工艺条件对氧化铍凝胶注模坯体强度的影响.pdf

王小锋等:工艺条件对氧化铍凝胶注模坯体强度的影响
工艺条件对氧化铍凝胶注模坯体强度的影响
王小锋,王日初,彭超群,李婷婷,刘兵
(中南大学材料科学与工程学院,湖南长沙410083
摘要:研究单体浓度(AM)、单伓/交联剂比例料。那么,环体强度主要由粉体数量和高分子有机物
(AM/MBAM)、反应温度和固相体积分数等工艺条件決定。此,坯休强度的影响因素是影响自由基聚合
对氧化铍凝肢注模坯体强度的影响,并从自由基聚合反应的因素(如单体浓度、单体/交联剂比例、引发剂浓
反应角度分析各因素对纯凝胶强度和均勻性的影响的度和反应温度等)和决定粉体数量的悬浮液的固相体
原因,得出各因素较合通的参数范国。结果表明纯凝积分数。研究者2曾粗路地硏究过凝胶注模坯体强
胶和坯体强度随着单体浓度的増加而増加,但过高
度的影响因素,但其研究结果却不尽相同,有些甚至完
单体浓度会使结构均匀性变差,因此单体浓度较合适全相反。例如关于单体/交联剂(AM/MBAM)比例和
的范围为10%~20%(质受分数):随着AM/MBAM固栩体积分数对坯体强度的影响规律11!。因此有必
比例的増加,坯体强度降低,均匀性下降,AM/MBAM要系统地研究各因素对坯体强度的影响规律
比例应控制在20:1与30:1之间;随着反应湿度的
木文主要研究单体浓度、单体/交联剂比例、反应
升高,凝胶强度起初逐浙减低而后又升高,但凝胶均匀溢度和固相体积分数等对氧化铍凝胶注模还体强度的
性则为先遜渐増加而后又减低,反应温度应控制在20影响,从而得出各参数较合适的范同。为更加清楚地
35℃范国内;随着固相体积分数的増加,凝胶注模坯研究各因素的影响规律,木文还从高分子化学的角度
体强度逐渐下降·但均匀性却升高,国此在满足坯体强研究各因素对纯凝胶强度的影啊。
度要求的前提下,固相体积分数应尽可能的較高
关键词:凝胶注模;坯体强度;凝胶强度;工艺条件;2实验
Beo)
纯凝胶和坯体的制备
中图分类号:TQ174
文献标识码:A
精确称取过硫酸铵(APS,长沙分路口化工厂)配
文章编号:1001-9731(2011}07-1197-06
制质量分数为10%的溶液待用。称取一定量的单体
言
丙烯酰胺和交联剂N,N'-亚甲基双丙烯酰胺〈AM和
MBAM,上海国药集团有限公司〉加入去离子水中,经
凝胶注模是20世纪90年代初美国橡树岭国家实搅拌均匀直至溶液透明,得到单体水溶液。在单体水
验室发明的一种新型的陶瓷成型技术。该技将溶液中加入分散剂NH4PAA(日本东亚合成有根公
传统的陶瓷工艺与聚合物化学巧妙地结合起来,利用司〉,Be(O)粉体,球24h制得不而間相体积分数的
分散均匀的粉体悬浮液中的有机单体的自由基聚合反BeO粉体悬浮液。在単体水溶液中加入ー定量的催化
应形成具有三维网络结构的高分子物质将颗粒包裹,剂N,N,N',”-四甲基乙二铵く CEMEI),北京化学试
从而得到具有粉体与高分子物质复合结构的坯体。凝剂公司)和引发剂APS溶液,静置该浴液经一定时闯
胶注模一经提出就成为国内外研究的热点,被应用于反应后转变为凝胶。为了排除因氧气存在而产生"氧
制备各种陶瓷部件,如Al-O21、2Zr(O20、SiC”和盥聚"的影响,在反应前将溶液进行真空除气处理。将
PZT等3?,特别是制备形状复杂的陶瓷零部件i0,因Be)粉体(湖南水口山有色金属集团有限公司)悬浮液
为其具有可制备复杂形状部件、成型坯体有机物含量真空除气后,在设定温度下加入引发剤和催化剂并注
低且强度高、工艺过程易控制和成本低廉等一系列优人模具中,使悬浮液胶反应固化,脱模干燥得到坯
点。其中,对于机械加:困难且费用高的陶瓷材料体
而言,凝胶注模坯体髙强度这一优点具有十分重要的
2拌品的性能及表征
意义。
参照文献[17,18]自制凝胶强度测定器,将溶胀平
髙强度的坯体利于烧结前的搬运过程等工序,并衡的凝胶切成15m×15mm×5mm的小块,放在测
且还可以对坯体进行直接机裓加
进而直接获得定器平台上,加上已知质量的盖板,依次加载一定质量
所需尺寸的部件,避免烧结成瓷后的机加工。显然,凝的砝码使共被压缩?测定凝胶压缩前的高度Lo以及凝
胶注模坯体就是一…种粉体与高分予有机物的复合材胶被压缩后的高度L。根据下式可以计算凝胶的弹性
基金项目:家民口配套科研资助项目(MKPT-03-182)
收到初稿日期:2010-11-20
收到修改稿日期:2011-03-2
通讯作者:彭超群
作者筒介:王小锋(1980一),男,湖北天门人,主要从事纳米粉体和电于封装材料的研究。
1198
2011年第7期(42)卷
模量
F
G(A-a5
28
26
式中,z为压缩应力,F为压力负载,A。为溶胀-凝
胶压缩前面积,a为压缩应変(L/L)。用x对-(a
20
a2)作图,得到一条直线,直线的斜率为弹性模量G。
x
采用三点弯曲法在CSS2205电子感应万能试验
正14
机上测量弯曲强度,加载速率为0.5mm/min。试样大
AM concentration/wt%
小为3mm×4mmX36mm,跨距24mm。每组试样数
图2单体浓度对坯体抗弯强度的影响
量为5个。采用扫描电子显微镜( Quanta2000)观察Fig2 Effect of monomer(AM) concentration on flex-
样品断口微观组织形貌。
ural strength of green body
随着单体浓度上升,透明凝胶弹性增强。根据自
3结果与讨论
由基聚合理论,透明凝胶合成属于“溶液聚合”情形,聚
3.1单体浓度对坯体强度的影响
合体系占据整个连续水相。单体浓度的上升,导致聚
图1所示为不同单体浓度条件下制备的凝胶的压合体系中的水分减少,反应物浓度上升,聚合速率加快
和反应程度(交联度)提高,因此凝胶弹性增强。相应
力-应变曲线和抗压模量。图2所示为单体浓度对坯
地,坯体强度随单体浓度增加而增加。单体浓度为
体抗弯强度的影响。
10%时,坯体强度为13.7MPa,而其增加为25%时,坯
6000
(a)Compression curves
体强度也升高到30MPa左右。显然,与其它成型方法
25000
相比,采用凝胶注模制备的坯体具有更高的强度,
0200
4000109
能够满足坯体机加工的要求。
23000?20%
25%
图3所示为坯体显微组织结构的扫描电镜照片。
?2000
aE8
可见陶瓷粉体均被高分子网络包裹,且随着单体浓度
1000
的增加,高分子网络所占的比例也增多。当单体浓度
0.20.40.608
较高时(如20%和25%),坯体的微观组织中可观察到
a-a2)
e 6000k(b)Compressive moduius
明显的高分子物质,如图3(a)和(b)中的箭头所示。
这再次证明坯体强度增加的原因是单体浓度的增加使
4000
得坯体中高分子增多,从而其强度增加。但值得注意
E
a3000
的是,虽然増加单体浓度能提高坯体强度,但过高的单