En raison de sa dureté élevée, de sa résistance aux températures élevées, de sa résistance à la corrosion et de son excellente isolation électrique, les céramiques d'alumine sont largement utilisées dans les domaines de fabrication haut de gamme tels que l'aérospatiale, les emballages électroniques, les dispositifs médicaux et les pièces résistantes à l'usure. Dans ces applications, le processus de formage est une étape critique qui détermine les performances finales, la précision dimensionnelle et la fiabilité de la céramique. Le formage fait référence au processus de préparation de poudre d'alumine en un corps vert d'une certaine forme et taille. Pour éviter une déformation ou une fissuration lors d'un séchage ou d'un frittage ultérieur, le corps cru doit avoir une densité aussi élevée et une bonne uniformité que possible.
Classification des méthodes de formage de la céramique d'alumine
Les procédés de formage de céramique peuvent être classés en fonction des caractéristiques d'écoulement de l'ébauche en formage à sec et formage humide, le formage humide étant ensuite divisé en formage plastique et formage colloïdal.
Formage à sec
En formage à sec, l'ébauche contient peu ou pas d'eau (moins de 6 %) et la teneur en autres liants ou lubrifiants ne dépasse généralement pas 1 à 2 %. Le processus consiste à placer la poudre dans un moule et à appliquer une force mécanique externe pour façonner la poudre. Le corps vert en céramique est maintenu ensemble par friction entre les particules de céramique, conservant ainsi une certaine taille et forme. Le corps vert est un système composite composé du flan, de la phase liquide (liant) et de l'air.
01 Pressage à sec
Le pressage à sec consiste d'abord à mélanger la poudre avec de l'eau ou un liant pour former des granulés, puis à placer la poudre granulée dans un moule et à appliquer une pression pour former un corps vert avec une certaine résistance et forme. Les avantages du pressage à sec incluent un processus simple, une opération facile, une adéquation à une production industrielle à grande échelle-, une densité verte élevée et un faible retrait du produit fritté. Cependant, étant donné que le pressage à sec utilise un pressage uniaxial, le corps vert présente une non-uniformité de densité significative, qui devient plus prononcée à mesure que l'épaisseur de l'échantillon augmente. De plus, les agglomérats présents dans la poudre ne peuvent pas être éliminés lors de la préparation de la poudre, ce qui rend difficile la production de céramiques fines.
02 Pressage isostatique
Le pressage isostatique consiste à placer de la poudre dans un moule en caoutchouc déformable, puis à appliquer une pression égale depuis différents axes via un milieu gazeux ou liquide pour former la pièce. Par rapport au pressage à sec, le pressage isostatique utilise un pressage multiaxial, ce qui résout le problème de non-uniformité de la densité des corps verts pressés à sec et réduit la distance de déplacement des particules de poudre, augmentant ainsi le taux de formation. Cependant, le pressage isostatique présente des inconvénients tels qu'un coût d'équipement élevé, une maintenance complexe et une sensibilité aux défauts (par exemple, irrégularités de surface, fissures de compression). Pour les produits de grande taille, le pressage isostatique est sujet aux « pattes d'éléphant » ou aux gradients de densité de l'extérieur vers l'intérieur. Actuellement, les céramiques d'alumine produites par pressage isostatique en Chine sont principalement utilisées pour les radômes en céramique, les manchons en céramique isolants pour bornes haute fréquence, etc.
Formage humide traditionnel
Par rapport au formage à sec, le formage par voie humide peut éviter l'agglomération de la poudre, réduire ou même éliminer les défauts du corps vert et améliorer la fiabilité des produits céramiques, offrant ainsi une voie fiable pour produire des céramiques fines ou des films céramiques. Le formage humide comprend généralement les étapes suivantes : (1) synthèse ou mélange de poudre céramique ; (2) préparation de pâte céramique ; (3) solidification de la boue ; (4) séchage pour éliminer le solvant ; (5) frittage pour obtenir la céramique. Les points clés du formage humide sont la préparation de la pâte céramique et le séchage du corps cru.
01 Coulée glissante
La coulée en barbotine consiste à disperser uniformément de la poudre de céramique dans un milieu liquide pour former une suspension céramique, puis à verser la suspension dans un moule en plâtre. La force capillaire du moule en plâtre absorbe le solvant de la pâte, provoquant la solidification de la céramique et la formation d'un corps vert d'une certaine forme et taille. La coulée en barbotine nécessite que la boue ait une excellente fluidité et stabilité. De plus, le moule doit avoir une bonne perméabilité pour faciliter l'élimination du milieu liquide du corps vert. La coulée en barbotine présente des avantages tels qu'un processus simple, un faible coût de production et un contrôle facile du processus. Cependant, le temps de formage est long, la densité et la résistance à cru sont faibles et des défauts tels que des fissures et des piqûres sont susceptibles de se produire. Sur la base du moulage en barbotine, les chercheurs ont développé des méthodes améliorées telles que le moulage en barbotine centrifuge, le moulage en barbotine sous pression et le filtre-pressage.
02 Casting de bande
La pâte céramique utilisée dans le moulage de bandes est un mélange visqueux et peu fluide de poudre céramique, de plastifiant, de dispersant et de solvant. Après désaération, la suspension est placée sur une machine de coulée de ruban, étalée à l'aide d'une racle jusqu'à une certaine épaisseur sur un ruban porteur, séchée et décollée pour former un film mince. Le corps vert est ensuite usiné selon les dimensions du produit. La suspension pour le coulage de bandes nécessite une dispersion uniforme de la poudre céramique sans agglomérats ni liant non dissous. Lors de la préparation du corps vert, le moulage du ruban est sujet à des problèmes tels qu'une épaisseur inégale, une surface rugueuse, des cicatrices et des défauts. Le moulage de bandes est principalement utilisé pour produire de fines plaques de céramique, largement utilisées dans les substrats de circuits intégrés, les matériaux de substrat pour substrats, les condensateurs et les varistances basse tension.
Nouveaux procédés de formation colloïdale
Le formage colloïdal consiste à disperser uniformément de la poudre de céramique dans un solvant pour obtenir une pâte céramique à haute teneur en solides et à faible viscosité, qui est ensuite versée dans un moule et solidifiée par diverses méthodes pour obtenir un corps vert d'une certaine forme et taille. Ces dernières années, des progrès significatifs ont été réalisés dans ces méthodes de formage, conduisant à plusieurs procédés dérivés, tels que le gelcasting, le moulage par coagulation directe et le moulage par coagulation spontanée.
01 Gelcasting
Le Gelcasting combine le formage humide traditionnel avec la chimie des polymères. Les monomères organiques subissent une polymérisation dans certaines conditions pour former un réseau polymère tridimensionnel, qui enferme les particules céramiques et les molécules de solvant dans le réseau, provoquant la solidification de la suspension céramique et la formation d'un corps vert. Cette méthode hérite non seulement des avantages du formage humide traditionnel (coulée en barbotine, moulage par injection), mais résout également dans une large mesure leurs problèmes, ce qui en fait un procédé de formage céramique précieux dans la pratique.
The greatest challenge in gelcasting is preparing a high‑solids (>50 vol.%) mais une pâte céramique de faible viscosité. La fluidité de la suspension est principalement déterminée par la dispersibilité et la stabilité de la poudre dans le solvant, qui peuvent être obtenues en sélectionnant un dispersant approprié et en contrôlant le pH de la suspension. Un autre défi est de contrôler la solidification du lisier. Les conditions de polymérisation du monomère organique sélectionné et de l'agent de réticulation doivent être facilement contrôlables. La teneur en matière organique du corps vert doit être aussi faible que possible et le corps vert obtenu doit avoir une résistance élevée. L'ajout de matières organiques lors du gelcasting est généralement inférieur à 5 % en poids, de sorte qu'aucune étape distincte de brûlage du liant n'est requise. Le corps vert obtenu présente une résistance élevée et une structure uniforme. Le gelcasting offre des avantages tels que la mise en forme quasi nette, la capacité de produire des produits de forme complexe et la capacité de produire des produits de grande taille.
02 Coulée par coagulation directe
Le moulage par coagulation directe est une nouvelle technique de formage de céramique développée sur la base du gelcasting. Il utilise des méthodes telles que la catalyse enzymatique, le contrôle du pH de la suspension céramique ou le contrôle de la concentration d'électrolyte pour ajuster la répulsion double couche entre les particules céramiques, déstabiliser la stabilité de la suspension de la suspension céramique et provoquer la solidification in situ des particules céramiques pour former un corps vert. Le mécanisme de transformation liquide-solide implique d’ajuster l’attraction de van der Waals et la répulsion électrostatique générée par la double couche. En modifiant les amplitudes de la force de Van der Waals et de la répulsion électrostatique, la solidification de la suspension est contrôlée : lorsque l'attraction de Van der Waals domine, la suspension a tendance à se solidifier ; lorsque la répulsion électrostatique domine, la bouillie a tendance à se disperser. La charge en matières solides de la suspension pour la coulée par coagulation directe ne doit pas être inférieure à 55 % en volume afin que la solidification puisse être obtenue en ajustant le pH de la suspension. Les conditions de solidification sont facilement contrôlables et réalisables. La coulée par coagulation directe produit des corps verts à haute densité, avec une bonne uniformité, une faible teneur en matières organiques et la capacité de former des produits de forme complexe. Cependant, le processus est complexe, la résistance à l’état vert est relativement faible et la méthode manque d’universalité.
03 Coulée de coagulation spontanée
La coulée par coagulation spontanée est un nouveau procédé de formage de céramique développé par l'Institut de céramique de Shanghai en 2011. Il utilise des copolymères à base d'isobutylène solubles dans l'eau comme dispersant et liant pour préparer des corps verts en céramique. Le moulage par coagulation spontanée est similaire au gelcasting en ce qui concerne la préparation de la suspension, la méthode de formation et les caractéristiques du corps vert. La différence est que dans la coulée par coagulation spontanée, le copolymère à base d'isobutylène soluble dans l'eau agit à la fois comme dispersant et liant, réalisant la solidification grâce au pontage par de longues chaînes moléculaires. En revanche, le gelcasting réalise la solidification grâce à la polymérisation de molécules monomères et d’agents de réticulation pour former un réseau tridimensionnel qui piège les particules céramiques. Les avantages de la coulée par coagulation spontanée comprennent une faible teneur en matières organiques, une solidification à température ambiante, une opération simple et un faible coût de production.