Korkean kovuuden, korkean lämpötilan kestävyyden, korroosionkestävyyden ja erinomaisen sähköeristyksensä ansiosta alumiinioksidikeramiikkaa käytetään laajalti korkealaatuisissa{0}}teollisuudessa, kuten ilmailu-, elektroniikkapakkauksissa, lääketieteellisissä laitteissa ja kulutusta{1}}kestävissä osissa. Näissä sovelluksissa muovausprosessi on kriittinen vaihe, joka määrittää keramiikan lopullisen suorituskyvyn, mittatarkkuuden ja luotettavuuden. Muovaus tarkoittaa prosessia, jossa alumiinioksidijauhetta valmistetaan vihreäksi kappaleeksi, jolla on tietty muoto ja koko. Jotta vältetään muodonmuutos tai halkeilu myöhemmän kuivauksen tai sintrauksen aikana, raakakappaleen tulee olla mahdollisimman korkea ja tasainen.
Alumiinioksidikeraamisten muovausmenetelmien luokittelu
Keraamiset muovausprosessit voidaan luokitella aihion virtausominaisuuksien mukaan kuivamuovaukseen ja märkämuovaukseen, jolloin märkämuovaus jaetaan edelleen muovimuovaukseen ja kolloidimuovaukseen.
Kuivamuovaus
Kuivamuovauksessa aihiossa on vähän tai ei ollenkaan vettä (alle 6 %), ja muiden side- tai voiteluaineiden pitoisuus ei yleensä ylitä 1–2 %. Prosessi sisältää jauheen asettamisen muottiin ja ulkoisen mekaanisen voiman käyttämisen jauheen muotoilemiseksi. Keraaminen vihreä runko pysyy koossa keraamisten hiukkasten välisellä kitkalla säilyttäen tietyn koon ja muodon. Vihreä kappale on komposiittijärjestelmä, joka koostuu aihiosta, nestefaasista (sideaine) ja ilmasta.
01 Kuivapuristus
Kuivapuristus käsittää ensin jauheen sekoittamisen veteen tai sideaineeseen rakeiden muodostamiseksi, sitten rakeistetun jauheen asettamisen muottiin ja paineen käyttämisen tietyn lujuuden ja muodon omaavan vihreän kappaleen muodostamiseksi. Kuivapuristuksen etuja ovat yksinkertainen prosessi, helppokäyttöisyys, soveltuvuus laajamittaiseen teollisuustuotantoon, korkea vihertiheys ja sintratun tuotteen pieni kutistuminen. Kuitenkin, koska kuivapuristuksessa käytetään yksiakselista puristusta, viherkappaleella on merkittävää tiheyden epätasaisuutta, mikä tulee selvemmäksi näytteen paksuuden kasvaessa. Lisäksi jauheen agglomeraatteja ei voida poistaa jauheen valmistuksen aikana, mikä vaikeuttaa hienon keramiikan valmistusta.
02 Isostaattinen puristus
Isostaattinen puristus sisältää jauheen asettamisen muotoaan muuttavaan kumimuottiin ja saman paineen kohdistamisen eri akseleilta kaasumaisen tai nestemäisen väliaineen kautta osan muodostamiseksi. Kuivapuristukseen verrattuna isostaattisessa puristuksessa käytetään moniakselista puristusta, joka ratkaisee kuivapuristettujen viherkappaleiden tiheysepätasaisuusongelman ja vähentää jauhehiukkasten kulkumatkaa, mikä lisää muodostusnopeutta. Isostaattisella puristamisella on kuitenkin haittoja, kuten korkeat laitekustannukset, monimutkainen huolto ja alttius vioille (esim. pinnan epätasaisuudet, puristushalkeamat). Suurikokoisissa tuotteissa isostaattinen puristus on altis "norsunjalalle" tai tiheysgradienteille ulkopuolelta sisäänpäin. Tällä hetkellä Kiinassa isostaattisella puristuksella valmistettua alumiinioksidikeramiikkaa käytetään pääasiassa keraamisiin suojakupuihin, korkeataajuisiin liittimiin eristävissä keraamisissa holkissa jne.
Perinteinen märkämuovaus
Kuivamuovaukseen verrattuna märkämuovauksella voidaan välttää jauheen agglomeroitumista, vähentää tai jopa poistaa vikoja raakakappaleessa ja parantaa keraamisten tuotteiden luotettavuutta, mikä tarjoaa luotettavan reitin hienon keramiikan tai keraamisten kalvojen valmistukseen. Märkämuovaus sisältää yleensä seuraavat vaiheet: (1) keraamisen jauheen synteesi tai sekoitus; (2) keraamisen lietteen valmistus; (3) lietteen jähmettyminen; (4) kuivaus liuottimen poistamiseksi; (5) sintraus keramiikan saamiseksi. Märkämuovauksen avainkohdat ovat keraamisen lietteen valmistus ja viherkappaleen kuivaus.
01 Slip Casting
Liukuvalu käsittää keraamisen jauheen tasaisen dispergoinnin nestemäiseen väliaineeseen keraamisen lietteen muodostamiseksi, minkä jälkeen lietteen kaadetaan kipsimuottiin. Kipsimuotin kapillaarivoima imee lietteestä liuottimen, jolloin keramiikka jähmettyy ja muodostaa tietyn muotoisen ja kokoisen vihreän kappaleen. Liukuvalu vaatii lietteen erinomaista juoksevuutta ja stabiilisuutta. Lisäksi muotilla on oltava hyvä läpäisevyys nestemäisen väliaineen poistamisen helpottamiseksi raakakappaleesta. Liukuvalulla on etuja, kuten yksinkertainen prosessi, alhaiset tuotantokustannukset ja helppo prosessin ohjaus. Muovausaika on kuitenkin pitkä, vihertiheys ja lujuus ovat alhaiset ja vikoja, kuten halkeilua ja reikiä, esiintyy herkästi. Liukuvaluon perustuen tutkijat ovat kehittäneet parannettuja menetelmiä, kuten keskipakoliukuvalua, paineliukuvalua ja suodatinpuristusta.
02 Nauhavalu
Nauhavalussa käytetty keraaminen liete on viskoosi, huonosti juoksevaa keraamisen jauheen, pehmittimen, dispergointiaineen ja liuottimen seosta. Ilmanpoiston jälkeen liete asetetaan teippivalukoneeseen, levitetään kaavinterällä tiettyyn paksuuteen kantonauhalle, kuivataan ja kuoritaan ohueksi kalvoksi. Viherkappale koneistetaan sitten tuotteen mittojen mukaan. Nauhavaluliete vaatii keraamisen jauheen tasaisen dispergoinnin ilman agglomeraatteja tai liukenematonta sideainetta. Vihreän rungon valmistelun aikana teippivalamiseen liittyy ongelmia, kuten epätasainen paksuus, karhea pinta, arvet ja viat. Nauhavalua käytetään pääasiassa ohuiden keraamisten levyjen valmistukseen, joita käytetään laajalti integroitujen piirien substraateissa, substraattimateriaaleissa, kondensaattoreissa ja pienjännitevaristoreissa.
Uudet kolloidiset muodostusprosessit
Kolloidimuodostukseen kuuluu keraamisen jauheen tasainen dispergointi liuottimeen korkean kiintoainepitoisuuden omaavan matalaviskositeettisen keraamisen lietteen saamiseksi, joka sitten kaadetaan muottiin ja jähmetetään eri menetelmillä tietyn muotoisen ja koon omaavan vihreän kappaleen saamiseksi. Viime vuosina on edistytty merkittävästi tällaisissa muovausmenetelmissä, mikä on johtanut useisiin johdetuihin prosesseihin, kuten geelivaluon, suoran koagulaatiovaloon ja spontaaniin koagulaatiovaluun.
01 Geelivalu
Geelivalu yhdistää perinteisen märkämuovauksen ja polymeerikemian. Orgaaniset monomeerit polymeroituvat tietyissä olosuhteissa kolmiulotteisen polymeeriverkoston muodostamiseksi, joka lukitsee keraamiset hiukkaset ja liuotinmolekyylit verkostoon, jolloin keraaminen liete jähmettyy ja muodostaa vihreän kappaleen. Tämä menetelmä ei ainoastaan peri perinteisen märkämuovauksen (liukuvalu, ruiskuvalu) edut, vaan myös ratkaisee suurelta osin niiden ongelmat, tehden siitä käytännössä arvokkaan keraamisen muovausprosessin.
The greatest challenge in gelcasting is preparing a high‑solids (>50 tilavuusprosenttia, mutta silti matalaviskositeettinen keraaminen liete. Lietteen juoksevuuden määrää pääasiassa jauheen dispergoituvuus ja stabiilisuus liuottimessa, mikä voidaan saavuttaa valitsemalla sopiva dispergointiaine ja säätämällä lietteen pH:ta. Toinen haaste on lietteen jähmettymisen hallinta. Valitun orgaanisen monomeerin ja silloitteen polymerointiolosuhteiden tulee olla helposti hallittavissa. Viherkappaleen orgaanisen pitoisuuden tulee olla mahdollisimman alhainen ja syntyvän viherkappaleen tulee olla lujaa. Orgaaninen lisäys geelivalussa on yleensä alle 5 paino-%, joten erillistä sideaineen polttovaihetta ei tarvita. Saadulla vihreällä kappaleella on korkea lujuus ja yhtenäinen rakenne. Geelivalu tarjoaa etuja, kuten lähes verkon muodon muodostamisen, kyvyn tuottaa monimutkaisia muotoisia tuotteita ja kyky tuottaa suurikokoisia tuotteita.
02 Suora koagulaatiovalu
Suora koagulaatiovalu on uusi keraaminen muovaustekniikka, joka on kehitetty geelivaluon perustuen. Se käyttää menetelmiä, kuten entsyymikatalyysiä, keraamisen lietteen pH:n säätöä tai elektrolyyttipitoisuuden säätöä, säätämään keraamisten hiukkasten välistä kaksikerroksista repulsiota, horjuttamaan keraamisen lietteen suspension stabiilisuutta ja aiheuttamaan keraamisten hiukkasten in situ jähmettymisen muodostaen vihreän kappaleen. Neste-kiinteä-muunnosmekanismiin kuuluu van der Waalsin vetovoiman ja kaksoiskerroksen synnyttämän sähköstaattisen repulsion säätäminen. Muuttamalla van der Waalsin voiman ja sähköstaattisen repulsion suuruutta lietteen jähmettymistä ohjataan: kun van der Waalsin vetovoima hallitsee, lietteellä on taipumus jähmettyä; kun sähköstaattinen repulsio hallitsee, lietteellä on taipumus hajota. Suoran koagulaatiovalun lietteen kiintoainekuormituksen tulee olla vähintään 55 tilavuus-%, jotta kiinteytys voidaan saavuttaa säätämällä lietteen pH:ta. Kiinteytysolosuhteet ovat helposti hallittavissa ja saavutettavissa. Suora koagulointivalu tuottaa viherkappaleita, joilla on suuri tiheys, hyvä tasaisuus, alhainen orgaaninen pitoisuus ja kyky muodostaa monimutkaisia muotoisia tuotteita. Prosessi on kuitenkin monimutkainen, vihreä lujuus suhteellisen alhainen ja menetelmästä puuttuu universaalisuus.
03 Spontaani koagulaatiovalu
Spontaani koagulaatiovalu on uusi keraaminen muovausprosessi, jonka Shanghai Institute of Ceramics kehitti vuonna 2011. Siinä käytetään vesiliukoisia isobuteenipohjaisia kopolymeerejä sekä dispergointi- että sideaineena keraamisten viherkappaleiden valmistukseen. Spontaani koagulaatiovalu on samanlainen kuin geelivalu lietteen valmistuksessa, muodostusmenetelmässä ja raaka-aineen ominaisuuksissa. Erona on se, että spontaanissa koagulaatiovalussa vesiliukoinen isobuteenipohjainen kopolymeeri toimii sekä dispergointiaineena että sideaineena, jolloin se kiinteytyy pitkien molekyyliketjujen muodostaman sillan kautta. Sitä vastoin geelivalu saavuttaa jähmettymisen polymeroimalla monomeerimolekyylejä ja silloittajia muodostaen kolmiulotteisen verkoston, joka vangitsee keraamiset hiukkaset. Spontaanien koagulaatiovalujen etuja ovat alhainen orgaaninen pitoisuus, huoneenlämmössä tapahtuva jähmettyminen, helppokäyttöisyys ja alhaiset tuotantokustannukset.