一種碳化矽陶瓷製品及其無模成型方法

2023-06-05 20:52:06 2

一種碳化矽陶瓷製品及其無模成型方法
【專利摘要】本發明公開了一種碳化矽陶瓷製品及其無模成型方法，涉及材料製備領域，解決了現有的製備工藝無法製備出表面質量高、結構均一及複雜形狀的陶瓷製品。本發明的主要技術方案為：碳化矽陶瓷製品的無模成型方法，包括：將製備碳化矽陶瓷製品的原料混合球磨，製得原料料漿；製備陶瓷製品的原料包括碳化矽、炭黑、分散劑、有機單體及水；將引發體系加入至原料料漿中，混合均勻，得到陶瓷料漿；對陶瓷料漿依次進行真空除氣處理、注模成型、脫模乾燥，製得陶瓷素坯；對陶瓷素坯進行數控加工，加工成設定形狀的陶瓷預製體；將設定形狀的陶瓷預製體在1500-1800℃的溫度下進行燒結處理，得到碳化矽陶瓷製品。本發明主要用於製備出表面質量高、結構均一及各種複雜形狀的碳化矽陶瓷製品。
【專利說明】一種碳化矽陶瓷製品及其無模成型方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及材料及其製備【技術領域】，尤其涉及一種碳化矽陶瓷製品及其無模成型 方法。

【背景技術】
[0002] 先進陶瓷材料具有輕質、高強、耐高溫、耐腐蝕以及具有不同功能特性，而廣泛應 用於航空、航天、能源、電子等各個行業。近年來隨著陶瓷研宄的深入，國內外開發了一系列 新型陶瓷成型工藝，如流延法、凝膠注模法、直接凝固注模法、冷凝成型法。該系列方法有效 解決了先進陶瓷的成型問題，但是對於複雜形狀陶瓷製品而言（所謂的複雜形狀，是指所 需陶瓷製品的形狀、結構複雜、不規則），該系列方法仍無法擺脫複雜模具設計，無法快速制 造出各種複雜形狀的陶瓷製品，進而無法滿足目前先進陶瓷日益多元化的發展。
[0003] 近年來，相關研宄人員提出了通過無模成型工藝來製備各種複雜形狀的陶瓷製 品，以擺脫複雜模具的設計。現有的無模成型工藝主要有選域雷射燒結法、3D列印法、熔融 沉積法及分層製造法等；這些方法是一種基於"自下而上的生長型"的成型方法，通過計算 機控制逐點逐面對陶瓷材料進行"三維堆砌"來獲得製品。
[0004] 但是，發明人發現採用上述選域雷射燒結法、3D列印法、熔融沉積法及分層製造法 製備出的陶瓷製品存在表面質量差、精度低、結構不均一及需要後期額外處理等問題。


【發明內容】

[0005] 有鑑於此，本發明的主要目的是提供一種碳化矽陶瓷製品無模成型方法，能製備 出表面質量好、結構均一及各種複雜形狀的碳化矽陶瓷製品。
[0006] 為達到上述目的，本發明主要提供如下技術方案：一種碳化矽陶瓷製品的無模成 型方法，包括如下步驟：
[0007] 將製備碳化矽陶瓷製品的原料混合球磨，製得原料料漿；其中，所述製備陶瓷 製品的原料包括碳化矽、炭黑、分散劑、有機單體及水，且所述原料料漿中的固相含量為 58-68vol% ；
[0008] 將引發體系加入至所述原料料漿中，混合均勻，得到陶瓷料漿；其中，所述引發體 系包括引發劑和催化劑，所述引發劑的加入量為所述原料料漿質量的0. 01-0. 05%，所述催 化劑的加入量與所述引發劑加入量之比為0. 5-2 ;
[0009] 對所述陶瓷料漿依次進行真空除氣處理、注模成型、脫模乾燥，製得陶瓷素坯；
[0010] 對所述陶瓷素坯進行數控加工，加工成設定形狀的陶瓷預製體；
[0011] 將所述設定形狀的陶瓷預製體在1500-1800°c的溫度下進行燒結，得到碳化矽陶 瓷製品。
[0012] 前述的碳化矽陶瓷製品的無模成型方法，所述碳化矽的平均粒徑為3-50 μπι;且 所述碳化娃的加入量為所述原料料楽·中固相體積的85-98vol% ;
[0013] 所述炭黑的平均粒徑為3-20 μ m ;且所述炭黑的加入量為所述原料料漿中固相體 積的 2_15vol % ο
[0014] 前述的碳化矽陶瓷製品的無模成型方法，所述分散劑為四甲基氫氧化銨和聚乙烯 吡咯烷酮Κ30的混合物；
[0015] 所述四甲基氫氧化銨的質量為所述碳化矽質量的0. 5-2. 0% ;
[0016] 所述聚乙烯吡咯烷酮Κ30的質量為所述炭黑質量的5. 0-15. 0%。
[0017] 前述的碳化矽陶瓷製品的無模成型方法，所述有機單體為丙烯醯胺和Ν、Ν' -亞甲 基雙丙烯醯胺的混合物；
[0018] 所述丙烯醯胺與所述水的體積比為20-30:100 ;
[0019] 所述Ν、Ν' -亞甲基雙丙烯醯胺為所述丙烯醯胺和Ν、Ν' -亞甲基雙丙烯醯胺總質 量的 10-20%。
[0020] 前述的碳化矽陶瓷製品的無模成型方法，所述引發劑為過硫酸銨；所述催化劑為 亞硫酸氫鈉。
[0021] 前述的碳化矽陶瓷製品的無模成型方法，所述引發體系還包括緩聚劑；
[0022] 所述緩聚劑為鄰苯二酚，且所述鄰苯二酚的加入量為原料料漿質量的 0. 02-0. 40%。
[0023] 前述的碳化矽陶瓷製品的無模成型方法，所述對所述陶瓷素坯進行數控加工，加 工成設定形狀的陶瓷預製體的步驟，具體包括：
[0024] 利用三維造型軟體建立設定形狀的碳化矽陶瓷製品的實體模型；
[0025] 採用CAM系統直接識別或調取所述實體模型的幾何特徵信息，並根據所述幾何特 徵信息編制加工程序，再將所述加工程序轉換為數控工具機識別的NC程序代碼；
[0026] 數控工具機根據NC程序代碼對所述陶瓷素坯進行數據加工，將所述陶瓷素坯加工 成設定形狀的陶瓷預製體。
[0027] 前述的碳化矽陶瓷製品的無模成型方法，所述數控工具機的X軸進給速率、Y軸進給 速率、Z軸進給速率均為0· l-500mm/min ;
[0028] 所述數控工具機的Z軸的轉速為2000-18000r/m。
[0029] 前述的碳化矽陶瓷製品的無模成型方法，將所述加工成設定形狀的陶瓷預製體放 置在真空燒結爐中，在1500-1800°C下進行燒結處理，得到碳化矽陶瓷製品。
[0030] 另外，本發明的另一個目的提供一種碳化矽陶瓷製品，所述碳化矽陶瓷製品由上 述任一項所述的碳化矽陶瓷製品的無模成型方法製備而成。
[0031] 與現有技術相比，本發明實施例提出的一種碳化矽陶瓷製品及其無模成型方法至 少具有以下有益效果：
[0032] 本發明實施例提供的碳化矽陶瓷製品無模成型方法，通過將碳化矽陶瓷製品的原 料混合球磨，製得原料料漿；將引發體系加入至原料料漿中，混合均勻，得到陶瓷料漿；對 陶瓷料漿依次進行真空除氣處理、注模成型、脫模乾燥，製得陶瓷素坯；對陶瓷素坯進行數 控加工，加工成設定形狀的陶瓷預製體；將設定形狀的陶瓷預製體在1500-1800°C的溫度 下進行燒結處理，得到碳化矽陶瓷製品。上述的碳化矽陶瓷製品無模成型方法將凝膠注模 成型方法與數控加工方法結合，通過凝膠注模成型方法製備出高強度、結構均一的碳化矽 陶瓷素坯（其中，高強度不僅是能實現數控加工處理的前提，更是高性能的碳化矽陶瓷製 品的前提），再通過數控加工方法將高強度、結構均一的碳化矽陶瓷素坯加工成表觀質量 好、精度高、各種複雜形狀的碳化矽陶瓷製品。
[0033] 本發明實施例提供的碳化矽陶瓷製品無模成型方法採用分析純過硫酸銨（APS) 為引發劑，分析純亞硫酸氫鈉（NHS)為催化劑，分析純鄰苯二酚為緩聚劑，能夠實現水基碳 化矽的均勻固化，製備出結構均勻的碳化矽陶瓷素坯。
[0034] 綜上所述，本發明實施例提供的碳化矽陶瓷製品的無模成型方法可以在不使用復 雜模具的情況下實現複雜形狀陶瓷製品的快速製備，且能夠性能較好、表面質量高、精度 高、顯微結構均一以及各種複雜形狀的碳化矽陶瓷製品。所以本發明實施例提供的碳化矽 陶瓷製品的無模成型方法有效地提高了複雜形狀陶瓷製品的製備效率和製備水平，大大降 低了碳化矽陶瓷製品後期精細加工的成本，提高了加工效率和成品率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0035] 圖1為本發明實施例提供的一種製備碳化矽陶瓷製品的無模成型方法的工藝流 程圖；
[0036] 圖2為本發明一實施例提供的對碳化矽陶瓷素坯進行加工的流程圖；
[0037] 圖3為本發明的一實施例所製成的碳化矽陶瓷的結構示意圖；
[0038] 圖4為本發明的另一實施所製成的碳化矽陶瓷的結構例示意圖；
[0039] 圖5為本發明的一實施例所製成的碳化矽陶瓷素坯的顯微結構示意圖。

【具體實施方式】
[0040] 為更進一步闡述本發明為達成預定發明目的所採取的技術手段及功效，以下結合 較佳實施例，對依據本發明提出的一種碳化矽陶瓷製品及其無模成型方法【具體實施方式】、 特徵及其功效，詳細說明如下。
[0041] 由於現有技術中的複雜形狀陶瓷製品需要設計複雜形狀的模具，這樣給生產帶來 制約，不能製備出各種複雜形狀的陶瓷製品；另外，採用現有技術中的幾種無模成型工藝 (選域雷射燒結法、3D列印法、熔融沉積法及分層製造法）雖然能擺脫複雜形狀的模具的設 計，但是現有的幾種無模成型製備出的陶瓷製品存在表面質量差、精度低、強度低、結構不 均一及需要後期額外處理的問題。鑑於此，本發明的發明人採用一種新型的無模成型工藝 (即凝膠注模成型和數控加工法的結合）能夠製備表面質量高、結構均一、強度較高及各種 複雜形狀的碳化矽陶瓷製品。
[0042] 具體地，如圖1所示，本發明實施例提供的一種碳化矽陶瓷製品的無模成型方法， 包括如下步驟：
[0043] 1)將製備碳化矽陶瓷製品的原料混合球磨，製得原料料漿；其中，所述製備陶瓷 製品的原料包括碳化矽、炭黑、分散劑、有機單體及水，且所述原料料漿中的固相含量為 58-68vol%。
[0044] 該步驟中，碳化矽的平均粒徑為3-50 μ m ;且碳化矽的加入量為原料料漿中固相 體積的85-98vol %。炭黑的平均粒徑為3-20 μ m ;且炭黑的加入量為原料料漿中固相體積 的 2-15vol%。
[0045] 該步驟中，有機單體為丙烯醯胺和Ν、Ν' -亞甲基雙丙烯醯胺的混合物；丙烯醯胺 與所述水的體積比為20-30:100 ;Ν、Ν' -亞甲基雙丙烯醯胺為丙烯醯胺和Ν、Ν' -亞甲基 雙丙烯醯胺總質量的10-20% ;丙烯醯胺為丙烯醯胺和Ν、Ν' -亞甲基雙丙烯醯胺總質量的 10-20 %〇
[0046] 該步驟中，分散劑為四甲基氫氧化銨和聚乙烯吡咯烷酮Κ30的混合物；其中，四甲 基氫氧化銨的質量為碳化矽質量的〇. 5-2. 0% ;聚乙烯吡咯烷酮Κ30的質量為炭黑質量的 5.0-15.0%。在此，四甲基氫氧化按（Tetramethylammonium hydroxide，C4H13NO)為碳化 矽粉的分散劑，聚乙烯吡咯烷酮1(30(?〇17"1^1? 71'〇1丨(1〇1^1(30，化6!19勵)11)為炭黑的分散 劑，以分別使碳化矽和炭黑均一地分散在水中。
[0047] 另外，該步驟中的水優選為去離子水。該步驟混合球磨的溫度僅需室溫即可，混合 球磨的時間為24-48小時（優選為36小時）。
[0048] 優選地，該步驟在製備原料料漿後，可以進行真空除氣，以除去原料料漿中的空 氣，以方便進行下一步驟，使凝膠聚合反應能夠穩定地進行。真空除氣的真空度為l〇Pa，除 氣時間為10-30分鐘。
[0049] 另外，本發明實施例可採用不同粒徑的碳化矽粉料級配混合，該步驟通過上述配 比的原料，能夠製得低粘度、高固相含量、分散均勻水基原料料漿，保證了後期成型碳化矽 陶瓷素坯的結構均勻性。
[0050] 2)將引發體系加入至所述原料料漿中，混合均勻，得到陶瓷料漿；其中，所述引發 體系包括引發劑和催化劑，所述引發劑的加入量為所述原料料漿質量的〇. 01-0. 05%，所述 催化劑的加入量與所述引發劑加入量之比為〇. 5-2。
[0051] 該步驟中，引發劑為過硫酸銨；催化劑為亞硫酸氫鈉。其中，硫酸銨（APS)為分析 純，濃度為l〇wt%，添加量為原料料漿質量的0.01-0. 05%。亞硫酸氫鈉（NHS)為分析純， 添加量為過硫酸銨（APS)質量的0. 50-2. 0倍。
[0052] 較佳地，為了能夠使該步驟的聚合反應體系緩慢地聚合，該步驟的引發體系還包 括緩聚劑，緩聚劑為鄰苯二酚為分析純，添加量為原料料漿質量的〇. 02-0. 40%。
[0053] 該步驟中，通過將引發體系加入至原料料漿中，使原料料漿中的有機單體在引發 體系的催化下，進行聚合反應，以生成凝膠，從而生成凝膠型的陶瓷料漿，且碳化矽、炭黑均 一地分散在所製備的陶瓷料漿中。
[0054] 3)對陶瓷料漿依次進行真空除氣處理、注模成型、脫模乾燥，製得陶瓷素坯。
[0055] 該步驟的真空除氣處理具體包括：採用真空除氣罐（或真空除氣設備）對所述陶 瓷料漿進行真空除氣處理。其中，真空除氣處理的真空度為5-10pa ;真空除氣處理的時間 為 2_20min。
[0056] 該步驟的注模成型具體包括：將經過真空除氣後的陶瓷料漿注入到非孔模具後， 將非孔模具密封；將盛有陶瓷料漿的所述非孔模具加熱到50-100°C，保溫100_150min，自 然降溫至室溫，得到固化定型的陶瓷坯體。另外，該步驟中的非孔模具為能夠成型各種尺 寸、簡單形狀的模具。
[0057] 該步驟的乾燥步驟具體為：將固化定型的陶瓷坯體置於溫度、溼度、空氣流動速 率均可控的乾燥空間中，乾燥7-15天；然後再將陶瓷坯體轉移至鼓風乾燥箱中，在設定 溫度下保溫一定時間，除去陶瓷坯體中的殘餘水分。其中，該步驟中的乾燥空間的溫度為 10-40°〇，相對溼度40%-90%，空氣流動速率0.01111/8-0.2111/8。鼓風乾燥箱設定溫度為 80-1KTC，保溫時間為3-10小時。通過上述乾燥步驟對凝膠注模成型後的碳化矽陶瓷坯體 進行乾燥，具有可操作性好、工藝過程穩定等優點，能夠實現低成本、低應力、無缺陷凝膠注 模成型碳化矽坯體的乾燥。
[0058] 4)對所述陶瓷素坯進行數控加工，加工成設定形狀的陶瓷預製體。
[0059] 其中，該步驟的設定形狀為最終所需得到陶瓷製品的形狀及結構。
[0060] 該步驟具體包括：41)利用三維造型軟體建立設定形狀的碳化矽陶瓷製品的實體 模型；其中，該造型軟體為CAD或3Dmax等繪圖軟體。
[0061] 42)採用CAM系統直接識別或調取所述實體模型的幾何特徵信息，並根據所述幾 何特徵信息編制加工程序，再將所述加工程序轉換為數控工具機識別的NC程序代碼；
[0062] 該步驟中的CAM系統採用CAM軟體，或MasterCAM軟體。
[0063] 43)數控工具機根據NC程序代碼對所述陶瓷素坯進行數據加工，將所述陶瓷素坯加 工成設定形狀的陶瓷預製體。
[0064] 另外，所述數控工具機的X軸進給速率、Y軸進給速率、Z軸進給速率均為0. l-500mm/ min ；
[0065] 所述數控工具機的Z軸的轉速為2000-18000r/m。
[0066] 較佳地，加工程序包括：加工刀具、刀具軌跡、刀位文件等信息。
[0067] 如圖2所示，上述步驟具體為：通過繪圖軟體建立最終所需碳化矽陶瓷製品的實 體模型，再由CAM圖形編程軟體（或者CAM編程軟體、MasrtertCAM編程軟體）從CAD系統 中直接識別、提取加工的特徵信息，作為編制加工程序（加工方法、加工刀具、切削參數等） 的依據，經過選擇合適的加工操作方式、加工工藝參數，自動生成刀具軌跡和刀位文件，再 經後置處理轉換為工具機識別的NC程序代碼，並可進行NC加工仿真（如圖2中的切削防真）， 將經過仿真後的NC程序代碼輸入到數控工具機伺服器，最後完成碳化矽陶瓷製品的數控加 工過程。
[0068] 5)將所述設定形狀的陶瓷預製體在1500-1800°C的溫度下進行燒結處理，得到碳 化矽陶瓷製品。
[0069] 將陶瓷預製體置於真空反應燒結爐中，在升溫前將爐體抽至低真空度，設定溫度 制度，使陶瓷預製體加熱到一定溫度，坯體內部三維網絡狀聚合物凝膠碳化排除，釋放陶瓷 預製體內部的殘餘應力，獲得均質高強的碳化矽陶瓷製品。
[0070] 較佳地，真空反應燒結爐加熱方式為電致加熱，加熱電極為石墨，爐內傳熱方式為 輻射傳。所述真空度為〇. 5Pa-5. 5Pa。
[0071] 較佳地，溫度制度為：加熱速率I. 0-2. (TC /min，加熱溫度為室溫至1700°C，保溫 時間為30分鐘至2小時；降溫速率約為I. (TC /min。
[0072] 綜上，上述碳化矽陶瓷製品的無模成型方法能有效提高複雜形狀碳化矽陶瓷製品 的精度。在現有技術採用模具製備碳化矽陶瓷製品時，由於碳化矽陶瓷素坯在製備過程中 存在收縮，因此使得最終獲得的陶瓷製品尺寸精度差；另外在將碳化矽陶瓷製品從模具中 取出時由於陶瓷材料同模具處於緊密結合狀態，雖然在模具表面塗有離模劑，但是不可避 免的在脫模過程中使碳化矽陶瓷製品表面粗糙，甚至對碳化矽陶瓷製品造成一定的損害， 使陶瓷部件在使用過程中存在隱患。利用本發明提供的無模成型方法可以實現高精度陶瓷 製品製備，其尺寸精度可以等同於設備精度，可以控制在0.01mm以下；另外利用本發明的 無模成型方法製備的陶瓷製品表面質量高，不存在缺陷。
[0073] 利用本發明的碳化矽陶瓷製品無模成型方法能有效降低陶瓷製品後期加工成本， 提高效率。採用現有技術製備複雜形狀陶瓷時，存在尺寸精度差的缺點，為了能夠保證後 期精細加工過程中能夠獲得滿足尺寸要求的陶瓷部件，在製備過程中陶瓷部件所留餘量偏 大，基本上在2mm以上，陶瓷材料均存在難加工的特點，這就為陶瓷材料精細加工帶來很大 難題。一方面，加工餘量大，產品加工量大，成本提高；另一方面，加工餘量大，加工過程中不 確定因素增加，加工成品率降低。利用本發明的碳化矽陶瓷製品無模成型方法，可以實現高 精度陶瓷製品的製備，所留餘量控制在〇.3mm以下，大大降低後期的加工風險以及加工成 本。
[0074] 另外，本發明實施例還提供一種碳化矽陶瓷製品，碳化矽陶瓷製品由上述任一項 的碳化矽陶瓷製品的無模成型方法製備而成。
[0075] 下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。
[0076] 以下實施例中的兩種級配碳化矽微粉F1200和F240的中位徑D50分別為3. 32 μπι 和43.32 μπι，純度均大於99. 2%。炭黑為粒徑為2um。製備過程中所用有機單體、分散劑、 引發劑、催化劑均為分析純，均由現代東方（北京）科技發展有限公司提供。
[0077] 實施例1
[0078] 製備一種如圖3所示形狀的碳化矽陶瓷製品，具體步驟如下：
[0079] 1)在室溫條件下，向431. 70g去離子水中加入43. 29g四甲基氫氧化銨，172. 06g 丙烯醯胺，12. 95gN、Ν' -亞甲基雙丙烯醯胺，79. 91g聚乙烯吡咯烷酮K30,充分溶解後得到 混合溶液；在混合溶液中加入665. 95g炭黑，1165. 40g碳化矽F1200, 2164. 32g碳化矽粉 F240,在室溫條件下機械球磨24小時後，得到原料料漿。
[0080] 2)向原料料漿中加入I. 198g引發劑過硫酸銨（APS)，I. 467g催化劑亞硫酸氫鈉 (NHS)，0. 767g緩聚劑鄰苯二酚，緩慢機械攪拌約5分鐘，使添加劑與料漿充分混合均勻，得 到陶瓷料漿。
[0081] 3)將製得的陶瓷料漿轉移至真空除氣設備中，真空度約IOPa條件下真空除氣 15min〇
[0082] 4)將真空除氣後的陶瓷料漿澆注至長方體模具中，待陶瓷料漿固化後脫模並轉移 至溫度溼度可控的乾燥空間中，控制乾燥溫度為20°C ± 2°C，相對溼度65-75 %，空氣流動 速率0. lOm/s，乾燥時間約2天後將碳化矽坯體轉移至鼓風乾燥箱中，在90°C，保溫時間為 5小時，得到OmmXOmmX 210mm陶瓷素還。
[0083] 5)利用繪圖軟體繪製出如圖3所示製品的實體模型；CAM系統直接識別或調取實 體模型的幾何特徵信息，並根據幾何特徵信息編制加工程序，再將所述加工程序轉換為數 控工具機識別的NC程序代碼；數控工具機根據NC程序代碼對陶瓷素坯進行數據加工（x、y、z軸 進給速率為120mm/min，Z軸的轉速為15000r/m)，將陶瓷素坯加工成如圖1所示的陶瓷預 制體。
[0084] 6)採用真空燒結爐對陶瓷預製體進行燒結處理，得到如圖3所示形狀的碳化矽陶 瓷製品。
[0085] 實施例2
[0086] 製備另一種如圖3所示形狀的碳化矽陶瓷製品，具體步驟如下：
[0087] 1)在室溫條件下，向431. 70g去離子水中加入43. 29g四甲基氫氧化銨，172. 06g 丙烯醯胺，12. 95gN、Ν' -亞甲基雙丙烯醯胺，79. 91g聚乙烯吡咯烷酮K30,充分溶解後得到 混合溶液；在混合溶液中加入665. 95g炭黑，1165. 40g碳化矽F1200, 2164. 32g碳化矽粉 F240,機械球磨24小時後，得到原料料漿。
[0088] 2)向原料料漿中加入I. 198g引發劑過硫酸銨（APS)，I. 467g催化劑亞硫酸氫鈉 (NHS)，0. 767g緩聚劑鄰苯二酚緩慢機械攪拌約5分鐘，使添加劑與料漿充分混合均勻，得 到陶瓷料漿。
[0089] 3)將製得的陶瓷料漿轉移至真空除氣設備中，真空度約IOPa條件下真空除氣 15min〇
[0090] 4)將真空除氣後的陶瓷料漿澆注至長方體模具中，待陶瓷料漿固化後脫模並轉移 至溫度溼度可控的乾燥空間中，控制乾燥溫度為20°C ± 2°C，相對溼度65-75 %，空氣流動 速率0. lOm/s，乾燥時間約2天後將碳化矽坯體轉移至鼓風乾燥箱中，在90°C，保溫時間為 5小時，得到OmmXOmmX 210mm陶瓷素還。
[0091] 5)利用繪圖軟體繪製出如圖3所示製品的實體模型；CAM系統直接識別或調取實 體模型的幾何特徵信息，並根據幾何特徵信息編制加工程序，再將所述加工程序轉換為數 控工具機識別的NC程序代碼；數控工具機根據NC程序代碼對陶瓷素坯進行數據加工（x、y、z軸 進給速率為120mm/min，Z軸的轉速為6000r/m)，將陶瓷素坯加工成如圖3所示的陶瓷預製 體。
[0092] 6)採用真空燒結爐對陶瓷預製體進行燒結處理，得到如圖1所示形狀的碳化矽陶 瓷製品。
[0093] 實施例3
[0094] 製備一種如圖4所示形狀的碳化矽陶瓷製品，具體步驟如下：
[0095] 1)在室溫條件下，向431. 70g去離子水中加入43. 29g四甲基氫氧化銨，172. 06g 丙烯醯胺，12. 95gN、Ν' -亞甲基雙丙烯醯胺，79. 91g聚乙烯吡咯烷酮K30,充分溶解後得到 混合溶液；在混合溶液中加入665. 95g炭黑，1165. 40g碳化矽F1200, 2164. 32g碳化矽粉 F240,機械球磨24小時後，得到原料料漿。
[0096] 2)向原料料漿中加入I. 198g引發劑過硫酸銨（APS)，I. 467g催化劑亞硫酸氫鈉 (NHS)，0. 767g緩聚劑鄰苯二酚，緩慢機械攪拌約5分鐘，使添加劑與料漿充分混合均勻，得 到陶瓷料漿。
[0097] 3)將製得的陶瓷料漿轉移至真空除氣設備中，真空度約IOPa條件下真空除氣 15min〇
[0098] 4)將真空除氣後的陶瓷料漿澆注至長方體模具中，待陶瓷料漿固化後脫模並轉移 至溫度溼度可控的乾燥空間中，控制乾燥溫度為20°C ± 2°C，相對溼度65-75 %，空氣流動 速率0. lOm/s，乾燥時間約2天後將碳化矽坯體轉移至鼓風乾燥箱中，在90°C，保溫時間為 5小時，得到50_X 50_X 50_陶瓷素還。
[0099] 5)利用CAD繪圖軟體繪製出如圖4所示製品的實體模型；CAM系統直接識別或調 取實體模型的幾何特徵信息，並根據幾何特徵信息編制加工程序，再將所述加工程序轉換 為數控工具機識別的NC程序代碼；數控工具機根據NC程序代碼對陶瓷素坯進行數據加工（X、 y、z軸進給速率為60mm/min，Z軸的轉速為15000r/m)，將陶瓷素坯加工成如圖1所示的陶 瓷預製體。
[0100] 6)採用真空燒結爐對陶瓷預製體進行燒結處理，得到如圖4所示形狀的碳化矽陶 瓷製品。
[0101] 採用三點彎曲強度法測定出實施例1-實施例3中製備的碳化矽陶瓷素坯的彎曲 強度，測定結果如表1所示。

【權利要求】
1. 一種碳化矽陶瓷製品的無模成型方法，其特徵在於，包括如下步驟： 將製備碳化矽陶瓷製品的原料混合球磨，製得原料料漿；其中，所述製備陶瓷製品的原 料包括碳化矽、炭黑、分散劑、有機單體及水，且所述原料料漿中的固相含量為58-68vol% ; 將引發體系加入至所述原料料漿中，混合均勻，得到陶瓷料漿；其中，所述引發體系包 括引發劑和催化劑，所述引發劑的加入量為所述原料料漿質量的〇. 01-0. 05%，所述催化劑 的加入量與所述引發劑加入量之比為〇. 5-2 ; 對所述陶瓷料漿依次進行真空除氣處理、注模成型、脫模乾燥，製得陶瓷素坯； 對所述陶瓷素坯進行數控加工，加工成設定形狀的陶瓷預製體； 將所述設定形狀的陶瓷預製體在1500-1800°C的溫度下進行燒結處理，得到碳化矽陶 瓷製品。
2. 根據權利要求1所述碳化矽陶瓷製品的製備方法，其特徵在於， 所述碳化矽的平均粒徑為3-50 ym ;且所述碳化矽的加入量為所述原料料漿中固相體 積的 85-98vol% ; 所述炭黑的平均粒徑為3-20 ym ;且所述炭黑的加入量為所述原料料漿中固相體積的 2-15vol%〇
3. 根據權利要求2所述的碳化矽陶瓷製品的製備方法，其特徵在於，所述分散劑為四 甲基氫氧化銨和聚乙烯吡咯烷酮K30的混合物； 所述四甲基氫氧化銨的質量為所述碳化矽質量的〇. 5-2. 0% ; 所述聚乙烯吡咯烷酮K30的質量為所述炭黑質量的5. 0-15. 0%。
4. 根據權利要求3所述的碳化矽陶瓷製品的製備方法，其特徵在於，所述有機單體為 丙烯醯胺和N、N' -亞甲基雙丙烯醯胺的混合物； 所述丙烯醯胺與所述水的體積比為20-30:100 ; 所述N、N' -亞甲基雙丙烯醯胺為所述丙烯醯胺和N、N' -亞甲基雙丙烯醯胺總質量的 10-20 %〇
5. 根據權利要求1所述的碳化矽陶瓷製品的製備方法，其特徵在於，所述引發劑為過 硫酸銨；所述催化劑為亞硫酸氫鈉。
6. 根據權利要求1所述的碳化矽陶瓷製品的製備方法，其特徵在於，所述引發體系還 包括緩聚劑； 所述緩聚劑為鄰苯二酚，且所述鄰苯二酚的加入量為原料料漿質量的〇. 02-0. 40wt%。
7. 根據權利要求1所述的碳化矽陶瓷製品的製備方法，其特徵在於， 利用三維造型軟體建立設定形狀的碳化矽陶瓷製品的實體模型； 採用CAM系統直接識別或調取所述實體模型的幾何特徵信息，並根據所述幾何特徵信 息編制加工程序，再將所述加工程序轉換為數控工具機識別的NC程序代碼； 數控工具機根據NC程序代碼對所述陶瓷素坯進行數據加工，將所述陶瓷素坯加工成設 定形狀的陶瓷預製體。
8. 根據權利要求7所述的碳化矽陶瓷製品的製備方法，其特徵在於，所述數控工具機的X 軸進給速率、Y軸進給速率、Z軸進給速率均為0. l-500mm/min ; 所述數控工具機的Z軸的轉速為2000-18000r/m。
9. 根據權利要求7所述的碳化矽陶瓷製品的製備方法，其特徵在於，將所述加工成設 定形狀的陶瓷預製體放置在真空燒結爐中，在1500-1800°C下進行燒結處理，得到碳化矽陶 瓷製品。
10. -種碳化矽陶瓷製品，其特徵在於，所述碳化矽陶瓷製品由權利要求1-8任一項所 述的碳化矽陶瓷製品的無模成型方法製備而成。
【文檔編號】C04B35/565GK104496479SQ201410746533
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月8日 優先權日:2014年12月8日
【發明者】劉海林, 霍豔麗, 王春朋, 陳曙光 申請人:中國建築材料科學研究總院