来源：中国硼网

夏丰杰，黄 翔，尹衍升

(中国海洋大学材料科学与工程研究院，山东青岛 266100)

摘要：研究了分散剂用量、固相体积含量对碳化硼浆料粘度的影响，采用扫描电子显微镜(SEM)对素坯微观结构进行了表征。结果表明，以正辛醇为分散介质，当分散剂CH-10S用量为3%(质量分数)时，可以制得固相体积含量为55%的碳化硼浆料。素坯的抗弯强度为38MPa，且素坯中碳化硼颗粒堆积紧密，而且颗粒分散均匀。

关键词：碳化硼；凝胶注模；陶瓷

中图分类号：TG174，3  文献标识码：A

随着现代陶瓷材料制备工艺与技术的不断创新，其在电子信息、航空航天、新能源、环保、海洋等科学领域的应用日益广泛。但是对陶瓷材料的要求除了其特有的实用性能外，尺寸精度要求一也显得十分重要。陶瓷材料具有硬度高、耐磨性好等优点，但对形状复杂、尺寸要求xx的产品，其生产成本高、可靠性和生产重现性差、烧结后难加工是阻碍高性能陶瓷材料规模化、商业化生产的主要因素。理想的解决办法是采用近净尺寸成型工艺生产。20世纪90年代初山美国橡树岭国家实验室Janncy M A和Omatctc O O等人于20世纪90年代初提出的凝胶注模成型工艺能够满足近净尺寸成型的要求。该工艺基木原理与过程是：首先将陶瓷粉料分散于含有有机单体、交联剂和分散剂的水溶液或非水溶液中，制备出低粘度(<1000MPa·S)、高固相含量(体积分数>50%)的浓悬浮体，后加入引发剂和催化剂，将悬浮体注入非孔的模具中，在一定的温度条件下，引发有机单体聚合形成三维网络凝胶结构，从而导致浆料原位凝固成型为陶瓷素坯^[1～3]。该工艺首先发明的是有机溶剂的非水基注凝成型，随后又发明了用于水溶剂的水基注凝成型技术并广泛应用于各种陶瓷中。凝胶注模成型工艺的关键之处是制备高固相含量且流动性良好的浆料^[4]。本文针对碳化硼陶瓷，采用凝胶注模成型工艺，在B₄C陶瓷凝胶注模成型工艺中，研究了分散剂、固相含量对浆料粘度的影响并制备出高固相含量B₄C浆料。制得高强度、微观结构均匀的素坯，{zh1}对素坯的微观结构进行了显微分析。

1 试验

1，1 试验原料

试验选用的B₄C粉料山黑龙江牡丹江金刚钻碳化硼有限公司生产，平均粒径1.5μm；分散剂为CH-10S(上海三正高分子材料有限公司生产)；有机溶剂为正辛醇(人津博迪化工有限公司生产)；有机单体为三甲基丙烷三丙烯酸醋（TMPTA）和1，6-己二醇二丙烯酸醋（H DDA）(上海宝润化工有限公司生产)；引发剂为过氧化二苯基甲酞（BPO）(上海沁威化工有限公司生产)，配制成10%(质量浓度)的苯溶液。

1.2 试验方法

将有机溶剂正辛醇、三甲基丙烷三丙烯酸醋（TMPTA）、1，6二己醇二丙烯酸醋（HDDA）、分散剂CH-lOS，B₄C粉料球磨10～30h后得到高固相含量、低粘度的碳化硼浆料再加入引发剂过氧化二苯基甲酞(BPO)的苯溶液，搅拌均匀后注入模具，在110℃下使浆料固化形成凝胶，脱模后干燥脱胶，烧结后即得到所需要的陶瓷，其工艺流程如图1所示。

1.3 性能表征

浆料粘度测定采用NDJ-79(上海昌吉地质仪器有限公司)型粘度测定仪；素坯的抗弯强度测定采用长春市试验机研究所CSS244100材料试验机；素坯的显微结构采用日木JSM-840型扫描电镜分析。

2 结果与讨论

2.1 分散剂用量对浆料粘度的影响

在凝胶注模成型工艺中，适量加入分散剂，可以使浆料的粘度降低，有助于制备低粘度、高固相含量的浆料。因此，为提高浆料固相含量并降低粘度，在浆料中加入分散剂CH-10S有着显著的作用，图2为不同浓度分散剂CH-10S对B₄C浆料的粘度的影响。浆料的粘度随着CVH-10S用量的增加呈现一种递减的趋势，当分散剂的用量超过3%以后，浆料的粘度都低于1000MPa·S。据此，可以认为，在正辛醇中分散B₄C粉体，同时考虑到分散剂的成本和作用效果，CH-lOS的{zj0}用量为3%左右。其原因是，在超分散剂用量低于3%时，超分散剂不能够在颗粒表而形成足够的“立体屏障”，使颗粒易于团聚^[5～6]。当用量达3%时颗粒表而吸附的超分散剂己达到饱和状态量，多余的分散剂不能，再继续增加分散剂的用提供空间位阻。

2.2 固相含量对浆料粘度的影响

固相含量与粘度是一对相对立的矛盾，浆料中固相含量高，有利于减少素坯脱胶和烧结过程中的收缩，但固相含量越高，浆料粘度会随之增大，这不利于注模成型。另外，粘度过大，会使浆料内的气泡不易排除，增大了素坯的气孔率，使制品的力学性能下降。图2为浆料固相含量与浆料粘度的关系，在分散剂加入量为3%的条件下，随着B₄C的体积分数的增加，浆料粘度逐渐增加，这一趋势符合流体流变学规律。这主要是因为，固相体积含量增加，浆料中颗粒间的间距缩小，颗粒间作用力增加，导致浆料的粘度上升，另外，随着固相含量的增加，颗粒表而所吸附的有机分散剂的量相对减小，分散效果差。因此认为浆料中固相体积含量为55%较为理想。

2.3 有机单体之间配比对素坯强度的影响

图4为有机单体之间配比对素坯强度的影响。从图4中可以看出，素坯抗弯强度在V_TMPTA/（V_TMPTA+V_HDODA）为10时具有{zd0}值。这是由于随着TMPTA含量的增加，有机物交联密度增大，交联网络更加致密，而在网络中陶瓷粉末的堆砌也更加致密整个交联网络也相应增大。当TMPTA过多时，有机物聚集，从而使网络变粗导致素坯抗弯强度下降。

2.4 真空脱气处理对素坯抗弯强度的影响

对浆料在加入引发剂前进行真空脱气处理，然后进行凝胶注模成型，所得素坯抗弯强度如表1所示，在表1中列出了配料组成xx相同的浆料未经真空脱气处理时凝胶注模成型素坯的抗弯强度作为对比。从表1可知，真空脱气明显地提高了素坯的抗弯强度。这是因为脱气操作一方而能排除浆料中的氧气对有机单体聚合的抑制作用，使素坯的诱导期变长，另一方而可以排除浆料中的气泡，降低了素坯的气孔率，提高素坯的体积密度，承受相同载荷时的固体截而积增大，即固体中一位而积上的压力降低，因此素坯不易断裂。

2.5 素坯的微观结构

素坯结构的均匀性主要包括两方而的内容：其一是微观结构的均匀性，即局部均匀性；其二是整体的均匀性，即不同部位间的均匀程度。局部均匀性好的素坯能在烧成过程中形成良好的显微结构。而整体均匀性同样不可忽视，素坯整体均匀性不好，在干燥和烧成过程中会产生变形、开裂等缺陷。素坯结构均匀性直接关系到最终陶瓷的制品的性能。

图4为固相体积含量为55%的B₄C素坯的断口显微形貌。从图中可以看出，素坯中颗粒堆积紧密，而且颗粒均匀分散，具有明显的有机粘连物。

3 结论

（1）在满足凝胶注模成型要求的前提下，以正辛醇为分散介质，当分散剂CH-10S含量为3%时，制备的碳化硼陶瓷浆料其{zg}固相体积含量可达55%，此时浆料具有低粘度和好的流动性。

(2)在V_TMPTA/（V_TMPTA+V_HDODA）为10时，素坯的抗弯强度为38MPa。

（3）真空脱气处理可以有效地提高素坯的抗弯强度，且经过真空脱气处理的素坯的抗弯强度为38MPa。

（4）素坯的断口显微形貌表明，素坯颗粒堆积致密，而且颗粒分散均匀，有明显的有机粘连物。

参考文献：（略）