδώνει τα κεραμικά σωματίδια και τα μόρια του διαλύτη στο δίκτυο, προκαλώντας τη στερεοποίηση του κεραμικού πολτού και το σχηματισμό ενός πράσινου σώματος. Αυτή η μέθοδος όχι μόνο κληρονομεί τα πλεονεκτήματα της παραδοσιακής υγρής μορφοποίησης (ολισθηρή χύτευση, χύτευση με έγχυση) αλλά επίσης ξεπερνά σε μεγάλο βαθμό τα προβλήματά τους, καθιστώντας την μια πρακτικά πολύτιμη διαδικασία μορφοποίησης κεραμικού.
The greatest challenge in gelcasting is preparing a high‑solids (>50 vol.%) αλλά κεραμικός πολτός χαμηλού ιξώδους. Η ρευστότητα του πολτού καθορίζεται κυρίως από τη δυνατότητα διασποράς και τη σταθερότητα της σκόνης στον διαλύτη, η οποία μπορεί να επιτευχθεί με την επιλογή ενός κατάλληλου μέσου διασποράς και τον έλεγχο του pH του πολτού. Μια άλλη πρόκληση είναι ο έλεγχος της στερεοποίησης του πολτού. Οι συνθήκες πολυμερισμού του επιλεγμένου οργανικού μονομερούς και του διασυνδέτη θα πρέπει να είναι εύκολα ελεγχόμενες. Το οργανικό περιεχόμενο στο πράσινο σώμα πρέπει να είναι όσο το δυνατόν χαμηλότερο και το πράσινο σώμα που προκύπτει θα πρέπει να έχει υψηλή αντοχή. Η οργανική προσθήκη στη χύτευση γέλης είναι γενικά μικρότερη από 5 wt.%, επομένως δεν απαιτείται ξεχωριστό στάδιο εξάντλησης συνδετικού υλικού. Το λαμβανόμενο πράσινο σώμα έχει υψηλή αντοχή και ομοιόμορφη δομή. Το Gelcasting προσφέρει πλεονεκτήματα όπως ο σχηματισμός σχεδόν διχτυού, η ικανότητα παραγωγής προϊόντων με πολύπλοκο σχήμα και η δυνατότητα παραγωγής προϊόντων μεγάλου μεγέθους.
02 Άμεση χύτευση πήξης
Η άμεση χύτευση πήξης είναι μια νέα τεχνική κεραμικής διαμόρφωσης που αναπτύχθηκε με βάση τη χύτευση με gel. Χρησιμοποιεί μεθόδους όπως η ενζυμική κατάλυση, ο έλεγχος του pH του κεραμικού πολτού ή ο έλεγχος της συγκέντρωσης ηλεκτρολυτών για να ρυθμίσει την απώθηση διπλής στρώσης μεταξύ των κεραμικών σωματιδίων, να αποσταθεροποιήσει τη σταθερότητα αιωρήματος του κεραμικού πολτού και να προκαλέσει επιτόπου στερεοποίηση των κεραμικών σωματιδίων για να σχηματίσει ένα πράσινο σώμα. Ο μηχανισμός μετασχηματισμού υγρού-στερεού περιλαμβάνει τη ρύθμιση της έλξης van der Waals και της ηλεκτροστατικής απώθησης που δημιουργείται από το διπλό στρώμα. Με την αλλαγή των μεγεθών της δύναμης van der Waals και της ηλεκτροστατικής απώθησης, η στερεοποίηση του πολτού ελέγχεται: όταν κυριαρχεί η έλξη van der Waals, ο πολτός τείνει να στερεοποιηθεί. όταν κυριαρχεί η ηλεκτροστατική απώθηση, ο πολτός τείνει να διασπαρεί. Η φόρτωση στερεών του πολτού για απευθείας χύτευση με πήξη δεν πρέπει να είναι μικρότερη από 55 κατ' όγκο, έτσι ώστε να μπορεί να επιτευχθεί στερεοποίηση με ρύθμιση του pH του πολτού. Οι συνθήκες στερεοποίησης είναι εύκολα ελεγχόμενες και επιτεύξιμες. Η χύτευση με άμεση πήξη παράγει πράσινα σώματα με υψηλή πυκνότητα, καλή ομοιομορφία, χαμηλή περιεκτικότητα σε οργανικά και την ικανότητα να σχηματίζουν προϊόντα σε σχήμα πολύπλοκου. Ωστόσο, η διαδικασία είναι πολύπλοκη, η πράσινη ισχύς είναι σχετικά χαμηλή και η μέθοδος στερείται καθολικότητας.
03 Χύτευση Αυθόρμητης Πήξης
Η χύτευση αυθόρμητης πήξης είναι μια νέα διαδικασία σχηματισμού κεραμικών που αναπτύχθηκε από το Ινστιτούτο Κεραμικής της Σαγκάης το 2011. Χρησιμοποιεί υδατοδιαλυτά συμπολυμερή με βάση το ισοβουτυλένιο τόσο ως μέσο διασποράς όσο και ως συνδετικό για την παρασκευή κεραμικών πράσινων σωμάτων. Η αυθόρμητη χύτευση πήξης είναι παρόμοια με τη χύτευση με πηκτή στην παρασκευή πολτού, στη μέθοδο σχηματισμού και στα χαρακτηριστικά του πράσινου σώματος. Η διαφορά είναι ότι στη χύτευση αυθόρμητης πήξης, το υδατοδιαλυτό συμπολυμερές με βάση το ισοβουτυλένιο δρα τόσο ως διασκορπιστικό όσο και ως συνδετικό, επιτυγχάνοντας στερεοποίηση μέσω γεφύρωσης με μακριές μοριακές αλυσίδες. Αντίθετα, η χύτευση γέλης επιτυγχάνει στερεοποίηση μέσω πολυμερισμού μορίων μονομερούς και διασταυρούμενων συνδέσμων για να σχηματίσει ένα τρισδιάστατο δίκτυο που παγιδεύει κεραμικά σωματίδια. Τα πλεονεκτήματα της αυθόρμητης χύτευσης πήξης περιλαμβάνουν χαμηλή οργανική περιεκτικότητα, στερεοποίηση σε θερμοκρασία δωματίου, απλή λειτουργία και χαμηλό κόστος παραγωγής.