Nagy keménysége, magas hőmérséklet-állósága, korrózióállósága és kiváló elektromos szigetelése miatt az alumínium-oxid kerámiát széles körben használják a csúcskategóriás gyártási területeken, például a repülőgépgyártásban, az elektronikai csomagolásban, az orvosi eszközökben és a kopásálló alkatrészekben. Ezekben az alkalmazásokban az alakítási folyamat kritikus lépés, amely meghatározza a kerámia végső teljesítményét, méretpontosságát és megbízhatóságát. A formázás arra a folyamatra vonatkozik, hogy az alumínium-oxid port meghatározott alakú és méretű zöld testté állítják elő. A későbbi szárítás vagy szinterezés során bekövetkező deformáció vagy repedés elkerülése érdekében a zöld testnek a lehető legnagyobb sűrűségűnek és jó egyenletességűnek kell lennie.
A timföldkerámia alakítási módszerek osztályozása
A kerámiaalakítási eljárások a nyersdarab folyási jellemzői alapján szárazalakításra és nedvesalakításra oszthatók, a nedvesalakítás pedig tovább osztható plasztikus alakításra és kolloid alakításra.
Száraz formázás
Száraz alakításnál a nyersanyag alig vagy egyáltalán nem tartalmaz vizet (kevesebb, mint 6%), és az egyéb kötőanyagok vagy kenőanyagok tartalma általában nem haladja meg az 1–2%-ot. Az eljárás abból áll, hogy a port öntőformába helyezzük, és külső mechanikai erőt alkalmazunk a por formálására. A kerámia zöld testet a kerámia részecskék közötti súrlódás tartja össze, megtartva egy bizonyos méretet és alakot. A zöld test egy összetett rendszer, amely üresből, folyékony fázisból (kötőanyagból) és levegőből áll.
01 Száraz sajtolás
A száraz préselés során először a port vízzel vagy kötőanyaggal összekeverik szemcsékké, majd a granulált port öntőformába helyezik, és nyomást gyakorolnak egy bizonyos szilárdságú és alakú zöld test kialakítására. A száraz sajtolás előnyei közé tartozik az egyszerű folyamat, a könnyű kezelhetőség, a nagy-ipari termelésre való alkalmasság, a nagy zöldsűrűség és a szinterezett termék kismértékű zsugorodása. Mivel azonban a száraz préselés egytengelyű préselést alkalmaz, a zöld test jelentős sűrűségű nem-egyenletességet mutat, ami a minta vastagságának növekedésével egyre hangsúlyosabbá válik. Ezenkívül a porban lévő agglomerátumok nem távolíthatók el a porkészítés során, ami megnehezíti a finom kerámiák előállítását.
02 Izosztatikus préselés
Az izosztatikus préselés során a port egy deformálható gumiformába helyezik, majd különböző tengelyekről azonos nyomást alkalmaznak egy gáznemű vagy folyékony közegen keresztül az alkatrész kialakításához. A száraz sajtoláshoz képest az izosztatikus préselés többtengelyű préselést alkalmaz, amely megoldja a szárazon préselt zöldtestek sűrűség-egyenetlenségi problémáját, és csökkenti a porszemcsék mozgási távolságát, ezáltal növeli az alakítási sebességet. Az izosztatikus préselésnek azonban vannak olyan hátrányai, mint a berendezés magas költsége, a bonyolult karbantartás és a hibákra való hajlam (pl. felületi egyenetlenségek, kompressziós repedések). A nagy méretű termékeknél az izosztatikus préselés hajlamos az "elefánt láb"-ra vagy a sűrűség gradiensére kívülről befelé. Jelenleg a Kínában izosztatikus préseléssel előállított timföldkerámiát főként kerámia radomokhoz, nagyfrekvenciás terminálok szigetelő kerámia hüvelyekhez stb.
Hagyományos nedves formázás
A száraz alakítással összehasonlítva a nedves alakítással elkerülhető a por agglomerációja, csökkenthető vagy akár ki is küszöbölhetők a zöld test hibái, és javítható a kerámiatermékek megbízhatósága, megbízható utat kínálva finom kerámiák vagy kerámiafilmek előállításához. A nedves alakítás általában a következő lépéseket tartalmazza: (1) kerámiapor szintézise vagy keverése; (2) kerámiazagy készítése; (3) a zagy megszilárdulása; (4) szárítás az oldószer eltávolítása céljából; (5) szinterezés a kerámia előállításához. A nedves alakítás kulcspontjai a kerámiazagy elkészítése és a zöldtest szárítása.
01 Slip Casting
A csúszós öntés során a kerámiaport egyenletesen diszpergálják folyékony közegben, hogy kerámiazagyot képezzenek, majd a zagyot egy gipszformába öntik. A gipszforma kapilláris ereje felszívja a hígtrágyából az oldószert, ezáltal a kerámia megszilárdul, és meghatározott alakú és méretű zöld testet képez. A csúszós öntés megköveteli, hogy az iszap kiváló folyékonysággal és stabilitással rendelkezzen. Ezenkívül a formának jó áteresztőképességgel kell rendelkeznie, hogy megkönnyítse a folyékony közeg eltávolítását a zöld testből. A csúszós öntésnek olyan előnyei vannak, mint az egyszerű folyamat, az alacsony gyártási költség és az egyszerű folyamatvezérlés. A formázási idő azonban hosszú, a zöld sűrűsége és szilárdsága alacsony, és hajlamosak olyan hibák előfordulására, mint a repedés és a tűlyukak. A csúszóöntés alapján a kutatók továbbfejlesztett módszereket fejlesztettek ki, mint például a centrifugális csúszóöntés, a nyomáscsúszóöntés és a szűrőpréselés.
02 Szalagöntés
A szalagöntéshez használt kerámiaszuszpenzió kerámiapor, lágyító, diszpergálószer és oldószer viszkózus, rosszul folyó keveréke. Levegőtelenítés után a szuszpenziót egy szalagöntő gépre helyezik, egy kalapács egy meghatározott vastagságig ráterítik egy hordozószalagra, megszárítják, majd lehúzzák, hogy vékony filmet képezzenek. Ezután a zöld testet a termék méreteinek megfelelően megmunkálják. A szalagöntéshez használt iszap a kerámiapor egyenletes diszperzióját igényli agglomerátumok vagy fel nem oldott kötőanyag nélkül. A zöld test előkészítése során a szalagöntés hajlamos olyan problémákra, mint az egyenetlen vastagság, érdes felület, hegek és hibák. A szalagöntést elsősorban vékony kerámialemezek előállítására használják, széles körben alkalmazzák integrált áramköri hordozókban, hordozóanyagokban, kondenzátorokban és kisfeszültségű varisztorokban.
Új kolloidképző folyamatok
A kolloidképzés során a kerámiaport egyenletesen diszpergálják egy oldószerben, így nagy szilárdanyag-tartalmú, alacsony viszkozitású kerámia-szuszpenziót kapnak, amelyet azután öntőformába öntenek, és különböző módszerekkel megszilárdítanak, hogy meghatározott alakú és méretű zöld testet kapjanak. Az elmúlt években jelentős előrelépés történt az ilyen formázási eljárások terén, ami számos származtatott eljáráshoz vezetett, mint például a gélöntéshez, a közvetlen koagulációs öntéshez és a spontán koagulációs öntéshez.
01 Zselés öntés
A gélöntés ötvözi a hagyományos nedves formázást a polimer kémiával. A szerves monomerek bizonyos körülmények között polimerizáción mennek keresztül, így egy háromdimenziós polimer hálózat jön létre, amely a kerámia részecskéket és az oldószermolekulákat a hálózatba zárja, így a kerámia szuszpenzió megszilárdul és zöld testet képez. Ez a módszer nem csak a hagyományos nedvesalakítás (csúszásos öntés, fröccsöntés) előnyeit örökli, hanem nagyrészt kiküszöböli azok problémáit is, így gyakorlatilag értékes kerámiaalakítási eljárás.
The greatest challenge in gelcasting is preparing a high‑solids (>50 térfogat%), de alacsony viszkozitású kerámia iszap. A zagy folyékonyságát főként a por oldószerben való diszpergálhatósága és stabilitása határozza meg, ami megfelelő diszpergálószer kiválasztásával és a zagy pH-értékének szabályozásával érhető el. Egy másik kihívás a hígtrágya megszilárdulásának szabályozása. A kiválasztott szerves monomer és térhálósító polimerizációs körülményei könnyen szabályozhatók legyenek. A zöldtest szervesanyag-tartalmának a lehető legalacsonyabbnak kell lennie, a kapott zöldtestnek pedig nagy szilárdságúnak kell lennie. A gélöntés során a szerves hozzáadott mennyiség általában kevesebb, mint 5 tömeg%, ezért nincs szükség külön kötőanyag-égetési lépésre. A kapott zöld test nagy szilárdságú és egységes szerkezetű. A gélöntvény olyan előnyöket kínál, mint a hálóhoz közeli alakformálás, összetett alakú termékek és nagy méretű termékek előállításának képessége.
02 Közvetlen koagulációs öntés
A közvetlen koagulációs öntés egy újszerű kerámiaformázó technika, amelyet gélöntés alapján fejlesztettek ki. Olyan módszereket használ, mint az enzimkatalízis, a kerámiaszuszpenzió pH-szabályozása vagy az elektrolitkoncentráció szabályozása a kerámiarészecskék közötti kétrétegű taszítás beállítására, a kerámiaszuszpenzió szuszpenziós stabilitásának destabilizálására, és a kerámiaszemcsék in situ megszilárdulásának előidézésére, hogy zöld testet képezzenek. A folyadék-szilárd átalakulás mechanizmusa magában foglalja a van der Waals vonzás és a kettős réteg által generált elektrosztatikus taszítás beállítását. A van der Waals-erő és az elektrosztatikus taszítás nagyságának változtatásával a zagy megszilárdulását szabályozzák: amikor a van der Waals-vonzás dominál, a zagy hajlamos megszilárdulni; amikor az elektrosztatikus taszítás dominál, a szuszpenzió hajlamos szétszóródni. A közvetlen koagulációs öntéshez használt zagy szilárdanyag-terhelése nem lehet kevesebb, mint 55 térfogat%, hogy a megszilárdulás a zagy pH-értékének beállításával elérhető legyen. A megszilárdulás körülményei könnyen szabályozhatók és elérhetőek. A közvetlen koagulációs öntéssel nagy sűrűségű, jó egyenletességű, alacsony szervesanyag-tartalmú zöldtesteket hoznak létre, amelyek képesek összetett formájú termékeket képezni. A folyamat azonban összetett, a zöldszilárdság viszonylag alacsony, a módszer univerzalitása hiányzik.
03 Spontán koagulációs öntés
A spontán koagulációs öntés egy új kerámiaformázási eljárás, amelyet a Shanghai Institute of Ceramics fejlesztett ki 2011-ben. Vízben oldódó izobutilén alapú kopolimereket használ diszpergálószerként és kötőanyagként a kerámia zöldtestek előállításához. A spontán koagulációs öntés a hígtrágyakészítésben, a formázási módban és a zöld test jellemzőiben hasonló a gélöntéshez. A különbség az, hogy a spontán koagulációs öntés során a vízben oldódó izobutilén alapú kopolimer diszpergálószerként és kötőanyagként is működik, és a hosszú molekulaláncok általi áthidalás révén éri el a megszilárdulást. Ezzel szemben a gélöntéssel a monomermolekulák és a térhálósítók polimerizációja révén érik el a megszilárdulást, hogy egy háromdimenziós hálózatot képezzenek, amely megfogja a kerámia részecskéket. A spontán koagulációs öntés előnyei közé tartozik az alacsony szervesanyag-tartalom, a szobahőmérsékletű megszilárdulás, az egyszerű kezelés és az alacsony előállítási költség.