Devido à sua alta dureza, resistência a altas temperaturas, resistência à corrosão e excelente isolamento elétrico, as cerâmicas de alumina são amplamente utilizadas em-campos de fabricação sofisticados, como aeroespacial, embalagens eletrônicas, dispositivos médicos e peças-resistentes ao desgaste. Nessas aplicações, o processo de conformação é uma etapa crítica que determina o desempenho final, a precisão dimensional e a confiabilidade da cerâmica. A formação refere-se ao processo de preparação do pó de alumina em um corpo verde com determinado formato e tamanho. Para evitar deformações ou fissuras durante a secagem ou sinterização subsequente, é necessário que o corpo verde tenha uma densidade tão elevada e boa uniformidade quanto possível.
Classificação dos métodos de formação de cerâmica de alumina
Os processos de conformação cerâmica podem ser classificados de acordo com as características de fluxo da peça em bruto em conformação a seco e conformação úmida, com a conformação úmida ainda dividida em conformação plástica e conformação coloidal.
Formação a Seco
Na conformação a seco, o branco contém pouca ou nenhuma água (menos de 6%) e o conteúdo de outros aglutinantes ou lubrificantes geralmente não excede 1%–2%. O processo envolve colocar o pó em um molde e aplicar força mecânica externa para moldar o pó. O corpo cerâmico verde é mantido unido pela fricção entre as partículas cerâmicas, mantendo um determinado tamanho e forma. O corpo verde é um sistema composto que consiste em branco, fase líquida (aglutinante) e ar.
01 Prensagem a Seco
A prensagem a seco envolve primeiro misturar o pó com água ou um aglutinante para formar grânulos, depois colocar o pó granulado em um molde e aplicar pressão para formar um corpo verde com certa resistência e formato. As vantagens da prensagem a seco incluem processo simples, operação fácil, adequação para produção industrial em grande-escala, alta densidade verde e pequeno encolhimento do produto sinterizado. No entanto, como a prensagem a seco utiliza prensagem uniaxial, o corpo verde exibe uma não-uniformidade de densidade significativa, que se torna mais pronunciada à medida que a espessura da amostra aumenta. Além disso, os aglomerados no pó não podem ser eliminados durante a preparação do pó, dificultando a produção de cerâmicas finas.
02 Prensagem Isostática
A prensagem isostática envolve colocar o pó em um molde de borracha deformável e, em seguida, aplicar pressão igual de diferentes eixos através de um meio gasoso ou líquido para formar a peça. Em comparação com a prensagem a seco, a prensagem isostática utiliza prensagem multiaxial, que resolve o problema de não uniformidade de densidade dos corpos verdes prensados a seco e reduz a distância de deslocamento das partículas de pó, aumentando assim a taxa de formação. No entanto, a prensagem isostática tem desvantagens como alto custo do equipamento, manutenção complexa e susceptibilidade a defeitos (por exemplo, irregularidades superficiais, fissuras de compressão). Para produtos de grande porte, a prensagem isostática é propensa a "pés de elefante" ou gradientes de densidade de fora para dentro. Atualmente, as cerâmicas de alumina produzidas por prensagem isostática na China são usadas principalmente para radomes cerâmicos, mangas cerâmicas isolantes de terminais de alta frequência, etc.
Formação úmida tradicional
Em comparação com a conformação a seco, a conformação a úmido pode evitar a aglomeração do pó, reduzir ou até mesmo eliminar defeitos no corpo verde e melhorar a confiabilidade dos produtos cerâmicos, oferecendo uma rota confiável para a produção de cerâmicas finas ou filmes cerâmicos. A conformação úmida geralmente inclui as seguintes etapas: (1) síntese ou mistura de pó cerâmico; (2) preparação de pasta cerâmica; (3) solidificação da pasta; (4) secagem para remover solvente; (5) sinterização para obtenção da cerâmica. Os pontos-chave na conformação úmida são a preparação da pasta cerâmica e a secagem do corpo verde.
01 Fundição de deslizamento
A fundição por deslizamento envolve a dispersão uniforme do pó cerâmico em um meio líquido para formar uma pasta cerâmica e, em seguida, despejar a pasta em um molde de gesso. A força capilar do molde de gesso absorve o solvente da pasta, fazendo com que a cerâmica se solidifique e forme um corpo verde com determinado formato e tamanho. A fundição por deslizamento exige que a pasta tenha excelente fluidez e estabilidade. Além disso, o molde deve ter boa permeabilidade para facilitar a remoção do meio líquido do corpo verde. A fundição por deslizamento tem vantagens como processo simples, baixo custo de produção e fácil controle do processo. No entanto, o tempo de formação é longo, a densidade e a resistência do verde são baixas e é provável que ocorram defeitos como rachaduras e furos. Com base na fundição de barbotina, os pesquisadores desenvolveram métodos aprimorados, como fundição centrífuga de barbotina, fundição de barbotina sob pressão e prensagem de filtro.
02 Fundição de Fita
A pasta cerâmica usada na fundição da fita é uma mistura viscosa e de baixa fluidez de pó cerâmico, plastificante, dispersante e solvente. Após a desaeração, a pasta é colocada em uma máquina de moldagem de fita, espalhada por uma lâmina raspadora até uma certa espessura sobre uma fita transportadora, seca e removida para formar uma película fina. O corpo verde é então usinado de acordo com as dimensões do produto. A pasta para fundição de fita requer dispersão uniforme do pó cerâmico sem aglomerados ou ligante não dissolvido. Durante a preparação do corpo verde, a fundição da fita está sujeita a problemas como espessura irregular, superfície áspera, cicatrizes e defeitos. A fundição de fita é usada principalmente para produzir placas cerâmicas finas, amplamente aplicadas em substratos de circuitos integrados, materiais de substrato para substratos, capacitores e varistores de baixa tensão.
Novos processos de formação coloidal
A formação coloidal envolve a dispersão uniforme do pó cerâmico em um solvente para obter uma pasta cerâmica com alto teor de sólidos e baixa viscosidade, que é então despejada em um molde e solidificada por vários métodos para obter um corpo verde com uma determinada forma e tamanho. Nos últimos anos, um progresso significativo foi feito em tais métodos de formação, levando a vários processos derivados, tais como moldagem por gel, moldagem por coagulação direta e moldagem por coagulação espontânea.
01 Gelcasting
Gelcasting combina a tradicional conformação úmida com a química dos polímeros. Os monômeros orgânicos sofrem polimerização sob certas condições para formar uma rede polimérica tridimensional, que bloqueia as partículas cerâmicas e as moléculas de solvente na rede, fazendo com que a pasta cerâmica se solidifique e forme um corpo verde. Este método não apenas herda as vantagens da conformação úmida tradicional (fundição de pasta, moldagem por injeção), mas também supera amplamente seus problemas, tornando-o um processo de conformação cerâmica praticamente valioso.
The greatest challenge in gelcasting is preparing a high‑solids (>50 vol.%) mas pasta cerâmica de baixa viscosidade. A fluidez da pasta é determinada principalmente pela dispersibilidade e estabilidade do pó no solvente, o que pode ser alcançado selecionando um dispersante apropriado e controlando o pH da pasta. Outro desafio é controlar a solidificação da pasta. As condições de polimerização do monômero orgânico e do reticulador selecionados devem ser facilmente controláveis. O conteúdo orgânico no corpo verde deve ser o mais baixo possível e o corpo verde resultante deve ter alta resistência. A adição orgânica no gelcasting é geralmente inferior a 5% em peso, portanto, nenhuma etapa separada de queima do ligante é necessária. O corpo verde obtido possui alta resistência e estrutura uniforme. A gelcasting oferece vantagens como a formação quase líquida, a capacidade de produzir produtos de formato complexo e a capacidade de produzir produtos de grande porte.
02 Fundição de Coagulação Direta
A fundição por coagulação direta é uma nova técnica de formação de cerâmica desenvolvida com base em gelcasting. Ele usa métodos como catálise enzimática, controle de pH da pasta cerâmica ou controle de concentração de eletrólitos para ajustar a repulsão de camada dupla entre as partículas cerâmicas, desestabilizar a estabilidade da suspensão da pasta cerâmica e causar a solidificação in situ das partículas cerâmicas para formar um corpo verde. O mecanismo de transformação líquido-sólido envolve o ajuste da atração de van der Waals e da repulsão eletrostática gerada pela dupla camada. Ao alterar as magnitudes da força de van der Waals e da repulsão eletrostática, a solidificação da pasta é controlada: quando a atração de van der Waals domina, a pasta tende a solidificar; quando a repulsão eletrostática domina, a pasta tende a se dispersar. A carga de sólidos da pasta para moldagem por coagulação direta não deve ser inferior a 55% em volume para que a solidificação possa ser alcançada ajustando o pH da pasta. As condições de solidificação são facilmente controláveis e alcançáveis. A fundição por coagulação direta produz corpos verdes com alta densidade, boa uniformidade, baixo teor orgânico e capacidade de formar produtos de formato complexo. No entanto, o processo é complexo, a resistência verde é relativamente baixa e o método carece de universalidade.
03 Fundição de Coagulação Espontânea
A fundição por coagulação espontânea é um novo processo de formação de cerâmica desenvolvido pelo Instituto de Cerâmica de Xangai em 2011. Ele usa copolímeros à base de isobutileno solúveis em água como dispersante e aglutinante para preparar corpos cerâmicos verdes. A moldagem por coagulação espontânea é semelhante à moldagem por gel na preparação da pasta, no método de formação e nas características do corpo verde. A diferença é que na fundição por coagulação espontânea, o copolímero à base de isobutileno solúvel em água atua tanto como dispersante quanto como aglutinante, alcançando a solidificação por meio de pontes por longas cadeias moleculares. Em contraste, o gelcasting alcança a solidificação através da polimerização de moléculas de monômeros e reticulantes para formar uma rede tridimensional que retém partículas cerâmicas. As vantagens da fundição por coagulação espontânea incluem baixo conteúdo orgânico, solidificação à temperatura ambiente, operação simples e baixo custo de produção.