为获得分散均匀、稳定性高的氧化铝悬浮液，分别考察了固含量、温度和ｐＨ 值对悬浮液黏度的影响．实验结果表明，随着固含量的增加，氧化铝悬浮液黏度增大；随着温度的上升，氧化铝悬浮液黏度逐渐降低；而ｐＨ 值对氧化铝悬浮液黏度影响不大．同时研究了温度依赖性机理，通过对Ｋ－Ｄ（Ｋｒｉｅｇｅｒ－Ｄｏｕｇｈｅｒｔｙ）公式修正，消除了温度依赖性．

引　言

陶瓷材料因其具有高熔点、高硬度、高耐磨性及耐氧化等优点，广泛应用于各领域，但高精度、复杂结构的陶瓷制件加工难度大，成本较高［１］．近年来随着制造技术的发展，出现了不依赖模具，将快速成型技术直接应用于陶瓷零件的制造，其中面曝光快速成型技术（Ｍａｓｋｅｄ　Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ　Ｓｔｅｒｅｏ　Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ　Ａｐｐａｒａｔｕｓ，

ＭＰＳＬＡ）制作出的陶瓷零件表面质量较好，特别是在微小零件的成型上更加便于精度的控制［２－３］．该技术作为光固化成型的一种，其设备结构和工艺更加简单化［４］．将陶瓷粉末加入可光固化的溶液中，通过高速搅拌使陶瓷粉末在溶液中分散均匀，由此制备出高固相含量流动性好的陶瓷悬浮液，再在光源辐照下逐层固化，累加得到陶瓷零件素坯，最后通过干燥、脱脂和烧结等后处理工艺得到陶瓷零件［５］．

面曝光快速成型工艺在树脂原型的制作方面已比较成熟，但利用该工艺直接制作复杂陶瓷件的技术，国内外尚处于探索阶段．国内杨飞等［６］人利用面曝光快速成型系统研究了磷酸钙陶瓷悬浮液的固化性能，实现了具有复杂网状结构的多孔陶瓷支架的制造．国外也有许多专家学者开展了相关研究，文献［７－８］使用面曝光技术分别制作出氮化硅陶瓷与压电陶瓷，文献［９］通过悬浮液与气动泵连接的注射方式得到了分散均匀的陶瓷悬浮液，文献［１０－１６］对不同树脂基陶瓷悬浮液的制备进行了研究．制作高质量的陶瓷制件，陶瓷悬浮液的制备是首要步骤，且分散均匀、稳定性高的悬浮液也是陶瓷面曝光固化的基础．张立明通过对氧化铝悬浮液剪切流变特性的研究指出，黏度是表征悬浮液分散稳定性的一个主要参数［１７］．

为配制出分散均匀、稳定性高的陶瓷悬浮液，本文通过实验研究了固含量、温度及ｐＨ 值对氧化铝悬浮液黏度的影响，采用Ｋ－Ｄ（Ｋｒｉｅｇｅｒ－Ｄｏｕｇｈｅｒｔｙ）方程，建立了氧化铝悬浮液黏度关于固含量的函数关系式，研究了悬浮液黏度温度依赖性的原因．

实　验

１．１　材料与仪器

１．１．１　材料　氧化铝粉体（纯度９９％以上，粒径４０μｍ，分析纯，分子量：１０１．９６，天津市鼎盛鑫化工有限

公司，化学成分技术指标如表１所示）；光敏树脂（工业级，红色，荷兰Ｆｕｎ　Ｔｏ　Ｄｏ公司）；氨水（分析纯，天

津市天力化学试剂有限公司）；盐酸（分析纯，洛阳昊华化学试剂有限公司）；无水乙醇（分析纯，天津市富宇精细化工有限公司）．

１．１．２　仪器与表征　采用梅特勒－托利多仪器（上海）有限公司的ＡＬ１０４型电子天平称量氧化铝粉体；采用金坛

市大地自动化仪器厂的ＣＪＪ７８－１型（温度≤７５℃，调速０～２　０００ｒ／ｍｉｎ）磁力加热搅拌器搅拌加热悬浮液；采用上海方瑞仪器有限公司的ＳＮＢ－１Ａ－Ｊ型数字旋转黏度计测定悬浮液的黏度；采用北京绣福容科技有限责任公司的ｐＨ 广泛试纸测量ｐＨ 值．

１．２　实验方法与步骤

１．２．１　固含量对氧化铝悬浮液黏度的影响　量取一定体积光敏树脂（整个实验过程中避光处理），将一定质量的粉体与光敏树脂在烧杯中混合后，置于磁力加热搅拌器中充分搅拌５ｍｉｎ，得到实验所需的氧化铝悬浮液．根据式（１）计算出配制相应体积分数所需要的氧化铝粉体质量，计算公式［１８－１９］为

式中：为固含量；ｍ粉为氧化铝粉体质量；ρ粉为氧化铝粉体密度（１．１６ｇ／ｃｍ３）；ｍ脂为光敏树脂质量；ρ脂

为光敏树脂密度（０．９９ｇ／ｃｍ３）．

配制固含量（体积分数）分别为１０％，２０％，３０％，４０％和５０％的氧化铝悬浮液，利用黏度计测量悬浮

液的动力黏度，记录实验数据．实验在ｐＨ＝５，室温下进行．

１．２．２　温度对氧化铝悬浮液黏度的影响　配制固含量为３０％的氧化铝悬浮液，并在不断搅拌下对其进

行缓慢加热，使用温度计依次测出２０℃，３０℃，４０℃，５０℃和６０℃时氧化铝悬浮液的黏度并记录实验数

据．实验在ｐＨ＝５条件下进行．

１．２．３　ｐＨ 值对氧化铝悬浮液黏度的影响　配制固含量为３０％的氧化铝悬浮液，通过滴加少量盐酸或氨

水调节ｐＨ 值，依次测出ｐＨ＝２，４，６，８，１０五种情况下悬浮液的黏度，记录实验数据．实验在室温下进行．

２　结果与讨论

２．１　固含量的影响

图１显示了氧化铝悬浮液在ｐＨ＝５，室温下固含量对黏度的影响结果．由图１可知，随着固含量的增

加，悬浮液黏度总体上呈不断增大的趋势，具体可分为３个阶段．前增长阶段：当固含量的体积分数在３０％

以下时，悬浮液黏度呈现缓慢增长态势；增长阶段：当固含量的体积分数在３０％至４０％时，黏度急剧增大，

这是因为随着连续相光敏树脂体积的减少，氧化铝颗粒间间距减小，相对运动变得困难，所以悬浮液体系

的流动性降低，黏度急剧增加；后增长阶段：当固含量的体积分数超过４０％时，由于氧化铝悬浮液逐渐趋

于饱和，颗粒间的间距接近极值，减小的范围大幅度降低，因此黏度的增长又变得缓慢．实验表明，悬浮体

系的最大固含量的体积分数为５５％，当大于５５％时，悬浮体系出现凝固现象，黏度值无法测量．

２．２　温度的影响

图２显示了温度对固含量为３０％氧化铝悬浮液黏度的影响．由图２可知，随着温度的上升，氧化铝悬浮液黏度逐渐降低，这是因为随温度的升高，伴随着分子热运动及布朗运动的加剧［２０］，使得粒子间相互作用力减弱，所以悬浮液黏度逐渐降低．图３为在２０℃，４０℃，６０℃３个温度下，随着固含量增加，黏度的变化情况．由图３分析可知，随着温度不断升高，悬浮液黏度在固含量变化时整体呈降低趋势，黏度随固含量的变化关系与温度有关，即存在温度依赖性．

２．３　ｐＨ 值的影响

图４显示了ｐＨ 值对３０％固含量氧化铝悬浮液黏度的影响结果．根据胶体稳定的ＤＬＶＯ理论［１９］，当

粉体表面所带的正、负电荷相等时，粒子表面没有多余的电荷，静电排斥作用消失，此时粉体颗粒易发生凝

聚或絮凝，黏度值较大，将这时体系的ｐＨ 值称作等电点（ＩＥＰ）．由实验结果可知，在ｐＨ＝２时为等电点，

此时黏度出现极大值；当滴加氨水后，由于产生负的电荷，打破了等电点颗粒所带净电荷趋近于零的状态，

颗粒凝聚趋势减弱，因此ｐＨ＝２～４区间黏度值降低；由于氧化铝是一种两性氧化物，在酸性介质中颗粒

表面带正的静电荷，当滴加氨水后与其中的负电荷相互作用，因此在ｐＨ＝４～６区间，黏度值会增加；在碱

性介质中，颗粒表面带负的静电荷，随着ｐＨ 值增大ＯＨ－ 离子浓度增加，颗粒表面所带的负电荷增多，因

此在ｐＨ＝６～１０区间，黏度值保持在７ｍＰａ·ｓ，黏度较小．

２．４　氧化铝陶瓷悬浮液相对黏度模型

颗粒体积分数与最大体积分数对体系黏度的作用可用Ｋｒｉｅｇｅｒ－Ｄｏｕｇｈｅｒｔｙ［２１］公式（简称Ｋ－Ｄ公式）来

描述：

ηｒ ＝（１－Φ／Φｍ）－［η］Φｍ． （２）

式中：ηｒ

为相对黏度；Φ 为固含量；Φｍ

为最大固含量；［η］为特征黏度．此关系式表明体系黏度随颗粒含量增加而增大．当颗粒含量增加时，颗粒堆积紧密，间距减小，很难自由移动，颗粒间的相互作用力增大，由此引起的流动阻力变大，即黏度上升．

利用上述Ｋ－Ｄ公式建立氧化铝陶瓷悬浮液流体动力学模型，在室温下使用旋转黏度计测量不同固含量悬浮液的相对黏度ηｒ，将所得数据按式（２）在Ｍａｔｌａｂ上拟合可求得［η］及Φｍ，拟合结果为：Φｍ＝０．５５，［η］＝５．２８，由此获得２５℃时氧化铝悬浮液的Ｋ－Ｄ方程：

２．５　氧化铝悬浮液黏度的温度依赖性

由实验结果知，黏度随固含量的变化关系与温度有关，即存在温度依赖性．随着温度升高，悬浮液中基体发生热膨胀，颗粒间距变大，由此引起流动阻力减小，黏度降低，因此呈现温度依赖性．由于基体的热膨胀，固含量随温度也发生变化，温度校正后的固含量可表示为

式中：Φ（Ｔ）为温度在Ｔ 时校正的固含量；ＶＳ为固体颗粒体积；ＶＬ为基体体积；α 为基体的体积热膨胀系

数（１０－４／℃）．由式（４）可知，随着温度的上升，氧化铝悬浮液的固含量会略微降低，导致悬浮液黏度降低．综合以上，悬浮液黏度的温度依赖性既包括基体黏度的温度依赖性，还包括悬浮液固含量的温度依赖性，也可看成是由于热稀释效应引起的．为得到不受温度依赖性影响的氧化铝悬浮液黏度值，可通过公式

（２）给出的Ｋ－Ｄ模型，综合考虑得到Ｋ－Ｄ方程校正因子Ｉ［２３］：

式中：ｎｏｍ

为名义上室温下的固含量；φ（Ｔ）为温度在Ｔ 时热稀释校正的固含量；Φｍ为最大固含量；［η］为特征黏度；Ｉ 为校正因子．对一定的Φｎｏｍ值，可以得到每个温度的热稀释Ｉ 因子，某一温度下氧化铝悬浮液相对黏度除以该温度的Ｉ 因子，得到校正的悬浮液黏度，即

式（６）反映了不同温度下黏度和固含量的关系．利用该式可以消除温度对Ｋ－Ｄ公式的影响，即对于特定的悬浮液，该式反映的黏度和固含量的关系与温度无关，即经过修正，不同温度下，悬浮液的黏度和固含量的关系可用一条曲线来表示．

３　结　论

（１）随着固含量的增加，氧化铝悬浮液黏度不断增大；随着温度的上升，氧化铝悬浮液黏度逐渐降低；ｐＨ 值对氧化铝悬浮液黏度影响不大．

（２）建立了可消除温度依赖的氧化铝悬浮液相对黏度与固含量关系的Ｋ－Ｄ模型．

出自：（西安工程大学机电工程学院，陕西西安７１００４８）

乔　伍，胥光申，陈　振，孔双祥，罗时杰