陶瓷坯體的非水基注模凝膠精密成型方法

2023-09-20 22:48:40 2

專利名稱：陶瓷坯體的非水基注模凝膠精密成型方法
技術領域：
本發明屬於無機非金屬材料領域，涉及一種陶瓷坯體的非水基注模凝膠精密成型 方法。
背景技術：
二十世紀九十年代初，美國橡樹嶺國家重點實驗室先後發明了《陶瓷坯體的 有機料漿注模凝膠成型技術》(U. S 4894194，)和《水基料漿注模凝膠成型技術》(U. S 5028362,) 0該技術將傳統的陶瓷坯體注漿成型技術與高分子化學理論相結合，將可形成凝 膠體的有機單體和交聯劑與有機溶劑或水配製成預混液，與陶瓷粉體混合後配製成陶瓷料 漿，澆注入無滲漏的模具中並在一定條件下使之原位聚合，形成交叉鍵結構的凝膠體而使 陶瓷坯體定型，因此可適用於各種複雜形狀的陶瓷坯體的精密成型。比較而言，水基料漿以水為溶劑，不僅成本低，環境汙染少，而且由於近年來多種 高效水溶性分散劑的發明應用，易於配製出高陶瓷粉體體積分量的料漿，因此受到人們的 廣泛關注，並在某些領域獲得了成功應用。然而，水基料漿注模凝膠成型的陶瓷坯體在脫水 乾燥過程中必然產生一定的收縮率。當坯體尺寸較大時，由於凝膠坯體表面的水分最先揮 發，收縮結果將原先連通的空隙從坯體表面封堵，致使坯體內部的水分難以順利脫除，美國 專利U. S. 5028362給出的辦法是將凝膠後的坯體置於溫溼乾燥箱中，逐漸降低乾燥箱的相 對溼度，使坯體中的水分從內到外逐漸脫除。實踐表明，這一過程相當緩慢，而且對於尺寸 較大的坯體或陶瓷粉體體積分量較低時仍難以保證坯體內部的水分充分脫出，以致造成幹 燥和燒結過程中坯體脹裂損壞。為解決這一問題，中國專利《一種半水基注模凝膠成型陶瓷 坯體新技術》(ZL200410090865. 8)，公開了一種通過向水基料漿中加入一定量的與水不同 時揮發且與水無限互溶的醇類有機溶劑，在不影響料漿固相含量和凝膠化的情況下實現坯 體的注模凝膠精密成型，簡化坯體的脫水乾燥過程，保證坯體中水分和有機溶劑的充分脫 除，使大尺寸陶瓷零件可以避免乾燥和燒結過程中開裂的危險。但上述技術均難以適用於 易水解陶瓷粉體的注模凝膠法精密成型。有機料漿注模凝膠成型技術可以適用於易水解陶瓷粉體的精密成型，有廣泛的應 用前景。但美國專利U. S 4894194給出的辦法是採用鄰苯二甲酸酯、二元酯、鄰苯二甲酸二 丁酯等作為溶劑，以三丙烯酸三羥甲基丙酯和二丙烯酸1，6_己二酯作為聚合單體和交聯 劑。這些溶劑和聚合物體系本身粘度較高，難以配製出高固相含量且流動性良好的陶瓷料 菜，加之價格較高，排除也比較困難，使其應用範圍受到限制。

發明內容
本發明目的是提出一種適用於易水解陶瓷粉體的非水基注模凝膠精密成型方法。本發明的技術解決方案(1).配料按照所成型陶瓷坯體的組成稱取所需陶瓷粉體，按體積含量為30% 55 %的比例加入有機溶劑，該有機溶劑是下列低粘度和不影響料漿凝膠化的有機溶劑之一或幾種的混合乙醇、乙二醇、丙三醇、1，3_ 丁二醇、1，4_ 丁二醇、異丙醇；稱取有機單體和 交聯劑，分別為醇溶性的丙烯醯胺和N』 N』 -亞甲基雙丙烯醯胺，有機單體和交聯劑的比例 可在10 1 30 1，有機單體和交聯劑的總加入量為陶瓷粉體重量的1 5% ；(2).混合球磨將上述陶瓷粉體、醇類有機溶劑、分散劑、有機單體和交聯劑放入 球磨機中充分混合球磨，形成非水基陶瓷料漿，球磨時間為2 50小時，球料比為1 1 5:1;(3).除氣將混合球磨好的非水基陶瓷料漿取出後進行真空攪拌或振動除氣；(4).加入引發劑向上述料漿中加入濃度為2 10%的引發劑過硫酸銨乙二醇溶 液，攪拌均勻，引發劑的加入量為有機單體重量的0. 1 1. 0% ；(5).模具準備模具材料應為不滲液體的金屬、玻璃、塑料及蠟料；(6).注模凝膠採用下述三種方法其中之一凝膠化(6. 1)向非水基陶瓷料漿中加入催化劑四甲基乙二胺，催化劑的加入量為有機單 體重量的0. 02 0. 1%，充分攪拌均勻，澆注進模具中室溫靜置凝膠化，室溫靜置時間為 5 20分鐘；(6. 2)向非水基陶瓷料漿中加入還原劑亞硫酸銨乙二醇溶液，還原劑的加入量為 有機單體重量的0. 05 0. 5%，濃度為3 10%，充分攪拌均勻，澆注進模具中室溫靜置凝 膠化，室溫靜置時間為5 20分鐘；(6. 3)將非水基陶瓷料漿澆注進模具中，加熱至40 100°C使料漿凝膠化，加熱方 式採用電烘箱加熱、水浴加熱、微波加熱。(7).脫模乾燥料漿凝膠過程完成後，開模取出陶瓷凝膠坯體，置於烘箱中在 30 200°C條件下排除陶瓷坯體中的有機物溶劑，所得到的陶瓷坯體進一步置於燒結爐 中在300 400°C條件下燒除有機單體和交聯劑組成的有機聚合物網絡，繼續提高溫度至 1000 1600°C實現陶瓷坯體的燒結緻密化，即得所需的陶瓷體。本發明具有的優點和有益效果本發明採用粘度較低的無水醇類有機溶劑中的一種或幾種混合作為溶劑，加入陶 瓷粉體和能夠溶解於該溶劑體系的有機單體、交聯劑，經過混磨後得到具有高陶瓷粉體體 積分量和良好的流動性的非水基陶瓷料漿。加入適量非水性引發劑，攪拌均勻後，澆注進模 具中，在催化劑、或還原劑、或加熱條件下使料漿凝膠固化，從而實現了非水基陶瓷料漿的 精密成型。所得坯體經加熱脫除有機溶劑、燒除有機單體和交聯劑聚合物，繼續提高溫度實 現陶瓷坯體的燒結緻密化，即得所需的陶瓷體。該技術因採用非水性溶劑，可適用於易水解 陶瓷粉體原料的注模凝膠精密成型。同時由於醇類溶劑屬於弱極性分子，其脫除過程中引 起的坯體收縮和變形較小，避免了較大尺寸的陶瓷坯體在乾燥過程中易產生變形和開裂的 危險，更容易獲得結構均勻和無(少)缺陷的陶瓷體。本發明解決了易水解陶瓷粉體如氧 化鎂、氧化鈣、氧化鑭、氮化鋁、氮化矽以及硬質合金粉體如碳化鎢、碳化鈦、硼化鈦等物質 的注模凝膠精密成型，擴大了原材料的使用範圍。其優點主要表現為1.與美國專利U. S 4894194有機料漿注模凝膠成型陶瓷坯體技術相比，由於採用 醇類物質為溶劑，其粘度遠低於鄰苯二甲酸二丁酯，在使用合適的分散劑後，易於配置高固 相含量且流動性良好的非水基陶瓷料漿，同時原料價格也相對便宜。2.與美國專利U. S5028362水基料漿注模凝膠成型陶瓷坯體技術相比，由於醇類溶劑屬於弱極性分子，使陶瓷坯體乾燥過程中收縮率相對減少，可保證坯體內部溶劑能充 分排除，比鄰苯二甲酸二丁酯等溶劑更容易揮發，避免了較大尺寸陶瓷坯體乾燥過程易於 開裂的危險並簡化乾燥工藝。3.由於醇類物質代替水，使陶瓷料漿中氣泡的表面強力減小而易於去除，因此料 漿中無須再加入消泡劑即可較容易的消除氣泡，凝膠後得到的陶瓷坯體缺陷更少。
具體實施例方式實施例1.氧化鎂陶瓷坯體成型稱取IOOOg中位徑尺寸為0.2μπι氧化鎂陶瓷粉體，加入500ml乙二醇，並加入 20ml市售JA281分散劑，50g丙烯醯胺有機單體、2. 5gN』N_亞甲基雙丙烯醯胺交聯劑，置於 滾筒式球磨機中，同時加入1500g磨球，混磨18小時後取出料漿，經真空攪拌除氣後，料漿 流動性良好。加入預先配置好的5%濃度的過硫酸銨乙二醇溶液引發劑，攪拌均勻，澆注進 c5 22mmX80mm金屬材質模具中。於烘箱中60°C溫度下加熱30分鐘，料漿凝膠化。取出後 在室溫下脫模，將凝膠坯體從模具取出，置於烘箱中於從40°C開始每小時升溫20°C，直至 升溫至200°C，繼續保溫3小時，揮發掉乙二醇。於空氣爐中1550°C燒結3小時，獲得完整 無開裂的氧化鎂陶瓷體。實施例2.氧化鎂/鈦酸鍶鋇陶瓷基片坯體的精密成型稱取120g平均粒徑為0. 2um的氧化鎂粉體和80g平均粒徑為0. 5um鈦酸鍶鋇超細 粉體，加入IOOml乙二醇，20ml丙三醇，IOml無水乙醇，細1市售JA-281分散劑，6g丙烯醯胺 有機單體，0. 3g亞甲基雙丙烯醯胺交聯劑，置於行星式球磨機中，同時加入500g磨球，球磨 4小時後取出料漿，振動除氣泡後加入0. 4m 1四甲基乙二胺催化劑和0. 5ml預先配置好的 5%濃度過硫酸銨水溶液引發劑，攪拌均勻，澆注進由平板玻璃組成的帶有1. 2mm間隙的模 具中，放置8分鐘，料漿凝膠化。開模揭下凝膠陶瓷坯片，放於石膏板之間空氣自然條件下 乾燥5小時，此時坯片平整不變形，柔韌性良好，可進行衝切加工。將其切割成50mmX 150mm 小片，置於烘箱中於40°C開始每小時升溫20°C，直至升溫至200°C，繼續保溫1小時，揮發掉 乙二醇。然後五片疊層，於空氣爐中1300°C燒結2小時，獲得平整無開裂的Imm厚氧化鎂/ 鈦酸鍶鋇陶瓷基片。實施例3.氮化鋁陶瓷基片坯體的精密成型稱取360g平均粒徑為3. 0 μ m的氮化鋁粉，20g氧化釔和20g氟化鈣粉體，加入 IOOml乙二醇以及1，3_ 丁二醇、1，4_ 丁二醇、異丙醇各10ml，並加入20ml市售JA281分散 劑，IOg丙烯醯胺單體，0. 5g亞甲基雙丙烯酸銨交聯劑，加入IOOOg磨球，置於行星磨中球 磨12個小時後將料漿取出，經真空攪拌除氣後加入3ml四甲基乙二胺催化劑和2ml濃度 為10%的過硫酸銨乙二醇溶液引發劑，攪拌均勻，分別澆注進鋼製的c520mmX80mm的圓柱 形模具中，放置15分鐘，料漿凝膠化。從模具中取出凝膠坯體，均得到表面光滑無氧阻聚現 象的坯體。取出後在室溫下脫模，將凝膠坯體從模具取出，置於烘箱中於從40°C開始每小 時升溫20°C，直至升溫至200°C，繼續保溫5小時，揮發掉有機溶劑。然後於氮氣氣氛爐中 1550°C燒結3小時，獲得完整無開裂的氮化鋁陶瓷圓柱體，經進一步加工、切片、研磨即獲 得Φ 15mmX Imm的氮化鋁陶瓷基片。
權利要求
1.一種陶瓷坯體的非水基注模凝膠法精密成型方法，其特徵在於(1).配料按照所成型陶瓷坯體的組成稱取所需陶瓷粉體，按體積含量為30% 55% 的比例加入非水有機溶劑，該有機溶劑是下列低粘度和不影響料漿凝膠化有機溶劑之一或 幾種的混合乙醇、乙二醇、丙三醇、1，3_ 丁二醇、1，4_ 丁二醇、異丙醇；稱取有機單體和交 聯劑，分別為醇溶性的丙烯醯胺和N』 N』 -亞甲基雙丙烯醯胺，有機單體和交聯劑的比例可 在10 1 30 1，有機單體和交聯劑的總加入量為陶瓷粉體重量的1 5%;(2).混合球磨將上述陶瓷粉體、醇類有機溶劑、分散劑、有機單體和交聯劑放入球磨 機中充分混合球磨，形成非水基陶瓷料漿，球磨時間為2 50小時，球料比為1 1 5 1(3).除氣將混合球磨好的非水基陶瓷料漿取出後進行真空攪拌或振動除氣；(4).加入引發劑向上述料漿中加入引發劑過硫酸銨乙二醇溶液，濃度為2 10%，攪 拌均勻，引發劑的加入量為有機單體重量的0. 1 1. 0% ；(5).模具準備模具材料應為不滲液體的金屬、玻璃、塑料及蠟料；(6).注模凝膠採用下述三種方法其中之一凝膠化(6. 1)向非水基陶瓷料漿中加入催化劑四甲基乙二胺，催化劑的加入量為有機單體重 量的0. 02 0. 1 %，充分攪拌均勻，澆注進模具中室溫靜置凝膠化，室溫靜置時間為5 20 分鐘；(6. 2)向非水基陶瓷料漿中加入還原劑亞硫酸銨乙二醇溶液，還原劑的加入量為有機 單體重量的0. 05 0. 5%，濃度為3 10%，充分攪拌均勻，澆注進模具中室溫靜置凝膠 化，室溫靜置時間為5 20分鐘；(6. 3)將非水基陶瓷料漿澆注進模具中，加熱至40 100°C使料漿凝膠化，加熱方式採 用電烘箱加熱、水浴加熱、微波加熱；(7).脫模乾燥料漿凝膠過程完成後，開模取出陶瓷凝膠坯體，置於烘箱中在30 200°C條件下排除陶瓷坯體中的有機物溶劑，所得到的陶瓷坯體進一步置於燒結爐中在 300 400°C條件下燒除有機單體和交聯劑聚合物，繼續提高溫度至1000 1600°C實現陶 瓷坯體的燒結緻密化，即得所需的陶瓷體。
2.根據權利要求1所述的一種陶瓷坯體的非水基注模凝膠法精密成型方法，其特徵在 於所述的有機溶劑是下列一種或幾種的混合乙醇、乙二醇、丙三醇、1，3_ 丁二醇、1，4_ 丁 二醇、異丙醇，混合比例為任意比，陶瓷粉體的固相含量為30% 55%。
全文摘要
本發明屬於無機非金屬材料領域，涉及一種陶瓷坯體的非水基注模凝膠精密成型方法。本發明採用粘度較低的無水醇類有機溶劑中的一種或幾種混合作為溶劑，加入陶瓷粉體和能夠溶解於該溶劑體系的有機單體、交聯劑，經過混磨後得到具有高陶瓷粉體體積分量和良好的流動性的非水基陶瓷料漿。加入適量引發劑，攪拌均勻後，澆注進模具中，在催化劑、或還原劑、或加熱條件下使料漿凝膠固化，從而實現了非水基陶瓷料漿的精密成型。所得坯體經排膠、燒結，即得所需的陶瓷體。該技術因採用非水性溶劑，可適用於易水解陶瓷粉體原料的注模凝膠精密成型。避免了較大尺寸的陶瓷坯體在乾燥過程中易產生變形和開裂的危險。
文檔編號B28B1/14GK102085688SQ20101056217
公開日2011年6月8日 申請日期2010年11月29日 優先權日2010年11月29日
發明者仝建峰, 李寶偉, 梁豔媛, 焦春榮, 陳大明, 黃浩 申請人:中國航空工業集團公司北京航空材料研究院