จะเลือกกระบวนการขึ้นรูปสำหรับเซรามิกอลูมินาได้อย่างไร อันไหนที่เหมาะกับผลิตภัณฑ์ของคุณมากที่สุด?

เนื่องจากมีความแข็งสูง ทนต่ออุณหภูมิสูง ทนต่อการกัดกร่อน และเป็นฉนวนไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม เซรามิกอลูมินาจึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายใน-สาขาการผลิตระดับไฮเอนด์ เช่น การบินและอวกาศ บรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ อุปกรณ์ทางการแพทย์ และ-ชิ้นส่วนที่ทนทานต่อการสึกหรอ ในการใช้งานเหล่านี้ กระบวนการขึ้นรูปเป็นขั้นตอนสำคัญที่กำหนดประสิทธิภาพขั้นสุดท้าย ความแม่นยำของขนาด และความน่าเชื่อถือของเซรามิก การขึ้นรูปหมายถึงกระบวนการเตรียมผงอลูมินาให้เป็นเนื้อสีเขียวโดยมีรูปร่างและขนาดที่แน่นอน เพื่อหลีกเลี่ยงการเสียรูปหรือการแตกร้าวในระหว่างการอบแห้งหรือการเผาผนึกในภายหลัง ตัวสีเขียวจำเป็นต้องมีความหนาแน่นสูงและมีความสม่ำเสมอที่ดีที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

การจำแนกประเภทของวิธีการขึ้นรูปอลูมินาเซรามิก

กระบวนการขึ้นรูปเซรามิกสามารถแบ่งตามลักษณะการไหลของช่องว่างเป็นการขึ้นรูปแห้งและการขึ้นรูปเปียก โดยการแยกขึ้นรูปแบบเปียกแบ่งออกเป็นการขึ้นรูปพลาสติกและการขึ้นรูปคอลลอยด์

การขึ้นรูปแห้ง

ในการขึ้นรูปแห้ง พื้นที่ว่างจะมีน้ำเพียงเล็กน้อยหรือไม่มีเลย (น้อยกว่า 6%) และเนื้อหาของสารยึดเกาะหรือสารหล่อลื่นอื่นๆ โดยทั่วไปจะไม่เกิน 1%–2% กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการใส่ผงลงในแม่พิมพ์และใช้แรงกลภายนอกเพื่อสร้างรูปร่างของผง ตัวเครื่องเซรามิกสีเขียวถูกยึดเข้าด้วยกันโดยการเสียดสีระหว่างอนุภาคเซรามิก เพื่อรักษาขนาดและรูปร่างที่แน่นอน ตัวสีเขียวเป็นระบบประกอบที่ประกอบด้วยส่วนว่าง สถานะของเหลว (สารยึดเกาะ) และอากาศ

01 การรีดแบบแห้ง

การกดแบบแห้งเกี่ยวข้องกับการผสมผงกับน้ำหรือสารยึดเกาะเพื่อสร้างเป็นเม็ดก่อน จากนั้นจึงใส่ผงที่เป็นเม็ดลงในแม่พิมพ์และใช้แรงกดเพื่อสร้างตัวสีเขียวที่มีความแข็งแรงและรูปร่างที่แน่นอน ข้อดีของการอัดแบบแห้งได้แก่ กระบวนการที่ไม่ซับซ้อน ใช้งานง่าย เหมาะสำหรับการผลิตทางอุตสาหกรรมขนาดใหญ่- ความหนาแน่นสีเขียวสูง และการหดตัวเล็กน้อยของผลิตภัณฑ์ที่เผาผนึก อย่างไรก็ตาม เนื่องจากการกดแบบแห้งใช้การกดแบบแกนเดียว ตัวสีเขียวจึงมีความหนาแน่นไม่-สม่ำเสมออย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งจะเด่นชัดมากขึ้นเมื่อความหนาของตัวอย่างเพิ่มขึ้น ยิ่งไปกว่านั้น ไม่สามารถกำจัดการจับตัวเป็นก้อนในผงได้ในระหว่างการเตรียมผง ทำให้ยากต่อการผลิตเซรามิกเนื้อดี

02 การกดแบบไอโซสแตติก

การกดแบบไอโซสแตติกเกี่ยวข้องกับการใส่ผงลงในแม่พิมพ์ยางที่เปลี่ยนรูปได้ จากนั้นใช้แรงดันเท่ากันจากแกนต่างๆ ผ่านตัวกลางที่เป็นก๊าซหรือของเหลวเพื่อสร้างชิ้นส่วน เมื่อเปรียบเทียบกับการกดแบบแห้ง การกดแบบไอโซสแตติกจะใช้การกดหลายแกน ซึ่งแก้ปัญหาความหนาแน่นไม่สม่ำเสมอของวัตถุสีเขียวที่อัดแห้ง และลดระยะการเคลื่อนที่ของอนุภาคผง ซึ่งจะเป็นการเพิ่มอัตราการขึ้นรูป อย่างไรก็ตาม การกดแบบไอโซสแตติกมีข้อเสีย เช่น ต้นทุนอุปกรณ์สูง การบำรุงรักษาที่ซับซ้อน และความไวต่อข้อบกพร่อง (เช่น ความผิดปกติของพื้นผิว รอยแตกร้าวจากการบีบอัด) สำหรับผลิตภัณฑ์ขนาดใหญ่ การกดแบบคงที่มีแนวโน้มที่จะเกิด "ตีนช้าง" หรือการไล่ระดับความหนาแน่นจากด้านนอกเข้าด้านใน ปัจจุบัน เซรามิกอลูมินาที่ผลิตโดยการกดแบบไอโซสแตติกในประเทศจีนส่วนใหญ่จะใช้สำหรับเรโดมเซรามิก ปลอกเซรามิกฉนวนเทอร์มินัลความถี่สูง ฯลฯ

การขึ้นรูปเปียกแบบดั้งเดิม

เมื่อเปรียบเทียบกับการขึ้นรูปแบบแห้ง การขึ้นรูปแบบเปียกสามารถหลีกเลี่ยงการเกาะตัวของผง ลดหรือขจัดข้อบกพร่องในตัวสีเขียว และปรับปรุงความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์เซรามิก ซึ่งเป็นเส้นทางที่เชื่อถือได้สำหรับการผลิตเซรามิกชั้นดีหรือฟิล์มเซรามิก การขึ้นรูปแบบเปียกโดยทั่วไปมีขั้นตอนดังต่อไปนี้ (1) การสังเคราะห์หรือการผสมผงเซรามิก (2) การเตรียมสารละลายเซรามิก (3) การแข็งตัวของสารละลาย (4) การอบแห้งเพื่อขจัดตัวทำละลาย (5) การเผาเพื่อให้ได้เซรามิก ประเด็นสำคัญในการขึ้นรูปแบบเปียกคือการเตรียมสารละลายเซรามิกและการทำให้ตัวสีเขียวแห้ง

01 การหล่อแบบสลิป

การหล่อแบบสลิปเกี่ยวข้องกับการกระจายผงเซรามิกอย่างสม่ำเสมอในตัวกลางที่เป็นของเหลวเพื่อสร้างเป็นสารละลายเซรามิก จากนั้นจึงเทสารละลายลงในแม่พิมพ์ปูนปลาสเตอร์ แรงฝอยของแม่พิมพ์ปูนปลาสเตอร์จะดูดซับตัวทำละลายจากสารละลาย ทำให้เซรามิกแข็งตัวและมีรูปร่างเป็นสีเขียวโดยมีรูปร่างและขนาดที่แน่นอน การหล่อแบบสลิปต้องใช้สารละลายเพื่อให้มีความลื่นไหลและเสถียรภาพที่ดีเยี่ยม นอกจากนี้ แม่พิมพ์จะต้องมีการซึมผ่านที่ดีเพื่ออำนวยความสะดวกในการกำจัดตัวกลางของเหลวออกจากตัวสีเขียว การหล่อแบบสลิปมีข้อดี เช่น กระบวนการที่เรียบง่าย ต้นทุนการผลิตต่ำ และการควบคุมกระบวนการที่ง่ายดาย อย่างไรก็ตาม ระยะเวลาในการขึ้นรูปนั้นยาวนาน ความหนาแน่นและความแข็งแรงของสีเขียวต่ำ และข้อบกพร่อง เช่น การแตกร้าวและรูเข็ม มีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้น จากการหล่อแบบสลิป นักวิจัยได้พัฒนาวิธีการที่ได้รับการปรับปรุง เช่น การหล่อสลิปแบบแรงเหวี่ยง การหล่อแบบสลิปแรงดัน และการกดตัวกรอง

02 การหล่อเทป

สารละลายเซรามิกที่ใช้ในการหล่อเทปเป็นส่วนผสมที่มีความหนืดและไหลได้ไม่ดีของผงเซรามิก พลาสติไซเซอร์ สารช่วยกระจายตัว และตัวทำละลาย หลังจากกำจัดอากาศออกแล้ว สารละลายจะถูกวางบนเครื่องหล่อเทป เกลี่ยด้วยใบมีดแพทย์ให้มีความหนาระดับหนึ่งบนเทปพาหะ ตากให้แห้ง และลอกออกเพื่อสร้างฟิล์มบางๆ จากนั้นตัวเครื่องสีเขียวจะถูกกลึงตามขนาดของผลิตภัณฑ์ สารละลายสำหรับการหล่อเทปต้องมีการกระจายตัวของผงเซรามิกสม่ำเสมอโดยไม่มีการจับตัวเป็นก้อนหรือสารยึดเกาะที่ไม่ละลาย ในระหว่างการเตรียมตัวถังสีเขียว การหล่อเทปมีแนวโน้มที่จะเกิดปัญหา เช่น ความหนาไม่สม่ำเสมอ พื้นผิวขรุขระ รอยแผลเป็น และข้อบกพร่อง การหล่อเทปส่วนใหญ่ใช้ในการผลิตแผ่นเซรามิกบางๆ ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในซับสเตรตของวงจรรวม วัสดุซับสเตรตสำหรับซับสเตรต ตัวเก็บประจุ และวาริสเตอร์แรงดันต่ำ

กระบวนการขึ้นรูปคอลลอยด์แบบใหม่

การขึ้นรูปคอลลอยด์เกี่ยวข้องกับการกระจายผงเซรามิกอย่างสม่ำเสมอในตัวทำละลายเพื่อให้ได้สารละลายเซรามิกที่มีของแข็งสูงและมีความหนืดต่ำ จากนั้นจึงเทลงในแม่พิมพ์และแข็งตัวด้วยวิธีการต่างๆ เพื่อให้ได้ตัวสีเขียวที่มีรูปร่างและขนาดที่แน่นอน ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีความก้าวหน้าที่สำคัญในวิธีการขึ้นรูปดังกล่าว ซึ่งนำไปสู่กระบวนการต่างๆ ที่เกิดขึ้น เช่น การหล่อเจล การหล่อแบบแข็งตัวโดยตรง และการหล่อแบบแข็งตัวตามธรรมชาติ

01 การเจลคาสติ้ง

Gelcasting ผสมผสานการขึ้นรูปเปียกแบบดั้งเดิมเข้ากับเคมีโพลีเมอร์ โมโนเมอร์อินทรีย์ผ่านกระบวนการโพลิเมอไรเซชันภายใต้เงื่อนไขบางประการเพื่อสร้างโครงข่ายโพลีเมอร์สามมิติ ซึ่งจะล็อคอนุภาคเซรามิกและโมเลกุลของตัวทำละลายในโครงข่าย ทำให้สารละลายเซรามิกแข็งตัวและก่อตัวเป็นโครงสร้างสีเขียว วิธีการนี้ไม่เพียงแต่สืบทอดข้อดีของการขึ้นรูปเปียกแบบดั้งเดิม (การหล่อแบบลื่น การฉีดขึ้นรูป) เท่านั้น แต่ยังช่วยแก้ปัญหาได้อย่างมาก ทำให้เป็นกระบวนการขึ้นรูปเซรามิกที่มีคุณค่าในทางปฏิบัติ

The greatest challenge in gelcasting is preparing a high‑solids (>50 โดยปริมาตร%) แต่เป็นสารละลายเซรามิกความหนืดต่ำ ความสามารถในการไหลของสารละลายถูกกำหนดโดยความสามารถในการกระจายตัวและความคงตัวของผงในตัวทำละลายเป็นหลัก ซึ่งสามารถทำได้โดยการเลือกสารช่วยกระจายตัวที่เหมาะสมและการควบคุมค่า pH ของสารละลาย ความท้าทายอีกประการหนึ่งคือการควบคุมการแข็งตัวของสารละลาย สภาวะการเกิดพอลิเมอไรเซชันของโมโนเมอร์อินทรีย์และตัวเชื่อมโยงข้ามที่เลือกไว้ควรสามารถควบคุมได้ง่าย ปริมาณอินทรีย์ในร่างกายสีเขียวควรต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ และผลลัพธ์ที่เป็นสีเขียวควรมีความแข็งแรงสูง การเติมสารอินทรีย์ในการเจลคาสท์โดยทั่วไปจะน้อยกว่า 5 % โดยน้ำหนัก ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องมีขั้นตอนการเหนื่อยหน่ายของสารยึดเกาะแยกต่างหาก เนื้อสีเขียวที่ได้มีความแข็งแรงสูงและมีโครงสร้างสม่ำเสมอ การหล่อแบบเจลมีข้อดีต่างๆ เช่น การขึ้นรูปใกล้ตาข่าย ความสามารถในการผลิตผลิตภัณฑ์ที่มีรูปร่างซับซ้อน และความสามารถในการผลิตผลิตภัณฑ์ขนาดใหญ่

02 การหล่อแข็งตัวโดยตรง

การหล่อด้วยการแข็งตัวโดยตรงเป็นเทคนิคการขึ้นรูปเซรามิกแบบใหม่ที่พัฒนาขึ้นโดยใช้การหล่อแบบเจล โดยใช้วิธีการต่างๆ เช่น การเร่งปฏิกิริยาด้วยเอนไซม์ การควบคุม pH ของสารละลายเซรามิก หรือการควบคุมความเข้มข้นของอิเล็กโทรไลต์ เพื่อปรับแรงผลักสองชั้นระหว่างอนุภาคเซรามิก ทำให้ความเสถียรของสารแขวนลอยของสารละลายเซรามิกไม่เสถียร และทำให้เกิดการแข็งตัวของอนุภาคเซรามิกในแหล่งกำเนิดจนก่อตัวเป็นตัวเครื่องสีเขียว กลไกของการเปลี่ยนรูปของเหลวและของแข็งเกี่ยวข้องกับการปรับแรงดึงดูดของ van der Waals และการขับไล่ไฟฟ้าสถิตที่เกิดจากชั้นสองชั้น โดยการเปลี่ยนขนาดของแรง van der Waals และแรงผลักไฟฟ้าสถิต การแข็งตัวของสารละลายจะถูกควบคุม: เมื่อแรงดึงดูดของ van der Waals มีอิทธิพลเหนือ สารละลายมีแนวโน้มที่จะแข็งตัว เมื่อแรงผลักจากไฟฟ้าสถิตเข้าครอบงำ สารละลายมีแนวโน้มที่จะกระจายตัว ปริมาณของแข็งของสารละลายสำหรับการหล่อแข็งตัวโดยตรงควรมีไม่น้อยกว่า 55 vol.% เพื่อให้สามารถแข็งตัวได้โดยการปรับ pH ของสารละลาย สภาวะการแข็งตัวสามารถควบคุมและบรรลุผลได้อย่างง่ายดาย การหล่อด้วยการแข็งตัวโดยตรงทำให้เกิดวัตถุสีเขียวที่มีความหนาแน่นสูง มีความสม่ำเสมอที่ดี มีปริมาณอินทรีย์ต่ำ และสามารถสร้างผลิตภัณฑ์ที่มีรูปร่างซับซ้อนได้ อย่างไรก็ตาม กระบวนการนี้มีความซับซ้อน ความแรงของสีเขียวค่อนข้างต่ำ และวิธีการนี้ยังขาดความเป็นสากล

03 การหล่อแข็งตัวโดยธรรมชาติ

การหล่อแข็งตัวตามธรรมชาติเป็นกระบวนการขึ้นรูปเซรามิกแบบใหม่ที่พัฒนาโดยสถาบันเซรามิกเซี่ยงไฮ้ในปี 2554 โดยใช้โคโพลีเมอร์ที่มีไอโซบิวทิลีนที่ละลายน้ำได้เป็นทั้งสารช่วยกระจายตัวและสารยึดเกาะในการเตรียมเนื้อเซรามิกสีเขียว การหล่อแข็งตัวตามธรรมชาตินั้นคล้ายคลึงกับการหล่อเจลในการเตรียมสารละลาย วิธีการขึ้นรูป และลักษณะของเนื้อสีเขียว ข้อแตกต่างก็คือในการหล่อแข็งตัวตามธรรมชาติ โคโพลีเมอร์ที่มีไอโซบิวทิลีนเป็นส่วนประกอบหลักที่ละลายน้ำได้ทำหน้าที่เป็นทั้งสารช่วยกระจายตัวและสารยึดเกาะ ทำให้เกิดการแข็งตัวผ่านการเชื่อมด้วยสายโซ่โมเลกุลขนาดยาว ในทางตรงกันข้าม การเจลคาสติ้งทำให้เกิดการแข็งตัวผ่านการเกิดพอลิเมอไรเซชันของโมเลกุลโมโนเมอร์และตัวเชื่อมโยงข้ามเพื่อสร้างเครือข่ายสามมิติที่ดักจับอนุภาคเซรามิก ข้อดีของการหล่อแข็งตัวตามธรรมชาติ ได้แก่ ปริมาณอินทรีย์ต่ำ การแข็งตัวที่อุณหภูมิห้อง ใช้งานง่าย และต้นทุนการผลิตต่ำ