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硅溶胶分散氧化铝浆料的稳定机理及免脱气胶态原位凝固成型制备莫来石陶瓷研究

孔德玉  
【摘要】:胶态原位凝固成型技术是目前高性能陶瓷研究的热点之一,具有工艺简单,成本低,坯体缺陷少,烧结体可靠性好等特性,在Al_2O_3、ZrO_2、SiC、Si_3N_4、PZT等精密陶瓷部件近净尺寸成型制备中已得到广泛的研究与应用。莫来石具有荷重软化点高、抗蠕变性能好、化学和热稳定性良好、热导率和热膨胀系数低等特性,是一种重要的高温结构材料,但关于胶态原位凝固成型制备高性能莫来石结构陶瓷的研究很少,关于免脱气胶态原位凝固成型工艺尚未见研究报道。 本文全面论述了胶态原位凝固成型的研究与发展现状,简要回顾了莫来石陶瓷的合成、成型与烧结等的研究进展。在此基础上,选用硅溶胶和氧化铝微粉作为原材料,采用胶态原位凝固成型工艺制备莫来石陶瓷,揭示了影响硅溶胶分散氧化铝浆料的稳定与失稳机理,发展了两种免脱气胶态原位凝固成型技术制备莫来石陶瓷素坯;利用硅溶胶凝胶化在氧化铝颗粒表面形成纳米包覆微复合结构,实现了莫来石陶瓷的瞬态粘滞烧结;利用强酸性浆料凝固成型后形成的铝硅凝胶,在低温下原位合成莫来石晶种,促进了坯体的莫来石化和致密化烧结,这对于充分利用无机溶胶制备新型复合陶瓷以及低成本制备高纯、高性能莫来石基陶瓷具有重要的理论价值和指导意义。主要研究成果如下: 1、揭示了硅溶胶分散氧化铝浆料的稳定与失稳机理。结果表明,与在水中分散相比,在pH=9.5左右,硅溶胶对氧化铝颗粒具有很好的分散和稳定效果,其稳定机理属于未吸附硅溶胶胶体粒子对氧化铝颗粒产生的空缺稳定效应。随pH值减小,浆料稳定性逐步下降,在pH=4.0~5.5范围内稳定性最差,其失稳机理属于浆料pH值调整时形成铝离子引起的溶胶—凝胶效应。随pH值进一步下降,浆料稳定性又逐步改善,在pH=2.0左右稳定性最好,其稳定机理属于高电解质浓度引起的水化斥力稳定效应。 2、基于气泡的稳定性理论,发展了一种免脱气凝胶注模成型技术制备莫来石陶瓷。利用硅溶胶对氧化铝颗粒的空缺稳定作用,在pH=9.5左右制备了固相(氧化铝和二氧化硅)体积分数达50%,表观粘度小于1.0 Pa·s的符合莫来石计量组成的浆料;通过调节NH_4Cl浓度促进浆料凝胶化,实现了浆料的凝胶注模成型。浆料中未引入任何表面活性物质,无需对浆料进行脱气处理即可制备得到显微结构致密、均


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