專利名稱：：一種制備功能陶瓷材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及制備功能陶瓷材料的方法，該方法采用水基凝膠注模成型和網(wǎng)狀夾具干燥法制備大尺寸高性能功能陶瓷材料。
背景技術(shù)：
：大尺寸功能陶瓷的工程化制備技術(shù)是近年來眾多研究者關(guān)注的技術(shù)難關(guān)，由于尺寸的原因，這類制品在制備工藝過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)都具有比小尺寸制品高得多的難度，主要是成型坯體整體的均勻性難以實(shí)現(xiàn)；成型坯體強(qiáng)度低，在隨后的工藝過程中不易保證其不受破壞(變形或開裂)；從粉體狀態(tài)到最終制品的過程中各個(gè)工藝環(huán)節(jié)難以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)、一致的演化等等?；诖耍陙沓霈F(xiàn)的凝膠注模成型技術(shù)(gel-casting)被應(yīng)用在大尺寸陶瓷的制備工藝中，gel-casting工藝是美國橡樹國家實(shí)驗(yàn)室于上個(gè)世紀(jì)90年代末發(fā)明的一種新穎的陶瓷凈尺寸成型技術(shù)(參見A.C.Yoimg,O.O.Omatete，M.A.Janney,P.A.Menchhofer,Gelcastingofalumina,J.Am.Ceram.Soc.74(3)(1991)612-618)。該工藝將傳統(tǒng)注漿工藝和聚合物化學(xué)結(jié)合起來，利用有機(jī)單體原位聚合固定陶瓷粉末，漿料充模過程和混合物固化過程分開進(jìn)行。其基本原理是在高固相含量、低粘度的陶瓷漿料中，摻入低濃度的有機(jī)單體(如丙烯酰胺AM、甲基丙烯酰胺MAM、乙烯基吡咯酮NVP、甲基聚乙二醇單甲基丙烯酯MPEGMA等等)和交聯(lián)劑(如亞甲基雙丙烯酰胺MBAM)，當(dāng)加入少量的引發(fā)劑(如過硫酸銨)和催化劑(如N,N,N,N-四甲基乙二胺)并澆鑄后，槳料中的有機(jī)單體在一定的溫度條件下發(fā)生原位聚合反應(yīng)，形成堅(jiān)固的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而使懸浮體原位固化成型，得到均勻、高強(qiáng)度、準(zhǔn)凈尺寸的陶瓷坯體。然后進(jìn)行脫模、干燥、去除有機(jī)物、燒結(jié)，即可制得所需的陶瓷零件。Gel-casting工藝顯著優(yōu)點(diǎn)是漿料固相含量高，其成型坯體整體均勻性比模壓法好。但用Gel-casting制備大尺寸功能陶瓷時(shí)，由于含水率相對于模壓法高，尺寸很大，在干燥過程中，各個(gè)部位的干燥速率不等，很容易導(dǎo)致陶瓷體變形彎曲和開裂，若為了保持均勻性，而減慢干燥速率，則干燥時(shí)間會長至一個(gè)月甚至兩個(gè)月。通過大量文獻(xiàn)檢索，未發(fā)現(xiàn)用凝膠注模成型技術(shù)結(jié)合網(wǎng)狀夾具干燥法制備大尺寸功能陶瓷的報(bào)道。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種制備功能陶瓷材料的方法，該方法可以保證大尺寸坯體干燥過程的均勻性，減短干燥時(shí)間，防止坯體的變形和開裂。本發(fā)明提供的制備功能陶瓷材料的方法，步驟包括(1)、將功能陶瓷粉體與預(yù)混液混合形成混合液，粉體體積占總混合液體積的4060vol%，預(yù)混液為丙烯酰胺和亞甲基雙丙烯酰胺與去離子水的混合物，預(yù)混液的濃度為1520wt%，丙烯酰胺和亞甲基雙丙烯酰胺的質(zhì)量比為1624:1;(2)、在上述混合液中加入分散劑和引發(fā)劑，分散劑為濃度為818wt%的聚甲基丙烯酸銨溶液，加入量為混合液中陶瓷粉體質(zhì)量的0.41.2wt%，引發(fā)劑為濃度36wtX的過硫酸銨溶液，加入量為混合液中預(yù)混液質(zhì)量的0.40.6wt%;(3)、采用行星球磨機(jī)球磨24小時(shí),獲得陶瓷漿料；(4)將陶瓷漿料放入超聲清洗器中超聲除泡35分鐘，加入催化劑，催化劑為N,N，N，N-四甲基乙二胺，加入量為混合液中預(yù)混液質(zhì)量的0.20.3wt%，再將漿料注入模具中，該模具為表面粘有金屬環(huán)的玻璃板；(5)、將模具放置在空氣中2448小時(shí)后，將濕坯脫模，放入網(wǎng)狀夾具中，再將夾具放置在恒溫恒濕箱中干燥后取出，干燥過程中控制濕度由95%到65%，控制溫度由10。C到3(TC;(6)、將干燥好的坯體在600。C70(TC下排膠，排膠速率小于20℃/小時(shí)，再高溫?zé)Y(jié)成瓷。本發(fā)明利用水基凝膠注模成型技術(shù)制備大尺寸高性能功能陶瓷，在此基礎(chǔ)上利用一種網(wǎng)狀夾具干燥坯體，并置于恒溫恒濕箱中，保證大尺寸坯體干燥過程的均勻性，減短了干燥時(shí)間，防止了坯體的變形和開裂，從而制備出大尺寸、均勻性好的高性能功能陶瓷。采用本發(fā)明方法可以制備出大尺寸高性能鈮鋅酸鉛一鋯鈦酸鉛壓電陶瓷、鈦酸鍶鋇系熱釋電陶瓷、鈮錳酸鉛一銻錳酸鉛一鋯鈦酸鉛系熱釋電陶瓷等。圖1為凝膠注模成型工藝流程2為鈮鋅酸鉛一鋯鈦酸鉛的SEM圖；圖3為鈮錳酸鉛一銻錳酸鉛一鋯鈦酸鉛的SEM圖；圖4為鈦酸鍶鋇陶瓷的SEM圖；圖5為鈦酸鍶鋇陶瓷的介溫曲線。具體實(shí)施方式本發(fā)明采用下底可以脫落的模具以便于大尺寸陶瓷濕坯的脫模，并采用網(wǎng)狀夾具干燥，因?yàn)樵谥苽浯蟪叽缣沾傻倪^程中，干燥過程是一個(gè)技術(shù)難題，由于陶瓷的尺寸較大，表面環(huán)境的溫濕度差異導(dǎo)致陶瓷很容易變形和開裂，網(wǎng)狀夾具不僅保證了陶瓷上下表面環(huán)境的均一性，而且夾具的壓力能防止陶瓷的變形，從而得到大尺寸、均勻的坯體。本發(fā)明方法的流程圖如圖1所示，下面通過具體實(shí)例，進(jìn)一步說明本發(fā)明的特點(diǎn)和效果實(shí)例l:水基凝膠注模成型結(jié)合網(wǎng)狀夾具干燥法制備大尺寸0.15(PbZn1/3Nb2/3O3)+0.85[Pb(Zr。.54Tio.46)03]壓電陶瓷。具體工藝為-(1)按化學(xué)式，用固相合成法制備PZN-PZT粉體；(2)將500g粉體與65.8ml預(yù)混液、25g分散劑和1.75g引發(fā)劑混合球磨2小時(shí)，制備出固相含量為50volX、粘度為90mPa.s的漿料；(3)倒出漿料，加入催化劑0.8g，倒入(D21cm的環(huán)狀模具中，模具為表面粘有金屬環(huán)的玻璃板，以便于脫模；(4)將模具放置在空氣中24小時(shí)后脫模，放入網(wǎng)狀夾具，其中網(wǎng)狀夾具為兩個(gè)邊長為25cm的正方形鋼絲網(wǎng)，四邊用鋼條固定，再在鋼條的四個(gè)角鉆四個(gè)螺絲孔將兩個(gè)鋼網(wǎng)夾在一起；將夾具放入恒溫恒濕箱，在濕度95。％、溫度l(TC中放置三天，然后調(diào)整至濕度80%、溫度25。C中放置兩天，再調(diào)整至濕度65%、溫度30'C中放置三天；(5)將干燥好的坯體在70(TC下排膠，排膠速率為16°C/h;并在1230°C燒結(jié)成瓷。燒結(jié)后陶瓷的尺寸為0)16cm，密度為7.4g/cm3。為了測試大尺寸陶瓷的均勻性，將陶瓷切割成32個(gè)小樣(面積為1.5cmxl.5cm)，涂上銀電極，分別測試其介電常數(shù)和介電損耗，結(jié)果如表一表一<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>由以上圖表可算出該陶瓷片的平均介電常數(shù)為808，介電損耗為0.5%，介電常數(shù)均勻性為5.6%。其SEM圖如圖2所示。實(shí)例2:水基凝膠注模成型結(jié)合網(wǎng)狀夾具干燥法制備大尺寸Pb[(Mno.3Nbo.7V2(Mn(uSbo.7:h/2]o.2(Zr95Ti5)0.803熱釋電陶瓷。按化學(xué)式，用固相合成法配制粉體，燒結(jié)溫度為124(TC，其他同實(shí)例1，燒結(jié)后陶瓷的尺寸為015.8cm，密度為7.51g/cm3，采用同樣的方法測試其介電常數(shù)為251，介電損耗為4%，熱釋電系數(shù)為7.5x10—4C/m2°C(30°C)，介電常數(shù)均勻性為4.8%，其SEM圖如圖3所示。實(shí)例3:水基凝膠注模成型結(jié)合網(wǎng)狀夾具干燥法制備大尺寸Baa7SrQ.3Ti03熱釋電陶瓷。具體工藝為-(1)按化學(xué)式，用固相合成法制備BST粉體；(2)將300g粉體與50ml預(yù)混液、15g分散劑和1.35g引發(fā)劑混合球磨2小時(shí)，制備出固相含量為48volX、粘度為110mPa's的漿料；(3)倒出漿料，加入催化劑0.7g，注入模具中，并倒入(D16cm的模具中；(4)將模具放置在空氣中24小時(shí)后脫模，放入網(wǎng)狀夾具，將夾具放入恒溫恒濕箱，在濕度95%、溫度10。C中放置三天，然后調(diào)整至濕度80%、溫度25。C中放置兩天，再調(diào)整至濕度65%、溫度30。C中放置三天；(5)將干燥好的坯體在70(TC下排膠，排膠速率為20°C/h;并在1360°C燒結(jié)成瓷，(6)涂上銀電極，測試其電性能。燒結(jié)后陶瓷尺寸為13.5cm，密度為5.48g/cm3,其SEM如圖4所示，其介溫曲線如圖5所示，其損耗和熱釋電系數(shù)在居里點(diǎn)處分別為2%和40x10—4C/m2°C。權(quán)利要求1、一種制備功能陶瓷材料的方法，步驟包括(1)、將功能陶瓷粉體與預(yù)混液混合形成混合液，粉體體積占總混合液體積的40～60vol％，預(yù)混液為丙烯酰胺和亞甲基雙丙烯酰胺與去離子水的混合物，預(yù)混液的濃度為15～20wt％，丙烯酰胺和亞甲基雙丙烯酰胺的質(zhì)量比為16～24∶1；(2)、在上述混合液中加入分散劑和引發(fā)劑，分散劑為濃度為8～18wt％的聚甲基丙烯酸銨溶液，加入量為混合液中陶瓷粉體質(zhì)量的0.4～1.2wt％，引發(fā)劑為濃度3～6wt％的過硫酸銨溶液，加入量為混合液中預(yù)混液質(zhì)量的0.4～0.6wt％；(3)、采用行星球磨機(jī)球磨2～4小時(shí)，獲得陶瓷漿料；(4)將陶瓷漿料放入超聲清洗器中超聲除泡3～5分鐘，加入催化劑，催化劑為N，N，N，N-四甲基乙二胺，加入量為混合液中預(yù)混液質(zhì)量的0.2～0.3wt％，再將漿料注入模具中，該模具為表面粘有金屬環(huán)的玻璃板；(5)、將模具放置在空氣中24～48小時(shí)后，將濕坯脫模，放入網(wǎng)狀夾具中，再將夾具放置在恒溫恒濕箱中干燥后取出，干燥過程中控制濕度由95％到65％，控制溫度由10℃到30℃；(6)、將干燥好的坯體在600℃～700℃下排膠，排膠速率小于20℃/小時(shí)，再高溫?zé)Y(jié)成瓷。全文摘要本發(fā)明公開了一種制備功能陶瓷材料的方法，包括①配置好含有有機(jī)單體、交聯(lián)劑、引發(fā)劑、分散劑和陶瓷粉料的懸浮液；②加入催化劑，將漿料注入到環(huán)狀金屬模具中原位固化，即得到大尺寸陶瓷的濕坯；③將坯體脫模后，放入網(wǎng)狀夾具中，再將夾具放入恒溫恒濕箱中干燥，若干天后放入烘箱中干燥；④將干燥好的坯體在一定升溫制度下排膠，并在高溫?zé)Y(jié)成瓷。本發(fā)明制備出大尺寸高性能鈮鋅酸鉛-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷、鈦酸鍶鋇系熱釋電陶瓷、鈮錳酸鉛-銻錳酸鉛-鋯鈦酸鉛系熱釋電陶瓷。文檔編號C04B35/63GK101125757SQ20071005274公開日2008年2月20日申請日期2007年7月13日優(yōu)先權(quán)日2007年7月13日發(fā)明者姜勝林,張海波,曾亦可,謝甜甜申請人:華中科技大學(xué)