一種陶瓷粘膠纖維切斷刀製備方法與流程
2023-06-04 08:51:06 2
技術領域：
本發明屬於新材料切斷刀製備技術領域，涉及一種陶瓷粘膠纖維切斷刀製備方法，製備具有高可靠性、強度和韌性以及低成本的特種陶瓷切斷刀，以替代金屬材質的切斷刀。
背景技術：
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材料、能源和信息是現代社會的支柱，也是新世紀人們所關心的主要問題，新材料的開發將成為我國國民經濟新的增長點，在很大程度上決定或影響著高新技術產業的發展，結構陶瓷是當今材料的一個重要的組成部分，在國民經濟建設和國防現代化建設中佔有重要的地位。結構陶瓷具有優異的性能：硬度高、耐熱性能好、耐衝刷、耐磨、蠕變速率低、耐化學腐蝕，屬於嚴酷工作條件下的結構材料，在能源、紡織、機械、冶金、化工等方面都起著關鍵性的作用；但是，結構陶瓷的致命弱點是脆性大，強度低；由於陶瓷沒有可滑移的位錯系統，當外加能量超過一定的限度時，結構陶瓷以形成新的裂紋表面能來消耗外加能量，即在陶瓷體內形成新的裂紋表面，導致結構陶瓷災難性的破壞；基於此，對陶瓷材料進行強化和增韌成為陶瓷材料研究的關鍵，由於結構陶瓷的特性和製備工藝的原因，傳統的製備方法使得結構陶瓷的可靠性差，製造成本高；現有的結構陶瓷以納米複合陶瓷強韌化技術為最優，能夠使陶瓷材料的強度和韌性同時得到很大的提高，韌化強化有三種機理：一是在微米級陶瓷基體中加入的納米顆粒抑制基體晶粒的長大，使組織結構均勻化，從而改善材料的力學性能，納米－微米材料中除一定量的納米顆粒處於基體晶界上，大部分納米顆粒由於其粒徑很小，而且燒結過程中惰性大，在一定溫度下基體顆粒以納米顆粒為核形成晶粒，將納米顆粒包裹在基體顆粒內部，形成內晶型結構，材料中存在大量的次界面，由於基體的顆粒與納米添加顆粒的熱膨脹系和彈性模量的失配，在次界面處將存在較大的殘餘應力，殘餘應力通過微米顆粒傳到晶界上，變成有利於晶界加強的壓應力，從而強化了晶界，殘餘應力還能引發位錯，納米相使位錯釘扎或堆積，起到分散和阻礙裂紋的作用，達到強化效果；在更小的結構範圍內，納米顆粒的應力還能形成微裂紋，約束材料中初始裂紋的擴展，起到進一步細化晶粒的作用，晶界上的粒子起著改變斷裂模式的重要作用，當沿晶裂紋擴展靠近晶界上納米顆粒時，在粒子的周圍形成壓縮切應力，切應力將偏析裂紋尖端使其遠離納米粒子，從而成為穿晶裂紋，同時晶界有被顆粒局域強化的可能，穿晶斷裂具有較大的斷裂功，所以較沿晶斷裂模式具有增加材料韌性的作用；二是顆粒橋聯的韌化機理，添加在微米級體中的納米顆粒在一個正擴展的裂紋尖端後部橋聯形成裂紋面的屏蔽，若所添加的顆粒較軟，則材料中分散體僑聯的寬度就大，臨界裂紋擴展距離大，形成的保護區就長，吸收斷裂能也大，增韌效果好。
目前，結構陶瓷的應用面臨製造成本高和使用性能可靠性差的問題，陶瓷的製造成本高，從而導致產品的價格高，無法與金屬及其複合材料競爭，其中陶瓷機加工的成本幾乎佔到陶瓷製造成本的1－2/3，主要是因為陶瓷部件的成型達不到近淨尺寸成型，另外，陶瓷材料的性能分散性大，可靠性差，使許多領域不敢涉足陶瓷產品。因此，研發一種高可靠性、強度和韌性以及低成本的陶瓷粘膠纖維切斷刀製備方法，有利於結構陶瓷材料的批量化生產製備，促進科學研究成果迅速轉化為商品，具有很好的規模化產業化前景。
技術實現要素：
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本發明的目的在於克服現有技術存在的缺點，尋求設計一種高可靠性、強度和韌性以及低成本的陶瓷粘膠纖維切斷刀製備方法。
為了實現上述目的，本發明涉及的陶瓷粘膠纖維切斷刀製備方法的工藝過程包括漿料製備、坯體成型和微波燒結共三個步驟：
(一)、漿料製備：將丙烯醯胺單體與n，n』亞甲基雙丙烯醯胺按照17:1的質量比混合製備得到混合體，再將混合體與水按照18：85的質量比混合製備得到預配液，在預配液中加入0.5％質量份數的分散劑與純度大於99％和粒度小於20nm的粉狀3y-tzp配製成ph值為9.5、固相體積分數大於50％的懸浮體，懸浮體經球磨機混合10小時後得到粘度小於200mpa.s的水體系陶瓷漿料，混合體在水體系陶瓷漿料中的質量百分比為3％，完成漿料的製備；
(二)、坯體成型：採用現有的淨尺寸液態澆鑄原位凝固成型技術對漿料進行真空處理後，在漿料中加入1％質量百分比引發劑和0.5％體積百分比催化劑形成混合物，將混合物勻速的澆注到模具中進行凝膠化，然後進行脫模並乾燥，完成坯體的成型；
(三)、微波燒結：將坯體放入微波燒結裝置的微波燒結腔中，按照設定的升溫曲線，對坯體進行微波燒結。
本發明涉及的分散劑為質量百分比濃度為5％的聚甲基丙烯酸銨溶液；引發劑為質量百分比濃度為5％的過硫酸銨水溶液；催化劑為質量百分比濃度為5％的四甲基乙二胺水溶液。
本發明製備的陶瓷粘膠纖維切斷刀的密度為6.08克/釐米3，硬度為11.62gpa，抗彎強度為882.57mpa，斷裂韌性為11.05mpam1/2。
本發明涉及的微波燒結裝置的主體結構包括磁控管、微波電源、環形器、水負載、四樁調諧器、加熱腔、負載、天線陣、轉動支架和託盤；設置有磁控管的微波電源與環形器的左端管道式連接，環形器的下端設置有水負載，環形器的右端與四樁調諧器的左端管道式連接，四樁調諧器的右端與內空式矩形結構的加熱腔管道式直角連接，設置有負載加熱腔的頂端設置有天線陣，加熱腔的底端設置有轉動支架，轉動支架的頂端設置有圓形板狀結構的託盤；磁控管發射的微波頻率為2.45ghz；微波電源的最大輸出功率為5kw；環形器用於將負載的反射波送入水負載，使其不致返回磁控管，以保護磁控管；水負載用於吸收環形器送入的反射波；四樁調諧器用於控制加熱腔使負載的反射波最小；加熱腔的材質為不鏽鋼；天線陣用於匯聚微波並使微波順利進入加熱腔；轉動支架用於旋轉和支撐託盤，使託盤在轉動支架的帶動下做圓周運動；託盤用於承載被燒結的物品。
本發明涉及的凝膠注模成型技術，適合於規模化生產，能夠提高成品率和成品可靠性,顯著降低製造成本，消除陶瓷粉體顆粒的團聚體，減少燒結過程中複雜形狀部件的變形和開裂，減少最終產品的機加工量，獲得高可靠性的陶瓷材料與部件；製備的胚體密度和強度高、均勻性好，外形尺寸不固定；微波燒結裝置將微波能通過匯聚天線控制在一定空間範圍內，加大加熱範圍並將均勻分布能量，實現陶瓷材料連續化微波燒結，並能夠和常規燒結設備結合使用，微波燒結結合常規燒結能夠彌補常規燒結靠熱傳導加熱的加熱溫度梯度大、材料受熱不均勻、加熱時間長和耗能大的缺點，同時避免了陶瓷材料在低溫時吸收微波能差的問題。
本發明與現有技術相比，將納米陶瓷材料用於化纖生產中替代昂貴合金刀的高性能陶瓷異形刀，採用最先進的淨尺寸液態澆鑄原位凝固成型技術保證高性能陶瓷異形刀的成型均勻性和緻密性要求，藉助國際領先的微波燒結技術，進一步提高材料的各項性能指標，確保高性能陶瓷異形刀的高精度、高能性和長期使用性，使用固相含量高和流動性好的料漿通過淨尺寸液態澆鑄原位凝固成型技術和微波燒結裝置製備出強度高和均勻性好的陶瓷粘膠纖維切斷刀製備方法，燒結完畢後只需表面拋光即可使用，避免了燒結後的研磨加工工序，具有強度高、耐磨性好，拋光性較好，磨擦係數小，耐腐蝕性高、高溫強度大、熱震性好、耐磨損、耐腐蝕、尺寸穩定性好和自潤滑性能好的特點；其原理科學合理，操作性強，能耗低、投資少、成品率高、成本低，使用環境友好。
附圖說明：
圖1為本發明的工藝流程框圖。
圖2為本發明涉及的微波燒結裝置的主體結構原理示意圖。
圖3為本發明涉及的陶瓷粘膠纖維切斷刀的主體結構原理示意圖，其中，a為刀片，b為固定孔，c為刀刃。
具體實施方式：
下面通過實施例並結合附圖對本發明作進一步說明。
實施例1：
本實施例製備的陶瓷粘膠纖維切斷刀製備方法的工藝過程包括漿料製備、坯體成型和微波燒結共三個步驟：
(一)、漿料製備：將丙烯醯胺單體與n，n』亞甲基雙丙烯醯胺按照17:1的質量比混合製備得到混合體，再將混合體與水按照18：85的質量比混合製備得到預配液，在預配液中加入0.5％質量份數的分散劑與純度大於99％和粒度小於20nm的粉狀3y-tzp配製成ph值為9.5、固相體積分數大於50％的懸浮體，懸浮體經球磨機粉碎10小時後得到粘度小於200mpa.s的水體系陶瓷漿料，混合體在水體系陶瓷漿料中的質量百分比為3％，完成漿料的製備；
(二)、坯體成型：採用現有的淨尺寸液態澆鑄原位凝固成型技術對漿料進行真空處理後，在漿料中加入1％質量百分比引發劑和0.5％體積百分比催化劑形成混合物，將混合物勻速的澆注到模具中進行凝膠化，然後進行脫模並乾燥，完成坯體的成型；
(三)、微波燒結：將坯體放入微波燒結裝置的微波燒結腔中，按照設定的升溫曲線，對坯體進行微波燒結。
本實施例涉及的分散劑為質量百分比濃度為5％的聚甲基丙烯酸銨溶液(pmaa-nh4)；引發劑為質量百分比濃度為5％的過硫酸銨水溶液；催化劑為質量百分比濃度為5％的四甲基乙二胺水溶液。
本實施例製備的陶瓷粘膠纖維切斷刀的密度為6.08克/釐米3，硬度為11.62gpa，抗彎強度為882.57mpa，斷裂韌性為11.05mpam1/2。
本實施例涉及的微波燒結裝置的主體結構包括磁控管1、微波電源2、環形器3、水負載4、四樁調諧器5、加熱腔6、負載7、天線陣8、轉動支架9和託盤10；設置有磁控管1的微波電源2與環形器3的左端管道式連接，環形器3的下端設置有水負載4，環形器3的右端與四樁調諧器5的左端管道式連接，四樁調諧器5的右端與內空式矩形結構的加熱腔6管道式直角連接，設置有負載7加熱腔6的頂端設置有天線陣8，加熱腔6的底端設置有轉動支架9，轉動支架9的頂端設置有圓形板狀結構的託盤10；磁控管1發射的微波頻率為2.45ghz；微波電源2的最大輸出功率為5kw；環形器3用於將負載7的反射波送入水負載4，使其不致返回磁控管1，以保護磁控管1；水負載4用於吸收環形器3送入的反射波；四樁調諧器5用於控制加熱腔6使負載7的反射波最小；加熱腔6的材質為不鏽鋼；天線陣8用於匯聚微波並使微波順利進入加熱腔6；轉動支架9用於旋轉和支撐託盤10，使託盤10在轉動支架9的帶動下做圓周運動；託盤10用於承載被燒結的物品。
本實施例涉及的凝膠注模成型技術，適合於規模化生產，能夠提高成品率和成品可靠性,顯著降低製造成本，消除陶瓷粉體顆粒的團聚體，減少燒結過程中複雜形狀部件的變形和開裂，減少最終產品的機加工量，獲得高可靠性的陶瓷材料與部件；製備的胚體密度和強度高、均勻性好，外形尺寸不固定；微波燒結裝置將微波能通過匯聚天線控制在一定空間範圍內，加大加熱範圍並將均勻分布能量，實現陶瓷材料連續化微波燒結，並能夠和常規燒結設備結合使用，微波燒結結合常規燒結能夠彌補常規燒結靠熱傳導加熱的加熱溫度梯度大、材料受熱不均勻、加熱時間長和耗能大的缺點，同時避免了陶瓷材料在低溫時吸收微波能差的問題。