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利用淀粉原位凝固胶态成型高性能陶瓷的研究

作　者: 宋贤良
导　师: 温其标；陈玲
学　校: 华南理工大学
专　业: 食品科学
关键词: 淀粉原位凝固胶态成型高性能陶瓷 Al2O3浆料
分类号: TQ174.1
类　型: 博士论文
年　份: 2003年
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内容摘要

原位凝固成型技术是高性能陶瓷研究的热点之一。本文是以Al₂O₃陶瓷作为研究对象，利用淀粉及改性淀粉受热吸水膨胀及糊化后形成高分子凝胶化网络，以实现高性能陶瓷原位凝固成型。通过研究淀粉或改性淀粉用量、分散剂用量、固相体积分数和球磨时间等工艺参数对陶瓷浆料的流变学性质和成型坯体结构和性能的影响规律，并通过正交实验得到淀粉原位凝固胶态成型技术的最佳工艺条件。进一步考察了不同品种的淀粉和改性淀粉对Al₂O₃陶瓷原位凝固成型时浆料流变性质和成型坯体性能的影响，并在此基础上对淀粉-Al₂O₃陶瓷浆料凝固成型机理进行初步探讨。通过对淀粉及改性淀粉凝胶化性质的研究表明：淀粉品种及改性方式不同，则糊化温度、糊粘度、糊的热稳定性以及形成凝胶的能力等凝胶化性质具有很大差异。淀粉糊粘度还受浓度、温度、pH值和分散剂等因素的影响。淀粉及改性淀粉凝胶化性质的研究是将其成功地应用于高性能陶瓷原位凝固成型的基础和前提，也是深入探讨淀粉及改性淀粉对成型后坯体性能影响规律的基本依据，其中淀粉糊化温度是决定Al₂O₃陶瓷浆料凝固成型温度的关键。陶瓷浆料分散性和稳定性的研究，获得了由不同粒度的α-Al₂O₃粉体制备高分散、高稳定、高固相含量的陶瓷浆料所需的最适条件。研究表明：平均粒径分别为2.47μm、0.63μm和0.15μm的Al₂O₃粉体得到稳定浆料的最适pH值范围分别是8.5～9.5、8.0～9.0、10.0～12.0；分散剂最佳用量分别是0.03～0.05％、0.2％和0.5％。陶瓷浆料流变学性质的研究是实现各种复杂形状陶瓷部件的成功注模，获得高性能陶瓷产品的有力保障。Al₂O₃浆料的粘度随醋酸酯淀粉用量和固相体积分数的增加而增加，而分散剂用量和球磨时间的变化对浆料表观粘度的影响规律如下：当分散剂用量为0.05％，球磨时间为12h时，可获得低粘的浆料，大于或小于该条件，Al₂O₃浆料的表观粘度都呈上升趋势。淀粉及改性淀粉对Al₂O₃浆料的流变性质也有显著影响，一般支叉结构多的淀粉比支叉结构少的淀粉影响大；改性淀粉对浆料粘度的影响要比原淀粉的大。特别是氧化淀粉和磷酸酯淀粉添加到Al₂O₃浆料后使其粘度增加，流变性能恶化。但球磨一段时间后，浆料的流变性能又得到明显改善。淀粉—Al₂O₃陶瓷浆料一般为塑性流体，具有剪切稀化的流变行为。醋酸酯淀粉用量、分散剂用量、固相体积分数和球磨时间等工艺参数的对成型后坯体性能的影响研究表明：增加醋酸酯淀粉用量，干燥后素坯的线收缩率和相对密度下降，而干坯强度呈近线性增加：醋酸酯淀粉用量较低时，成型的坯体致密，断口细腻、平整，气孔较小。随固相体积分数的增加，素坯的线收缩率和干坯强度

全文目录

摘要(中文)  5-7
摘要(英文)  7-17
第一章绪论  17-35
  1.1 高性能陶瓷的发展概况  17-23
    1.1.1 高性能陶瓷的特点  17-18
    1.1.2 高性能陶瓷的分类  18-21
    1.1.3 高性能陶瓷的功能特性及发展方向  21-23
  1.2 高性能陶瓷原位凝固成型工艺的研究现状  23-30
    1.2.1 凝胶注模成型  25
    1.2.2 直接凝固注模成型(DCC)  25-27
    1.2.3 胶态振动注模成型  27-28
    1.2.4 温度诱导絮凝成型  28
    1.2.5 高分子多糖凝胶注模成型  28-30
  1.3 淀粉的颗粒结构、理化性质及其应用于陶瓷成型中的研究现状  30-33
    1.3.1 淀粉的颗粒结构及理化化性质  30-32
    1.3.2 修饰改性对淀粉性质的影响  32
    1.3.3 淀粉凝固成型陶瓷材料的研究现状  32-33
  1.4 本论文研究的目的和意义  33-35
    1.4.1 研究目的  33
    1.4.2 研究内容  33-34
    1.4.3 研究意义  34-35
第二章陶瓷浆料体系中颗粒的行为及稳定分散条件  35-47
  2.1 胶体稳定的DLVO理论  35-38
    2.1.1 双电层和ζ电位  35-36
    2.1.2 颗粒之间的Van der Waals吸引能  36-37
    2.1.3 双电层的排斥作用  37-38
    2.1.4 粒子间总的相互作用能  38
  2.2 分散剂的分散机制  38-43
    2.2.1 静电稳定机制(Electrostatic stabilization)  39-41
    2.2.2 空间位阻稳定机制(Steric Stabilization)  41-43
    2.2.3 静电位阻稳定机制(Electrosteric Stabilization)  43
  2.3 陶瓷浆料稳定分散的调控  43-44
  2.4 陶瓷浆料的流变性质  44-45
  2.5 本章小结  45-47
第三章淀粉及改性淀粉凝胶化性质的研究  47-57
  3.1 实验材料、仪器及方法  47-49
    3.1.1 实验材料和仪器  47-48
    3.1.2 实验方法  48-49
  3.2 结果与讨论  49-56
    3.2.1 淀粉及改性淀粉的糊性质  49-50
    3.2.2 淀粉及改性淀粉的流变特性  50-55
    3.2.3 淀粉及改性淀粉的凝胶强度和凝胶质构  55-56
  3.3 本章小结  56-57
第四章高分散、高稳定AL_2O_3浆料的制备  57-68
  4.1 引言  57
  4.2 实验材料、仪器设备及方法  57-58
    4.2.1 实验材料及仪器设备  57-58
    4.2.2 实验方法  58
  4.3 结果与讨论  58-67
    4.3.1 分散剂对Al_2O_3浆料稳定性的影响  58-62
    4.3.2 不同粒度Al_2O_3稳定浆料的制备  62-66
    4.3.3 分散剂对不同固含量Al_2O_3浆料稳定性的影响  66-67
  4.4 本章小结  67-68
第五章淀粉原位凝固陶瓷成型工艺的研究  68-96
  5.1 引言  68
  5.2 实验材料、仪器设备及方法  68-71
    5.2.1 实验材料及仪器设备  68-69
    5.2.2 实验方法  69-71
  5.3 淀粉原位凝固陶瓷成型工艺流程  71
  5.4 结果与讨论  71-95
    5.4.1 醋酸酯淀粉用量对浆料流变学特性及成型坯体性能的影响  71-76
    5.4.2 分散剂用量对浆料流变学特性及成型坯体性能的影响  76-81
    5.4.3 Al_2O_3固相体积分数对浆料流变学特性及成型坯体性能的影响  81-86
    5.4.4 球磨时间对Al_2O_3浆料流变学特性及成型坯体性能的影响  86-92
    5.4.5 淀粉原位凝固陶瓷成型工艺条件的优化  92-95
  5.5 本章小结  95-96
第六章淀粉及改性淀粉凝固成型陶瓷的研究  96-114
  6.1 实验材料、仪器设备及方法  96-98
    6.1.1 实验材料及仪器设备  96-97
    6.1.2 实验方法  97-98
  6.2 结果与讨论  98-112
    6.2.1 淀粉及改性淀粉添加方式不同对Al_2O_3浆料流变性能的影响  98-99
    6.2.2 淀粉及改性淀粉的浓度对Al_2O_3浆料流变性能的影响  99-103
    6.2.3 淀粉及改性淀粉用量对素坯性能的影响  103-106
    6.2.4 淀粉及改性淀粉对烧结后Al_2O_3陶瓷性能的影响  106-108
    6.2.5 Al_2O_3坯体断面显微结构分析  108-112
    6.2.6 淀粉及改性淀粉成型的不同形状的陶瓷部件  112
  6.3 本章小结  112-114
第七章淀粉-AL_2O_3陶瓷浆料凝固成型机理的研究  114-125
  7.1 实验材料、仪器设备及方法  114-115
    7.1.1 实验材料及仪器设备  114-115
    7.1.2 实验原理及方法  115
  7.2 结果与讨论  115-124
    7.2.1 淀粉-Al_2O_3浆料凝固动力学的研究  115-117
    7.2.2 淀粉颗粒膨胀特性的研究  117-119
    7.2.3 淀粉颗粒的膨胀历程及结构特征  119-122
    7.2.4 Al_2O_3陶瓷浆料固化模型  122-124
  7.3 本章小结  124-125
结论与展望  125-129
参考文献  129-137
攻读学位期间发表的学术论文  137-138
致谢  138

利用淀粉原位凝固胶态成型高性能陶瓷的研究

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