工艺中有三个关键步骤,即原料合成、等静压成型和烧成。
虽然制品内主要成分是云母(氟金云母),但是用现成的云母粉碎成细粉,即使添加助烧剂也很难将其烧结成致密的制品,通常需要经过热压烧结才可形成致密的制品。热压工艺无法生产大尺寸制品,因此为了制造大尺寸致密的可加工氟金云母陶瓷,必须人工合成所需要的陶瓷粉料。国外曾经报道过用溶胶-凝胶工艺合成氟金云母粉料,经过等静压成型后,烧成为致密可加工云母陶瓷。该工艺需要以硅的醇盐为原料,价格非常昂贵,在大量工业化生产中用这种原料是不现实的。通过大量试验,我们发现可以用普通的商品化的无机化工原料,如氢氧化物、氧化物、碳酸盐、氟硅酸盐等,通过充分研磨混合,在严格的煅烧温度下合成出适合制造可加工陶瓷用的含氟金云母的粉料来。粉料中主要成分是氟金云母,此外还有一定数量的透长,透长石的存在有助于合成。合成出的氟金云母晶粒发育得太大,则不利于烧结成致密的制品。另一方面,如合成出的氟金云母相数量太少,则最终制品的电性能和可加工性能都会降低。控制正确的合成料成分除了需要准确配料之外,还必须合理选择合成所用的原料,以及严格控制煅烧温度和保温时间。煅烧温度应控制在850~900℃内,保温时间取决于所用设备的大小和煅烧原料的数量多少,一般需要3h左右。
合成出粉料按一定比例加入助烧剂和有机结合剂、表面活性剂再入球磨机混合,制成悬浮性、流动性良好的泥浆,打入喷雾干燥机进行干燥造粒。为了等静压成型时减少粉料间的内摩擦力,促使压力传递均匀,压成后坯体密度均匀,喷雾造粒,使粉料形成球形团聚体是必不可少的工艺要求。球形团聚体的粒径应在100~200μm之间。用于喷雾造粒的泥浆中固相含量不能太低,否则所得到的颗粒直径太小。为了泥浆具有高固相浓度又有良好的流动性,可以采用表面活性剂。本研究中采用四甲基氢氧化铵作为表面活性剂,聚乙烯醇作为粘结剂,泥浆中水固比(重量)控制在:固∶水=1.2∶1,左右。
等静压成型本身控制比较简单:压力为180~220 MPa,保压10min左右。所成型的坯体质量在很大程度上取决于所用粉料的均匀性、流动性和含水量,以及所用模具的材料和密封情况。粉料的含水量控制在0.6%左右。
氟金云母的熔点为1 378℃,即使将氟金云母粉体集合体加热到熔点附近,它也不能被烧至完全致密。为了通过烧结得到致密的陶瓷制品,必须在素坯中加入助烧剂。本研制中采用硼硅酸盐玻璃作为助烧剂,添加量大致为氟金云母粉料的25%~37%,助烧剂量少最终产品的加工性能好,但是强度低,抗电击穿性也差,反之则强度和抗电击穿性高,但材料比较脆,加工性差。
由于素坯高度一般在800 mm上下,需在特殊的窑炉内烧成如此高的制品,以保证烧成时上下温度一致。在本研制中采用自上至下分三段用三支热电偶和三个温控器分段控制炉温,使电炉内在垂直方向有一个约900mm高的恒温区。烧成温度控制在1 150~1 200℃之间,保温时间根据制品大小而定,大致为3~5h。烧成一种外径/内径为240/150 mm,高度为560 mm圆筒制品的烧成曲线。