交變磁場中金屬/陶瓷梯度材料的注漿成型制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種交變磁場中金屬/陶瓷梯度材料的注漿成型制備方法，屬于材料 制備領域。
【背景技術】
[0002] 注衆成型，亦稱饒注成型（Slip Casting):是基于多孔石膏模具能夠吸收水分的 物理特性，將陶瓷粉料配成具有流動性的泥漿，然后注入多孔模具內（主要為石膏模)，水分 在被模具(石膏）吸入后便形成了具有一定厚度的均勻泥層，脫水干燥過程中同時形成具有 一定強度的坯體，此種方式被稱為注漿成型。
[0003] 其完成過程可分為三個階段：1.泥漿注入模具后，在石膏模毛細管力的作用下吸 收泥漿中的水，靠近模壁的泥漿中的水分首先被吸收，泥漿中的顆粒開始靠近，形成最初的 薄泥層。2.水分進一步被吸收，其擴散動力為水分的壓力差和濃度差，薄泥層逐漸變厚，泥 層內部水分向外部擴散，當泥層厚度達到注件厚度時，就形成雛坯。3.石膏模繼續吸收水 分，雛坯開始收縮，表面的水分開始蒸發，待雛坯干燥形成具有一定強度的生坯后，脫模即 完成注楽·成型。
[0004] 注漿成型是一種古老和傳統的陶瓷成型方法，應用極為廣泛。凡是形狀復雜、不規 則的、壁薄的、體積大且尺寸要求不嚴的器物都可以用注漿法成型。包括一般日用陶瓷類的 花瓶、湯碗、菜盤、茶壺，衛生潔具類的坐便器、洗面盆，各種形狀的工藝瓷器，還有相當一部 分工業陶瓷、特種陶瓷產品等。
[0005] 功能梯度材料（FGM)是一類組成結構和性能在材料厚度或長度方向連續或準連續 變化的非均質復合材料。如果構成梯度材料的組分一種為陶瓷，另外一種為金屬，則可以實 現陶瓷和金屬單獨使用時都達不到的性能。主要制備方法有粉末成型、氣相沉積法、自蔓延 反應合成、等離子噴涂、電鑄法、電鍍法、激光燒結和離心鑄造等。這些制備方法要求復雜的 工藝或設備，大多需要在制備過程中持續地改變原料成分或工藝參數。缺少簡便的制備方 法，是限制功能梯度材料進一步發展的重要原因。
[0006] 目前，對于許多重要的功能梯度材料如：Zr02/Ni、Zr02/鋼、Al 203/Ni、SiC/Fe等，金 屬組元Fe、Ni、Co等過渡金屬屬于鐵磁性物質，而陶瓷組元A1 203、Zr02、SiC、AIN、Si3N4等 是弱磁性物質。鐵磁性物質在居里溫度以下具有強磁性，而弱磁性物質對磁場不敏感。利 用二者之間磁性能的差異，我們小組先后采用靜磁場和脈沖磁場中采用注漿成型法成功制 備出了梯度材料，相關技術已經授權發明專利。
[0007] 遺憾的是，上述幾種方法雖然能夠制備功能梯度材料，但是對樣品組元的磁性能 有要求。體系的組分中必須有強磁性(鐵磁性、亞鐵磁性)組元和弱磁性(反鐵磁性、順磁性、 抗磁性)組元，否則不能采用上述方法制備。因此，上述幾種方法存在很大局限性。幾年來， 我們小組在原來的實驗基礎上不斷改進，并取得突破性進展。在注漿成型的基礎上，利用交 變磁場控制金屬組元的移動，成功制備出了成分連續的金屬/陶瓷梯度材料。
[0008] 本發明的原理是：金屬材料通常具有良好的導電性，在交變磁場中會因磁場的連 續變化而在材料內部產生感應電流，根據楞次定律判斷，感生電流產生的磁場應該是阻礙 內部磁通的變化。因此，感生磁場與交變磁場會產生力的作用，磁力/?勺大小為：
其中，K是顆粒體積，靡3顆粒感生磁化強度，grad #磁場梯度。磁化強度M與輸入電 流強度直接相關，電流強度越大，則感生磁化強度越大。磁場梯度與顆粒所處的位置有關： 在線圈內部中央位置，磁場分布均勻，磁場梯度為零，因此顆粒受到的磁力為零；在線圈端 部位置，磁場梯度最大，在該位置處，金屬顆粒受到的磁力最大。因此，金屬顆粒受到磁力的 大小與電流強度、交變磁場的頻率以及金屬在磁場中的位置有關系。陶瓷材料通常電阻率 很高，在交變磁場中不會有渦流產生，因此不受交變磁場影響。于是，基于金屬和陶瓷組元 對交變磁場不同的相應，可以采用交變磁場控制金屬組元在復合體系內的分布，通過注漿 成型法制備金屬/陶瓷梯度材料。
[0009] 本方法的突出優點就是在注漿成型工藝的基礎上施加交變磁場制備梯度材料，通 過調整電流強度、頻率等工藝參數，可以方便地制備出成分連續變化且可控的梯度材料，成 本大大降低。
【發明內容】
[0010] 本發明的目的是提供一種交變磁場中金屬/陶瓷梯度材料的注漿成型制備方法。
[0011] 本發明的具體步驟為： 步驟1)石膏模具準備 a-石膏和b-石膏與水混合，攪拌均勻后澆注，石膏漿凝固、硬化、干燥后制得的石膏 模具； 步驟2)漿料制備 將顆粒尺寸為0. 1~1000 μ m的優良導電性的金屬顆粒與顆粒尺寸為0. 1~1000 μ m 的高電阻率的陶瓷顆粒按質量比〇. 1~10 :1混合成混合粉末，加入溶劑、分散劑和粘接劑， 在球磨機中球磨1~l〇h，超聲波彌散化處理1~15min，得到分散均勻的漿料； 所述的金屬顆粒為Cu、Al、Ag、Mg、Zn、Fe等優良導電性物質； 所述的陶瓷顆粒為Zr02、SiC、Si02、TiC、Y203、Al 2O3等高電阻率物質； 所述的溶劑為水、二元酯、高沸點汽油或長鏈乙醇； 所述的分散劑為聚乙烯醇縮丁醛、聚乙烯吡咯烷酮、水玻璃、燒堿、三聚磷酸鈉中的一 種或幾種； 所述的粘接劑為聚乙烯醇縮丁醛、三甲基丙烷三丙烯酸鹽、丙烯酰胺或1，6乙二醇二 乙烯酸鹽的一種或幾種； 所述的分散劑含量為漿料質量分數的〇. 1%~1. 8% ;粘接劑為漿料質量分數的1~ 4% ； 步驟3)交變磁場中注漿成型 將漿料充入石膏模中，模具外施加交變磁場，樣品位于交變磁場線圈端部，電流強度為 0· 1~20Α，電流頻率為IO2~10 5Hz,作用時間為1~20min ; 受交變磁場作用，導電性的金屬內部產生感生電流，進而產生感生磁場，感生磁場與初 生磁場之間的相互作用使金屬受到驅動，進而在體系中形成成分梯度。降低交變電流強度 和頻率，金屬組元受到的驅動力降低，成分梯度減小。提高交變電流強度和頻率，金屬組元 受到的驅動力增大，成分梯度則增大。在交變磁場的作用下，交變電流強度和頻率從小增大 時，金屬和陶瓷顆粒分別向兩端聚積； 所述的交變磁場是由交變電流通過線圈產生的磁場； 步驟4)燒結 固化后去模，并在35~80°C下緩慢烘干，獲得生坯。取出生坯放入燒結爐中，充入氬氣 或氮氣進行保護，燒結溫度在800~1400°C之間，隨爐冷卻至100~300°C取出。
[0012] 本發明的優點是： 1) 通過施加交變磁場，改變電流強度、電流頻率、磁場作用時間，可以在很大成分范圍 內制備出各種厚度的梯度材料，成分變化可控； 2) 與靜磁場下和脈沖磁場條件下制備功能梯度材料相比，交變磁場對組元的磁性沒有 要求，僅僅需要其中一種組元為導電性金屬，因此突破了上述技術的限制，適用范圍更廣； 3) 利用成熟的注漿成型工藝使制備梯度材料的工序簡化、成本降低。
【具體實施方式】
[0013] 實施例1 : 步驟1)石膏模具準備 a-石膏和b-石膏與水混合，攪拌均勻后澆注，石膏漿凝固、硬化、干燥后制得的石膏 模具，模具內部型腔是高度為15mm、直徑為15mm的圓片； 步驟2)漿料制備 將顆粒尺寸為〇. I ym的金屬Cu顆粒與顆粒尺寸為0. 1 μπι的ZrO2陶瓷顆粒按質量比 0. 1 :1混合成混合粉末，加入溶劑水、分散劑聚乙烯醇縮丁醛和粘接劑聚乙三甲基丙烷三 丙烯酸鹽，分散劑含量為漿料質量分數的〇. 1%，粘接劑為漿料質量分數的1%，在球磨機中 球磨lh，超聲波彌散化處理lmin，得到分散均勻的漿料； 步驟3)交變磁場中注漿成型 將漿料充入石膏模中，模具外施加交變磁場，交變磁場是由交變電流通過線圈產生的 磁場，樣品位于交變磁場線圈端部，電流強度為〇. 1A，電流頻率為102Hz，作用時間為Imin ; 步驟4)燒結 固化后去模，并在35°C下緩慢烘干，獲得生坯。取出生坯放入燒結爐中，充入氬氣進行 保護，燒結溫度在800°C之間，隨爐冷卻至100°C取出。
[0014] 所制備的樣品組織致密，孔隙率低，表面平整。對樣品進行電子探針線掃描，發現 樣品內部無宏觀界面存在，成分連續變化，Cu含量由一側的17%減少到另一側的4%。
[0015] 實施例2: 步驟1)石膏模具準備 a-石膏和b-石膏與水混合，攪拌均勻后澆注，石膏漿凝固、硬化、干燥后制得的石膏 模具，模具內部型腔是高度為15mm、直徑為15mm的圓片； 步驟2)漿料制備 將顆粒尺寸為I ym的金屬Al顆粒與顆粒尺寸為1 μπι的SiC陶瓷顆粒按質量比1 :1 混合成混合粉末，加入溶劑二元酯、分散劑聚乙烯吡咯烷酮和粘接劑聚乙烯醇縮丁醛，分散 劑含量為漿料質量分數的0. 3%，粘接劑為漿料質量分數的2%，在球磨機中球磨2h，超聲波 彌散化處理3