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流延機生產線在成型工藝及其在氧化鋯領域中的應用
發布時間:2021-05-21 09:14:42 瀏覽次數:41

隨著人類的進步,陶瓷業也在迅猛發展,然而各項能源與資源卻在迅速地減少,所以,在陶瓷生產方面,人們想盡各種方法,盡量減少陶瓷原料及優化各種工藝,使得在保持陶瓷物件各項性能的前提下,將陶瓷做的更薄,在此過程中能源與資源得到最大程度的節約。

因為流延成型具有節約原料、干燥能源的使用量等優點,因此,在陶瓷生產過程中引入流延成型可以達到此目的。

關于流延成型

流延成型法又被稱為刮刀法,該成型法具體工藝過程是將陶瓷原料、各種添加劑(如分散劑、增塑劑、粘結劑、消泡劑等)在溶劑中經充分混磨,使得所有的物料、添加劑及溶劑充分混合,得以制作出穩定、均勻的漿料,然后將漿料倒入料斗,使得漿料從流延機的料斗底部流出于基帶的上表面處,控制基帶向前的移動速度和料斗高度等參數,隨著基帶的運轉在基帶上面形成所需厚度的陶瓷薄坯,待陶瓷片干燥后即可脫模,繼而進行后續程序(如切割、沖印等)。

流延成型工藝的發展,也在氧化鋯陶瓷領域得到了前所未有的發展,下面給大家簡單介紹幾種流延成型在氧化鋯領域的應用。

11. 流延成型法在氧化鋯領域的應用

1.1 平板式氧化鋯氧傳感器

以前的氧傳感器主要采用陶瓷粉末在壓力下的成型工藝,近些年又開發出了陶瓷的層壓工藝。

平板式氧化鋯氧傳感器制備技術的基礎是厚膜絲網印刷、陶瓷流延成型的多層陶瓷層壓技術和共燒結技術的結合。對于平板式氧傳感器,需要一種超細球磨處理后的四方相部分穩定的ZrO2來同時滿足高氧離子導電性和高抗熱震和抗機械破壞性能的要求。采用流延成型法制備的氧化鋯陶瓷基片可用于平板式氧傳感器固體電解質基片。

1.2 水基凝膠流延成型氧化鋯薄膜

采用水基凝膠流延工藝制備四方多晶氧化鋯薄膜,確定合理的燒成制度,制備的氧化鋯薄膜坯體結構均勻,其燒成過程可以將排膠和燒結過程一次完成,不需要單獨的排膠過程,這大幅度簡化了坯體的燒成工藝過程,同時坯片經1733K保溫6h可獲得結構致密的四方多晶氧化鋯薄膜。

1.3 水基流延成型制備陽極支撐型固體氧化物燃料電池陽極材料—多孔NiO/釔穩定氧化鋯陶瓷

固體氧化物燃料電池(SOFC)因具有結構穩定可靠,能量轉換率高,燃料可選范圍廣以及污染排放少等一系列優點,引起了國內外的高度重視。

以釔穩定氧化鋯(YSZ)作電解質的SOFC,因需要在較高的溫度(≥800℃)下操作,因而對電池連接密封材料要求較高。較高的操作溫度還提高了電池的制造和運行成本,從而限制了SOFC的實際應用。為了降低SOFC的操作溫度,同時保持較高的電池功率輸出,較為有效的途徑之一是研究采用陽極支撐薄膜電解質的平板式多層陶瓷膜結構設計。

由于流延工藝在制備大面積陶瓷厚膜及薄膜方面具有突出的技術和經濟優勢,近些年來社會各界開始應用流延法制備陽極支撐薄膜電解質的平板式SOFC部件。

2幾種不同的流延成型工藝

目前,較為常見的幾種流延成型工藝包括非水基流延成型法、水基流延成型法、凝膠流延成型法、紫外引發聚合物成型法、流延等靜壓復合成型法等。

2.1 非水基流延成型法

非水基流延成型法即傳統的流延成型法,是用一些有機物作為制作漿料的溶劑,如甲苯等,為使得漿料中所加入的添加劑(如分散劑、增塑劑、粘結劑等)與溶劑有較好相溶性,研究者們使用了一些混合溶劑,其中有二元和三元體系,如乙醇/甲苯、三氯乙烯/甲乙酮/乙醇等。非水基流延成型法剛開始時被應用于塑料行業的生產,后來被引用于陶瓷行業中,且該法現在已經成熟的應用于陶瓷行業的大型生產中。

該法工藝有如下步驟:一是將粉料和溶劑及各類添加劑球磨混合制作為所需漿料;二是將已經制作好的漿料在流延機上進行流延,制作出所需厚度的陶瓷薄坯;三是將陶瓷薄坯裁剪為所需尺寸的陶瓷片;四是對所裁剪好的陶瓷片進行燒結。

優點:工藝成熟,生產設備較簡單,容易上手操作,手工操作部分較少,所以有效的提高了整個生產效率,陶瓷片的柔韌性好、結構較為均勻、強度高。

缺點:選用了一些具有一定的毒性而且易燃的有機物質(如甲苯、二甲苯等)作為有機溶劑,使得其生產條件惡化,并造成了環境的污染,提高了生產的成本,且使生產過程中的安全隱患極大地增加。另由于漿料中添加了大量有機物添加劑,坯料成型后體積密度比較低,影響產品品質。

2.2 水基流延成型法

水基流延成型所用到的溶劑即水是極性溶劑,而流延成型過程中所用到的分散劑、粘結劑、增塑劑等均為有機分子物質,為保證所得漿料具有穩定的懸浮性,在選擇這些有機添加劑時應盡量選用水溶性好的或者在水溶液中可以形成穩定懸浮乳液的,使得所制漿料盡可能均一穩定。在分散劑選擇時,在不影響到漿料穩定懸浮的情況下,應該盡量減少分散劑用量。在增塑劑和粘結劑選用方面,保證漿料成生坯后強度以及柔韌性前提下,應盡量減少此兩種添加劑用量。

優點:更適合于連續生產大面積及平整而且較薄的制品,生產過程降低了料漿中有機物的使用,使生產成本大為縮減、生產過程無毒、不燃,綠色環保安全。

缺點:溶劑即水由于自身表面張力較大,對顆粒的潤濕性較差;干燥時水的蒸發速度較慢,相比有機系溶劑所需調節的溫度較高,流延效率較低;對一些微小變化較為敏感;干燥過程中容易出現缺陷,如起泡、開裂;制備過程中產生的缺陷會引起流延片應力集中,使得流延片在燒成時易開裂。

2.3 凝膠流延成型法

凝膠流延成型法是根據有機單體的聚合反應使得漿料得以固化而制得的制品。凝膠流延成型是將有機單體與交聯劑的水溶液充分混合,接著依次加陶瓷粉料、分散劑以及增塑劑制備出固含量高且粘度較低的漿料,然后在引發劑與催化劑共同作用下,在適當溫度時有機單體發生聚合反應,此時泥漿粘度增大,并伴有凝膠化反應發生,制備出強度較高韌性較好的流延坯件。

凝膠流延成型法中選擇單體必須遵循的原則是:制備好的漿料具有較好流動性及穩定性;單體發生聚合反應所生成的聚合物為長鏈狀,且該聚合物有足夠的強度以便后續加工程序順利進行。

優點:固化速度較快,干燥可以與聚合反應同時發生,大大縮短整個成型周期;可以成型較為復雜形狀的制品;制品顯微結構均勻性好,生坯密度和強度較高;生產成本降低。

缺點:設備復雜,且所制作的器件被氧氣阻礙容易起皮出現缺陷,影響流延器件的疊片效果。

2.4 紫外引發聚合流延成型法

紫外引發聚合流延成型法則是引入了紫外引發原位聚合機制,在流延之前對所制得漿料做出了調整。將紫外光敏單體和紫外光聚合引發劑加進漿料中,使得漿料在成型同時引發聚合反應,漿料原位固化從而達到了成型。

紫外引發聚合流延成型法需要對陶瓷粉體和溶劑先行進行超聲分散,之后使得溶劑蒸發,而此兩個步驟是在原來的水基流延成型法中也不可見的。

該法所用的漿料即包括了陶瓷粉料、光敏聚合單體、光引發劑以及分散劑,將這些物質進行一次混磨,然后進行除泡,之后所處理好的漿料就可以進行流延成型。

優點:生產過程沒有溶劑,可以省去干燥步驟。

缺點:需要在普通所用的流延機上加上紫外光源,設備復雜,成本增加。

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