中國粉體網訊 傳統的陶瓷制備工藝機械加工法、注射成型法、粉漿饒注法等，這些方法在成型復雜的構件時存有一定的局限，機械加工法可以通過機械處理得到復雜構件，但是加工成本較貴；注射成型法在制備復雜構件，其尺寸受到嚴格的限制，而且排膠時間較長；粉漿澆注需要較長時間來干燥成型，而且漿料的黏度過大導致料液無法充分填充模具。
20 世紀 90 年代初美國橡樹嶺國家重點實驗室 Mark A，Janney 教授等人將傳統陶瓷工藝和聚合物化學有機地結合起來，提出在陶瓷成型工藝中利用高分子單體聚合進行成型的凝膠注模成型技術。在制備復雜陶瓷構件時凝膠注模成型技術具有以下優點：
1)適用范圍廣，對粉體無特殊要求；
2)可實現近凈尺寸成型，制備出復雜形狀的部件；
3)坯體強度高，明顯優于傳統成型工藝所制的坯體，可進行機械加工；
4)坯體有機物含量低；
5)坯體和燒結體性能均勻性好；
6)工藝過程易控制；
7)成本低廉。
凝膠注模成型技術原理
凝膠注模成型技術是將傳統粉體成型工藝與有機聚合物化學結合，采用具有三維網絡結構的高分子物質將分散均勻低黏度、高固相體積分數的懸浮液來實現凈尺寸成型高強度、高密度均勻坯體。
基本原理：在低黏度、高固相體積分數的粉體−溶劑懸浮體中加入有機單體，然后在催化劑和引發劑的作用下通過加熱或冷卻等方式使濃懸浮體中有機單體化學交聯聚合或物理交聯成三維網狀結構，從而使懸浮體原位固化成型。
凝膠注射成型工藝
1.粉料與分散劑加入溶劑，球磨、超聲震蕩等方式處理配成懸浮漿料；
2.有機單體與交聯劑溶于懸浮漿料，真空球磨工藝除氣降低黏度、增加漿料流動性，制備低黏度高固相體積分數濃懸浮液；
3.注模前依次加入引發劑，充分攪拌注模；
4.一定溫度下引發有機單體凝膠反應，漿料黏度隨之增加導致粉料被原位包裹、固化成型，最終形成具有一定強度和柔韌性的三維網狀結構，得到含一定溶劑的坯體；
5.脫模后，在一定溫度、濕度下干燥，得到較高強度坯體，將干坯排膠并燒結得到致密部件。
凝膠注模成型技術分類
根據凝膠注模技術所用的溶劑不同，可以將凝膠注模分為水系凝膠注模和非水系凝膠注模。
非水系凝膠注模
非水系凝膠注模工藝采用的溶劑為醇、酮、醚和烴等有機溶劑。
水系凝膠注模
與非水系凝膠注模成型技術相比，水系具有以下優點：
1) 水作為溶劑的凝膠注模成型技術與傳統成型方法更接近；
2) 干燥過程更簡單；
3) 可降低凝膠前驅物黏度；
4) 可避免有機物帶來的環境污染問題。
凝膠體系
根據根據凝膠的來源可將凝膠體系分為天然凝膠體系和合成凝膠體系。
天然凝膠體系
天然凝膠體系是濃懸浮液中有機單體在物理作用方式下，通過物理交聯形成凝膠。常見天然凝膠體系：瓊脂糖、明膠、果膠、愛爾蘭臺膠、殼聚糖和蛋白質等。
合成凝膠體系
合成凝膠體系是濃懸浮液中有機單體在引發劑與催化劑等引發作用下，通過高分子化學反應合成凝膠。
有機單體包括至少一個單功能團單體(稱作單體)和一個多功能團單體(交聯劑)。有機單體應滿足以下性能：
1)單體/交聯劑可溶，溶解度過低易沉淀聚合；成型密度不均影響坯體強度；
2)加入有機單體不影響濃懸浮液流動性，若流動性降低，則難以制備高固相、低黏度的濃懸浮液；
3)凝膠應具有一定強度、優良的硬度和韌性，這樣才能起到原位定型作用，保證脫模及后續加工；
4)有機單體應無毒性或低毒性；
5)有機單體價格要低廉，便于大規模工業化生產。
為使單組元凝膠體系或多組元凝膠體系發生凝膠反應，需加入引發劑。不同單體體系應使用不同引發劑。為加速單體聚合，可以采用加熱及紫外光、紅外光、可見光、電子束輻照及壓應力、催化劑等方法。此外，為了改善坯體的可加工性，通常加入增塑劑。
凝膠注模成型技術應用
在粗粒度粉體中的應用
采用微米級粉末原料制備精細陶瓷和復雜形狀陶瓷部件，采用粒徑分布寬原料制備粗顆粒體系陶瓷和高級耐火材料。凝膠注模成型技術制備粗顆粒體系的陶瓷或耐火材料的關鍵是高固相體積分數漿料的制備。
在復合材料領域中的應用
采用凝膠注模成型技術制備復合材料體系最大的難點是如何制備出固相體積分數高、流動性好、分散均勻的漿料。通過粉體表面改性、超聲波輔助分散、復合分散劑的選擇等技術來提高復相陶瓷漿料的固相體積分數及均勻性，可以制備出較好的陶瓷復合材料。
在多孔材料材料領域中的應用
凝膠注模成型制備多孔陶瓷具有下述優點：
1)大幅度提高坯體強度提高成品率；
2)提高微孔徑均勻性控制過濾精度；
3)減少有機物使用量，減少環境污染；
在功能材料領域中的應用
凝膠注模成型技術制備功能陶瓷主要應用于壓電陶瓷(PZT)，因為凝膠注模技術十分適合制備形狀復雜的壓電陶瓷產品，滿足批量生產要求。運用凝膠注模技術制備壓電陶瓷的關鍵是選取合適凝膠體系以及分散劑等添加劑，從而嚴格地控制陶瓷的化學成分。
凝膠注模成型工藝的重點和難點
高固含量、低粘度漿料的制備。影響固含量的主要因素是粉料在介質中的
膠體特性，因此可通過選用合適的分散劑，調節pH獲得理想的漿料。
陶瓷漿料的可控固化。在應用凝膠注模成型工藝的過程中，陶瓷漿料的可
控固化是一個棘手的問題。
排膠對坯體強度及其顯微結構的影響。在排膠過程中，隨著排膠溫度的升高，坯體強度及其顯微結構發生階段性的變化。
參考資料：
Nunn S D. Oelcasting: from laboratory development toward industrial production.
Dong G, Kai C, Long-to L. Gelcasting of PZT.
MCMILLAN A D. The handbook of ceramic engineering.
Anonymous. Gelcasting, an alternative to current ceramic processes.
http://www.ornl.gov/info/ornlreview/rev28-4/text/gelcast.htm
JANNEY M A. Method for molding ceramic powders: US 4894194.
唐竹興. 注凝成型微孔梯度陶瓷材料制備新工藝的研究
張巨先. Al203/SiCP納米復合材料化學制備工藝研究
曹小剛. 多孔氧化鋁陶瓷的凝膠注模成型
王小鋒. 凝膠注模成型技術的研究與進展
黃志彬. 陶瓷粉末凝膠注模成型工藝研究
龐學滿. 氮化硅基陶瓷復合材料凝膠注模成型工藝研究
（中國粉體網編輯整理/江岸）
注：圖片非商業用途，如侵權告知刪除
