内容简介
自固化凝胶成型源于笔者团队发现的陶瓷浆料自发凝胶固化现象，已发展成为一种新型的陶瓷浆料原位固化成型方法，其基本原理是通过吸附在陶瓷颗粒表面的分散剂分子链间的弱作用（疏水缔合）实现浆料的凝胶固化，具有普适性和适于常温大气环境操作的特点，已引领国内外研究者开展各类先进陶瓷的成型工作。《先进陶瓷自固化凝胶成型》从实验现象出发，阐明机理，设计和合成系列分散凝胶固化成型剂，开发了****的大尺寸陶瓷部件制备技术，自成体系；相关技术实现推广应用，取得了良好的经济效益和社会效益。
目录
目录
序
前言
第1章 先进陶瓷成型方法及原理 1
1.1 基本概念与原理 1
1.1.1 先进陶瓷 1
1.1.2 成型的基本原理 2
1.2 成型方法分类 2
1.2.1 干法成型 3
1.2.2 湿法成型 4
1.2.3 塑性成型 7
1.3 湿法成型的胶体化学基础 10
1.3.1 分散系统 10
1.3.2 胶体稳定性 12
1.4 浆料（悬浮液）的稳定性 13
1.4.1 颗粒间的相互作用力和分散原理 13
1.4.2 颗粒的分散方法 16
1.5 注凝成型 22
1.5.1 五元凝胶体系—自由基聚合凝胶体系 22
1.5.2 三元凝胶体系 24
1.5.3 二元凝胶体系 26
1.6 直接凝固注模成型 27
1.6.1 改变pH 27
1.6.2 反价离子 29
1.6.3 消耗分散剂 30
1.7 本章小结 30
参考文献 31
第2章 自固化凝胶成型原理及凝胶体系 35
2.1 引言 35
2.2 一元凝胶体系 36
2.2.1 凝胶剂的发现 36
2.2.2 普适性研究 38
2.2.3 自固化凝胶成型机理和湿坯特性 40
2.3 凝胶剂的改性 48
2.3.1 概述 48
2.3.2 分散改性 48
2.3.3 疏水改性 54
2.3.4 交联改性 58
2.4 基于疏水缔合的自固化凝胶成型剂设计合成 66
2.4.1 概述 66
2.4.2 致密陶瓷分散/固化双功能成型剂 67
2.4.3 泡沫陶瓷分散、发泡和凝固三功能成型剂 69
2.4.4 DTAC修饰PAA分散的氧化铝颗粒 70
2.4.5 DTAC修饰PIBM分散的氧化铝颗粒 77
2.4.6 DTAC修饰柠檬酸铵分散的氧化铝颗粒 81
2.5 本章小结 85
参考文献 86
第3章 陶瓷湿坯的干燥、脱粘和烧结 92
3.1 陶瓷湿坯的干燥 92
3.1.1 概述 92
3.1.2 陶瓷凝胶的自发脱水 94
3.1.3 陶瓷湿坯的恒温恒湿干燥 104
3.1.4 压滤辅助脱水 112
3.1.5 微波干燥 113
3.2 陶瓷坯体的脱粘 117
3.2.1 概述 117
3.2.2 坯体的热分析 117
3.2.3 坯体内外温差影响因素 119
3.2.4 脱粘 121
3.3 典型透明陶瓷的烧结 127
3.3.1 概述 127
3.3.2 类单晶结构氧化铝透明陶瓷的烧结 128
3.3.3 预烧结合热等静压烧结镁铝尖晶石 139
3.4 本章小结 146
参考文献 147
第4章 透明陶瓷的自固化凝胶成型 151
4.1 引言 151
4.2 氧化铝透明陶瓷的自固化凝胶成型 152
4.2.1 半透明氧化铝 153
4.2.2 亚微米晶氧化铝透明陶瓷 158
4.2.3 自固化结合模板法制备类单晶结构透明氧化铝 162
4.3 Y2O3透明陶瓷的自固化凝胶成型 164
4.3.1 抗水化处理 165
4.3.2 Y2O3透明陶瓷的制备 167
4.4 AlON透明陶瓷的自固化凝胶成型 169
4.4.1 粉体抗水化处理 169
4.4.2 AlON浆料的流变性和凝胶化 171
4.4.3 AlON透明陶瓷的制备 172
4.5 YAG透明陶瓷的自固化凝胶成型 174
4.5.1 复合粉体的浆料制备 174
4.5.2 YAG透明陶瓷性能 175
4.6 MgAl2O4透明陶瓷的自固化凝胶成型 176
4.6.1 亚微米粉体的自固化凝胶成型 176
4.6.2 纳米粉体的自固化凝胶成型 181
4.6.3 大尺寸MgAl2O4透明陶瓷的自固化凝胶成型 187
4.7 本章小结 188
参考文献 188
第5章 泡沫陶瓷的自固化凝胶成型 191
5.1 引言 191
5.2 发泡剂的分类与发泡效果 192
5.2.1 发泡剂的分类 192
5.2.2 单一发泡剂 193
5.2.3 双发泡剂 195
5.3 自固化体系结合阴离子型发泡剂 197
5.3.1 自固化稳定泡沫 197
5.3.2 氧化铝泡沫陶瓷的制备 197
5.3.3 超高孔隙率泡沫氧化铝陶瓷的制备 199
5.3.4 氧化锆泡沫陶瓷的制备 201
5.4 自固化体系结合阳离子表面活性剂发泡 202
5.4.1 颗粒稳定泡沫 202
5.4.2 泡沫氧化铝的制备 203
5.4.3 高强度氧化铝泡沫陶瓷的制备 206
5.4.4 多孔莫来石陶瓷的制备 207
5.5 本章小结 215
参考文献 215
第6章 自固化凝胶成型应用技术与成果转化 218
6.1 引言 218
6.2 陶瓷无界面连接技术 218
6.3 压滤辅助自固化凝胶成型技术 219
6.3.1 压滤辅助自固化凝胶成型制备高性能氧化铝陶瓷 219
6.3.2 压力辅助自固化凝胶成型制备MgAl2O4透明陶瓷 228
6.4 湿凝胶再流动结合压滤成型技术 230
6.4.1 湿凝胶脱水收缩再流动 230
6.4.2 再流动浆料的压滤成型 234
6.4.3 颗粒级配浆料自固化凝胶成型 236
6.5 泡沫前驱体制备AlN粉体 237
6.6 AlN陶瓷自固化凝胶-流延成型 239
6.6.1 AlN粉体的抗水化处理 240
6.6.2 自固化凝胶-流延工艺
试读
第1章先进陶瓷成型方法及原理
1.1基本概念与原理
1.1.1先进陶瓷
先进陶瓷也称精细陶瓷、特种陶瓷、高技术陶瓷和现代陶瓷等，是指采用高纯度、超细人工合成或精选的无机化合物为原料，添加适当的烧结助剂，在十分严格的工艺条件下制备的多晶烧结体。先进陶瓷主要分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类，结构陶瓷又称工程陶瓷，具有高强度、高硬度、耐磨、耐腐蚀、耐高温、绝缘、透明和生物相容等特性，已经在航空航天、化工、冶金、精密机械、国防**和生命健康等领域发挥不可替代的作用。功能陶瓷是以电、磁、光、声、热、超导、化学或生物功能的多晶陶瓷，主要包括铁电、压电、介电、热释电、热电、半导体、电光和磁性陶瓷，是电子信息、集成电路、移动通信、能源技术和国防**等现代高新技术领域的重要基础材料。先进陶瓷的制备工艺主要包括：粉体制备、坯体成型、干燥、脱粘、高温烧结以及机械加工等。其中，坯体成型是先进陶瓷制备过程中*为重要的工艺之一。
成型是将陶瓷粉体制成一定形状的颗粒集合体的工艺。类似于食品行业以面粉为原料，先制备各种形状的饼干或面包，再送入高温烘箱烘烤制成食品。坯体成型工艺作为一个承上启下的关键环节，是制备高性能陶瓷材料的前提。除了制成一定形状之外，成型还需满足如下基本要求：①成型坯体具有尽可能高的颗粒堆积密度，且分布均匀无缺陷。高颗粒堆积密度有利于低温烧结致密化，以获得细晶高强陶瓷；颗粒堆积分布均匀可以避免后续干燥或烧结时因收缩不均匀导致的宏观和微观缺陷（变形、开裂等）。②成型坯体的尺寸以及形状应尽量接近*终产品要求，以减少后续机械加工的成本，这就必须考虑坯体干燥和烧结的收缩率。③成型坯体具有一定的强度，以满足搬运或坯体加工的要求，避免坯体的损坏或引入缺陷；强度过大，易造成坯体加工的困难。④无污染。透明陶瓷和半导体制造装备中使用的陶瓷部件对杂质要求极高，因此在成型阶段尽量避免杂质离子的引入。⑤低成本。成型方法的选择主要取决于*终产品的尺寸大小、形状的复杂性以及使用性能，尽量选择低成本的方法制备坯体。另外，先进陶瓷的成型必须借助有机添加剂，适量添加满足成型需求即可。若多添加，成本高，而且增加了后续脱粘的难度和环境负荷。
1.1.2成型的基本原理
众所周知，传统陶瓷（日用瓷）的原料黏土矿物由多种水合硅酸盐及一定量的氧化铝、碱金属氧化物和碱土金属氧化物组成，并含有石英、长石、云母及硫酸盐、硫化物和碳酸盐等杂质。黏土矿物（如高岭土等）的颗粒细小，常在胶体尺寸范围内，呈晶体或非晶体，大多数是片状，少数为管状、棒状。黏土矿物用水湿润后可以制备成悬浮的泥浆，泥浆脱水后形成的泥团具有可塑性，可直接拉坯成型。泥浆的流动性和泥团的可塑性与黏土颗粒带负电荷有关[1]。
然而，先进陶瓷的原料粉体如氧化铝和碳化硅等与水或乙醇等溶剂混合不能悬浮成浆料，脱溶剂后不具有可塑性，无法像黏土那样成型，必须通过添加有机高分子辅助等手段，赋予陶瓷颗粒的悬浮性和坯体的可塑性。
1.颗粒悬浮
先进陶瓷的粉体原料基本都是瘠性料，要使这样的粉体颗粒悬浮成具有流动性的浆料，必须使粉体颗粒表面带电荷，颗粒带同样的负电荷或正电荷而互相排斥，经过机械搅拌，颗粒与水等溶剂可以形成在一定时间内稳定分散的陶瓷浆料。颗粒带电的方法有两种。①在陶瓷颗粒表面吸附阴离子表面活性剂（分散剂），如聚丙烯酸铵、烷基苯磺酸钠使颗粒带负电；或吸附阳离子表面活性剂，如四甲基氢氧化铵，使颗粒带正电。②酸处理。例如，利用盐酸处理氧化铝，在颗粒表面生成三氯化铝，然后三氯化铝水解，*后在颗粒表面形成带正电荷的。
2.坯体塑化
塑化是指在陶瓷浆料中添加有机高分子（或颗粒与之直接混合）使原来无塑性的坯体具有塑性的过程。添加的有机高分子塑化剂包括：羧甲基纤维素（CMC），能溶于水；聚乙烯醇（PVA），能溶于70℃热水；聚乙酸乙烯酯，能用于酮、醇、酯和苯；石蜡，熔点50～70℃，加热熔化后具有一定的流动性。塑化剂一般是水溶性（亲水）的，同时具有极性，这种分子在水中能生成水化膜，经吸附，在颗粒表面形成一层很强的有机高分子，可以将松散的颗粒黏结在一起，又由于水化膜的存在，颗粒具有流动性，从而使得坯体具有塑性。塑化的方法有两种：一种是在陶瓷浆料中添加塑化剂；另一种是粉体颗粒与塑化剂直接混合，如石蜡加热熔化后与陶瓷颗粒直接混合。
1.2成型方法分类
陶瓷的成型方法通常可归纳为干法成型和湿法成型，以及介于两者之间的塑性成型（图1-1）。干法成型包括干压成型和冷等静压成型，湿法成型包括注浆成型以及原位固化成型等。塑性成型包括挤出成型、压延成型、热压铸成型和注射成型等。近年来，又兴起了3D打印等无模成型（增材制造）技术。
图1-1先进陶瓷成型方法分类
1.2.1干法成型
