KMS Lanzhou Institute of Chemical Physics，Chinese Academy of Sciences
| 陶瓷浆料的约束干燥行为和裂纹控制机理 | |
| Alternative Title | 无 |
| 焦岚清 | |
| Thesis Advisor | 孟军虎 ; 赵子文 |
| 2018-05-17 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 工程硕士 |
| Department | 先进润滑与防护材料研究发展中心 |
| Degree Discipline | 材料工程 |
| Keyword | 陶瓷浆料 干燥 基底约束 裂纹 毛细管应力 Ceramic slurries Drying Substrate constraint Cracks Capillary stress |
| Abstract | 陶瓷材料具有高硬度、低密度、耐腐蚀、优异的高温力学性能和压电性等特性，使得陶瓷微型零件在微执行器、微传感器和微流体等MEMS中得到越来越多的应用。与干法成形相比，陶瓷浆料湿法成形可以有效控制颗粒团聚、减少气孔尺寸，是陶瓷微型零件的主要成形技术之一。干燥是陶瓷湿法成形的关键过程，涉及水分蒸发与扩散、毛细管力驱动的水分流动、固体网络结构的粘滞形变等多阶段过程。陶瓷浆料干燥行为影响微型零件的组织均匀性和缺陷产生，直接决定陶瓷微型零件的质量，因此干燥过程控制对研制高性能陶瓷微型零件具有重要意义。基于此，本论文研究基底和弹性框对氧化铝（Al2O3）陶瓷浆料的干燥行为的影响，分析干燥过程中浆料内的应力变化以及裂纹形成机理，提出控制裂纹形成的有效措施。得到的主要结论如下： 1.研究了固相含量对Al2O3水基浆料在封闭空间内干燥时的动力学影响规律。在封闭空间内，Al2O3水基浆料的干燥过程分为三个阶段：第一降速干燥阶段、恒速干燥阶段和第二降速干燥阶段。由于液相蒸发导致浆料表面温度降低，封闭空间又导致浆料表面损失的热量不能及时从外界环境中得到补充，因此浆料的干燥速率在干燥初期会不断下降，浆料表面温度也持续降低，当浆料表面温度达到湿球温度之后，浆料的干燥速率保持恒定。若干燥过程进入第二降速阶段时仍然没有达到平衡状态，那么恒速干燥阶段消失。因此随着Al2O3浆料固相含量的增加，恒速干燥阶段逐渐消失，70wt.%浆料的干燥过程甚至只有第一降速干燥阶段和第二降速干燥阶段两个阶段。 2.采用不同表面润湿性的材料作为Al2O3水基浆料干燥基底，研究了聚二甲基硅氧烷（PDMS）框对水基浆料的干燥速率、毛细管应力以及裂纹数量的影响。在PDMS框限制域空间内，由于PDMS较差的水分渗透性，浆料干燥速率降低，且PDMS框厚度越大，对蒸发速率的限制越明显。PDMS框对浆料内生坯表面裂纹数量的影响与基底的润湿性有关。浆料在强亲水的基底上干燥时，PDMS框无法释放毛细管应力，生坯表面出现许多细小的裂纹。浆料在弱亲水和疏水的基底上干燥时，PDMS框通过弹性变形能有效释放浆料内的毛细管应力，裂纹数量明显降低，且PDMS框越厚，效果越显著，但是干燥后的生坯边缘会出现更严重的咖啡环效应。基于以上思路，在铜和聚丙烯（PP）基底上干燥Al2O3浆料，制备出面积为29.56×7.75mm2且厚度为1.28mm的无裂纹陶瓷生坯。 3.利用固相含量为75wt.%且pH值为3.8的Al2O3水基浆料中的盐酸分别与铝和热处理过的铜等干燥基底发生化学反应，在室温条件下成功制备出厚度为300μm-600μm的无裂纹Al2O3生坯。基底和盐酸之间的化学反应能降低基底和颗粒之间的粘附作用，使浆料横向收缩时受到较小的基底约束，且较小的基底约束使生坯容易从基底脱离，因此浆料干燥后无裂纹生成。 |
| Other Abstract | 无 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/25250 |
| Collection | 中国科学院兰州化学物理研究所 |
| Affiliation | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 焦岚清. 陶瓷浆料的约束干燥行为和裂纹控制机理[D]. 北京. 中国科学院大学,2018. |
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