Zbog svoje visoke tvrdoće, otpornosti na visoke temperature, otpornosti na koroziju i odlične električne izolacije, aluminijska keramika se široko koristi u vrhunskim{0}}proizvodnim poljima kao što su zrakoplovstvo, elektronska ambalaža, medicinski uređaji i dijelovi otporni na habanje-. U ovim primenama, proces formiranja je kritičan korak koji određuje konačnu performansu, tačnost dimenzija i pouzdanost keramike. Formiranje se odnosi na proces pripreme praha glinice u zeleno tijelo određenog oblika i veličine. Da bi se izbjegla deformacija ili pucanje tokom naknadnog sušenja ili sinteriranja, zeleno tijelo mora imati što veću gustinu i dobru uniformnost.
Klasifikacija metoda oblikovanja aluminijske keramike
Procesi oblikovanja keramike mogu se klasificirati prema karakteristikama protoka blanka na suho oblikovanje i mokro oblikovanje, s tim da se mokro oblikovanje dalje dijeli na plastično oblikovanje i koloidno oblikovanje.
Dry Forming
U suhom oblikovanju, blank sadrži malo ili nimalo vode (manje od 6%), a sadržaj ostalih veziva ili maziva uglavnom ne prelazi 1%-2%. Proces uključuje stavljanje praha u kalup i primjenu vanjske mehaničke sile za oblikovanje praha. Keramičko zeleno tijelo drži se zajedno trenjem između keramičkih čestica, održavajući određenu veličinu i oblik. Zeleno telo je kompozitni sistem koji se sastoji od prazne, tečne faze (veziva) i vazduha.
01 Suvo presovanje
Suvo prešanje uključuje prvo miješanje praha s vodom ili vezivom kako bi se formirale granule, a zatim stavljanje granuliranog praha u kalup i pritisak da se formira zeleno tijelo određene snage i oblika. Prednosti suhog prešanja uključuju jednostavan proces, lak rad, pogodnost za veliku{1}}industrijsku proizvodnju, visoku zelenu gustinu i malo skupljanje sinterovanog proizvoda. Međutim, budući da suvo presovanje koristi jednoosno presovanje, zeleno tijelo pokazuje značajnu neujednačenost gustine, koja postaje sve izraženija kako se debljina uzorka povećava. Štaviše, aglomerati u prahu se ne mogu eliminisati tokom pripreme praha, što otežava proizvodnju fine keramike.
02 Izostatičko presovanje
Izostatičko prešanje uključuje stavljanje praha u deformabilni gumeni kalup, a zatim primjenu jednakog pritiska sa različitih osa preko plinovitog ili tekućeg medija kako bi se formirao dio. U poređenju sa suhim presovanjem, izostatičko prešanje koristi višeosno prešanje, koje rešava problem neujednačenosti gustine suvo prešanih zelenih tela i smanjuje putnu udaljenost čestica praha, čime se povećava brzina formiranja. Međutim, izostatičko prešanje ima nedostatke kao što su visoka cijena opreme, složeno održavanje i podložnost defektima (npr. površinske nepravilnosti, prsline od kompresije). Za proizvode velikih dimenzija, izostatičko prešanje je sklono "slonovom stopalu" ili gradijentima gustoće izvana prema unutra. Trenutno se aluminijumska keramika proizvedena izostatičkim prešanjem u Kini uglavnom koristi za keramičke radome, visokofrekventne terminale za izolaciju keramičkih navlaka, itd.
Tradicionalno mokro oblikovanje
U poređenju sa suhim oblikovanjem, mokro oblikovanje može izbjeći aglomeraciju praha, smanjiti ili čak eliminirati defekte u zelenom tijelu i poboljšati pouzdanost keramičkih proizvoda, nudeći pouzdan put za proizvodnju fine keramike ili keramičkih filmova. Mokro oblikovanje općenito uključuje sljedeće korake: (1) sintezu ili miješanje keramičkog praha; (2) priprema keramičke suspenzije; (3) očvršćavanje suspenzije; (4) sušenje radi uklanjanja rastvarača; (5) sinterovanje za dobijanje keramike. Ključne tačke u mokrom oblikovanju su priprema keramičke suspenzije i sušenje zelenog tela.
01 Slip Casting
Klizno livenje uključuje ravnomerno raspršivanje keramičkog praha u tečnom mediju da bi se formirala keramička suspenzija, a zatim izlivanje suspenzije u gipsani kalup. Kapilarna sila gipsanog kalupa upija otapalo iz kaše, uzrokujući da se keramika stvrdne i formira zeleno tijelo određenog oblika i veličine. Klizno livenje zahteva da suspenzija ima odličnu fluidnost i stabilnost. Osim toga, kalup mora imati dobru propusnost kako bi se olakšalo uklanjanje tečnog medija iz zelenog tijela. Klizno lijevanje ima prednosti kao što su jednostavan proces, niska cijena proizvodnje i laka kontrola procesa. Međutim, vrijeme formiranja je dugo, gustina i čvrstoća zelene boje su niske, a defekti kao što su pucanje i rupice su skloni nastanku. Na osnovu kliznog livenja, istraživači su razvili poboljšane metode kao što su centrifugalno klizno livenje, livenje pod pritiskom i prešanje filterom.
02 Tape Casting
Keramička suspenzija koja se koristi za livenje trake je viskozna, slabo tečna mešavina keramičkog praha, plastifikatora, disperzanta i rastvarača. Nakon odzračivanja, suspenzija se stavlja na mašinu za livenje trake, nanosi se lopaticom do određene debljine na noseću traku, osuši i odlepi kako bi se formirao tanak film. Zeleno tijelo se zatim strojno obrađuje prema dimenzijama proizvoda. Suspenzija za livenje trake zahteva jednoličnu disperziju keramičkog praha bez aglomerata ili neotopljenog veziva. Tokom pripreme zelenog tijela, livenje trake je sklono problemima kao što su nejednaka debljina, hrapava površina, ožiljci i defekti. Lijevanje trake se uglavnom koristi za proizvodnju tankih keramičkih ploča, široko primijenjenih u podlogama integriranih kola, materijalima supstrata za podloge, kondenzatorima i niskonaponskim varistorima.
Novi koloidni procesi formiranja
Koloidno oblikovanje uključuje ravnomjerno raspršivanje keramičkog praha u rastvaraču kako bi se dobila keramička suspenzija visoke čvrste tvari, niske viskoznosti, koja se zatim sipa u kalup i skrućuje različitim metodama kako bi se dobilo zeleno tijelo određenog oblika i veličine. Posljednjih godina učinjen je značajan napredak u takvim metodama oblikovanja, što je dovelo do nekoliko izvedenih procesa, kao što su gelcasting, direktno koagulaciono livenje i spontano koagulaciono livenje.
01 Gelcasting
Gelcasting kombinuje tradicionalno mokro oblikovanje sa hemijom polimera. Organski monomeri podvrgavaju se polimerizaciji pod određenim uvjetima kako bi se formirala trodimenzionalna polimerna mreža, koja zaključava keramičke čestice i molekule rastvarača u mreži, uzrokujući da se keramička suspenzija stvrdne i formira zeleno tijelo. Ova metoda ne samo da nasljeđuje prednosti tradicionalnog mokrog oblikovanja (lijevanje, brizganje) već i u velikoj mjeri prevazilazi njihove probleme, što ga čini praktički vrijednim procesom oblikovanja keramike.
The greatest challenge in gelcasting is preparing a high‑solids (>50 vol.%), ali keramička suspenzija niske viskoznosti. Fluidnost suspenzije je uglavnom određena disperzibilnošću i stabilnošću praha u rastvaraču, što se može postići odabirom odgovarajućeg disperzanta i kontrolom pH suspenzije. Drugi izazov je kontrola očvršćavanja suspenzije. Uslovi polimerizacije odabranog organskog monomera i unakrsnog povezivača trebali bi se lako kontrolisati. Organski sadržaj u zelenom tijelu trebao bi biti što je moguće niži, a dobiveno zeleno tijelo treba imati visoku čvrstoću. Organski dodatak u gelcastu je generalno manji od 5 tež%, tako da nije potreban poseban korak sagorevanja veziva. Dobijeno zeleno tijelo ima visoku čvrstoću i ujednačenu strukturu. Gelcasting nudi prednosti kao što su oblikovanje oblika skoro mreže, mogućnost proizvodnje proizvoda složenog oblika i mogućnost proizvodnje proizvoda velikih dimenzija.
02 Direktno koagulaciono livenje
Direktno koagulaciono livenje je nova tehnika oblikovanja keramike razvijena na osnovu gelcasta. Koristi metode kao što su enzimska kataliza, pH kontrola keramičke suspenzije ili kontrola koncentracije elektrolita kako bi se prilagodila dvoslojna odbojnost između keramičkih čestica, destabilizirala stabilnost suspenzije keramičke suspenzije i izazvala in-situ očvršćavanje keramičkih čestica kako bi se formiralo zeleno tijelo. Mehanizam transformacije tekućina-čvrsto uključuje podešavanje van der Waalsove privlačnosti i elektrostatičke odbijanja koju generiše dvostruki sloj. Promjenom veličina van der Waalsove sile i elektrostatičkog odbijanja, očvršćavanje suspenzije se kontrolira: kada van der Waalsova privlačnost dominira, suspenzija ima tendenciju očvršćavanja; kada dominira elektrostatičko odbijanje, kaša teži da se rasprši. Opterećenje čvrstim supstancama suspenzije za direktno koagulaciono livenje ne bi trebalo da bude manje od 55 vol.% tako da se skrućivanje može postići podešavanjem pH suspenzije. Uslovi očvršćavanja su lako kontrolisani i dostižni. Direktno koagulaciono livenje proizvodi zelena tela velike gustine, dobre uniformnosti, niskog organskog sadržaja i sposobnosti formiranja proizvoda složenog oblika. Međutim, proces je složen, zelena snaga je relativno niska, a metodi nedostaje univerzalnost.
03 Spontani koagulacijski odljevak
Spontano koagulaciono livenje je novi proces oblikovanja keramike koji je razvio Šangajski institut za keramiku 2011. Koristi kopolimere na bazi izobutilena rastvorljive u vodi kao disperzant i vezivo za pripremu keramičkih zelenih tela. Spontano koagulaciono livenje slično je livenju gelom u pripremi suspenzije, metodi formiranja i karakteristikama zelenog tela. Razlika je u tome što kod spontanog koagulacionog livenja, kopolimer na bazi izobutilena koji je rastvorljiv u vodi deluje i kao disperzant i kao vezivo, postižući očvršćavanje premošćavanjem dugih molekularnih lanaca. Nasuprot tome, gelcasting postiže očvršćavanje polimerizacijom molekula monomera i umrežavača kako bi se formirala trodimenzionalna mreža koja hvata keramičke čestice. Prednosti spontanog koagulacionog livenja uključuju nizak sadržaj organskih materija, skrućivanje na sobnoj temperaturi, jednostavan rad i niske troškove proizvodnje.