注凝成形制备氧化锆陶瓷刀

摘 要：本文采用注凝成形工艺制备氧化锆陶瓷刀。以超细氧化锆粉为原料，加入丙烯酰胺（单体）、N，N-亚甲基双丙烯酰胺（交联剂）、过硫酸铵（引发剂）、四甲基乙二胺（催化剂）、JA-281分散剂及氨水制备出了固相含量52%的氧化锆基陶瓷悬浮体，经注凝成形，1500℃烧结。文中比较了不同规格的锆粉，并确认了较适用于注凝成形的锆粉。同时，检测了注凝干燥坯体及烧结样品的相关理化性能，并将其与干压冷等静压成形坯体进行对比。结果表明，悬浮体固化后颗粒仍保持原有的位置，坯体光滑致密无气孔。生坯抗弯曲强度为24.19MPa，高于干压冷等静压的15.24MPa，注凝坯体经1500℃烧结，样品吸水率为0%、体积密度为6.13g/cm3、抗弯强度为929.70MPa。

关键词：注凝成形；氧化锆；陶瓷刀

1 引言

氧化锆陶瓷刀首先由日本京瓷研制成功并投放市场，一经问世就受到人们的青睐和追捧，是近年来的高科技产品。氧化锆陶瓷刀独具玉石般丰润亮泽，时尚典雅，号称“贵族刀”。其刀刃锋利无比，耐磨性比钢刀高几十倍，堪称“永不磨损”。氧化锆陶瓷具有化学稳定性高、耐酸碱腐蚀、易清洗不生锈、切物无异味等特性，是典型的“绿色环保产品”。目前，在日本、美国及欧洲等发达国家已得到广泛应用，国内也有多家企业工业化生产氧化锆陶瓷刀，大量出口并作为贵重礼品相互馈赠[1]。

目前，国内外大多数企业都是以化学共沉淀法生产的3%Y2O3-ZrO2造粒粉为原料，采用干压成形法生产氧化锆刀坯。干压成形机械化程度高，因此成本低，生产效率高，但坯体密度低，结构不均匀，烧结时收缩率过大，容易变形、开裂，产品质量较差。为此，对于尺寸较大的刀坯，采用冷等静压工艺提高坯体密度和结构均匀性，以解决上述问题。但是这样无疑会增加设备和工艺成本，并大大降低生产效率。干压成形后，即使经过冷等静压，陶瓷坯体气孔分布一般在不同程度上仍会表现为多峰分布，坯体中难免会存在气孔缺陷，影响陶瓷刀的质量。本文采用水基料注凝成形法制备氧化锆陶瓷刀，凝胶注模成形是上世纪90年展起来的一种近净尺寸成形工艺，最早由美国橡树岭国家实验室Omatete O O等人提出[2]。该工艺可成形形状复杂、微观结构均匀、强度高、密度高的坯体，能直接进行机加工，明显优于其它复杂形状部件的成形工艺[3]，已在工程陶瓷领域得到广泛应用[4-7]。注凝成形的机理是通过外加有机单体和交联剂的聚合反应形成高分子网络结构而将陶瓷粉体原位固化定型。在此过程中，并不发生溶剂介质的散失，其体积基本不发生收缩变化，凝胶坯体的初始体积密度基本保持料浆本身的体积密度，是一种生产高质量的氧化锆陶瓷刀的理想工艺。

2 实验内容

2.1 实验原料

本实验所采用的原料有超细二氧化锆粉料、丙烯酰胺（CH2CONH2，AM）为有机单体、N，N'- 亚甲基双丙烯酰胺[（CH2CONH）2CH2，MBAM]为交联剂、JA-281为分散剂、采用过硫酸铵[（NH4）2S2O8，APS] 作引发剂、N，N - 四甲基乙二铵（TEMED）作催化剂、用氨水调节料浆pH值。

2.2 实验过程

按照表1的实验配方，将有机单体AM、交联剂MBAM和分散剂混合得到预混液，和陶瓷原料粉末一起搅拌，球磨得到高固相、低粘度的浆料，在有机物和陶瓷颗粒得到均匀的混合后加入催化剂TEMED 和引发剂APS，快速搅拌后注入模具，使悬浮体中的有机单体聚合交联形成三维网络结构，从而使液态浆料转变成固态坯体，在50℃浆料固化形成凝胶。脱模后干燥，600℃脱脂，在硅钼棒高温电炉内1500℃保温2 h烧结致密化后得到陶瓷样品。

3 结果分析与讨论

3.1 不同粒径氧化锆粉对陶瓷刀性能的影响

以不同规格参数的锆粉为原料，采用固相含量相同，以及有机单体、交联剂、催化剂及引发剂的加入量均相同的注凝成形工艺制备氧化锆陶瓷刀，其品分别为A1、A2、A3。通过相同的干燥方式及烧成制度所制得的锆刀的各性能参数如表2所示。比较各样品的性能，选取较适合注凝成形所适用的锆粉。由表2可知，锆刀密度均在6.0g/cm3以上，吸水率、显气孔率均为0%，则说明锆刀均可于1500℃烧结致密化。随着氧化锆粉粒径的增加，锆刀的密度有所增加。由于在固相含量相同的条件下，随着锆粉粒度的减小，其浆料的稳定性及陶瓷粉料的分散性变差，导致料浆内气体含量升高，成形后坯体中的气孔增多导致坯体的烧结密度略微有所降低。固相含量相同，烧成收缩不同，可能是由于粉体本身的特性有关。而影响抗弯强度的主要因素有配方组成、烧成温度、晶粒尺寸和分布、玻璃相的分布、气孔的大小和分布等。由于配方组成、烧成温度一致，主要区别是粉体粒径。按理论而言，粉体粒径越细，成品烧结越致密，缺陷越少，抗弯强度越高。但是氧化锆存在相变，如果锆粉性能不稳定，可能导致烧成后的四方相氧化锆不稳定，在抗压过程中也许会导致氧化锆相变而使得抗弯强度减小。

同时，由表2可知，回收废料的抗弯强度不比新粉低，这主要是由于废料回收重新球磨，粉体颗粒同样可均匀分散，锆刀烧结致密，缺陷少。虽然采用回收废料制备锆刀性能不差，但是刀抛光后表面会存在斑点，影响美观，因此回收废料不适用于生产锆刀。

3.2 不同成形方法对氧化锆刀性能的影响

采用干压冷等静压与注凝成形两种不同成形工艺制备氧化锆刀的性能测试，其结果如表3所示。（下转第18页） 由表3可知，注凝成形的生坯抗弯强度要比干压冷等静压的生坯抗弯强度大很多，这是由于注凝成形是在低粘度、高固相含量的粉体-溶剂悬浮液体系中加入少量的有机单体，然后利用催化剂和引发剂，使悬浮体中的有机单体交联形成三维网状结构，是液态浆料原位固化成形，从而得到具有粉体与高分子物质复合结构的高强度坯体。由于注凝成形所制备的浆料通过真空搅拌除气，注凝出的坯体致密度更高，注凝出的坯体缺陷少，烧成后的抗弯强度较干压冷等静压所得制品要高。

4 结论

（1） 注凝成形氧化锆刀比冷等静压成形生坯强度高2倍，烧成后强度提高15%以上，抛光后成品强度高15%以上。所以，注凝成形比冷等静压要好。

（2） 不同粒径的锆粉烧成后抗弯强度有细微区别，规律性不强，以0.2μm粒径成形制品各项性能最佳。

（3） 由于注凝法可以满足器件形状多样化、复杂化的要求，目前注凝成形工艺的应用正处于一个研究的热潮中。

参考文献

[1] 陈大明.先进陶瓷材料的注凝技术与应用[M].北京：国防工业出版社，120-121.

[2] Omatete O O， Janney M A and Strehlow R A. A new ceramic forming process. [J].Ceramic Bulletin， 1991， 70（10）： 1641～1649.

[3] 刘开琪， 宋慎泰， 洪彦若. 凝胶注模成形工艺的研究[J].耐火材料， 2004， 38（5）： 343～346.

[4] 王刚， 阎逢元， 石雷. 精密陶瓷凝胶注模成形工艺评述[J].材料科学与工程学报， 2003， 21（4）： 602～606.

[5] Gilissen R， Erauw J P， Smoldres A， et al. Gelcasting， a near shape technique [J]. Materials and Design， 2000， 21： 251～257.

[6] Kai C， Yong H， Jinlong Y. Alumina gelcasting by using HEMA system [J]. Journal of the European Ceramic Society， 2005 （25）：1089～1093.

[7] 宴伯武. 凝胶注模成形工艺的研究[J]. 中国陶瓷， 2006， 42（2）：8～11.