一種陶瓷胚體的凝膠離心成型方法
【專利摘要】一種陶瓷胚體的凝膠離心成型方法，本發明涉及一種陶瓷胚體的成型方法。本發明的目的是要解決現有陶瓷胚體成型方法存在陶瓷顆粒很難分布均勻，容易產生團聚，素胚存在裂紋并且殘有少量孔洞，致使燒結后的陶瓷致密度較低的問題。方法：首先將有機單體和交聯劑溶解到去離子水中，再加入分散劑，再進行超聲處理，再加入陶瓷粉，進行球磨，再加入引發劑，攪拌、離心，再進行固化，得到固化胚體；將固化胚體脫模，再進行干燥，得到陶瓷胚體。本發明得到陶瓷胚體的致密度可達55％～80％；素胚微觀結構均勻，堆垛致密，無裂紋且內部無缺陷，同時本發明材料利用率高，成型工藝簡單，適合產業化生產。本發明可獲得一種陶瓷胚體的凝膠離心成型方法。
【專利說明】一種陶瓷胚體的凝膠離心成型方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種陶瓷胚體的成型方法。
【背景技術】
[0002] 陶瓷材料具有較高的強度和耐高溫等優良性能，正在成為一種優異的結構材料和 功能材料，尤其是納米陶瓷具有優異的強度和韌性，具有廣闊的發展前景。陶瓷顆粒尤其是 納米陶瓷粒徑較小，具有較大的表面能，很難制備出高致密，缺陷少，結構均勻的陶瓷素胚， 高致密和均勻結構的素胚可以在低溫下燒結致密化，這在降低設備要求的同時也提高了 陶瓷的性能。因此制備出高致密，缺陷少，結構均勻的素胚體成為了一個關鍵技術。
[0003] 為了解決上述問題，開發出的陶瓷胚體成型的技術主要有模壓、冷等靜壓、凝膠注 模成型等，模壓成型的陶瓷材料容易分層，其性能具有方向性和不均勻性，且材料的利用率 較低。冷等靜壓成型的陶瓷致密度較低，不利于燒結，需要后加工，材料的利用率低。這兩 種成型方法中陶瓷顆粒很難分布均勻，容易產生團聚，不利于陶瓷燒結。
[0004] 為了獲得高致密度，內部結構均勻，不含孔洞和裂紋的胚體，1991年美國橡樹嶺實 驗室的Janney和Omatete等提出了凝膠注模成型方法，其基本原理是通過加入單體，交聯 劑和分散劑，再加入少量的引發劑和催化劑，漿料中的有機物在一定溫度下反應形成堅固 的三維網狀結構，從而使陶瓷顆粒原位固定，單體含量為14wt%。Jung-Soo Ha制備Al2O3 陶瓷時，單體AM的含量為14wt%。凝膠注模工藝獲得的素胚常常存在裂紋并且殘有少量孔 洞。同時由于單體含量過高，排膠后的胚體致密度較低，致使燒結后的陶瓷致密度較低。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是要解決現有陶瓷胚體成型方法存在陶瓷顆粒很難分布均勻，容易 產生團聚，素胚存在裂紋并且殘有少量孔洞，致使燒結后的陶瓷致密度較低的問題，而提供 一種陶瓷胚體的凝膠離心成型方法。
[0006] 一種陶瓷胚體的凝膠離心成型方法，具體是按以下步驟完成的：
[0007] -、制備混合溶液：將有機單體和交聯劑溶解到去離子水中，再加入分散劑，再進 行超聲處理，得到混合溶液；
[0008] 步驟一中所述的有機單體與交聯劑的質量比為1: (0. 08?0. 12);
[0009] 步驟一中所述的有機單體與去離子水的質量比為1: (10?100);
[0010] 步驟一中所述的分散劑與去咼子水的質量比為1: (50?1000);
[0011] 二、制備漿料：將陶瓷粉加入到步驟一中得到的混合溶液中，再在球料比為3:1和 球磨速度為190r/min?260r/min下球磨8h?24h，得到衆料；
[0012] 步驟二中所述的陶瓷粉與步驟一中得到的混合溶液的質量比為1: (0. 1?1);
[0013] 三、制備固化胚體：將引發劑溶液加入到漿料中，再在攪拌速度為40r/min?60r/ min下攪拌2min?30min，得到衆料；將衆料注入到模具中，再將裝有衆料的模具在離心 速度為4000r/min?10000r/min下離心15min?35min，得到胚體；再將胚體放入溫度為 40°C?80°C的干燥箱中固化0. 5h?3h，得到固化胚體；
[0014] 步驟三中所述的引發劑溶液與漿料的質量比為1: (2500?10000);
[0015] 四、脫模、干燥：將固化胚體脫模，再在溫度為10°C?20°C下干燥7d?16d，得到 陶瓷胚體。
[0016] 本發明的優點：
[0017] -、本發明在不降低陶瓷胚體性能基礎上，通過降低漿料中有機單體的含量，有機 單體的含量到0.2%?5%之間，減少排膠后胚體中的孔隙，提高了胚體的致密度，促進坯 體的低溫燒結；本發明使用低含量的有機單體能夠獲得性能優異的陶瓷胚體，使用本發明 的方法可獲得致密度較高的素坯，本發明得到陶瓷胚體的致密度可達55%?80% ;
[0018] 二、凝膠工藝能夠制備出高固含量、分散均勻的漿料，但是一方面由于漿料粘度較 大，導致漿料中氣體不能排除完全，殘留在漿料內部，造成了缺陷的產生；另一方面凝膠注 模成型屬于無壓成型，這使得陶瓷顆粒堆垛不致密，致密度較低；最后，凝膠注模由于液體 含量高，干燥過程中收縮較大，容易產生裂紋；而本發明將水基凝膠和離心成型相結合，利 用顆粒之間的相互作用力，使顆粒緊密接觸，排除氣泡，將多余的水分離心出去，制備出了 高致密度可達80%的胚體，對于復合陶瓷通過SEM面能譜分析可知本發明制備的陶瓷胚體 上中下三部位組分含量均勻，SEM掃描分析可知素胚微觀結構均勻，堆垛致密，無裂紋且內 部無缺陷，有利于低溫燒結和材料的致密化，提高陶瓷性能；同時本發明材料利用率高，成 型工藝簡單，適合產業化生產。
[0019] 本發明可獲得一種陶瓷胚體的凝膠離心成型方法。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020] 圖1為實施例一得到的陶瓷胚的數碼照片，圖中1為第一點，2為第二點，3為第三 占 .
[0021] 圖2是圖1中第一點的SEM圖；
[0022] 圖3是圖1中第二點的SEM圖；
[0023] 圖4是圖1中第三點的SEM圖；
[0024] 圖5為圖1中第一點的能譜圖；
[0025] 圖6為圖1中第三點的能譜圖。
【具體實施方式】
【具體實施方式】 [0026] 一：本實施方式是一種陶瓷胚體的凝膠離心成型方法，具體是按以 下步驟完成的：
[0027] 一、制備混合溶液：將有機單體和交聯劑溶解到去離子水中，再加入分散劑，再進 行超聲處理，得到混合溶液；
[0028] 步驟一中所述的有機單體與交聯劑的質量比為1: (0. 08?0. 12);
[0029] 步驟一中所述的有機單體與去離子水的質量比為1: (10?100);
[0030] 步驟一中所述的分散劑與去尚子水的質量比為1: (50?1000);
[0031] 二、制備漿料：將陶瓷粉加入到步驟一中得到的混合溶液中，再在球料比為3:1和 球磨速度為190r/min?260r/min下球磨8h?24h，得到衆料；
[0032] 步驟二中所述的陶瓷粉與步驟一中得到的混合溶液的質量比為I: (0. 1?I);
[0033] 三、制備固化胚體：將引發劑溶液加入到漿料中，再在攪拌速度為40r/min?60r/ min下攪拌2min?30min，得到衆料；將衆料注入到模具中，再將裝有衆料的模具在離心 速度為4000r/min?10000r/min下離心15min?35min，得到胚體；再將胚體放入溫度為 40°C?80°C的干燥箱中固化0. 5h?3h，得到固化胚體；
[0034] 步驟三中所述的引發劑溶液與漿料的質量比為1: (2500?10000);
[0035] 四、脫模、干燥：將固化胚體脫模，再在溫度為10°C?20°C下干燥7d?16d，得到 陶瓷胚體。
[0036] 本實施方式的優點：
[0037] 一、本實施方式在不降低陶瓷胚體性能基礎上，通過降低漿料中有機單體的含量， 有機單體的含量到〇. 2%?5%之間，減少排膠后胚體中的孔隙，提高了胚體的致密度，促 進坯體的低溫燒結；本實施方式使用低含量的有機單體能夠獲得性能優異的陶瓷胚體，使 用本實施方式的方法可獲得致密度較高的素坯，本實施方式得到陶瓷胚體的致密度可達 55%?80% ;
[0038] 二、凝膠工藝能夠制備出高固含量、分散均勻的漿料，但是一方面由于漿料粘度較 大，導致漿料中氣體不能排除完全，殘留在漿料內部，造成了缺陷的產生；另一方面凝膠注 模成型屬于無壓成型，這使得陶瓷顆粒堆垛不致密，致密度較低；最后，凝膠注模由于液體 含量高，干燥過程中收縮較大，容易產生裂紋；而本實施方式將水基凝膠和離心成型相結 合，利用顆粒之間的相互作用力，使顆粒緊密接觸，排除氣泡，將多余的水分離心出去，制備 出了高致密度可達80%的胚體，對于復合陶瓷通過SEM面能譜分析可知本實施方式制備的 陶瓷胚體上中下三部位組分含量均勻，SEM掃描分析可知素胚微觀結構均勻，堆垛致密，無 裂紋且內部無缺陷，有利于低溫燒結和材料的致密化，提高陶瓷性能；同時本實施方式材料 利用率高，成型工藝簡單，適合產業化生產。
[0039] 本實施方式可獲得一種陶瓷胚體的凝膠離心成型方法。
【具體實施方式】 [0040] 二：本實施方式與一的不同點是：步驟一中所述的超 聲處理的功率為50W?200W，超聲時間為5min?20min。其他與一相同。
【具體實施方式】 [0041] 三：本實施方式與一或二的不同點是：步驟二中所述 的陶瓷粉體的粒徑為〇. 1 μπι?10 μπι。其他與一或二相同。
【具體實施方式】 [0042] 四：本實施方式與一至三的不同點是：步驟一中所述 的去離子水的pH值為7?11，當去離子水為堿性時，是使用質量分數為10 %?30 %的氨水 調節的。其他與一至三相同。
【具體實施方式】 [0043] 五：本實施方式與一至四的不同點是：步驟一中所述 的交聯劑為N，N-亞甲基雙丙烯酰胺、二異氰酸酯或聚丙烯酸酯。其他與一至 四相同。
【具體實施方式】 [0044] 六：本實施方式與一至五的不同點是：步驟一中所述 的分散劑為聚丙烯酸銨、羧甲基丙烯酸銨、聚乙二醇或分散劑E80。其他與一 至五相同。
[0045]
【具體實施方式】七：本實施方式與【具體實施方式】一至六的不同點是：步驟一中所述 的有機單體為三亞甲基碳酸酯、N，N-二甲基乙酰基乙酰胺、聚氧乙烯醚、丙烯酰胺或甲基丙 烯酸聚乙二醇酯。其他與【具體實施方式】一至六相同。
【具體實施方式】 [0046] 八：本實施方式與一至七的不同點是：步驟二中所述 的陶瓷粉體為硼化鋯、碳化硅、碳化硼、氧化鋯和氧化鋁中的一種或幾種的混合物。其他與 一至七相同。
【具體實施方式】 [0047] 九：本實施方式與一至八的不同點是：步驟三中所述 的引發劑溶液為濃度為5 %?20 %的過硫酸鉀水溶液、濃度5 %?20 %的過硫酸銨水溶液 或濃度為5%?20%的偶氮二異丁腈水溶液。其他與一至八相同。
【具體實施方式】 [0048] 十：本實施方式與一至九的不同點是：步驟三中所述 的將引發劑加入到衆料中，再在攪拌速度為40r/min?60r/min下攪拌20min?30min，得 到漿料；將漿料注入到模具中，再將裝有漿料的模具在離心速度為5000r/min?8000r/min 下離心20min?35min，得到胚體；再將胚體放入溫度為60°C?80°C的干燥箱中固化Ih? 3h，得到固化胚體。其他與一至九相同。
[0049] 采用以下實施例驗證本發明的有益效果：
[0050] 實施例一：一種陶瓷胚體的凝膠離心成型方法具體是按以下步驟完成的：
[0051] -、制備混合溶液：將I. 55g有機單體和0. 155g交聯劑溶解到38. 84g去離子水 中，再加入0. 17g分散劑，再進行超聲處理，得到混合溶液；
[0052] 步驟一中所述的去離子水的pH為10. 8,去離子水的pH為10. 8是使用質量分數為 20%的氨水調節的；
[0053] 步驟一中所述的有機單體為丙烯酰胺；
[0054] 步驟一中所述的交聯劑為N，N-亞甲基雙丙烯酰胺；
[0055] 步驟一中所述的分散劑為聚乙二醇；
[0056] 步驟一中所述的超聲處理的功率為100W，超聲時間為15min ;
[0057] 二、制備漿料：將149. IOg粒徑為2 μ m的ZrBjP 20. 44g粒徑0. 5 μ m為的SiC加 入到步驟一中得到的混合溶液中，再在球料比為3:1和球磨速度為230r/min下球磨20h，得 到漿料；
[0058] 三、制備固化胚體：將0. 46g引發劑溶液加入到漿料中，再在攪拌速度為50r/min 下攪拌20min，得到漿料；將漿料注入到模具中，再將裝有漿料的模具在離心速度為8000r/ min下離心25min，得到胚體；再將胚體放入溫度為60°C的干燥箱中固化I. 5h，得到固化胚 體；
[0059] 步驟三中所述的引發劑溶液為濃度為10%的過硫酸銨水溶液；
[0060] 四、脫模、干燥：將固化胚體脫模，再在溫度為20°C下干燥15d，得到陶瓷胚。
[0061] 通過阿基米德排水法對實例一所得胚體的致密度進行測量，其致密度達到60 %。
[0062] 使用數碼照相機對實施例一得到的陶瓷胚進行測試，如圖1所示，圖1為實施例一 得到的陶瓷胚的數碼照片，圖中1為第一點，2為第二點，3為第三點。
[0063] 從圖1可知圖1中第一點、第二點和第三點的顆粒粒徑分散較為均勻。
[0064] 使用掃描電鏡對圖1中第一點、第二點和第三點進行測試，如圖2、圖3和圖4所 示。圖2是圖1中第一點的SEM圖；圖3是圖1中第二點的SEM圖；圖4是圖1中第三點的 SEM圖。從圖2,圖3和圖4可知實施例一得到的陶瓷胚的胚體表面不含有任何宏觀裂紋和 孔洞，內部不含有宏觀缺陷，顆粒堆垛致密，因此，實施例一適合于陶瓷胚體成型。
[0065] 使用SEM面能譜對圖1中第一點和第三點進行測試，如圖5和圖6所示；圖5為圖 1中第一點的能譜圖；圖6為圖1中第三點的能譜圖；表1為圖5測試出的元素含量；表2 為圖6測試出的元素含量；從表1和表2可知，試驗一得到的陶瓷胚的第一點和第三點，即 胚體的頂端和低端組分含量的變化不大，組分未發生明顯的分離，
[0066] 表 1
【權利要求】
1. 一種陶瓷胚體的凝膠離心成型方法，其特征在于一種陶瓷胚體的凝膠離心成型方法 具體是按以下步驟完成的： 一、 制備混合溶液：將有機單體和交聯劑溶解到去離子水中，再加入分散劑，再進行超 聲處理，得到混合溶液； 步驟一中所述的有機單體與交聯劑的質量比為1: (〇. 08?0. 12); 步驟一中所述的有機單體與去離子水的質量比為1: (10?100); 步驟一中所述的分散劑與去離子水的質量比為1: (50?1000); 二、 制備漿料：將陶瓷粉加入到步驟一中得到的混合溶液中，再在球料比為3:1和球磨 速度為190r/min?260r/min下球磨8h?24h，得到衆料； 步驟二中所述的陶瓷粉與步驟一中得到的混合溶液的質量比為1: (〇. 1?1); 三、 制備固化胚體：將引發劑溶液加入到衆料中，再在攪拌速度為40r/min?60r/min 下攪拌2min?30min，得到漿料；將漿料注入到模具中，再將裝有漿料的模具在離心速度為 4000r/min?10000r/min下離心15min?35min，得到胚體；再將胚體放入溫度為40°C? 80°C的干燥箱中固化0. 5h?3h，得到固化胚體； 步驟三中所述的引發劑溶液與漿料的質量比為1: (2500?10000); 四、 脫模、干燥：將固化胚體脫模，再在溫度為l〇°C?20°C下干燥7d?16d，得到陶瓷 胚體。
2. 根據權利要求1所述的一種陶瓷胚體的凝膠離心成型方法，其特征在于步驟一中所 述的超聲處理的功率為50W?200W，超聲時間為5min?20min。
3. 根據權利要求1所述的一種陶瓷胚體的凝膠離心成型方法，其特征在于步驟二中所 述的陶瓷粉體的粒徑為0. 1 y m?10 y m。
4. 根據權利要求1所述的一種陶瓷胚體的凝膠離心成型方法，其特征在于步驟一中所 述的去離子水的pH值為7?11，當去離子水為堿性時，是使用質量分數為10 %?30 %的氨 水調節的。
5. 根據權利要求1所述的一種陶瓷胚體的凝膠離心成型方法，其特征在于步驟一中所 述的交聯劑為N，N-亞甲基雙丙烯酰胺、二異氰酸酯或聚丙烯酸酯。
6. 根據權利要求1所述的一種陶瓷胚體的凝膠離心成型方法，其特征在于步驟一中所 述的分散劑為聚丙烯酸銨、羧甲基丙烯酸銨、聚乙二醇或分散劑E80。
7. 根據權利要求1所述的一種陶瓷胚體的凝膠離心成型方法，其特征在于步驟一中所 述的有機單體為三亞甲基碳酸酯、N，N-二甲基乙酰基乙酰胺、聚氧乙烯醚、丙烯酰胺或甲基 丙烯酸聚乙二醇酯。
8. 根據權利要求1所述的一種陶瓷胚體的凝膠離心成型方法，其特征在于步驟二中所 述的陶瓷粉體為硼化鋯、碳化硅、碳化硼、氧化鋯和氧化鋁中的一種或幾種的混合物。
9. 根據權利要求1所述的一種陶瓷胚體的凝膠離心成型方法，其特征在于步驟三中所 述的引發劑溶液為濃度為5%?20%的過硫酸鉀水溶液、濃度5%?20%的過硫酸銨水溶 液或濃度為5%?20%的偶氮二異丁腈水溶液。
10. 根據權利要求1所述的一種陶瓷胚體的凝膠離心成型方法，其特征在于步驟三 中所述的將引發劑加入到衆料中，再在攪拌速度為40r/min?60r/min下攪拌20min? 30min，得到漿料；將漿料注入到模具中，再將裝有漿料的模具在離心速度為5000r/min? 8000r/min下離心20min?35min，得到胚體；再將胚體放入溫度為60°C?80°C的干燥箱中 固化lh?3h，得到固化胚體。
【文檔編號】B28B1/20GK104476655SQ201410649036
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年11月14日 優先權日:2014年11月14日
【發明者】鄧賢柱, 胡平, 張東洋 申請人:哈爾濱工業大學