專利名稱：制備陶瓷生坯的方法
技術領域：
本發明涉及一種制備陶瓷生坯的方法。
背景技術：
根據已知的制備陶瓷生坯的方法，將含有陶瓷粉末、分散介質和膠凝劑的陶瓷漿在模具中進行制模，并將所得到的制模產品從模具中脫模出來，從而獲得陶瓷生坯。這種制備方法是所謂的凝膠澆注法。傳統上，已提出通過凝膠澆注制備實心陶瓷生坯的方法(例如在日本專利申請公開(kokai)號H01-261251中)。而且，已提出通過凝膠澆注制備空心陶瓷生坯或在其中具有空腔的陶瓷生坯的方法(例如在日本專利申請公開(kokai)號2002-216626中)。
在上述專利文獻中提出的制備陶瓷生坯的方法為凝膠澆注法，所述凝膠澆注法使用特定的陶瓷漿作為制模陶瓷漿，并且適于制備在高的尺寸精度下具有復雜形狀或結構的陶瓷生坯。
根據通過凝膠澆注制備陶瓷生坯的方法，可在高的尺寸精度下制備具有復雜形狀或結構的陶瓷生坯。但是，即使在這種陶瓷生坯中，不允許存在輕微損壞，如裂縫。存在對陶瓷生坯的即使輕微的損壞對陶瓷生坯的機械強度和熱強度也有不利影響。具體地說，當將陶瓷生坯燒制成燒結制品時，即使是上述輕微損壞也可在燒制過程中導致生坯破裂，可能導致難以由陶瓷生坯制備燒結制品。
對陶瓷生坯產生輕微損壞如裂縫的原因是在制模過程中陶瓷生坯的收縮或陶瓷生坯從模具上不光滑脫模。上述專利文獻中所提出的制備陶瓷生坯的方法未給出排除上述因素的任何方案。
具體地說，形成空心陶瓷生坯的模具包括由不可熔材料形成的外模和由可熔材料形成的模芯。模芯包含在外模中以便在模芯與外模之間形成預定空腔。生坯以在其中含有模芯的方式在模具中形成。因此，生坯必須從外模和模芯中脫模。
為了促進生坯從模芯中脫模，模芯由易于在低溫下熔融的蠟形成。在從模芯中取出生坯的過程中，使包含于生坯中的模芯熱熔融。熔融的模芯從生坯的內部排出。上述脫模過程可能包括以下問題當使模芯熱熔融時，熱膨脹力作用于生坯并導致產生對生坯的損壞，如裂縫。
發明內容
本發明的目的是在通過凝膠注模制備陶瓷生坯的過程中防止產生對生坯的細微損壞，如裂縫。本發明的主要目的是通過實施生坯從模具中無阻力、光滑的脫模，防止在生坯從模具中脫模出來的過程中產生對生坯的損壞，所述生坯在制模的過程中輕微收縮，在制模過程中未受到由其收縮以及將其從模具中脫模的困難所導致的損壞，如裂縫。
本發明涉及一種制備陶瓷生坯的方法。根據本發明制備陶瓷生坯的第一種方法是一種通過使陶瓷漿在模具中制模，并將所得到的實心生坯從模具中脫模出來的步驟制備實心陶瓷生坯，所述陶瓷漿含有陶瓷粉末、分散介質和膠凝劑。該方法的特征在于，在將實心生坯從模具中脫模出來的過程中，將模具中的實心生坯加熱以使包含于實心生坯中的溶劑轉移到實心生坯的外部，隨后將實心生坯從模具中脫模出來。
根據本發明制備陶瓷生坯的第二種方法為一種通過將陶瓷漿在模具中制模，并將所得到的空心生坯從模具中脫模出來的步驟制備空心陶瓷生坯的方法，所述陶瓷漿含有陶瓷粉末、分散介質和膠凝劑。
在根據本發明的第二種制備方法中，模具包括由不可熔材料形成的外模和模芯。所述模芯由可熔材料形成并且包含在外模中以便在模芯與外模之間形成預定空腔。將陶瓷漿注入到在模具中形成的空腔中，從而形成在其中具有空腔的空心生坯。該方法的特征在于，在將空心生坯從外模中脫模出來時，將外模中的空心生坯加熱以使包含于空心生坯中的溶劑轉移到空心生坯的外部，隨后將空心生坯從外模中脫模出來。
在根據本發明的第二種制備方法中，模具的模芯可由可熱熔材料形成。在這種情況下，在將空心生坯從外模中脫模出來的過程中，將模具中的空心生坯加熱以使包含于空心生坯中的溶劑移動到空心生坯的外部，并且使存在于空心生坯中的模芯熔融并將其從空心生坯中排出。隨后，將空心生坯從外模中脫模出來。
優選地，在根據本發明的制備陶瓷生坯的方法中，形成陶瓷生坯所用的陶瓷漿使得模具中的生坯顯示出5％或更少的收縮率，以體積計(此后稱作“體積收縮率”)。
在根據本發明的制備陶瓷生坯的方法中，在將生坯從模具中脫模出來的過程中，將模具中的生坯加熱。加熱生坯導致存在于生坯的孔中的溶劑膨脹并移動到生坯的外部。移出的溶劑在生坯的外表面與模具的內表面之間形成溶劑膜。因此，由于溶劑膜的作用，生坯可從模具中以無阻力的方式脫模出來，從而防止發生對生坯的損壞，否則將由于生坯從模具中脫模時產生的阻力而損壞。
根據本發明的第一種制備方法中的脫模過程，由于在模具中沒有收縮或非常輕微的收縮，使得實心生坯從模具中脫模出來，而不發生對生坯的損壞，如裂縫。因此，生坯沒有任何損壞，如裂縫，以致于可制備具有高的機械強度和熱強度的陶瓷生坯，上述損壞同樣由模具中生坯的收縮產生。因為類似的原因，根據本發明的第二種制備方法中的脫模過程是從外模脫模空心陶瓷生坯的最佳過程。
在根據本發明的第二種制備方法中，從模芯中脫模空心生坯的方法可以是這樣的存在于空心生坯中的模芯以熔融狀態從生坯的內部排出。在這種情況下，在生坯存在于外模的同時實施脫模過程。當通過施加熱量使之熔融時，模芯熱膨脹，且空腔中伴隨產生的熱膨脹力作用于空心生坯。如果已將空心生坯從外模中脫模出來，則受力的空心生坯將更易于損壞。
但是，在根據本發明的第二種制備方法中，當空心生坯存在于外模中時，將模芯通過施加熱量熔融并以熔融方式排出。因此，由熱膨脹產生的力經空心生坯由外模的內表面承受，從而抑制發生對空心生坯的損壞，否則將由于施加的力而形成損壞。
此外，根據本發明的第二種制備方法中的脫模過程，當將模具中的空心生坯加熱時，所包含的溶劑不僅移動到空心生坯的外部，而且移動到朝向空心生坯的空腔的一側，以便在空心生坯的內表面與模芯的外表面之間也形成溶劑膜。在模芯熔融時，溶劑膜限制了熔融物質如熔融蠟進入空心生坯的孔中。當將如此形成的空心生坯進行煅燒時，所得到的產品沒有損壞，如破裂，否則，在煅燒過程中先前在熔融狀態進入孔中的物質將引起損壞。
優選在根據本發明的制備方法中，在模具中存在對生坯的可抑制的損壞，如裂縫，所述損壞由生坯的收縮產生。為了抑制這種損壞，生坯優選顯示5％或更少的體積收縮率。
所述生坯可通過選擇適合的陶瓷漿制備。包含于陶瓷漿中的溶劑具有的體積膨脹系數為0.50×10-3/K～2.0×10-3/K，優選1.00×10-3/K～1.50×10-3/K，更優選1.20×10-3/K～1.45×10-3/K。當所選溶劑具有低的體積膨脹系數，陶瓷漿不能產生預期效果。當所選溶劑具有高的體積膨脹系數，溶劑過量地進入模具與生坯之間的間隙。結果，間隙中的溶劑施加到生坯上的壓力變得過高，可能導致生坯破裂。
圖1為表示根據本發明制備空心陶瓷生坯和通過使用空心陶瓷生坯作為前體制備發光管的一般制備過程的流程圖。
圖2為表示根據本發明制備實心陶瓷生坯和通過使用實心陶瓷生坯作為前體制備容器的一般制備過程的流程圖。
圖3(a)到3(c)為表示根據本發明在使用制備空心陶瓷生坯的方法的實驗制備中制備步驟的示意圖。
圖4(a)為表示在實驗制備中以熔融狀態排出蠟模制的坯體的步驟的示意圖，且圖4(b)為表示從模具中脫模出來的空心陶瓷生坯的示意圖。
具體實施例方式
根據本發明制備陶瓷生坯的第一種方法是一種通過使陶瓷漿在模具中制模并將所得到的實心生坯從模具中脫模出來，從而獲得實心陶瓷生坯的步驟制備實心陶瓷生坯的方法，所述陶瓷漿含有陶瓷粉末、分散介質和膠凝劑。所述制備方法的特征在于利用以下脫模過程在生坯從模具中脫模出來的過程中，將模具中的實心生坯加熱以使包含于實心生坯中的溶劑移動到實心生坯的外部，隨后將實心生坯從模具中脫模出來。
根據本發明制備陶瓷生坯的第二種方法為一種通過將陶瓷漿在模具中制模并將所得到的空心生坯從模具中脫模出來，從而獲得空心陶瓷生坯的步驟制備空心陶瓷生坯的方法，所述漿含有陶瓷粉末、分散介質和膠凝劑。在制備方法中所使用的模具包括由不可熔材料形成的外模和模芯。所述模芯由可熔材料形成并且包含在外模中以便在模芯與外模之間形成預定空腔。將陶瓷漿注入到在模具中內形成的空腔中，從而形成在其中具有空腔的空心生坯。
該制備方法的特征在于，在空心生坯從模具中脫模出來的過程中，將外模中的空心生坯加熱以使包含于空心生坯中的溶劑移動到空心生坯的外部，隨后將空心生坯從外模中脫模出來。
根據圖1中所示的制備過程，體現了根據本發明的制備空心陶瓷生坯的方法。根據圖2中所示的制備過程，體現了根據本發明的制備實心陶瓷生坯的方法。
在所述制備方法中，選擇使模具中的生坯顯示出5％或更少的體積收縮率的陶瓷漿作為模制漿。因此，在通過制模制備陶瓷生坯的過程中，在模具中未產生對生坯的損壞，如裂縫，否則，生坯收縮將引起損壞。
如果不進行適當的測量，具有所述低體積收縮率的生坯將顯示出從模具脫模的高阻力并易于損壞。因此，該制備方法利用使生坯從模具中光滑脫模從而抑制對生坯的損壞的脫模過程。
根據本發明制備空心陶瓷生坯的第二種制備方法在從模芯中脫模空心陶瓷生坯方面包含很大難度，以致于從模芯中脫模空心陶瓷生坯而不引起對空心陶瓷生坯的損壞很不容易。為了易于脫模操作，第二種制備方法利用以下脫模過程用在低溫下熔融的蠟模制成模芯，并通過施加熱量使包含于空心陶瓷生坯中的模芯熔融并以熔融方式將其從空心陶瓷生坯的內部排出。
在根據本發明的第二種制備方法中，在空心陶瓷生坯從外模中脫模出來的過程中，將外模中的空心陶瓷生坯加熱以使包含于空心陶瓷生坯中的溶劑移動到空心陶瓷生坯的外部，隨后通過施加熱量使存在于空心陶瓷生坯中的模芯熔融并以熔融狀態從空心陶瓷生坯中排出。接著，將空心陶瓷生坯從外模中脫模出來。
(陶瓷漿)在根據本發明的制備方法中使用的優選陶瓷漿含有用作起始原料的陶瓷粉末、分散介質和膠凝劑作為主要成分。優選地，所選的陶瓷漿使得模具中的生坯顯示出5％或更少的體積收縮率。為了獲得所述陶瓷漿，在制備陶瓷漿的過程中，需要適當地選擇適于所述組分的溶劑。所選擇的溶劑具有的體積膨脹系數為0.50×10-3/K～2.0×10-3/K，優選1.00×10-3/K～1.50×10-3/K，更優選1.20×10-3/K～1.45×10-3/K。
陶瓷粉末的實例包括玻璃、氧化鋁、氮化硅、碳化硅、氮化鋁、氧化鋯和硅鋁氧氮陶瓷的粉末。這些粉末可單獨使用或組合使用。對陶瓷粉末的粒徑并不特別限定，只要由此可制備陶瓷漿。可根據制備的目標生坯適當選擇粒徑。
每個分散介質和膠凝劑均含有具有反應性官能團的有機化合物，并且各自用作分散介質或膠凝劑的有機化合物可彼此反應。因此，含有分散介質和膠凝劑的陶瓷漿可高效硬化。因此，即使在向陶瓷漿加入少量膠凝劑時也可獲得令人滿意的硬化特性。此外，由于陶瓷漿僅含有少量膠凝劑，因此漿可保持具有低粘度，即高流動性。
上述“反應性官能團”指的是能夠與其它組分化學反應的原子或分子基團，且反應性官能團的實例包括羥基、羰基、羧基、氨基、下述酯鍵中包括的羰基和甲氧基。
在各種具有反應性官能團的有機化合物中，用作分散介質的有機化合物優選為酯或具有低粘度，即在20℃下為20cps或更低的液體物質的類似化合物。其中，特別優選具有20或更少個總碳原子的酯。更優選具有CH3-O-CO-作為酯鍵的酯。盡管酯相對穩定，可通過使用高反應性膠凝劑提高陶瓷漿的反應性。
用作分散介質的有機化合物可具有單一的反應性官能團。但是，優選具有兩個或多個反應性官能團的有機化合物，因為這種化合物表現出較高的凝膠化能力并且使陶瓷漿充分硬化。具有兩個或多個反應性官能團的有機化合物的實例包括多元醇，例如二醇(如，乙二醇)和三醇(如，甘油)、多元羧酸，例如二元羧酸、多元酸酯(如，戊二酸二甲酯和丙二酸二甲酯)和酯，如多元醇酯(如，三乙酸甘油酯)。
為了在高反應程度下使陶瓷漿充分硬化并且為了在硬化之前保持陶瓷漿的高流動性，從而形成高精度的高密度生坯，用作陶瓷漿的分散介質的有機化合物優選為具有兩個或多個酯鍵的酯，如多元酸酯(如，戊二酸二甲酯)和多元醇的酸酯(如，三乙酸甘油酯)。
包含于一個分子的用作分散介質的有機化合物中的反應性官能團可彼此相同或不同。但是，有機化合物優選含有至少一個酯鍵，如上所述。分散介質不必僅由具有官能團的有機化合物形成，并且可另外含有非反應性組分。
本發明中可以使用的非反應性組分的實例包括醚、烴和甲苯。考慮到非反應性組分與用作分散介質的含有反應性官能團的有機化合物或與下述分散劑的相容性和其它化學特性，可對非反應性組分進行選擇。例如，當用作分散介質的含有反應性官能團的有機化合物為酯時，考慮到相容性或其它特性，分散介質優選含有醚。即使在使用有機化合物作為非反應性組分時，為了確保與膠凝劑充分反應，也優選含有相對于總的分散介質，用量為60％質量或更多的含有反應性官能團的有機化合物。更優選上述用量為85％質量或更多。
包含于陶瓷漿中的膠凝劑含有具有反應性官能團的有機化合物，所述化合物與用作分散介質且具有反應性官能團的含有反應性官能團的有機化合物反應，從而使陶瓷漿硬化。對用作膠凝劑的有機化合物并不特別限定，只要該有機化合物在其分子中具有能夠與用作分散介質的有機化合物化學反應的反應性官能團。用作膠凝劑的有機化合物的實例包括單體、低聚物和預聚物(通過加入交聯劑彼此另外三維交聯的物質)。具體實例包括聚乙烯醇、環氧樹脂和酚醛樹脂。
但是，考慮到保持陶瓷漿的流動性，用作膠凝劑的有機化合物優選為具有低粘度，即在20℃下30cps或更低的液體物質。具有低粘度的有機化合物優選為分子量少于聚合物或預聚物的分子量的化合物，特別是單體或平均分子量(通過GPC測定)為2,000MW或更少的低聚物。如本文所用，粘度指的是處于未稀釋狀態的有機化合物的粘度，而不是有機化合物的水溶液或其它稀釋溶液的粘度。
膠凝劑可以為含有反應性官能團的有機化合物在稀釋劑中的溶液或分散體。但是，當反應本身包含的有機化合物具有低粘度時，優選使用未稀釋的有機化合物，因為可獲得高反應效率。當采用稀釋劑使化合物稀釋時，優選僅以獲得稀釋溶液的預期粘度所需的最小量使用稀釋劑。
用作膠凝劑的有機化合物優選選自那些就與用作分散介質的有機化合物的反應性而言具有適合的反應性官能團的化合物。例如，當用作分散介質的有機化合物為具有較低活性的酯時，優選用作膠凝劑的有機化合物選自具有異氰酸酯基團(-N＝C＝O)和/或異硫氰酸酯基團(-N＝C＝S)的有機化合物，上述基團是高活性的。
通常，與異氰酸酯化合物反應的化合物為二醇或二胺。應該注意，許多二醇具有高粘度，并且二胺顯示出高活性，這可能導致陶瓷漿在注入模具之前硬化。具有異氰酸酯基團(-N＝C＝O)和/或異硫氰酸酯基團(-N＝C＝S)的有機化合物包括具有由下式(1)-(5)的任一個表示的主要化學結構的化學物質。
OCN-(CH2)6-NCO …(2) or R-N＝C＝S …(5)具有由式(1)表示的主要化學結構的化學物質包括基于4，4’-二苯基甲烷二異氰酸酯的異氰酸酯(樹脂)(基于MDI的異氰酸酯)；具有由式(2)表示的主要化學結構的化學物質包括基于己二異氰酸酯的異氰酸酯(樹脂)(基于HDI的異氰酸酯)；具有由式(3)表示的主要化學結構的化學物質包括基于甲苯基二異氰酸酯的異氰酸酯(樹脂)(基于TDI的異氰酸酯)；具有由式(4)表示的主要化學結構的化學物質包括基于異氟爾酮二異氰酸酯的異氰酸酯(樹脂)(基于IPDI的異氰酸酯)和具有由式(5)表示的主要化學結構的化學物質包括異硫氰酸酯(樹脂)。
具有由式(2)表示的主要化學結構的基于HDI的異氰酸酯(樹脂)的實例包括具有由下式(6)-(8)的任一個表示的主要化學結構的二聚物或三聚物。
在這些化合物中，用作膠凝劑的有機化合物優選為基于MDI的異氰酸酯(樹脂)或基于HDI的異氰酸酯(樹脂)，更優選為基于MDI的異氰酸酯(樹脂)。當膠凝劑含有這些異氰酸酯(樹脂)化合物的任一種時，通過使用膠凝劑生產的生坯具有改善的硬度，并且即使在生坯具有小的厚度時也可抑制裂縫的發生。另外，抑制了干燥期間生坯的收縮，從而抑制了在干燥生坯期間發生裂縫和變形。此外，在形成生坯的過程中漿以較高的速度硬化，從而縮短了制模過程所需的時間。
用作膠凝劑的有機化合物在上述主要化學結構中具有另外的反應性官能團，考慮到與分散介質或其它化合物的相容性和其它化學特性，對上述另外的反應性官能團進行選擇。例如，當使用含有酯的分散介質作為主要組分時，優選將親水官能團引入膠凝劑的主要的化學結構，以便促進膠凝劑與酯的相容性并獲得均勻的漿。用作膠凝劑的有機化合物可在其分子中含有除了異氰酸酯基團之外和除了異硫氰酸酯之外的反應性官能團。有機化合物可具有異氰酸酯基團和異硫氰酸酯基團，或具有多個異氰酸酯基團(如，多異氰酸酯)或多個異硫氰酸酯基團。
包含于陶瓷漿中的膠凝劑顯著影響生坯在模具中的收縮。由含有通過具有由以上式(1)或(2)表示的結構的化合物形成的膠凝劑的陶瓷漿生產的生坯具有小的體積收縮率。由含有通過具有由以上式(3)-(5)的任一個表示的結構的化合物形成的膠凝劑的陶瓷漿生產的生坯具有第二小的體積收縮率。由含有通過具有由以上式(6)-(8)的任一個表示的結構的化合物形成的膠凝劑的陶瓷漿生產的生坯具有較大的體積收縮率。因此，優選由具有由以上式(1)或(2)表示的結構的化合物形成的膠凝劑，以確保生產未遭受損壞，如裂縫的生坯，否則，生坯在模具中的收縮將引起損壞。
理想地，陶瓷漿在注入模具的過程中不硬化，但在注入之后在模具中快速硬化。因此，優選考慮到注入之前漿的溫度、反應性分散介質的類型或含量、膠凝劑的類型或含量、或凝膠化反應中使用的催化劑的存在與否、類型或用量，制備陶瓷漿。陶瓷漿可通過將用作起始物料的陶瓷粉末分散在分散介質中，然后將膠凝劑分散到所得到的分散體中制備。任選地，陶瓷漿可通過同時將陶瓷粉末和膠凝劑分散在分散介質中制備。
考慮到在注入模具的過程中陶瓷漿的可操作性，陶瓷漿的粘度優選為300cps或更少，更優選200cps或更少，如在20℃下所測。當在未向微小空腔施加另外的壓力將陶瓷漿注入形成空心陶瓷生坯時，漿的粘度優選為5cps或更少，如在20℃下所測。
但是，僅具有低漿濃度(即，起始陶瓷粉末在整個漿中的百分率(體積％))的漿生產具有低密度，即導致在生坯的干燥或燒制過程中易于發生裂縫或變形的低強度，的陶瓷生坯。因此，漿濃度優選為25％體積～75％體積，更優選35％體積～75％體積。漿粘度可通過，例如漿濃度、反應性分散介質或膠凝劑的粘度、陶瓷粉末的類型或如果需要的話，所加入的其它添加劑的用量進行調節。
(模具)根據本發明制備實心陶瓷生坯的方法使用通用的拼合式金屬模具。在模具中，兩半模具的內表面非常光滑，內表面限定了空腔。
根據本發明制備空心陶瓷生坯的方法使用包括拼合式外模和模芯的模具，所述模芯置于外模內并適于限定在模芯與外模的內表面之間的空腔。部分限定空腔的外模的內表面非常光滑。部分限定空腔的模芯的外表面非常光滑。模具的實例示于圖3和4。
(空心陶瓷坯體用模具)圖3表示根據本發明制備空心陶瓷生坯的方法的實施方案。圖3表示本實施方案中所使用的將空心陶瓷生坯從模芯中脫模出來的脫模過程。本實施方案中所用的模具10包括模芯12和拼合式外模11，而拼合式外模包括一對模子11a和11b。外模11的拼合模11a和11b由不銹鋼制造。模芯12包括蠟模制的坯體12a和銷12b。
通過使用模具10，空心陶瓷生坯20形成如下通過外模的注射口1 1c將陶瓷漿注入空腔13中，所述空腔由外模11的內表面和模芯12的外表面限定；并使注入的陶瓷漿形成膠體和硬化。通過將外模11分開，將空心陶瓷生坯20從外模11的拼合模11a和11b中脫模出來。在脫模操作的過程中，將模芯12的蠟模制的坯體12a以熱熔融的狀態從空心陶瓷生坯20的內部排出。
(模芯)形成空心生坯用模具10的模芯12適于與外模11配合形成空心陶瓷生坯的空腔。模芯12為包括蠟模制的坯體12a和銷12b的單元。蠟模制的坯體12a的幾何形狀與空心陶瓷生坯的空腔的幾何形狀相符。根據模芯12的實施方案，銷12b貫穿蠟模制的坯體12a的中心部分。
優選用于形成模芯12的蠟模制的坯體12a的蠟具有的熔點為30℃-80℃，在熔融狀態下所測的粘度為10cps或更少，且與熔融物與固體之間的相轉移有關的體積變化率為5％或更少。如圖3所示，模芯12的銷12b可以貫穿蠟模制的坯體12a的方式連接到蠟模制的坯體12a上。任選地，銷12b可以釘入蠟模制的坯體12a的方式連接到蠟模制的坯體12a上。銷12b可以是實心銷或管式銷或空心銷。
(制備方法)根據本發明的第一種方法是一種制備實心陶瓷生坯的方法。根據本發明的第二種方法是一種制備空心陶瓷生坯的方法。所述制備方法為凝膠澆注法并且使用上述有關的陶瓷漿和模具。制備方法的特征特別在于從模具中脫模生坯的過程。圖1為表示在制備空心陶瓷生坯的一般方法中的制備步驟的流程圖，且圖2為表示在制備實心陶瓷生坯的一般方法中制備步驟的流程圖。
根據圖1和2中所示的制備過程，空心陶瓷生坯或實心陶瓷生坯通過使用陶瓷漿形成，并且將用作前體的所形成的空心或實心陶瓷生坯燒制，從而制備燒結制品；特別是空心或實心陶瓷部件。
制備空心陶瓷生坯可制備發光管(空心陶瓷部件)，所述發光管為通過燒制空心陶瓷生坯獲得的燒結體。空心陶瓷部件由用作其前體的空心陶瓷生坯形成，并且為例如用在高壓放電燈中的發光管。制備實心陶瓷生坯可制備例如具有結構單一的的碗狀形狀的實心陶瓷生坯，其向上開口并用于制備各種碗狀實心陶瓷部件，所述碗狀實心陶瓷部件為通過燒制碗狀實心陶瓷生坯獲得的燒結體。實心陶瓷部件為由用作其前體的實心陶瓷生坯形成的各種碗狀容器。
圖1表示制備過程，其包括以下制備步驟制備陶瓷漿以將其制模、制備空心陶瓷生坯和由用作其前體的空心陶瓷生坯制備發光管。這些制備步驟是在根據本發明的制備方法中所包括的一般的制備步驟。一般的制備步驟為制模-漿制備步驟、空心陶瓷生坯形成步驟、空心陶瓷生坯脫模步驟和空心陶瓷生坯煅燒和燒制步驟。發光管通過這些步驟制備。
制模-漿制備步驟用于制備用于形成空心陶瓷生坯的陶瓷漿。在制模-漿制備步驟中，將陶瓷粉末、分散介質和分散劑混和從而制備漿。將所制備的漿磨碎。隨后，將膠凝劑、反應用催化劑等等加入到磨碎的漿中從而獲得最終制備的漿。在注入模具之前使漿消泡。
在制模-漿制備步驟中的磨碎通過使用瓷罐球磨機、球磨機等等進行。通過使用尼龍球，在溫度為15℃-35℃下進行磨碎96小時，優選120小時或更多。為了使漿消泡，將漿在攪拌速度為100rpm～500rpm，優選250rpm～400rpm下，在真空為-0.090MPa或更少，優選-0.095MPa或更少下攪拌2分鐘～30分鐘，優選15分鐘～25分鐘。
形成空心陶瓷生坯的模具包括兩個拼合式金屬外模(主模具)和模芯，所述模芯為包括蠟模制的坯體和銷的單元。模芯包括蠟模制的坯體和金屬銷，所述蠟模制的坯體的外部幾何形狀與空心陶瓷生坯的主要部分的內部幾何形狀相符，所述金屬銷的外部幾何形狀與空心陶瓷生坯的空管部分的內部幾何形狀相符并且以能從蠟模制的坯體伸出的方式連接到蠟模制的坯體上。
空心陶瓷生坯形成步驟使用了凝膠澆注法。將所制備的陶瓷漿注入在外模與模芯之間形成的空腔中。使所注入的陶瓷漿在溫度為5℃～50℃，優選15℃～40℃下保持若干小時。模具中的陶瓷漿凝膠化和硬化變成空心陶瓷生坯。
空心陶瓷生坯脫模步驟用于將模具中的空心陶瓷生坯從外模和從模芯中脫模出來。
空心陶瓷生坯脫模如下。在將模芯的銷從模芯的蠟模制的坯體中取出的情況下，將模具和在其中所包含的空心陶瓷生坯置于烘箱內。將烘箱內的溫度設定在等于或低于蠟模制的坯體的熔融溫度的溫度，如設定在60℃或更低。將烘箱保持在設定溫度下10分鐘或更多。
這導致存在于空心陶瓷生坯的孔中的有機溶劑熱膨脹，以便使有機溶劑移動到空心陶瓷生坯的外部和朝向空心陶瓷生坯的空腔的一側。移出的有機溶劑在空心陶瓷生坯的外表面與外模的內表面之間和空心陶瓷生坯的內表面與模芯的外表面之間形成溶劑膜。
接著，將烘箱內的溫度設定到例如65℃～120℃，優選80℃～100℃。使烘箱在設定溫度下保持10分鐘或更多以使空心陶瓷生坯內的蠟模制的坯體熔融并從空心陶瓷生坯排出熔融的蠟。隨后，將外模和在其中所包含的空心陶瓷生坯從烘箱中取出。使外模分離以從其中取出空心陶瓷生坯。
根據上述脫模過程，將存在于空心陶瓷生坯內的模芯的蠟模制的坯體以熔融狀態從空心陶瓷生坯的內部排出。從而將空心陶瓷生坯從模芯中脫模出來。在空心陶瓷生坯存在于外模中時，使蠟模制的坯體熔融并將其從空心陶瓷生坯的內部排出。當使模芯的蠟模制的坯體熔融時，熔融的蠟熱膨脹，并且產生的熱膨脹力在空腔內作用于空心陶瓷生坯。如果已將空心陶瓷生坯從外模中脫模出來，則承受所述力的空心陶瓷生坯將非常易于受損。但是，在本發明的實施方案中，在空心陶瓷生坯存在于外模中時，使蠟模制的坯體熔融并將其排出。因此，上述熱膨脹力通過空心陶瓷生坯由外模承受，從而抑制發生對空心陶瓷生坯的損壞，否則，施加的力可能導致損壞。
當將存在于空心陶瓷生坯內的模芯的蠟模制的坯體以熔融狀態排出時，溶劑膜介入到空心陶瓷生坯的內表面與蠟模制的坯體的外表面之間。當使蠟模制的坯體熔融時，溶劑膜抑制了熔融的蠟進入到空心陶瓷生坯的孔中。當將空心陶瓷生坯進行燒制時，可抑制發生損壞，如破裂，否則，這種損壞可由在燒制期間先前以熔融狀態進入孔中的蠟而產生。
接著，在脫模步驟中，將空心陶瓷生坯從外模中脫模出來。在所述脫模操作時，溶劑膜介入到空心陶瓷生坯的外表面與外模的內表面之間。因此，通過溶劑膜的作用，空心陶瓷生坯可以無阻力的方式從外模脫模出來，從而抑制發生對空心陶瓷生坯的損壞，否則，空心陶瓷生坯從外模脫模的阻力將引起損壞。
由于空心陶瓷生坯在模具中無收縮或非常輕微的收縮，所述脫模過程使得在不存在對空心陶瓷生坯產生即使是輕微的損壞，如裂縫的情況下將空心陶瓷生坯從外模中脫模出來。因此，可抑制發生對空心陶瓷生坯的損壞，如裂縫，否則，產生于制模期間空心陶瓷生坯的收縮可以以引起損壞。
空心陶瓷生坯的煅燒-和-燒制步驟用以將空心陶瓷生坯轉化為燒結體，從而制備發光管。在煅燒步驟中，將空心陶瓷生坯在升溫速率為20℃/hr或更少下加熱并在最大溫度為1,100～1,400下在空氣中燒制預定時間。在燒制步驟中，將空心陶瓷生坯在最大溫度為1,700～1,900下在氫氣氣氛中或在真空中燒制預定時間。因此，可制備具有高半透明度和極好的半透明特性的發光管。由于使用上述特定的脫模過程，發光管沒有即使是輕微的損壞，如裂縫。
圖2表示制備過程，其包括如下制備步驟制備陶瓷漿并進行制模、制備實心陶瓷生坯和由用作其前體的實心陶瓷生坯制備容器。這些制備步驟是在根據本發明的另外的實施方案的制備方法中所包括的一般的制備步驟。一般的制備步驟為制模-漿制備步驟、實心陶瓷生坯形成步驟、實心陶瓷生坯脫模步驟和實心陶瓷生坯煅燒和燒制步驟。容器通過這些步驟制備。
制備實心陶瓷生坯的方法基本上與制備空心陶瓷生坯的方法相同，除了形成的生坯為實心或空心。由漿制備實心陶瓷生坯使用不具有模芯的拼合式模具。而且，從模具中脫模實心陶瓷生坯不需要通過施加熱使模芯的蠟模制的坯體熔融和排出熔融的蠟的過程，以致于不使用該過程。但是，即使在制備實心陶瓷生坯的方法中，當將實心陶瓷生坯從模具中脫模出來時，也可將加熱實心陶瓷生坯作為必要步驟進行。
加熱步驟導致存在于實心陶瓷生坯的孔中的溶劑熱膨脹并移動到實心陶瓷生坯的外部。移動到實心陶瓷生坯的外部的溶劑在實心陶瓷生坯外表面與模具的拼合模的內表面之間形成溶劑膜。因此，在從模具的拼合模脫模實心陶瓷生坯時，由于溶劑膜的作用，實心陶瓷生坯可以無阻力的方式從拼合模脫模出來，從而抑制發生對實心陶瓷生坯的損壞，否則，實心陶瓷生坯從模具脫模的阻力將導致損壞。
實施例根據圖1的制備步驟用實驗方法制備空心陶瓷生坯。實驗制備使用以下兩種制模漿用于形成如在模具中所測，具有低體積收縮率為5％或更少的生坯的陶瓷漿(漿A)；和用于形成如在模具中所測，具有高體積收縮率為5％或更多的生坯的陶瓷漿(漿B)。
圖3(a)-3(c)用圖表示了實驗中的制備步驟。圖4(a)用圖表示了在實驗中以熔融狀態排出存在于空心陶瓷生坯中的模芯的蠟模制的坯體的步驟，且圖4(b)用圖表示了實驗中從外模所脫模的空心陶瓷生坯。表1表示了陶瓷漿A和B的組成和特性。
表1制模漿
備注氧化鋁AKP-20(商品名)為Sumitomo Chemical Co.，Ltd.的產品分散介質CHEMREZ 6080(商品名)為Hodogaya Ashland Co.，Ltd.的產品反應用催化劑KAOLISER NO25(商品名)為Kao Corporation的產品分散劑MALIALIM AKM-0531(商品名)為Nippon Oil & Fats Co.，Ltd.的產品(空心陶瓷生坯)實驗中所制備的空心陶瓷生坯具有圖4(b)所示的結構且用作用于高壓放電燈的發光管的前體。空心陶瓷生坯20包括與發光管的主要部分相符的主要部分21和與發光管的空管部分相符的空管部分22和23。在空心陶瓷生坯20中，組要部分21的內部幾何形狀必須尺寸精度高，且主要部分21的內表面必須光滑、無任何損壞如裂縫，且表面粗糙度良好。發光管制備如下將空心陶瓷生坯20在1,200下在空氣中煅燒3小時，并隨后在1,850℃下在氫氣氣氛中燒制3小時。
(模具)實驗使用圖3中所示的模具10。模具10包括外模11和模芯12。外模11為拼合式且由一對由不銹鋼制得的拼合模11a和11b構成。外模11的內表面幾何形狀與空心陶瓷生坯20的外表面幾何形狀相符。模芯12包括蠟模制的坯體12a和銷12b。蠟模制的坯體12a的外表面幾何形狀與空心陶瓷生坯20的主要部分21的內表面幾何形狀相符。銷12b的外表面幾何形狀與空心陶瓷生坯的空管部分22和23的內表面幾何形狀相符。蠟模制的坯體12a具有的熔點約為60℃。銷12b伸出蠟模制的坯體12a的中心部分。當通過制模形成蠟模制的坯體12a時，銷12b與蠟模制的坯體12a結合。
(制模)在實驗中，空心陶瓷生坯20通過圖3(a)-3(b)所示的步驟形成。將形成的空心陶瓷生坯20通過圖4(a)中所示的方法從模芯12中脫模出來，隨后將其從外模11的拼合模11a和11b中脫模出來。
空心陶瓷生坯20在模具10中形成，在模具中將模芯12如圖3(a)中所示放置在外模11中。將模制漿通過外模11的漿注入口11c注入到空腔13中，以便如圖3(b)所示使空腔13填滿模制漿。將其在所述條件下在室溫下保持若干小時。使填充的模制漿凝膠化和硬化。如圖3(c)所示，在空腔13中形成空心陶瓷生坯20。
(從模具中脫模)將形成的空心陶瓷生坯20從模具10中脫模出來。在脫模空心陶瓷生坯時，首先將模具10內的空心陶瓷生坯20加熱到等于或低于模芯12的蠟模制的坯體12a的熔融溫度的適當溫度，例如加熱到50℃。隨后，將模芯12的銷12b從蠟模制的坯體12a中脫模出來，然后從外模11中脫模出來。在這種情況下，將模芯12的蠟模制的坯體12a加熱到等于或高于60℃的熔融溫度的溫度，例如加熱到80℃，以使蠟模制的坯體12a熔融。如圖4(a)所示，將熔融的蠟從位于外模11內的空心陶瓷生坯20的內部排出。因此，將空心陶瓷生坯20從模芯12中脫模出來。隨后，使外模分開，并將空心陶瓷生坯20從兩個拼合模11a和11b中脫模出來。
根據所述脫模過程，加熱空心陶瓷生坯20導致存在于空心陶瓷生坯20的孔中的溶劑熱膨脹并移動到空心陶瓷生坯的外部。移動出的有機溶劑形成溶劑膜，其為空心陶瓷生坯20的外表面與外模11的內表面之間的有機溶劑的膜和在空心陶瓷生坯20的內表面與模芯12的外表面之間的有機溶劑的膜。
沿外模11的內表面所定位的溶劑膜有助于以使空心陶瓷生坯20脫模的方式將空心陶瓷生坯20從外模11中脫模出來，而不包括對脫模的任何阻力。這使得空心陶瓷生坯20從外模11中脫模出來，而不包括損壞，如破裂，并且這促進了空心陶瓷生坯的脫模(由于空心陶瓷生坯在模具10內輕微的收縮，其脫模是困難的)，而不涉及任何損壞。
沿模芯12的外表面所定位的溶劑膜有助于避免一定問題，所述問題可在將模芯12的蠟模制的坯體12a以熔融狀態排出時產生。當使蠟模制的坯體12a熔融時，溶劑膜抑制了熔融的蠟進入空心陶瓷生坯20的孔中。當將空心陶瓷生坯20進行燒制時，可抑制發生損壞，否則，上述損壞可由先前進入孔中的蠟而引起。
根據上述脫模過程，在空心陶瓷生坯20存在于外模11的同時，使模芯12的蠟模制的坯體12a熔融并將其排出。當通過施加熱量使蠟模制的坯體12a熔融時，熔融的蠟熱膨脹，并且產生的熱膨脹力作用于空心陶瓷生坯20的內表面。如果使空心陶瓷生坯以自由狀態承受熱膨脹力，則空心陶瓷生坯將非常易于損壞，如破裂。但是，由于空心陶瓷生坯20存在于外模11中，熱膨脹力由外模11的內表面經空心陶瓷生坯20所承受，從而抑制發生對空心陶瓷生坯20的損壞，如破裂，否則，上述損壞將由施加的熱膨脹力而引起。
(結果)使用放大鏡，用眼觀察實驗中制備的空心陶瓷生坯和由它們的前體即空心陶瓷生坯制備的發光管的損壞，如裂縫。肉眼觀察證實模制漿的不同對發生損壞的影響和脫模過程不同對發生損壞的影響。表2表示有關前者的觀察結果。表3表示有關后者的觀察結果。
表2和3的“脫模過程”欄內出現的符號具有如下含義a1指的是使用將溶劑從空心陶瓷生坯20移出的方法的情況；b1指的是不使用移動溶劑的方法的情況；a2指的是當空心陶瓷生坯20存在于外模11內時，將模芯12的蠟模制的坯體12a以熔融狀態排出的情況；且b2指的是在將空心陶瓷生坯20從外模11中脫模出來之后，將模芯12的蠟模制的坯體12a以熔融狀態排出的情況。表2和3中出現的脫模過程以這些情況的組合的形式表示。
特別地，脫模過程a1-a2意思是使用將溶劑從空心陶瓷生坯20移動出來的過程和在空心陶瓷生坯20存在于外模11中時，將蠟模制的坯體12a以熔融狀態排出的過程。
脫模過程a1-b2意思是使用將溶劑從空心陶瓷生坯20移動出來的過程和在將空心陶瓷生坯20從外模11中脫模出來之后，將蠟模制的坯體12a以熔融狀態排出的過程。
脫模過程b1-a2意思是不使用將溶劑從空心陶瓷生坯20移動出來的過程和在空心陶瓷生坯20存在于外模11中時，將蠟模制的坯體12a以熔融狀態排出的過程。
脫模過程b1-b2意思是不使用將溶劑從空心陶瓷生坯20移動出來的過程和在將空心陶瓷生坯20從外模11中脫模出來之后，將蠟模制的坯體12a以熔融狀態排出的過程。
表2漿對損壞的影響
備注損壞率(％)為損壞的生坯和損壞的燒結體分別在每100個制備的生坯和燒結體中的數量。
表3脫模過程對損壞的影響
備注損壞率(％)為損壞的生坯和損壞的燒結體分別在每100個制備的生坯和燒結體中的數量。
權利要求
1.一種制備陶瓷生坯的方法，通過將陶瓷漿在模具中進行制模，并將所得到的實心生坯從模具中脫模出來，所述陶瓷漿含有陶瓷粉末、分散介質和膠凝劑，該方法的特征在于，在將實心生坯從模具中脫模出來的過程中，將模具中的實心生坯加熱以使包含于實心生坯中的溶劑移動到實心生坯的外部，隨后將實心生坯從模具中脫模出來。
2.一種制備陶瓷生坯的方法，通過將陶瓷漿在模具中進行制模，并將所得到的生坯從模具中脫模出來，所述陶瓷漿含有陶瓷粉末、分散介質和膠凝劑；模具包括外模和模芯，外模由不可熔材料形成，模芯由可熔材料形成并且包含在外模中以便在模芯與外模之間形成預定空腔；將陶瓷漿注入到在模具內形成的空腔中，從而形成在其中具有空腔的空心生坯；該方法的特征在于，在將空心生坯從外模中脫模出來時，將外模中的空心生坯加熱以使包含于空心生坯中的溶劑移動到空心生坯的外部，隨后將空心生坯從外模中脫模出來。
3.根據權利要求2的制備陶瓷生坯的方法，其中模具的模芯由可熱熔的材料形成，并且其中在將空心生坯從模具中脫模出來時，將外模內的空心生坯加熱以使包含于空心生坯中的溶劑移動到空心生坯的外部；使存在于空心生坯中的模芯熔融并將其從空心生坯中排出；隨后，將空心生坯從外模中脫模出來。
4.根據權利要求1-3的任一項的制備陶瓷生坯的方法，其中形成陶瓷生坯所用的陶瓷漿使得模具中的生坯顯示出5％或更少的體積收縮率。
5.根據權利要求1或2的制備陶瓷生坯的方法，其中陶瓷漿中所包含的陶瓷粉末包括至少一種選自玻璃、氧化鋁、氮化硅、碳化硅、氮化鋁、氧化鋯和硅鋁氧氮陶瓷的粉末的陶瓷粉末。
6.根據權利要求1或2的制備陶瓷生坯的方法，其中陶瓷漿中所包含的分散介質或膠凝劑包含具有至少一個反應性官能團的有機化合物，該反應性官能團選自羥基、羰基、羧基、氨基、酯鍵中包括的羰基、甲氧基、異氰酸酯基團和異硫氰酸酯基團。
7.根據權利要求6的制備陶瓷生坯的方法，其中在分散介質中所包含的有機化合物包括至少一種選自乙二醇、甘油、二元羧酸、戊二酸二甲酯、丙二酸二甲酯和三乙酸甘油酯的有機化合物。
8.根據權利要求6的制備陶瓷生坯的方法，其中在膠凝劑中所包含的有機化合物包括至少一種選自聚乙烯醇、環氧樹脂、酚醛樹脂、基于4，4’-二苯基甲烷二異氰酸酯的異氰酸酯、基于己二異氰酸酯的異氰酸酯、基于甲苯基二異氰酸酯的異氰酸酯、基于異氟爾酮二異氰酸酯的異氰酸酯和異硫氰酸酯的有機化合物。
9.根據權利要求1或2的制備陶瓷生坯的方法，其中溶劑具有的體積膨脹系數為0.50×10-3/K～2.0×10-3/K。
10.根據權利要求1或2的制備陶瓷生坯的方法，其中溶劑具有的體積膨脹系數為1.00×10-3/K～1.50×10-3/K。
11.根據權利要求1或2的制備陶瓷生坯的方法，其中溶劑具有的體積膨脹系數為1.20×10-3/K～1.45×10-3/K。
全文摘要
通過凝膠澆注法形成陶瓷生坯。在將形成的陶瓷生坯從模具中脫模出來時，將陶瓷生坯加熱以便將包含于陶瓷生坯內的溶劑從其中移動出來。移出的溶劑在陶瓷生坯的外表面與模具的內表面之間形成溶劑膜。溶劑膜促進陶瓷生坯從模具中脫模出來，從而抑制在陶瓷生坯從模具中脫模出來的過程中發生對陶瓷生坯的損壞。
文檔編號B28B7/34GK1705545SQ200380101490
公開日2005年12月7日 申請日期2003年10月15日 優先權日2002年10月16日
發明者宮澤杉夫 申請人:日本礙子株式會社