20世紀(jì)90年代初期，美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(Oak Ridge National Laboratory，ORNL)的JANNEY和OMATETE發(fā)明了一種新的陶瓷成型技術(shù)——凝膠注模成型技術(shù)（gel casting）。該技術(shù)將傳統(tǒng)的陶瓷工藝與聚合物化學(xué)巧妙地結(jié)合起來(lái)，是一種新型的制備高品質(zhì)復(fù)雜形狀陶瓷件的近凈成型技術(shù)。

圖 凝膠注模成型的陶瓷部件，來(lái)源：Fraunhofer IKTS

1.凝膠注模成型技術(shù)的基本原理

凝膠注模成型技術(shù)將傳統(tǒng)的粉體成型工藝與有機(jī)聚合物化學(xué)結(jié)合，將高分子單體聚合的方法靈活地引入到粉體成型領(lǐng)域中，通過(guò)制備低黏度、高固相體積分?jǐn)?shù)的懸浮液來(lái)實(shí)現(xiàn)凈尺寸成型高強(qiáng)度、高密度均勻坯體。其基本思想是采用具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高分子物質(zhì)將分散均勻的粉體懸浮液中的顆粒包裹使之原位固定，從而得到具有粉體與高分子物質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)的坯體。實(shí)際上，凝膠注模的坯體就是一種粉體與高分子有機(jī)物的復(fù)合材料。

圖 凝膠注模的原理，來(lái)源：https://doi.org/10.1080/17436753.2023.2265204

該方法的基本原理是在低黏度（<1Pa·S）高固相體積分?jǐn)?shù)（體積分?jǐn)?shù)≥50 %）的粉體-溶劑懸浮體中，加入有機(jī)單體，然后，通過(guò)某種手段如在催化劑和引發(fā)劑的作用下或通過(guò)加熱或冷卻等方式使?jié)鈶腋◇w中的有機(jī)單體化學(xué)交聯(lián)聚合或物理交聯(lián)成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而使懸浮體原位固化成型。

根據(jù)所采用的溶劑是否為水溶液，將凝膠注模分為水系凝膠注模和非水系凝膠注模。

2.凝膠注模成型技術(shù)的工藝流程

圖 凝膠注模成型工藝流程

凝膠注模成型技術(shù)的工藝流程包括：

1）將粉料和分散劑加入到溶劑(水溶液或非水溶液)中，通過(guò)球磨和超聲振蕩等方式配成粉體懸浮漿料；

2）將有機(jī)單體和交聯(lián)劑溶于懸浮漿料中，借助真空球磨工藝排除漿料中的氣泡，降低懸浮液黏度，增加漿料的流動(dòng)性，制備出低黏度高固相體積分?jǐn)?shù)的濃懸浮液；

3）注模前依次加入引發(fā)劑(或引發(fā)劑與催化劑，或固化劑等使有機(jī)單體發(fā)生凝膠反應(yīng)的物質(zhì))，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝螅瑢{料注入模具中；

4）在一定的溫度條件下引發(fā)有機(jī)單體發(fā)生凝膠反應(yīng)，漿料黏度隨反應(yīng)的進(jìn)行急劇增加，從而導(dǎo)致漿料中的粉體被原位包裹、固化成型，最終形成具有一定強(qiáng)度和柔韌性的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，得到含一定溶劑的坯體；

5）脫模后，在一定的溫度和濕度條件下干燥，得到較高強(qiáng)度的坯體(如需要，可進(jìn)行適當(dāng)?shù)臋C(jī)加工修坯)；

6）最后將干坯排膠(使坯體內(nèi)的凝膠等有機(jī)物質(zhì)分解、揮發(fā))并燒結(jié)，得到致密部件。

3.凝膠注模成型技術(shù)的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)

1）適用范圍廣，對(duì)粉體無(wú)特殊要求；

2）可實(shí)現(xiàn)近凈尺寸成型，制備出復(fù)雜形狀的部件；

3）生坯強(qiáng)度高，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)成型工藝所制的坯體，可進(jìn)行機(jī)械加工；

4）坯體有機(jī)物含量低；

5）坯體和燒結(jié)體性能均勻性好；

6）工藝過(guò)程易控制；

7）對(duì)模具的材質(zhì)要求不高，玻璃、塑料、金屬和蠟等均可用于凝膠注模成型，但在使用時(shí)一般需要使用脫模劑；

8）成本低廉。

凝膠注模成型是繼注漿成型、注射成型之后的一種凈尺寸成型工藝，結(jié)合傳統(tǒng)陶瓷工藝與聚合物化學(xué)，目前已成功應(yīng)用于Al2O3、TiN、SiC、Si3N4等多種結(jié)構(gòu)陶瓷的工業(yè)生產(chǎn)。

2.凝膠注模成型技術(shù)的研究與進(jìn)展，王小峰，等.

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