氧化鋯蜂巢窯具之製作 - 陶瓷暨電子材料實驗室
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氧頿化鋯 氧頿化鋯蜂巢<br />
氧頿化鋯 蜂巢 蜂巢窯具之 蜂巢 窯具之 窯具之製作伿 窯具之<br />
Production of Zirconia Ceramic Honeyconb Kiln Furniture<br />
(國科會 國科會 國科會計畫編號<br />
國科會 計畫編號 計畫編號:ćNSC 計畫編號 NSC 94 94-2622 94 2622 2622-E-269 2622 269 269-014 269 014 014-CC3 014 CC3 CC3) CC3<br />
陳疢智成 吳佣明哲鞦<br />
Chih-Cheng-Chen Ming-Zhe-Wu<br />
遠東科技侻大學機械工程研究倏所<br />
Graduate School of Mechanical Engineering, Far East University<br />
摘<br />
要<br />
本研究以硝酸氧頿鋯中和沉澱<br />
研究以硝酸氧頿鋯中和沉澱<br />
研究以硝酸氧頿鋯中和沉澱之氫氧頿化<br />
研究以硝酸氧頿鋯中和沉澱 之氫氧頿化 之氫氧頿化鋯膠體為黏結劑<br />
之氫氧頿化 體為黏結劑<br />
體為黏結劑,並混合氧頿化鋯粉末製作<br />
體為黏結劑 混合氧頿化鋯粉末製作<br />
混合氧頿化鋯粉末製作蜂巢型窯<br />
混合氧頿化鋯粉末製作 蜂巢型窯<br />
具,取代一般 取代一般 取代一般氧頿化鋯<br />
取代一般 氧頿化鋯 氧頿化鋯粉末<br />
氧頿化鋯 粉末 粉末擠出成形必須採用的大量有機黏結劑<br />
粉末 擠出成形必須採用的大量有機黏結劑<br />
擠出成形必須採用的大量有機黏結劑,可避免有機黏結劑燒除時頗之<br />
擠出成形必須採用的大量有機黏結劑 可避免有機黏結劑燒除時頗之<br />
空氣頾污染 空氣頾污染,及燒除後殘留孔洞不易燒結緻密之缺點<br />
空氣頾污染 及燒除後殘留孔洞不易燒結緻密之缺點<br />
及燒除後殘留孔洞不易燒結緻密之缺點,並探討<br />
及燒除後殘留孔洞不易燒結緻密之缺點 探討 探討氫氧頿化鋯<br />
探討 氫氧頿化鋯 氫氧頿化鋯膠體及擠出<br />
氫氧頿化鋯 膠體及擠出<br />
膠體及擠出生胚<br />
膠體及擠出 生胚 生胚之特顠性<br />
生胚 之特顠性 之特顠性, 之特顠性<br />
以求出最佳之 出最佳之 出最佳之製程條件<br />
出最佳之 製程條件 製程條件。結果發現<br />
製程條件 結果發現 結果發現,氫氧頿化鋯<br />
結果發現 氫氧頿化鋯 氫氧頿化鋯膠體在乾燥的過程中<br />
氫氧頿化鋯 膠體在乾燥的過程中<br />
膠體在乾燥的過程中,因膠體表面的孔洞先受<br />
膠體在乾燥的過程中 因膠體表面的孔洞先受<br />
熱乾燥封閉<br />
熱乾燥封閉,使膠體內部的排水困難<br />
熱乾燥封閉<br />
熱乾燥封閉 使膠體內部的排水困難<br />
使膠體內部的排水困難,容韕易造成坯體龜裂<br />
使膠體內部的排水困難 容韕易造成坯體龜裂<br />
容韕易造成坯體龜裂,採用<br />
容韕易造成坯體龜裂 採用 採用間歇式<br />
採用 間歇式 間歇式微波乾燥處理<br />
間歇式 微波乾燥處理<br />
微波乾燥處理,可使<br />
微波乾燥處理<br />
坯體內外同步快速乾燥<br />
坯體內外同步快速乾燥,避免龜裂問題<br />
坯體內外同步快速乾燥 避免龜裂問題<br />
避免龜裂問題。硝酸氧頿鋯的膠體<br />
避免龜裂問題 硝酸氧頿鋯的膠體<br />
硝酸氧頿鋯的膠體添加量以<br />
硝酸氧頿鋯的膠體 添加量以 添加量以20wt%<br />
添加量以 20wt% 20wt%最佳 20wt% 最佳 最佳,可獲得良好的<br />
最佳 可獲得良好的<br />
可獲得良好的<br />
可塑性 可塑性,燒結密度也最高<br />
可塑性 燒結密度也最高<br />
燒結密度也最高,添加量<br />
燒結密度也最高 添加量 添加量太高則坯體在烘顚乾及燒結時頗易龜裂<br />
添加量 太高則坯體在烘顚乾及燒結時頗易龜裂<br />
太高則坯體在烘顚乾及燒結時頗易龜裂,太少則可塑性及燒結<br />
太高則坯體在烘顚乾及燒結時頗易龜裂 太少則可塑性及燒結<br />
密度不佳 密度不佳。 密度不佳<br />
關鍵字 關鍵字:氧頿化鋯<br />
關鍵字 氧頿化鋯 氧頿化鋯、硝酸氧頿鋯<br />
氧頿化鋯 硝酸氧頿鋯 硝酸氧頿鋯、擠出成形<br />
硝酸氧頿鋯 擠出成形 擠出成形、微波乾燥<br />
擠出成形 微波乾燥<br />
一、前言借 前言借<br />
LTCC 燒結用的窯具以氧頿化鋯或是具氧頿<br />
化鋯塗層的氧頿化鋁材俔料頔為主,ā目前仍採用實<br />
心的窯具,ā除能耗大,ā成本高外,ā其較大的<br />
溫差韤會造疎成燒成條件不易控制,ā良候品率下降<br />
之缺點。若將實心窯具改俌成蜂巢窯具則可克佉<br />
服上述缺點,ā蜂巢結構的重量只有實心結構<br />
的十分之ㄧ左右,ā又具有多孔隧道的結構,ā<br />
有利佐於熱氣頾流之循環,ā溫差韤小,ā適於對燒結<br />
溫度敏感的電子陶疦瓷瓷產瓹品,ā可達到節約能<br />
源,ā提高燒成速疉率及產瓹品良候率之目的。<br />
蜂巢陶疦瓷瓷產瓹品目前以低佂膨脹的堇青石材俔<br />
料頔主 (1-5) ,ā適用於急冷位急熱的廢氣頾排放環境,ā<br />
廣泛應用於汽俰車倨觸媒痵轉化器等環保產瓹品。<br />
製造疎高品質之蜂巢陶疦瓷瓷的主要關鍵因素<br />
在於擠出模具的品質及擠出泥料頔的性質優<br />
劣。 高品質的蜂巢模具可由專門的模具工廠<br />
獲得,ā因此擠出泥料頔的調配及可塑性的控制<br />
是製作伿優質蜂巢陶疦瓷瓷的關鍵 (6-8) 。堇青石蜂巢<br />
陶疦瓷瓷的擠出泥料頔屬黏土基系倐統甤的泥料頔,ā不需<br />
添加大量的有機黏結劑就具有較佳的可塑<br />
性,ā易於擠出成形侫 (9) 。而非黏土基系倐統甤的泥<br />
料頔,ā則需添加多種不同型態的黏結劑,ā其添<br />
加量及種類至今仍靠經驗的評估來獲得,ā目<br />
前對於這疄個鞄領域的陶疦瓷瓷製程技侻術畣之瞭解仍非<br />
常的缺乏,ā急待投俈入更俐多的研究倏開發 (10)<br />
。<br />
氧頿化鋯窯具所採用之氧頿化鋯粉料頔不具可<br />
塑性,ā需加入大量的有機黏結劑,ā例如:ćmethyl<br />
cellulose(MC)、polyvinyl alcohol(POA)、carboxyl methyl<br />
cellulose(CMC)等,ā才能調配出具有可塑性之擠<br />
出泥料頔(pastes),ā唯採用大量的有機黏結劑會<br />
造疎成生產瓹上的許畱多問題 (11-15) 。<br />
近年來有膠態製程(colloidal processing)的<br />
擠出成形侫法 (16-24) 被畦提出,ā採用氧頿化鋁粉來搭配<br />
boehmite 的溶膠-凝膠過程,ā製作伿成擠出泥<br />
料頔,ā再經成形侫、乾燥、燒結獲得品質優良候之<br />
產瓹品。
本研究倏將上述的氧頿化鋁(Al2O3)膠態製程應用<br />
於氧頿化鋯(ZrO2)蜂巢窯具的研製,ā採用氧頿化鋯粉末<br />
及硝酸氧頿鋯共沉膠體為原鞝料頔。將中和沉澱之泥料頔<br />
先以微波處畗理,ā去除部疔粉水分,ā濃縮至適於擠出<br />
成形侫的含佳水率,ā擠出後的濕坯亦採用微波乾燥,ā<br />
以求俠快侳速疉乾燥及大量生產瓹之目的。<br />
二. . 實驗方法<br />
實驗方法<br />
本研究倏以工業用氧頿化鋯粉末( RZ-8C,SHOWA<br />
DENKO CO.Ltd, Japan) 及硝酸氧頿鋯ĝ22263, Acros<br />
Organics, USAĞ為原鞝料頔,ā實驗流程如(圖一)所<br />
示,ā首靫先將硝酸氧頿鋯粉末在 pH 值靹約 6-7 的純水<br />
中以超音靦波分散 30 min 後,ā再加入 NH4OH 及氧頿<br />
化鋯粉末在球磨機中混合 8-12 小時頗,ā中和沈澱<br />
成膠體,ā形侫成一種懸浮顏液,ā再以 700w 家韑用微<br />
波爐進行膠體濃縮,ā微波乾燥期間,ā每俟間隔 30<br />
秒取出攪拌一次,ā並測定含佳水率,ā然後放回微<br />
波爐中烘顚乾至適當的含佳水率成為擠出泥料頔,ā再<br />
經真空擠出成形侫(圖二)獲得濕坯,ā再以微波乾燥<br />
成乾坯,ā乾坯先以 150℃烘顚乾 4 hr 後再進行燒<br />
結,ā燒結是從室溫以 5℃/min 的升溫速疉度至 400<br />
℃,ā持溫 90min,ā再以 5℃/min 升溫至1170℃,ā持<br />
溫 90min,ā然後以 5℃/min 升溫至 1600℃,ā持溫<br />
4hr 後爐冷位。<br />
燒結體體密度(bulk density)是以阿基米德法<br />
測量,ā將體密度除以理論密度即佘為相對密度。礦<br />
物相採用 XRD(SHIMADZU XRD-6000,āCukα)<br />
鑑定。熱行為以 DTA(SETARAM,SITSYS 16/18)<br />
分析。顯微結構則以 SEM(JEOL-5600)觀察。<br />
三、結果與討論<br />
結果與討論<br />
3.1 氧頿化鋯膠體之性質<br />
硝酸氧頿鋯在水中先形侫成鋯氧頿離子ĥZr4(HO)8(H2O)16Ħ<br />
8+<br />
(aq),ā加鹼後成為複雜的含佳水氫氧頿化鋯膠體ĥZr4O8<br />
-x (OH)2x、yH2OĦn(gel)沈澱 (25) ,ā由氧頿化鋯沈澱膠體<br />
的 DTA 分析(圖三)可以發現,ā在 100℃左右有一<br />
吸佫熱峰韠,ā應是膠體表面水去除時頗的吸佫熱反應。<br />
而在 300℃左右的吸佫熱峰韠則是含佳水氫氧頿化鋯膠體<br />
去除結晶水形侫成 Zr4O8-x(OH)2X(dried gel)的吸佫熱峰韠<br />
,ā其 SEM 微結構(圖四)顯示是一種均佾勻微細甩的膠<br />
狀固體。<br />
350℃左右的吸佫热峰韠應是 ZrxO8-X(OH)2X(dried gel)<br />
燒除氫氧頿基成為 t-ZrO2 的吸佫熱峰韠,ā至600℃左右有<br />
一明顯的放熱峰韠,ā推斷應是 t-ZrO2 轉換成為 m-<br />
ZrO2 之放熱峰韠依照上述結果推斷,ā擠出泥料頔中的<br />
氧頿化鋯膠體應是含佳水氫氧頿化鋯ĥZr4O8-x (OH)2X、<br />
yH2OĦ的型態。<br />
3.2 擠出行為及燒結體性質分析<br />
中和沉澱膠體的含佳水率高達 50%wt 左右,ā不<br />
適合直接當作伿擠出泥料頔,ā本研究倏以 700W 家韑用微<br />
波爐,ā採用間歇式微波乾燥方式,ā可將膠體均佾勻<br />
去除多餘水分,ā如(圖五)所示,ā泥料頔的含佳水率會<br />
隨著微波乾燥時頗間的增加而減少,ā經 5 分鐘微波<br />
乾燥的泥料頔,ā其含佳水率約 17%,ā可獲得最疿佳之可<br />
塑性,ā適於擠出成形侫。<br />
硝酸氧頿鋯ĥZrO(NO3)2、2H2OĦ的添加量會影響擠出<br />
生胚的性質,ā由不同添加量的生胚微結構(圖六)可<br />
以發現,ā添加 20wt%硝酸氧頿鋯的生胚具有較緻密<br />
的微結構,ā添加12wt%及16wt%硝酸氧頿鋯的生胚結<br />
構則較鬆散,ā其擠出行為也顯示,ā添加 20wt%硝<br />
酸氧頿鋯之泥料頔的可塑性較佳,ā由此推斷硝酸氧頿鋯<br />
的添加必須要達到某一定量(與採用的氧頿化鋯粉<br />
末粒生度有關),ā才能發揮類似粘結劑之功能。<br />
硝酸氧頿鋯添加量會影響燒結體的密度(圖七<br />
),ā添加量較少的燒結體密度較低佂,ā添加 12wt%及<br />
16wt%的燒結體密度只有 88%T.D.左右,ā若提高<br />
添加量至 20wt%,ā則燒結體密度大幅提高為 95<br />
%T.D.左右,ā顯示硝酸氧頿鋯必須添加至 20wt%左<br />
右才能發揮較佳之功能,ā進而提高泥料頔之可塑<br />
性及生胚與燒結體之密度,ā(圖八)也顯示,ā添加<br />
20wt%硝酸氧頿鋯之燒結體具有較緻密之微結構。<br />
四、結論 結論<br />
由上述的研究倏結果顯示,ā以硝酸氧頿鋯膠體為粘<br />
結劑製作伿的高純度氧頿化鋯窯具,ā具有下列的優點<br />
及特顠性:ć<br />
1、硝酸氧頿鋯膠體存在於氧頿化鋯晶粒生間,ā具有提高<br />
可塑性之作伿用,ā不需要傳統甤的有機粘結劑就能<br />
達 到擠出成形侫之可塑性要求俠,ā唯其添加量必<br />
須要達某一定量(約20wt%)才能發揮效頒果。
2、此法製備疹的泥料頔含佳水量高達50wt%左右,ā必<br />
須再濃縮才能擠出成形侫,ā本研究倏以微波乾燥<br />
的方式,ā可迅倭速疉有效頒的濃縮泥料頔達到擠出成<br />
形侫之可塑性要求俠,ā可解決俩此法之工業化量產瓹<br />
的瓶頸。<br />
五、參考文獻 參考文獻<br />
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Weight loss(%)<br />
NH40H<br />
40<br />
20<br />
0<br />
-20<br />
-40<br />
ZrO(NO3)2.2H2O<br />
混合溶液<br />
球磨機混合<br />
中和沈澱膠體<br />
微波除水濃縮<br />
擠出泥料頔<br />
擠出成形侫<br />
微波烘顚乾<br />
燒結<br />
成品<br />
圖一、實驗流程<br />
圖二、本研究倏採用之真空捏須楝擠出機<br />
0 400 800 1200 1600<br />
Temperature(℃)<br />
圖三、硝酸氧頿鋯中和沉澱膠體<br />
之 DTA 曲線<br />
純水<br />
ZrO2 粉末<br />
2<br />
0<br />
-2<br />
-4<br />
-6<br />
-8<br />
Heat flow(mW)
泥料頔含佳水率 wt%<br />
圖四、硝酸氧頿鋯沈澱膠體之 SEM 照<br />
60<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
0 2 4 6 8<br />
微波乾燥時頗間(min)<br />
圖五、沈澱膠體泥料頔之微波乾燥<br />
時頗間與含佳水率之關係<br />
(a)、添加 12wt%<br />
(b)、添加 16wt%<br />
(c)、添加 20wt%<br />
圖六、不同硝酸氧頿鋯添加量之擠出<br />
生胚的 SEM 照片<br />
Density<br />
100<br />
96<br />
92<br />
88<br />
84<br />
80<br />
12 16<br />
ZrO(NO3)2 conteut<br />
ZrO(NO3)2content<br />
20<br />
圖七、硝酸氧頿鋯添加量對燒結体<br />
(1600℃/4h)密度的影響<br />
(a)、添加 12wt%<br />
(b)、添加 16wt%<br />
(c)、添加 20wt%<br />
圖八、不同硝酸氧頿鋯之燒結体<br />
(1600℃,4hr)的 SEM 照片
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