陶瓷部件的無氧阻聚凝膠注模成型方法

2023-09-20 16:29:25 2

專利名稱：陶瓷部件的無氧阻聚凝膠注模成型方法
技術領域：
本發明涉及一種陶瓷部件的無氧阻聚凝膠注模成型方法，採用該方法可克服一般凝膠注模成型過程中陶瓷坯體表面因氧阻聚導致表面蔬松層剝落的現象，該發明屬材料製備技術領域。
高技術陶瓷材料，如氧化鋁、氧化鋯、氮化矽、碳化矽等因具有高強度、高硬度、耐高溫、耐磨損和抗腐蝕等一系列優良的力學性能和化學穩定性；因此在現代科學技術與工業領域(如航天、化工、信息電子、生命科學等方面)應用的愈來愈多。這些材料多作為一種結構部件使用，具有各種不同形狀，並要求尺寸精確，達到近淨尺寸成型。傳統的成型製造工藝如幹壓成型很難製備複雜形狀的陶瓷部件，而普通注漿成型只限於薄壁陶瓷件，對於厚壁陶瓷成型體內部存在密度梯度，燒結時容易產生缺陷和開裂。因此，高技術陶瓷部件的精密成型製造成為一個關鍵技術。
為解決這些問題，近幾年美國橡樹嶺國家實驗室的材料科學家提出一種稱之為凝膠注模成型(Gel-casting)的陶瓷精密成型技術。該工藝利用有機單體聚合反應形成的三維網絡凝膠特性，使陶瓷懸浮體注入模具後原位固化成陶瓷坯體。這一方法可適用不同先進陶瓷材料如氧化鋁，氧化鋯，氮化矽，碳化矽等成型。但是由於單體聚合時與空氣接觸部分的氧會阻礙聚合反應，因此陶瓷坯體乾燥後表面沒有聚合反應這一層將會剝落，無法製備出表面完好的陶瓷坯體。為克服表面氧阻聚，目前採用的方法是將注入金屬模具後陶瓷懸浮體置於隨性氣氛中(氮氣或氫氣)或在真空中進行固化。這樣不但工藝複雜而且也很難完全消除表面缺陷，坯體表面仍形成一薄層「疏鬆殼層」，極易剝落。
本發明目的提出一種陶瓷部件的無氧阻聚凝膠注模成型方法，其原理是將某些水溶性高分子溶解在單體溶液中，加入陶瓷粉體均勻分散混合得到濃懸浮體，然後加入引發劑和催化劑，導致單體聚合形成凝膠網絡結構，使陶瓷懸浮體原位固化為陶瓷坯體。由於這些水溶性高分子中的吸氧電子的吸氧作用優先於單體自由基的吸氧作用，從而避勉了空氣中氧對單體聚合的阻礙作用，這樣克服了表面疏鬆殼層形成及其剝落現象。
本發明提出的陶瓷部件的無氧阻聚凝膠注模成型方法，包括以下各步聚(1)首先製備單體預混液，將丙烯醯胺單體溶解於水中，其比例為3～30∶100(以質量計)。
(2)將下述水溶性高分子，吡咯化合物(如聚乙烯吡咯烷酮或吡咯烷酮)、聚乙烯醇、聚氧化乙烯，褐藻酸鈉和澱粉中的任何一種溶於上述單體預混液中。高分子與單體預混液的質量比為2～20∶100。
(3)在上述高分子水溶液中加入陶瓷粉料，如氧化鋁、氮化矽、碳化矽、氧化鋯等。充分攪拌分散，陶瓷粉料與高分子水溶液的體積比為65～130∶100。
(4)將上述攪拌後的混合料進行球磨，時間為12～48小時，然後在5～25℃溫度範圍內真空除泡，除泡時間為10～30分鐘(5)然後加入過硫酸銨或過硫酸鉀作為引發劑，同時加入N，N，N′，N′四甲基乙二銨作為催化劑，引發劑的加入量為0．05～2wt％並均勻攪拌分散。催化劑加入量為單體溶液重量的0．02～0．1wt％(6)將上述陶瓷懸浮體注入非孔模具，然後置於40～80℃保溫箱內，保溫5～60分鐘，懸浮體內單體分子聚合反應並與水溶性高分子相互作用形成凝膠網絡，從而使陶瓷懸浮體轉變為本發明的陶瓷部件。
本發明具有如下優點(1)適合不同種類不同形狀的陶瓷或耐火材料產品的成型製備(2)成型的陶瓷坯體表面光潔無任何表面剝落等缺陷(3)乾燥後坯強度高(20～40MPa)，韌性好，可在工具機上進行機加工(4)成型工藝簡單，所用成型助劑價格低廉，便於工業化生產下面介紹本發明的實驗例實驗例1碳化矽陶瓷部件的成型200毫升水中加入10克丙烯醯銨單體(白色結晶狀)攪拌至溶解，然後加入4克聚乙烯吡咯烷酮(白色粉狀)攪拌約法15分鐘即可溶解，隨後將碳化矽陶瓷粉2．5μm約650克加入到上述溶有高分子的單體溶液中，充分攪拌分散。再球磨10小時，得到流動性好的懸浮體。真空除泡10分鐘後加入0．05克過硫酸銨和0．025毫升N，N，N′，N′四甲基乙二銨到陶瓷懸浮體中並均勻分散。然後把上述陶瓷懸浮體注入金屬模具，並加熱至60℃，待25分鐘後懸浮體固化為陶瓷坯體即可脫模，得到表面光潔無缺陷的陶瓷坯體。
實驗例2氧化鋁陶瓷管的成型氧化鋁粉由河南鑫源鋁業有限公司生產。純度為99．7％，平均粒徑約為2．8μm。
150毫升水中加入20克丙烯胺單體結晶粉末，機械攪拌至溶解，然後加入聚乙烯醇1克，攪拌30分鐘完全溶解，再將氧化鋁陶瓷粉700克中入上述溶液中，通過球磨8小時，得流動性好陶瓷懸浮體，真空除泡15分鐘後，加入過硫酸銨引發劑0．03克(以水溶液形式)和催化劑0．015毫升。把陶瓷漿料注入的管狀金屬模具，再加熱至70℃恆溫15分鐘，模具內氧化鋁陶瓷漿料完全凝固成強度韌性都好的陶瓷坯體。將模具移去即可得到表面光潔的氧化鋁管坯體。
實驗例3氮化矽陶瓷坯體的成型氮化矽陶瓷粉由北京方大高技術陶瓷公司生產，平均粒徑為2．2μm100毫升水中加入20克丙烯醯胺單體，待完全溶解後加入聚氧化乙烯0．1克。攪拌30分鐘溶解。再將氮化矽陶瓷粉350克加入上述溶液中。球磨8小時，將陶瓷懸浮體抽真空10分鐘，再加入過硫酸銨引發劑0．02克(以水溶液形式)和催化劑0．01毫升。然後將此懸浮體注入塑料環模具並加熱至80恆溫20分鐘，模具內漿料完全固化為陶瓷坯體後再脫模，得到形狀，尺寸完好的氮化矽陶瓷坯體。
實驗例4氮化矽結合碳化矽高級耐火材料部件的成型氮化矽結合碳化矽是由碳化矽與矽粉坯體於1450℃條件下氮化燒結而成，因此，首先須成型出碳化矽和金屬矽粉複合的坯體。
本實驗採用鄭州白鴿集團生產的碳化矽粉粒徑分布為00．1～0．5mm和北京方大高技術陶瓷公司的金屬矽粉平均粒徑約為1μm200毫升水中加入22克丙烯醯胺單體，攪拌至溶解為止。加入褐藻酸鈉高分子2克，攪拌30分鐘完全溶解。再將800克碳化矽粉和200克金屬矽粉加入到上述高分子水溶液中。然後直接加入過硫酸銨引發劑0．03克(以水溶液形式)。充分分散，均勻攪拌，再將此懸浮體注入金屬模具，並置於80℃恆溫箱內，約30分鐘後，模具內懸浮體轉變成堅硬的坯體，即可脫模。
實驗例5氧化鋯陶瓷部件的成型氧化鋯陶瓷粉為北京方大高技術陶瓷公司生產Ce-Y-ZrO2顆粒直徑為0．8μm。100毫升水中加入20克丙烯醯胺單體，完全溶解後加入澱粉3克，攪拌20分鐘均勻混合。再將500克氧化鋯陶瓷粉加入上述溶液中球磨8小時後真空除泡15分鐘，然後加入引發劑過硫酸鉀01克和催化劑005毫升，均勻攪拌分散於懸浮體中，再將此懸浮體注入金屬模具並加熱至70℃恆溫25分鐘後，即可脫模將已固化氧化鋯陶瓷坯體從模具中取出。
權利要求
1.一種陶瓷部件的無氧阻聚凝膠注模成型方法，其特徵在於，該方法包括以下各步聚(1)首先製備單體預混液將丙烯醯胺單體溶解於水中，其質量比為3～30∶100；(2)將水溶性高分子溶於上述單體預混液中，水溶性高分子為吡咯化合物、聚乙烯醇、聚氧化乙烯、褐藻酸鈉和澱粉中的任何一種，高分子與單體預混液的質量比為2～20∶100；(3)在上述高分子水溶液中加入陶瓷粉料，充分攪拌分散，陶瓷粉料與高分子水溶液的體積比為65～130∶100；(4)將上述攪拌後的混合料進行球磨，時間為12～48小時，然後在5～25℃溫度範圍內真空除泡，除泡時間為10～30分鐘；(5)然後加入過硫酸銨或過硫酸鉀作為引發劑，同時加入N，N，N′，N′四甲基乙二銨作為催化劑，引發劑的加入量為單體預混液重量的0．05～2wt％，並均勻攪拌分散，催化劑加入量為單體預混液重量的0．02～0．1wt％；(6)將上述陶瓷懸浮體注入非孔模具，然後置於40～80℃保溫箱內，保溫5～60分鐘，懸浮體內單體分子聚合反應並與水溶性高分子相互作用形成凝膠網絡，從而使陶瓷懸浮體轉變為本發明的陶瓷部件。
全文摘要
本發明涉及一種陶瓷部件的無氧阻聚凝膠注模成型方法,首先製備單體預混液,將丙烯醯胺單體溶解於水中,將水溶性高分子溶於上述單體預混液中,在高分子水溶液中加入陶瓷粉料,將攪拌後的混合料進行球磨,真空除泡,然後加入引發劑和催化劑,最後將陶瓷懸浮體注入非孔模具,保溫,使陶瓷懸浮體轉變為本發明的陶瓷部件。本發明適合不同種類不同形狀的陶瓷或耐火材料產品的成型製備,成型的陶瓷坯體表面光潔無任何表面剝落等缺陷。
文檔編號C04B35/622GK1291603SQ0012498
公開日2001年4月18日 申請日期2000年9月29日 優先權日2000年9月29日
發明者謝志鵬, 黃勇, 程一兵 申請人:清華大學