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第 卷 第 期 年 月 无 机 材 料 学 报 , , 文章编号 一 一 一 氮化硅陶瓷直接凝固注模成型的凝固动力学 刘学建 , 黄莉萍 , 古宏晨 , 徐 鑫 , 符锡仁 中国科 学院上 海硅 酸盐研 究所 , 土 海 华东理 工大 学技术化学物 理研 究所 , 上 海 摘 要 直接凝固注模成型 是一种新的近净尺寸陶瓷成型工艺 , 它是通过可控制反 应速率的酶催化反应来实现浆料原位固化的 本文将悬浮体流变学与陶瓷浆料的成型工艺学有 机结合 , 通过陶瓷浆料的动态弛豫实验 , 研究了 ‘ 浆料 成型的凝固动力学 结果表 明 “ 凝固时间 ” 可以成功地描述陶瓷浆料的凝固过程 , 动态弛豫实验为陶瓷浆料的凝固动力 学提供了一条简便可行的研究方法 在 ‘ 浆料 成型工艺条件优化的基础上 , 制备出 了气孔分布均匀的 坯体 关 键 词 氮化硅 , 直接凝固注模成型 凝固动力学 中图分类号 文献标识码 引言 成型技术是制备陶瓷部件的前提 , 尤其是制备复杂形状陶瓷部件的关键技术 由于胶 态成型工艺可以有效地控制颗粒的团聚 , 易于规模化生产 , 因此受到 了人们广泛的重视 直接凝固注模成型 简称 是一种新的胶态成型陶瓷部件的方法 【‘一 成型采用 无孔的模具 , 通过陶瓷浆料内部可控制的化学反应 酶催化 , 使低粘度 、 高固含量的 浆料在注模后依靠范德华引力的作用实现原位凝固 成型 的特点是 , 仅需要极少量的 有机添加剂 , 不需要脱脂过程 , 浆料原位凝固 , 坯体密度均匀 , 并且可成型复杂形状的陶 瓷部件 在陶瓷浆料的 成型工艺中 , 浆料的凝固动力学是一个十分重要的研究课题 , 人们 已经采用不同的方法研究了不同陶瓷体系 成型时浆料的凝固动力学 通常是通过测量 凝固过程中浆料的粘度或 值随凝固时间的变化来研究的 【一 , 司文捷等 , 首先在溶 液中引入不同量的 电解质 , 建立溶液中的 扣与溶液电导率之间的标准校正 曲线 , 从而通过浆料电导率的测定得 出相应的 才 , 并建立 扣随凝 固时间的变化关 系 , 然后依据浆料粘度随 扣升高而升高的特性来研究浆料的凝固动力学 本文借助悬 浮体流变学的方法 , 通过动态弛豫实验采用 “ 凝固时间 ” 着重研究了 浆料 成型 的凝固动力学及其成型体的特性 收稿日期 一 一 , 收到修改稿 期 一 一 作者简介 刘学建 一 , 男 , 博士 , 助研 · 期 刘学建 , 等 氮化硅陶瓷直接凝固注模成型的凝固动力学 实验 实验原料 本实验所用 粉体 德国 粉 平均粒径 拼 , 比表面积 “ · 一‘ 烧结的添加剂为 和 , 其加入量分别为 和 实验用水为去离子水 , 浆料 值用 的 和 的 溶液调节 所用尿素为 分析纯 , 尿素酶 实验方法 浆料的凝固动力学在 流变仪上进行测量 测量 装置为锥板 锥板半径 , 锥角 坯体的气孔分布采用 , 压 汞仪进行测量 结果和讨论 成型的凝固机理 成型采用高固含量的陶瓷浆料 , 通过在浆料中加入能够改变浆料 值至等电点 或增加电解质浓度的化学物质 , 控制工艺过程中化学反应的进行 , 使注模前反应缓慢进行 , 浆料保持较低粘度状态 , 以利于 良好充模 , 注模后反应加快进行 , 实现浆料凝固 , 使流态的 浆料转变为固态的坯体 当浆料固含量较低时 , 虽然通过调节 值或增加离子强度能使浆料聚沉 , 但是它仅形 成一种糊状絮凝的悬浮体 , 并不能形成具有一定强度 、 可脱模的坯体 然而 , 如果浆料的固 含量 , 则往往可以形成具有足 以脱模强度的坯体 ’ 在前面研究的基础上 【一 ’ , 通 过粉体的表面改性 、 浆料 值的调节 、 球磨以及引入高效的分散剂等途径制备出依靠静电 稳定机理获得的低粘度 、 高固含量的 浆料 , 然后进行 成型 本文采用尿素酶 催化尿素水解的反应 , 使 浆料进行 成型 , 反应如 下 一 一 一 才 了 该反应的反应速度由反应温度 、 值及尿酸酶的加入量等因素决定 这一反应 , 不仅使 浆料的 值向 缓冲溶液的平衡 值 位移 , 而且更重要的是该反应使 浆料中的 才和 了离子的浓度增加 , 从而使 浆料实现原位凝固 , 如图 所示 浆料 成型的凝固动力学 由于颗粒间的相互作用 , 浓悬浮体浆料通常表现粘弹性 “ 】弹性储能模量 表示体系 结构的强度 , 表征了体系中弹性存储的能量 这样 , 浆料 由流态到 固态的凝固动力学 就可以通过浆料动态弛豫实验来研究 图 给出了含有 尿素 、 的尿素酶以及固含量为 的 浆料在 的动态时间弛豫情况 其中 , 每单位尿素酶在 和 下 , 每分钟可分 无 机 材 料 学 报 卷 解尿素产生 一“ 的 可以看 出 , 随着反应时间的延长 , 浆料的弹性储能模量 迅速增大 , 这表明