Keramika z oxidu hlinitého sa vďaka svojej vysokej tvrdosti, odolnosti voči vysokým teplotám, odolnosti proti korózii a vynikajúcej elektrickej izolácii široko používa v špičkových{0}}výrobných oblastiach, ako je letecký priemysel, elektronické obaly, lekárske zariadenia a súčiastky- odolné voči opotrebovaniu. V týchto aplikáciách je proces tvarovania kritickým krokom, ktorý určuje konečný výkon, rozmerovú presnosť a spoľahlivosť keramiky. Tvarovanie sa týka procesu prípravy prášku oxidu hlinitého do zeleného telesa s určitým tvarom a veľkosťou. Aby sa zabránilo deformácii alebo praskaniu počas následného sušenia alebo spekania, vyžaduje sa, aby surové teleso malo čo najvyššiu hustotu a dobrú rovnomernosť.
Klasifikácia metód tvárnenia keramiky z oxidu hlinitého
Procesy tvárnenia keramiky možno klasifikovať podľa tokových charakteristík polotovaru na tvárnenie za sucha a tvárnenie za mokra, pričom tvárnenie za mokra sa ďalej delí na tvárnenie plastov a koloidné tvárnenie.
Tvarovanie za sucha
Pri suchom tvárnení polotovar obsahuje málo alebo žiadnu vodu (menej ako 6 %) a obsah iných spojív alebo mazív vo všeobecnosti nepresahuje 1 % – 2 %. Proces zahŕňa umiestnenie prášku do formy a aplikáciu vonkajšej mechanickej sily na tvarovanie prášku. Keramické zelené telo je držané pohromade trením medzi keramickými časticami, pričom si zachováva určitú veľkosť a tvar. Surové telo je zložený systém pozostávajúci z polotovaru, kvapalnej fázy (spojiva) a vzduchu.
01 Lisovanie za sucha
Suché lisovanie zahŕňa najprv zmiešanie prášku s vodou alebo spojivom za vzniku granúl, potom vloženie granulovaného prášku do formy a vyvinutie tlaku na vytvorenie surového telesa s určitou pevnosťou a tvarom. Medzi výhody suchého lisovania patrí jednoduchý proces, jednoduchá obsluha, vhodnosť pre veľkopriemyselnú{1}}výrobu, vysoká hustota surového materiálu a malé zmrštenie spekaného produktu. Pretože však lisovanie za sucha používa jednoosové lisovanie, zelené teleso vykazuje značnú nerovnomernosť hustoty, ktorá sa stáva výraznejšou so zvyšujúcou sa hrúbkou vzorky. Navyše, aglomeráty v prášku sa nedajú eliminovať počas prípravy prášku, čo sťažuje výrobu jemnej keramiky.
02 Izostatické lisovanie
Izostatické lisovanie zahŕňa vloženie prášku do deformovateľnej gumovej formy a potom aplikovanie rovnakého tlaku z rôznych osí cez plynné alebo kvapalné médium na vytvorenie dielu. Izostatické lisovanie v porovnaní s lisovaním za sucha využíva viacosové lisovanie, ktoré rieši problém nerovnomernosti hustoty za sucha lisovaných surových teliesok a znižuje vzdialenosť častíc prášku, čím sa zvyšuje rýchlosť tvarovania. Izostatické lisovanie má však nevýhody, ako sú vysoké náklady na zariadenie, zložitá údržba a náchylnosť na defekty (napr. nepravidelnosti povrchu, praskliny v tlaku). Pri veľkých výrobkoch je izostatické lisovanie náchylné na „slonie nohy“ alebo gradienty hustoty zvonku dovnútra. V súčasnosti sa keramika z oxidu hlinitého vyrábaná izostatickým lisovaním v Číne používa hlavne na keramické kryty, vysokofrekvenčné koncové izolačné keramické objímky atď.
Tradičné mokré tvarovanie
V porovnaní so suchým tvarovaním môže tvarovanie za mokra zabrániť aglomerácii prášku, znížiť alebo dokonca odstrániť chyby v surovom tele a zlepšiť spoľahlivosť keramických výrobkov, čo ponúka spoľahlivú cestu na výrobu jemnej keramiky alebo keramických filmov. Mokré tvarovanie vo všeobecnosti zahŕňa nasledujúce kroky: (1) syntéza alebo miešanie keramického prášku; (2) príprava keramickej kaše; (3) tuhnutie suspenzie; (4) sušenie na odstránenie rozpúšťadla; (5) spekanie na získanie keramiky. Kľúčovými bodmi mokrého tvarovania sú príprava keramickej kaše a sušenie surového telesa.
01 Odlievanie sklzu
Sklzové odlievanie zahŕňa rovnomerné dispergovanie keramického prášku v kvapalnom médiu, aby sa vytvorila keramická kaša, a potom naliatie kaše do sadrovej formy. Kapilárna sila omietkovej formy absorbuje rozpúšťadlo z kaše, čo spôsobí, že keramika stuhne a vytvorí zelené teleso určitého tvaru a veľkosti. Sklzové liatie vyžaduje, aby mala suspenzia vynikajúcu tekutosť a stabilitu. Okrem toho musí mať forma dobrú priepustnosť, aby sa uľahčilo odstraňovanie kvapalného média zo surového telesa. Sklzové liatie má výhody, ako je jednoduchý proces, nízke výrobné náklady a jednoduché riadenie procesu. Čas tvarovania je však dlhý, hustota a pevnosť surového materiálu sú nízke a sú náchylné na výskyt defektov, ako sú praskliny a dierky. Na základe liatia liatím výskumníci vyvinuli vylepšené metódy, ako je odstredivé liatie, tlakové liatie a filtračné lisovanie.
02 Odlievanie pásky
Keramická kaša používaná pri odlievaní pásky je viskózna, zle tečúca zmes keramického prášku, zmäkčovadla, dispergačného činidla a rozpúšťadla. Po odvzdušnení sa kaša umiestni na stroj na odlievanie pásky, natiera sa stierkou do určitej hrúbky na nosnú pásku, vysuší sa a odlúpne, aby sa vytvoril tenký film. Zelené telo je potom opracované podľa rozmerov produktu. Kaša na odlievanie pásky vyžaduje rovnomernú disperziu keramického prášku bez aglomerátov alebo nerozpusteného spojiva. Počas prípravy zeleného tela je odlievanie pásky náchylné na problémy, ako je nerovnomerná hrúbka, drsný povrch, jazvy a defekty. Odlievanie pásky sa používa hlavne na výrobu tenkých keramických platní, ktoré sa široko používajú v substrátoch integrovaných obvodov, substrátových materiáloch pre substráty, kondenzátoroch a nízkonapäťových varistoroch.
Nové procesy koloidného formovania
Koloidné tvarovanie zahŕňa rovnomerné dispergovanie keramického prášku v rozpúšťadle, čím sa získa keramická kaša s vysokou tuhosťou a nízkou viskozitou, ktorá sa potom naleje do formy a stuhne rôznymi spôsobmi, čím sa získa surové teleso určitého tvaru a veľkosti. V posledných rokoch sa dosiahol významný pokrok v takýchto formovacích metódach, čo viedlo k niekoľkým odvodeným procesom, ako je gélové liatie, priame koagulačné liatie a spontánne koagulačné liatie.
01 Gelcasting
Gelcasting kombinuje tradičné mokré tvarovanie s polymérnou chémiou. Organické monoméry podliehajú polymerizácii za určitých podmienok, aby vytvorili trojrozmernú polymérnu sieť, ktorá uzamkne keramické častice a molekuly rozpúšťadla v sieti, čo spôsobí, že keramická kaša stuhne a vytvorí zelené telo. Táto metóda nielenže preberá výhody tradičného mokrého tvárnenia (liatie na klzné liatie, vstrekovanie), ale do značnej miery prekonáva aj ich problémy, čím sa stáva prakticky hodnotným procesom tvárnenia keramiky.
The greatest challenge in gelcasting is preparing a high‑solids (>50 obj. %) keramická kaša s nízkou viskozitou. Tekutosť kaše je určená hlavne dispergovateľnosťou a stabilitou prášku v rozpúšťadle, čo sa dá dosiahnuť výberom vhodného dispergačného činidla a riadením pH kaše. Ďalšou výzvou je kontrola tuhnutia kalu. Podmienky polymerizácie vybraného organického monoméru a sieťovacieho činidla by mali byť ľahko kontrolovateľné. Organický obsah v zelenom korpusu by mal byť čo najnižší a výsledný zelený korpus by mal mať vysokú pevnosť. Organický prídavok pri gélovom odlievaní je vo všeobecnosti menej ako 5 % hmotn., takže nie je potrebný žiadny samostatný krok vyhorenia spojiva. Získané zelené telo má vysokú pevnosť a jednotnú štruktúru. Gelcasting ponúka výhody, ako je tvarovanie takmer v tvare siete, schopnosť vyrábať produkty komplexného tvaru a schopnosť vyrábať produkty veľkých rozmerov.
02 Priame odlievanie koaguláciou
Priame koagulačné odlievanie je nová technika tvarovania keramiky vyvinutá na báze gélového odlievania. Používa metódy, ako je enzýmová katalýza, kontrola pH keramickej kaše alebo kontrola koncentrácie elektrolytu na úpravu odpudzovania dvoch vrstiev medzi keramickými časticami, destabilizáciu stability suspenzie keramickej kaše a spôsobenie tuhnutia keramických častíc in situ za vzniku zeleného telesa. Mechanizmus transformácie kvapalina-pevná látka zahŕňa úpravu van der Waalsovej príťažlivosti a elektrostatického odpudzovania generovaného dvojitou vrstvou. Zmenou veľkosti van der Waalsovej sily a elektrostatického odpudzovania je riadené tuhnutie kalu: keď dominuje van der Waalsova príťažlivosť, kal má tendenciu tuhnúť; keď dominuje elektrostatické odpudzovanie, kaša má tendenciu sa rozptýliť. Obsah tuhých látok v suspenzii na priame koagulačné odlievanie by nemal byť menší ako 55 % obj., aby bolo možné dosiahnuť stuhnutie úpravou pH suspenzie. Podmienky tuhnutia sú ľahko kontrolovateľné a dosiahnuteľné. Priamym koagulačným odlievaním vznikajú surové telesá s vysokou hustotou, dobrou rovnomernosťou, nízkym obsahom organických látok a schopnosťou vytvárať výrobky komplexného tvaru. Proces je však zložitý, sila v surovom stave je relatívne nízka a metóda nemá univerzálnosť.
03 Spontánne koagulačné odlievanie
Spontánne koagulačné odlievanie je nový proces tvarovania keramiky vyvinutý Šanghajským inštitútom keramiky v roku 2011. Na prípravu keramických zelených telies používa vo vode rozpustné kopolyméry na báze izobutylénu ako dispergačné činidlo aj spojivo. Spontánne koagulačné odlievanie je podobné odlievaniu gélu pri príprave kaše, spôsobe formovania a charakteristikách surového telesa. Rozdiel je v tom, že pri spontánnom koagulačnom odlievaní vo vode rozpustný kopolymér na báze izobutylénu pôsobí ako dispergačné činidlo aj spojivo, pričom tuhnutie dosahuje premostením dlhými molekulovými reťazcami. Na rozdiel od toho, gélové odlievanie dosahuje tuhnutie prostredníctvom polymerizácie molekúl monomérov a sieťovacích činidiel, aby sa vytvorila trojrozmerná sieť, ktorá zachytáva keramické častice. Medzi výhody spontánneho koagulačného odlievania patrí nízky obsah organických látok, tuhnutie pri izbovej teplote, jednoduchá obsluha a nízke výrobné náklady.