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中国科学院上海硅酸盐研究所王士维团队：采用改性小分子量聚丙烯酸作为氧化铝陶瓷自固化凝胶成型的分散剂

已有 2357 次阅读 2025-10-13 11:22 |个人分类:JAC|系统分类:论文交流

原文出自Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Cite this article:

Yan J, Wang Y, Shimai S, et al. Modified low molecular weight polyacrylic acid as a dispersant for spontaneous coagulation casting of alumina ceramics. Journal of Advanced Ceramics, 2025, https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221161

文章DOI：10.26599/JAC.2025.9221161

ResearchGate：Modified low molecular weight polyacrylic acid as a dispersant for spontaneous coagulation casting of alumina ceramics

1、导读

本文通过氨水与小分子量聚丙烯酸（PA）反应形成聚丙烯酸铵（记为M-PA），采用M-PA作为分散剂与Isobam 104配合使用，成功制备出兼具高固含量、低粘度特性的氧化铝浆料，并实现自固化凝胶成型，素坯相对密度高，烧结致密温度降低了50 °C，弯曲强度达583MPa。由于PA易获取、分子量可选，经氨水改性后将有效扩大自固化凝胶成型适用范围。

2、研究背景

半导体制造和国防领域对大尺寸、复杂结构的先进陶瓷部件的需求大幅增长。成型是先进陶瓷制造关键环节，因为它直接影响陶瓷部件的结构可靠性，并有助于降低生产成本。自固化凝胶成型是一种新兴的成型技术。在该方法中，异丁烯和马来酸酐的共聚物（记为PIBM；商品名：Isobam）同时充当分散剂和凝胶剂，使得陶瓷浆料能够原位固化形成坯体。根据官能团和分子量的不同，PIBM包括Isobam 104（记为Ib104）、Isobam 600AF（记为Ib600）和Isobam 04等。

浆料具有高固含量和低粘度的特征对于自固化凝胶成型以及其它原位固化技术而言至关重要。当氧化铝浆料的固含量增加时，有助于降低湿坯的干燥收缩率和坯体的烧结收缩率，从而减小陶瓷变形开裂的风险。近年来，许多学者致力于提高氧化铝陶瓷浆料的固含量。然而，目前尚未有关于同时具有高固体含量和低粘度的氧化铝浆料的突破。过高的粘度会使得气泡难以排出，导致坯体密度下降和缺陷增多。

3、文章亮点

（1）采用常见的分散剂聚丙烯酸（PA）以及聚丙烯酸铵（M-PA）代替自固化凝胶成型常用的分散剂Isobam 600AF，与Isobam 104配合使用，可制备高固含量、低粘度的浆料，并实现自发凝固。

（2）采用小分子量M-PA作为分散剂，制备出的56 vol%氧化铝浆料与同等条件下使用Isobam 600AF作为分散剂制备出的浆料相比，粘度降低，除泡更加完全，陶瓷弯曲强度提高68 MPa。

（3）采用小分子量M-PA作为分散剂，成功制备出58 vol%的氧化铝浆料。相对于56 vol%的样品而言，素坯相对密度提高至67.0%，烧结温度降低50 °C。

4、研究结果及结论

采用三种分散剂制备浆料，如图1(a)所示，加入分散剂后，氧化铝浆料的等电点（IEP）从pH 8.8移动到pH 5以下，zata电位的绝对值增大，这表明所有分散剂都吸附于氧化铝颗粒表面，使颗粒带更多负电荷，颗粒互相排斥，形成稳定浆料。图1(b)显示三种浆料的pH值随时间的推移均略有上升，16 h后趋于稳定。对比浆料稳定后的pH所对应的图1(a)的电位绝对值，浆料M-PA的zeta电位绝对值最大，这表明M-PA相对于Ib600和PA具有更好的分散性能。

图1 (a)分散剂对氧化铝浆料zeta电位的影响；(b)浆料pH值随时间的变化

如图2(a)所示，浆料均表现出剪切变稀行为，添加M-PA的浆料粘度最小。因为浆料M-PA的zeta电位绝对值最大，颗粒间斥力最强，并且M-PA分子量最小，空间位阻效应最小。如图2(b)所示，三种浆料的储能模量随时间的推移逐渐增加。在测试时间范围内，储能模量Ib600>M-PA>PA，即凝胶化能力依次减弱。

图2 分散剂对Al₂O₃浆料(a)粘度和(b)储存模量(G′)的影响

如图3(a)所示，使用原始配方（0.2% wt% M-PA 和 0.1% wt% Ib104）制备58 vol%固含量的浆料粘度过高，导致浆料难以除泡和注模。如图4(b)所示，在调整M-PA和Ib104的比例后，58 vol%的氧化铝浆料表现出剪切变稀特性，同时粘度低（0.54 Pa s@100 s^-1）。因此，M-PA能够制备固含量更高的氧化铝浆料。使用Ib600作为分散剂，最高可制备56 vol%固含量的浆料。

图3 (a)固含量和(b)分散剂对氧化铝浆料粘度的影响

浆料凝胶干燥后得到素坯。素坯的相对密度相似，添加M-PA的陶瓷密度最高。因为浆料M-PA的粘度最低，有利于浆料内的颗粒重排和完全除泡，减少陶瓷孔隙。

图4 分散剂对氧化铝素坯(a)孔径分布和(b)相对密度、在1550 °C烧结的陶瓷的(c)相对密度和(d)线收缩率的影响

添加M-PA的陶瓷力学性能最优。与添加Ib600的陶瓷相比，弯曲强度提高了68 MPa。

图 5 不同分散剂对陶瓷的维氏硬度、弯曲强度和断裂韧性的影响（56 vol%的氧化铝浆料）

如表1所示，58 vol%的样品在1500 °C下烧结得到的陶瓷相对密度为98.9%，维氏硬度为17.8±0.6 GPa，56 vol%的样品在1550 °C下烧结得到的陶瓷的相对密度为98.7%，维氏硬度为17.3±0.3 GPa。显然，高固含量的浆料能够制成高密度的素坯，可以在较低温度下烧结致密，从而获得高密度和高机械性能的陶瓷。

表1 固含量和烧结温度对陶瓷相对密度及维氏硬度的影响

Solid loading（%）	Relative density of green bodies（%）	Sintering temperature（°C）	Relative density of ceramics（%）	Vickers hardness of ceramics (GPa)
56	62.0	1500	98.0	16.0±0.4
56	62.0	1550	98.7	17.3±0.3
58	67.0	1500	98.9	17.8±0.6
58	67.0	1550	99.4	17.8±0.2

图6 由(a, a₁, a₂, a₃) Ib600、(b, b₁, b₂, b₃) PA和 (c, c₁, c₂, c₃) M-PA制备的氧化铝陶瓷的表面微观结构、断面微观结构和相应的晶粒尺寸分布（56 vol%的氧化铝浆料）

5、作者及研究团队简介

王士维（通讯作者），工学博士，中国科学院上海硅酸盐研究所研究员、博士生导师，任所学术委员会委员。长期从事透明陶瓷和结构陶瓷领域的研究，发表论文260余篇，获授权中国发明专利49件，大尺寸氧化铝、YAG透明陶瓷等6项成果实现转移转化。

闫婧（第一作者），中国科学院上海硅酸盐研究所透明陶瓷中心在读硕士生。

作者及研究团队在Journal of Advanced Ceramics上发表的相关代表作：

1）Mao J, Shimai S, Ji H, et al. Ultrasonic-vibration-assisted reflow machining of ceramic gels. Journal of Advanced Ceramics, 2025, 14(6): 9221091. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221091

2）Wang J, Zhao J, Mao J, et al. Enhanced plasticity of spontaneous coagulation cast oxide ceramic green bodies. Journal of Advanced Ceramics, 2024, 13(5): 568-578. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220879

3）An L, Shi R, Mao X, et al. Fabrication of AlON transparent ceramics with Si₃N₄ sintering additive. Journal of Advanced Ceramics, 2023, 12(7): 1361-1370. https://doi.org/10.26599/JAC.2023.9220760

4）WU X, ZHAO J, SHIMAI S, et al. Re-fluidising the aged gel for high-density alumina green body. Journal of Advanced Ceramics, 2022, 11(9): 1375-1382. https://doi.org/10.1007/s40145-022-0615-1

5）CHEN H, ZHAO J, SHIMAI S, et al. High transmittance and grain-orientated alumina ceramics fabricated by adding fine template particles. Journal of Advanced Ceramics, 2022, 11(4): 582-588. https://doi.org/10.1007/s40145-021-0558-y

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为清华大学林元华教授、郑州大学周延春教授和广东工业大学林华泰教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，2024年发文量为174篇；2025年6月发布的影响因子为16.6，连续5年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科33种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2025年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学1区Top期刊。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。