سرامیک آلومینا به دلیل سختی بالا، مقاومت در برابر حرارت بالا، مقاومت در برابر خوردگی و عایق الکتریکی عالی، به طور گسترده در زمینههای{0} تولیدی پیشرفته مانند هوافضا، بستهبندی الکترونیکی، دستگاههای پزشکی و قطعات مقاوم در برابر سایش استفاده میشود. در این کاربردها، فرآیند شکل دهی یک مرحله حیاتی است که عملکرد نهایی، دقت ابعادی و قابلیت اطمینان سرامیک را تعیین می کند. فرمینگ به فرآیند تهیه پودر آلومینا به بدنه سبز رنگ با شکل و اندازه معین اطلاق می شود. برای جلوگیری از تغییر شکل یا ترک در حین خشک کردن یا تف جوشی بعدی، بدنه سبز باید تا حد امکان دارای چگالی بالا و یکنواختی خوب باشد.
طبقه بندی روش های تشکیل سرامیک آلومینا
فرآیندهای شکلدهی سرامیکی را میتوان با توجه به ویژگیهای جریان بلانک به شکلدهی خشک و شکلدهی مرطوب، با شکلدهی مرطوب به شکلدهی پلاستیک و شکلدهی کلوئیدی تقسیمبندی کرد.
شکل دهی خشک
در شکل دهی خشک، قسمت خالی حاوی آب کم یا بدون آب (کمتر از 6٪) است و محتوای سایر چسب ها یا روان کننده ها معمولاً از 1٪ تا 2٪ تجاوز نمی کند. این فرآیند شامل قرار دادن پودر در قالب و اعمال نیروی مکانیکی خارجی برای شکل دادن به پودر است. بدنه سبز سرامیکی با اصطکاک بین ذرات سرامیکی به هم چسبیده و اندازه و شکل خاصی را حفظ می کند. بدنه سبز یک سیستم ترکیبی است که از فاز خالی، مایع (بایندر) و هوا تشکیل شده است.
01 پرس خشک
پرس خشک شامل مخلوط کردن پودر با آب یا چسباننده برای تشکیل گرانول، سپس قرار دادن پودر دانهبندی شده در قالب و اعمال فشار برای تشکیل بدنه سبز رنگ با استحکام و شکل خاص است. مزایای پرس خشک شامل فرآیند ساده، عملیات آسان، مناسب بودن برای تولید صنعتی در مقیاس بزرگ، تراکم سبز بالا و جمع شدگی کوچک محصول زینتر شده است. با این حال، از آنجایی که پرس خشک از پرس تک محوری استفاده می کند، بدنه سبز غیریکنواختی چگالی قابل توجهی- نشان می دهد، که با افزایش ضخامت نمونه مشخص تر می شود. علاوه بر این، آگلومراهای موجود در پودر را نمی توان در طول آماده سازی پودر از بین برد و تولید سرامیک های خوب را دشوار می کند.
02 پرس ایزواستاتیک
پرس ایزواستاتیک شامل قرار دادن پودر در یک قالب لاستیکی قابل تغییر شکل و سپس اعمال فشار مساوی از محورهای مختلف از طریق یک محیط گازی یا مایع برای تشکیل قطعه است. در مقایسه با پرس خشک، پرس ایزواستاتیک از پرس چند محوری استفاده می کند که مشکل عدم یکنواختی چگالی اجسام سبز فشرده خشک را حل می کند و فاصله سفر ذرات پودر را کاهش می دهد و در نتیجه سرعت تشکیل را افزایش می دهد. با این حال، پرس ایزواستاتیک دارای معایبی مانند هزینه بالای تجهیزات، تعمیر و نگهداری پیچیده، و حساسیت به نقص (به عنوان مثال، بی نظمی سطح، ترک های فشاری) است. برای محصولات با اندازه بزرگ، پرس ایزواستاتیک مستعد ایجاد "پای فیل" یا شیب تراکم از بیرون به داخل است. در حال حاضر، سرامیک های آلومینا تولید شده با پرس ایزواستاتیک در چین عمدتاً برای رادوم های سرامیکی، آستین های سرامیکی عایق ترمینال فرکانس بالا و غیره استفاده می شود.
شکل دهی مرطوب سنتی
در مقایسه با شکل دهی خشک، شکل دهی مرطوب می تواند از تجمع پودر جلوگیری کند، نقص های موجود در بدنه سبز را کاهش دهد یا حتی از بین ببرد، و قابلیت اطمینان محصولات سرامیکی را بهبود بخشد، و یک مسیر مطمئن برای تولید سرامیک های خوب یا فیلم های سرامیکی ارائه می دهد. شکل دهی مرطوب به طور کلی شامل مراحل زیر است: (1) سنتز یا مخلوط کردن پودر سرامیک. (2) تهیه دوغاب سرامیکی؛ (3) انجماد دوغاب. (4) خشک کردن برای حذف حلال. (5) تف جوشی برای به دست آوردن سرامیک. نکات کلیدی در فرم دهی مرطوب، تهیه دوغاب سرامیکی و خشک شدن بدنه سبز رنگ است.
01 ریخته گری لغزشی
ریخته گری لغزشی شامل پراکندگی یکنواخت پودر سرامیک در یک محیط مایع برای تشکیل دوغاب سرامیکی، سپس ریختن دوغاب در قالب گچ است. نیروی مویینگی قالب گچ، حلال را از دوغاب جذب می کند و باعث جامد شدن سرامیک و تشکیل بدنه سبز رنگ با شکل و اندازه معین می شود. برای ریختهگری لغزشی باید دوغاب دارای سیالیت و پایداری عالی باشد. علاوه بر این، قالب باید دارای نفوذپذیری خوبی باشد تا حذف محیط مایع از بدنه سبز را تسهیل کند. ریخته گری لغزشی مزایایی مانند فرآیند ساده، هزینه تولید پایین و کنترل آسان فرآیند دارد. با این حال، زمان شکلدهی طولانی، تراکم و استحکام سبز کم است و عیوبی مانند ترکخوردگی و سوراخهای سوزنی مستعد بروز هستند. بر اساس ریخته گری لغزشی، محققان روش های بهبود یافته ای مانند ریخته گری لغزشی گریز از مرکز، ریخته گری لغزش تحت فشار و پرس فیلتر را توسعه داده اند.
02 ریخته گری نوار
دوغاب سرامیکی مورد استفاده در ریخته گری نواری، مخلوطی چسبناک و با جریان ضعیف از پودر سرامیک، نرم کننده، پخش کننده و حلال است. پس از تهویه، دوغاب روی دستگاه ریختهگری نوار قرار داده میشود، توسط یک تیغه دکتر به ضخامت معینی روی نوار حامل پخش میشود، خشک میشود و برای تشکیل یک لایه نازک پوست کنده میشود. سپس بدنه سبز با توجه به ابعاد محصول ماشین کاری می شود. دوغاب برای ریخته گری نواری نیاز به پراکندگی یکنواخت پودر سرامیکی بدون آگلومره یا چسب حل نشده دارد. در طول آماده سازی بدن سبز، ریخته گری نوار مستعد مسائلی مانند ضخامت ناهموار، سطح ناهموار، اسکار و نقص است. ریخته گری نواری عمدتاً برای تولید صفحات سرامیکی نازک استفاده می شود که به طور گسترده در بسترهای مدار مجتمع، مواد زیرلایه برای بسترها، خازن ها و وریستورهای ولتاژ پایین استفاده می شود.
فرآیندهای تشکیل کلوئیدی جدید
تشکیل کلوئیدی شامل پخش یکنواخت پودر سرامیک در یک حلال برای به دست آوردن دوغاب سرامیکی با جامدات بالا و ویسکوزیته کم است که سپس در قالب ریخته می شود و با روش های مختلف جامد می شود تا بدنه ای سبز رنگ با شکل و اندازه مشخص به دست آید. در سال های اخیر، پیشرفت قابل توجهی در چنین روش های شکل دهی صورت گرفته است که منجر به چندین فرآیند مشتق شده، مانند ریخته گری ژل، ریخته گری انعقادی مستقیم و ریخته گری انعقادی خود به خودی شده است.
01 ژل کاستینگ
ژل کاست شکل گیری مرطوب سنتی را با شیمی پلیمر ترکیب می کند. مونومرهای آلی تحت شرایط خاصی تحت پلیمریزاسیون قرار می گیرند و یک شبکه پلیمری سه بعدی تشکیل می دهند که ذرات سرامیکی و مولکول های حلال را در شبکه قفل می کند و باعث می شود که دوغاب سرامیکی جامد شده و یک جسم سبز تشکیل دهد. این روش نه تنها مزایای فرم دهی مرطوب سنتی (ریخته گری لغزنده، قالب گیری تزریقی) را به ارث می برد، بلکه تا حد زیادی بر مشکلات آنها غلبه می کند و آن را به یک فرآیند شکل دهی سرامیکی عملاً ارزشمند تبدیل می کند.
The greatest challenge in gelcasting is preparing a high‑solids (>دوغاب سرامیکی با ویسکوزیته پایین 50 درصد. سیالیت دوغاب عمدتاً با قابلیت پخش و پایداری پودر در حلال تعیین می شود که می توان با انتخاب یک پخش کننده مناسب و کنترل pH دوغاب به آن دست یافت. چالش دیگر کنترل انجماد دوغاب است. شرایط پلیمریزاسیون مونومر آلی انتخابی و پیوند متقاطع باید به راحتی قابل کنترل باشد. محتوای آلی در بدن سبز باید تا حد امکان کم باشد و بدنه سبز رنگ حاصل از استحکام بالایی برخوردار باشد. افزودن ارگانیک در ژل کاست معمولا کمتر از 5 درصد وزنی است، بنابراین هیچ مرحله فرسودگی بایندر جداگانه لازم نیست. بدنه سبز رنگ به دست آمده دارای استحکام بالا و ساختار یکنواخت است. ژل کاست مزایایی مانند شکل دهی نزدیک به شبکه، توانایی تولید محصولات پیچیده شکل و توانایی تولید محصولات با اندازه بزرگ را ارائه می دهد.
02 ریخته گری انعقادی مستقیم
ریختهگری انعقادی مستقیم یک روش جدید شکلدهی سرامیکی است که بر اساس ژلکستینگ توسعه یافته است. از روش هایی مانند کاتالیز آنزیمی، کنترل pH دوغاب سرامیکی، یا کنترل غلظت الکترولیت برای تنظیم دافعه دولایه بین ذرات سرامیکی، بی ثبات کردن پایداری تعلیق دوغاب سرامیکی، و انجماد درجا ذرات سرامیکی برای تشکیل بدنه سبز رنگ استفاده می کند. مکانیسم تبدیل مایع به جامد شامل تنظیم جاذبه واندروالس و دافعه الکترواستاتیکی ایجاد شده توسط لایه دوگانه است. با تغییر مقدار نیروی واندروالس و دافعه الکترواستاتیکی، انجماد دوغاب کنترل می شود: وقتی جاذبه واندروالسی غالب است، دوغاب تمایل به جامد شدن دارد. هنگامی که دافعه الکترواستاتیکی غالب است، دوغاب تمایل به پراکندگی دارد. بارگذاری جامدات دوغاب برای ریخته گری مستقیم انعقاد نباید کمتر از 55 درصد حجمی باشد تا بتوان با تنظیم pH دوغاب به انجماد رسید. شرایط انجماد به راحتی قابل کنترل و دستیابی است. ریختهگری با انعقاد مستقیم، بدنههای سبز رنگ با چگالی بالا، یکنواختی خوب، محتوای آلی کم و توانایی تشکیل محصولات پیچیده شکل تولید میکند. با این حال، این فرآیند پیچیده است، استحکام سبز نسبتا کم است، و روش فاقد جهانی است.
03 ریخته گری انعقادی خود به خود
ریختهگری انعقادی خود به خود یک فرآیند شکلدهی سرامیکی جدید است که توسط موسسه سرامیک شانگهای در سال 2011 توسعه یافت. از کوپلیمرهای مبتنی بر ایزوبوتیلن محلول در آب به عنوان پخشکننده و چسبنده برای تهیه بدنههای سبز سرامیکی استفاده میکند. ریخته گری انعقادی خود به خودی شبیه ژل کاست در تهیه دوغاب، روش شکل دهی و ویژگی های بدن سبز است. تفاوت این است که در ریخته گری انعقادی خود به خود، کوپلیمر مبتنی بر ایزوبوتیلن محلول در آب هم به عنوان پخش کننده و هم به عنوان چسبنده عمل می کند و از طریق پل زدن با زنجیره های مولکولی بلند به انجماد می رسد. در مقابل، ژل کاست از طریق پلیمریزاسیون مولکولهای مونومر و پیوندهای متقاطع به انجماد میرسد تا یک شبکه سهبعدی تشکیل دهد که ذرات سرامیکی را به دام میاندازد. مزایای ریخته گری انعقادی خود به خودی شامل محتوای آلی کم، انجماد در دمای اتاق، عملیات ساده و هزینه تولید پایین است.