Debido a su alta dureza, resistencia a altas temperaturas, resistencia a la corrosión y excelente aislamiento eléctrico, las cerámicas de alúmina se utilizan ampliamente en campos de fabricación de alto nivel-como el aeroespacial, el embalaje electrónico, los dispositivos médicos y las piezas-resistentes al desgaste. En estas aplicaciones, el proceso de conformado es un paso crítico que determina el rendimiento final, la precisión dimensional y la confiabilidad de la cerámica. La formación se refiere al proceso de preparar polvo de alúmina en un cuerpo verde con una determinada forma y tamaño. Para evitar deformaciones o grietas durante el posterior secado o sinterización, se requiere que el cuerpo crudo tenga la mayor densidad y buena uniformidad posible.
Clasificación de los métodos de formación de cerámica de alúmina.
Los procesos de conformación cerámica se pueden clasificar según las características de flujo de la pieza en bruto en conformación seca y conformación húmeda, mientras que la conformación húmeda se divide en conformación plástica y conformación coloidal.
Conformado en seco
En el conformado en seco, la pieza en bruto contiene poca o nada de agua (menos del 6%) y el contenido de otros aglutinantes o lubricantes generalmente no excede del 1% al 2%. El proceso implica colocar el polvo en un molde y aplicar una fuerza mecánica externa para darle forma. El cuerpo verde cerámico se mantiene unido mediante la fricción entre partículas cerámicas, manteniendo un cierto tamaño y forma. El cuerpo verde es un sistema compuesto que consta del blanco, la fase líquida (aglutinante) y aire.
01 Prensado en seco
El prensado en seco implica primero mezclar el polvo con agua o un aglutinante para formar gránulos, luego colocar el polvo granulado en un molde y aplicar presión para formar un cuerpo verde con cierta resistencia y forma. Las ventajas del prensado en seco incluyen un proceso simple, fácil operación, idoneidad para la producción industrial a gran-escala, alta densidad verde y pequeña contracción del producto sinterizado. Sin embargo, debido a que el prensado en seco utiliza prensado uniaxial, el cuerpo verde exhibe una falta de uniformidad de densidad significativa, que se vuelve más pronunciada a medida que aumenta el espesor de la muestra. Además, los aglomerados en el polvo no se pueden eliminar durante la preparación del polvo, lo que dificulta la producción de cerámicas finas.
02 Prensado isostático
El prensado isostático implica colocar polvo en un molde de caucho deformable y luego aplicar presión igual desde diferentes ejes a través de un medio gaseoso o líquido para formar la pieza. En comparación con el prensado en seco, el prensado isostático utiliza prensado multiaxial, que resuelve el problema de la falta de uniformidad de la densidad de los cuerpos verdes prensados en seco y reduce la distancia de recorrido de las partículas de polvo, aumentando así la velocidad de formación. Sin embargo, el prensado isostático tiene desventajas como el alto costo del equipo, el mantenimiento complejo y la susceptibilidad a defectos (p. ej., irregularidades de la superficie, grietas por compresión). Para productos de gran tamaño, el prensado isostático es propenso a "pie de elefante" o gradientes de densidad desde el exterior hacia el interior. Actualmente, las cerámicas de alúmina producidas mediante prensado isostático en China se utilizan principalmente para radomos cerámicos, manguitos cerámicos aislantes de terminales de alta frecuencia, etc.
Conformado húmedo tradicional
En comparación con el conformado en seco, el conformado en húmedo puede evitar la aglomeración del polvo, reducir o incluso eliminar defectos en el cuerpo verde y mejorar la confiabilidad de los productos cerámicos, ofreciendo una ruta confiable para producir cerámicas finas o películas cerámicas. La conformación húmeda generalmente incluye los siguientes pasos: (1) síntesis o mezcla de polvo cerámico; (2) preparación de suspensión cerámica; (3) solidificación de la suspensión; (4) secar para eliminar el disolvente; (5) sinterización para obtener la cerámica. Los puntos clave en el conformado húmedo son la preparación de la suspensión cerámica y el secado del cuerpo verde.
01 Fundición deslizante
La fundición en barbotina implica dispersar uniformemente polvo cerámico en un medio líquido para formar una suspensión cerámica y luego verter la suspensión en un molde de yeso. La fuerza capilar del molde de yeso absorbe el disolvente de la pasta, haciendo que la cerámica se solidifique y forme un cuerpo verde con una determinada forma y tamaño. La fundición en barbotina requiere que la lechada tenga una fluidez y estabilidad excelentes. Además, el molde debe tener buena permeabilidad para facilitar la eliminación del medio líquido del cuerpo verde. La fundición deslizante tiene ventajas como un proceso simple, un bajo costo de producción y un fácil control del proceso. Sin embargo, el tiempo de formación es largo, la densidad y la resistencia en verde son bajas y es probable que se produzcan defectos como grietas y poros. Basándose en la fundición en barbotina, los investigadores han desarrollado métodos mejorados, como la fundición en barbotina centrífuga, la fundición en barbotina a presión y el prensado con filtro.
02 Fundición de cinta
La suspensión cerámica utilizada en la fundición de cintas es una mezcla viscosa y de mala fluidez de polvo cerámico, plastificante, dispersante y disolvente. Después de desairear, la suspensión se coloca en una máquina de fundición de cinta, se extiende con una rasqueta hasta un cierto espesor sobre una cinta portadora, se seca y se retira para formar una película delgada. Luego, el cuerpo verde se mecaniza según las dimensiones del producto. La lechada para el colado de cintas requiere una dispersión uniforme del polvo cerámico sin aglomerados ni aglutinantes sin disolver. Durante la preparación del cuerpo verde, el yeso con cinta es propenso a problemas como espesor desigual, superficie rugosa, cicatrices y defectos. La fundición en cinta se utiliza principalmente para producir placas cerámicas delgadas, que se aplican ampliamente en sustratos de circuitos integrados, materiales de sustrato para sustratos, condensadores y varistores de bajo voltaje.
Nuevos procesos de formación coloidal
La formación coloidal implica la dispersión uniforme de polvo cerámico en un disolvente para obtener una suspensión cerámica con alto contenido de sólidos y baja viscosidad, que luego se vierte en un molde y se solidifica mediante diversos métodos para obtener un cuerpo verde con una determinada forma y tamaño. En los últimos años, se han logrado avances significativos en dichos métodos de formación, lo que ha llevado a varios procesos derivados, como la fundición en gel, la fundición por coagulación directa y la fundición por coagulación espontánea.
01 fundición de gel
Gelcasting combina el conformado húmedo tradicional con la química de polímeros. Los monómeros orgánicos se polimerizan bajo ciertas condiciones para formar una red polimérica tridimensional, que bloquea las partículas cerámicas y las moléculas de solvente en la red, lo que hace que la suspensión cerámica se solidifique y forme un cuerpo verde. Este método no sólo hereda las ventajas del conformado húmedo tradicional (fundición deslizante, moldeo por inyección) sino que también supera en gran medida sus problemas, convirtiéndolo en un proceso de conformado cerámico prácticamente valioso.
The greatest challenge in gelcasting is preparing a high‑solids (>50 % vol.), pero lechada cerámica de baja viscosidad. La fluidez de la suspensión está determinada principalmente por la dispersabilidad y estabilidad del polvo en el disolvente, que se puede lograr seleccionando un dispersante apropiado y controlando el pH de la suspensión. Otro desafío es controlar la solidificación de la suspensión. Las condiciones de polimerización del monómero orgánico seleccionado y del reticulante deben ser fácilmente controlables. El contenido orgánico en la masa verde debe ser lo más bajo posible y la masa verde resultante debe tener una alta resistencia. La adición orgánica en la fundición en gel es generalmente inferior al 5% en peso, por lo que no se requiere un paso de quemado del aglutinante por separado. El cuerpo verde obtenido tiene alta resistencia y estructura uniforme. Gelcasting ofrece ventajas como la formación de una forma casi neta, la capacidad de producir productos con formas complejas y la capacidad de producir productos de gran tamaño.
02 Fundición de coagulación directa
La fundición por coagulación directa es una novedosa técnica de formación de cerámica desarrollada a partir de la fundición en gel. Utiliza métodos como la catálisis enzimática, el control del pH de la suspensión cerámica o el control de la concentración de electrolitos para ajustar la repulsión de doble capa entre las partículas cerámicas, desestabilizar la estabilidad de la suspensión de la suspensión cerámica y provocar la solidificación in situ de las partículas cerámicas para formar un cuerpo verde. El mecanismo de transformación líquido-sólido implica ajustar la atracción de Van der Waals y la repulsión electrostática generada por la doble capa. Al cambiar las magnitudes de la fuerza de Van der Waals y la repulsión electrostática, se controla la solidificación de la suspensión: cuando domina la atracción de Van der Waals, la suspensión tiende a solidificarse; cuando domina la repulsión electrostática, la suspensión tiende a dispersarse. La carga de sólidos de la lechada para la fundición por coagulación directa debe ser no inferior al 55% en volumen para que se pueda lograr la solidificación ajustando el pH de la lechada. Las condiciones de solidificación son fácilmente controlables y alcanzables. La fundición por coagulación directa produce cuerpos verdes con alta densidad, buena uniformidad, bajo contenido orgánico y la capacidad de formar productos de formas complejas. Sin embargo, el proceso es complejo, la resistencia en verde es relativamente baja y el método carece de universalidad.
03 Fundición de coagulación espontánea
La fundición por coagulación espontánea es un novedoso proceso de formación de cerámica desarrollado por el Instituto de Cerámica de Shanghai en 2011. Utiliza copolímeros a base de isobutileno solubles en agua como dispersante y aglutinante para preparar cuerpos cerámicos verdes. La fundición por coagulación espontánea es similar a la fundición en gel en cuanto a la preparación de la suspensión, el método de formación y las características del cuerpo verde. La diferencia es que en la fundición por coagulación espontánea, el copolímero a base de isobutileno soluble en agua actúa como dispersante y aglutinante, logrando la solidificación mediante la unión de largas cadenas moleculares. Por el contrario, el gelcasting logra la solidificación mediante la polimerización de moléculas de monómero y entrecruzadores para formar una red tridimensional que atrapa partículas cerámicas. Las ventajas de la fundición por coagulación espontánea incluyen un bajo contenido orgánico, solidificación a temperatura ambiente, operación simple y bajo costo de producción.