專利名稱：：制備氮化硅陶瓷發(fā)熱體的凝膠注模成型工藝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種制備氮化硅陶瓷發(fā)熱體的凝膠注模成型工藝方法，它屬于無機(jī)材料合成制備
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別是針對具有復(fù)雜形狀，對近凈尺寸要求嚴(yán)格的陶瓷發(fā)熱體。
背景技術(shù)：
：氮化硅發(fā)熱體是在氮化硅材料中放置發(fā)熱金屬絲，按使用要求成型后經(jīng)高溫?zé)Y(jié)或熱壓燒結(jié)工藝使氮化硅材料充分致密化。由于氮化硅的優(yōu)良絕緣性能及良好的導(dǎo)熱性，使得該發(fā)熱體具有可靠的安全性和自動除垢性能。而本發(fā)明所涉及的陶瓷燒結(jié)的現(xiàn)有技術(shù)中，陶瓷材料燒結(jié)后機(jī)械加工卻非常困難，也大幅度地增加了生產(chǎn)成本，故陶瓷零件的近尺寸精密成型技術(shù)是保證陶瓷零件質(zhì)量，降低成本和使所研制的新材料能夠得到實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。但目前行業(yè)中制備氮化硅發(fā)熱器的成型工藝均采用干粉的干壓成型。該方法雖然簡單，容易操作，但依靠這種方法來制備氮化硅發(fā)熱體卻有一些不足，因?yàn)樵诟蓧哼^程中，容易造成發(fā)熱金屬絲扭曲變形，該形變會使金屬發(fā)熱絲周圍的氮化硅坯體產(chǎn)生微裂紋，這使得高溫?zé)Y(jié)后的產(chǎn)品會存在微裂纟丈缺陷，導(dǎo)致性能偏差，并影響發(fā)熱體的安全使用。另外，發(fā)熱金屬絲一般都是彈簧形狀的，干粉壓制成型的產(chǎn)品無論是經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)或是熱壓燒結(jié)后均會在發(fā)熱金屬絲彈簧的內(nèi)孔中留下空洞，該空洞亦會影響產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品的使用壽命?，F(xiàn)有的采用注漿成型或熱壓鑄成型等濕法成型技術(shù)，也由于其本身的特點(diǎn)不能成型出結(jié)構(gòu)均勻，強(qiáng)度大的陶瓷坯體。凝膠注模成型技術(shù)(gel-casting)是美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室于20世紀(jì)90年代初發(fā)明的一種陶瓷濕法成型技術(shù)。該技術(shù)的新穎之處在于它首次將傳統(tǒng)的陶瓷注漿成型技術(shù)與聚合物化學(xué)有機(jī)結(jié)合起來，利用高分子單體聚合的特點(diǎn)達(dá)到成型的目的。該方法所要求的設(shè)備簡單，成型坯體收縮率小，排膠容易，密度大，強(qiáng)度高。但是現(xiàn)有的凝膠注模成型技術(shù)由于不夠完善，僅僅停留在實(shí)驗(yàn)室階段，不能推廣使用在實(shí)際生產(chǎn)中。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種可實(shí)現(xiàn)陶瓷坯體結(jié)構(gòu)均勻，干坯強(qiáng)度高，且操作簡單，生產(chǎn)成本低的制備氮化硅陶瓷發(fā)熱體的凝膠注模成型工藝方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種制備氮化硅陶瓷發(fā)熱體的凝膠注模成型工藝方法，它包括如下的工藝步驟A:配制單體溶液有機(jī)單體與交聯(lián)劑的質(zhì)量比為(630):1，按此質(zhì)量配比稱量后加入去離子水，配制成8%~14%的有機(jī)單體溶液。然后在單體溶液中加入1%~2%的非離子水溶性高分子溶劑；B:制備懸浮體溶液在步驟A得到的單體溶液中加入氮化硅陶瓷粉料和燒結(jié)助劑，氮化硅陶瓷粉料加入量按其質(zhì)量與單體溶液體積比為(45~65):(35-55)的比例加入，燒結(jié)助劑總的加入量占氮化硅質(zhì)量的6%~8%，制成懸浮體漿料；C:加入分散劑在經(jīng)B步驟得到的懸浮體漿料中加入占固相粉料質(zhì)量1%~3%的分散劑；D:調(diào)節(jié)PH值用濃度值>30%的濃氨水調(diào)節(jié)經(jīng)C步驟得到的漿料的PH值，調(diào)節(jié)范圍在911;E:球磨懸浮體漿料將步驟D所配制好的懸浮體漿料在球磨機(jī)里球磨4~8小時(shí)，得到固相體積含量在55%~60%,粘度為0.7Pa.s~0.9Pa.s的陶資漿料；F:加入引發(fā)劑和催化劑經(jīng)過步驟E后，加入引發(fā)劑和催化劑，以有機(jī)單體和交聯(lián)劑總的質(zhì)量為基準(zhǔn)，引發(fā)劑加入量20%~50%，催化劑加入量10%~30%。將漿料在真空下攪拌除泡，時(shí)間在5~15分鐘；G:注模固化成型把F步驟得到的陶乾漿料注入放在振動臺上的已經(jīng)放入了發(fā)熱金屬絲的模具中，然后放在烘箱中固化，烘箱溫度在60。C-85。C;固化時(shí)間在13小時(shí)；H:干燥坯體將固化后的成型坯體首先在小于25。C的^氐溫，大于80RH的高濕的環(huán)境中干燥1.0~2.0小時(shí)，待其收縮變形后，緩慢升高溫度到100-200。C后保溫1.0~3,0小時(shí)而后降到室溫，即得到凝膠注模干坯體；I:陶瓷燒結(jié)經(jīng)過H步驟的坯體在微波爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度在1550°C~1800°C。所用的氮化硅陶瓷粉末為a-Si^粉料，a相〉92y。，粒徑范圍為0.1~80um,或0-Si3N4粉料，卩相〉96%，粒徑范圍為0.5~20um。在步驟B中加入的燒結(jié)助劑為氧化鋁、氧化鎂、氧化釔、氮化鋁、氮化硼、氧化硅和氧化鈰，以氮化硅粉料質(zhì)量為基準(zhǔn)，各個(gè)成分的重量份數(shù)比為氧化鋁添加1~3，氧化鎂添加1~2，氧化釔添加2%~4,氮化鋁0~5,氮化硼0~5，氧化硅0~10，氧化鈰0~10。所述的氧化鋁粒徑范圍0.2~100um,純度>99.7%;氧化4美粒徑范圍0.5~20um,純度〉99%;氧化4乙粒徑范圍0.1~80um,純度>99.9%;在步驟A中加入的非離子水溶性高分子溶劑為聚丙烯酰胺，加入量為有機(jī)單體質(zhì)量的1%~2%。在步驟A中加入的非離子水溶性高分子溶劑為聚乙烯吡咯烷酮，按有機(jī)單體質(zhì)量的1%-2%加入。所述的有機(jī)單體為丙烯酰胺或甲基丙烯酰胺。所述的交耳關(guān)劑為N,N-亞曱基雙丙烯酸胺MBAM。所述的步驟C中加入的分散劑為四曱基氫氧化氨水溶液或聚曱基丙烯酸銨溶液。所述的步驟F中所用的引發(fā)劑為過硫酸銨APS水溶液。所述的步驟F中所用的催化劑為N，N,N'，N'-四曱基乙二胺T腿D。本發(fā)明克服了傳統(tǒng)的千壓成型工藝易造成內(nèi)嵌的發(fā)熱金屬絲扭曲變形，從而在周圍的陶瓷坯體中產(chǎn)生微裂紋而影響產(chǎn)品性能，而若采用注漿成型或熱壓鑄成型等濕法成型技術(shù)，也由于其本身的特點(diǎn)不能成型出結(jié)構(gòu)均勻，強(qiáng)度大的陶瓷坯體等等缺陷，所制備出的氮化硅陶乾坯體結(jié)構(gòu)均勻，干坯強(qiáng)度很高，且內(nèi)嵌發(fā)熱金屬絲不易變形，而且操作方法簡單，生產(chǎn)成本降低，同時(shí)也有效的提高了生產(chǎn)效率。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的說明實(shí)施例1:單體溶液配制如下采用的有機(jī)單體為丙烯酰胺，交聯(lián)劑為N,N-亞曱基雙丙烯酰銨。丙烯酰胺N,N-亞曱基雙丙烯酰胺為24:1，根據(jù)24:1的重量份數(shù)比稱量有機(jī)單體和交聯(lián)劑后，加入去離子水配制成有機(jī)單體(包括有機(jī)單體和交聯(lián)劑)含量為12%的單體溶液，并在上述的單體溶液中加入2%非離子水溶性高分子溶劑聚丙烯酰胺作為防氧阻凝劑。稱取50克cc-SiA陶乾粉體，a相〉92W，平均粒徑為20um,加入燒結(jié)助劑氧化鋁0.5克，氧化4美0.5克和氧化釔1.0克。在上述混合均勻的固相粉料中加入已經(jīng)配置好的40ml單體溶液，制得的懸浮體漿料中固相體積分?jǐn)?shù)約為56%。而后加入濃度為5%的分散劑四曱基氫氧化銨l.5ml，用濃氨水調(diào)節(jié)懸浮體漿料的PH值為9.4。然后球磨8小時(shí)后倒出漿料。加入濃度為5%的引發(fā)劑過硫酸銨1.3ml和催化劑N,N，N'N'-四甲基乙二胺0.5ml。并把漿料放在真空中抽真空除氣和均勻攪拌，時(shí)間大約5分鐘，爾后把漿料注入已經(jīng)放入發(fā)熱金屬絲的成型模具中，模具可放在振動臺上可以防止?jié){料的分層和沉淀，以達(dá)到漿料的均勻，再放在7(TC的烘箱中固化成型2小時(shí)。脫模后首先在1(TC，50RH的低溫高濕的環(huán)境中干燥1小時(shí)，待其收縮變形后，緩慢升高溫度到12(TC后保溫2小時(shí)爾后降到室溫，即得到凝膠注模干坯體，然后在微波燒結(jié)爐中燒結(jié)，溫度1700°C,最后得到結(jié)構(gòu)致密、強(qiáng)度高，尺寸形狀精確的氮化硅陶瓷發(fā)熱體。實(shí)施例2~實(shí)施例6:表1給出了本發(fā)明的其它五個(gè)更優(yōu)選的具體的實(shí)施方案，其工藝流程和步驟與實(shí)施例1完全相同，具體的材料成分、配比和工藝參數(shù)見表l。表一<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>權(quán)利要求1.一種制備氮化硅陶瓷發(fā)熱體的凝膠注模成型工藝方法，其特征在于它包括如下的工藝步驟A配制單體溶液有機(jī)單體與交聯(lián)劑的質(zhì)量比為(6～30)1，按此質(zhì)量配比稱量后加入去離子水，配制成濃度為8％～14％的單體溶液，然后在單體溶液中加入1％～2％的非離子水溶性高分子溶劑；B制備懸浮體溶液在步驟A得到的單體溶液中加入氮化硅陶瓷粉料和燒結(jié)助劑，氮化硅陶瓷粉料加入量按其質(zhì)量與單體溶液體積比為(45～65)(35～55)的比例加入，燒結(jié)助劑的加入量占氮化硅粉料質(zhì)量的4％～39％，制成懸浮體漿料；C加入分散劑在經(jīng)B步驟得到的懸浮體漿料中加入占固相粉料質(zhì)量1％～3％的分散劑；D調(diào)節(jié)PH值用濃度值>30％的濃氨水調(diào)節(jié)經(jīng)C步驟得到的漿料的PH值，調(diào)節(jié)范圍在9～11；E球磨懸浮體漿料將步驟D所配制好的懸浮體漿料球磨4～8小時(shí)，得到固相體積含量在55％～60％，粘度為0.7Pa.s～0.9Pa.s的陶瓷漿料；F加入引發(fā)劑和催化劑經(jīng)過步驟E后，加入引發(fā)劑和催化劑，以所加入的有機(jī)單體質(zhì)量和交聯(lián)劑總質(zhì)量為基準(zhǔn)，引發(fā)劑加入量占20％～50％，催化劑加入量占10％～30％，將漿料在真空下攪拌除泡，時(shí)間在5～15分鐘；G注模固化成型把F步驟得到的陶瓷漿料注入放在振動臺上的已經(jīng)放入了金屬發(fā)熱絲的模具中，然后放在烘箱中固化，烘箱溫度在60℃～85℃；固化時(shí)間在1～3小時(shí)；H干燥坯體將固化后的成型坯體首先在小于25℃的低溫，大于80RH的高濕的環(huán)境中干燥1.0～2.0小時(shí)，待其收縮變形后，緩慢升高溫度到100-200℃后保溫1.0～3.0小時(shí)而后降到室溫，即得到凝膠注模干坯體；I陶瓷燒結(jié)經(jīng)過G步驟的坯體在微波爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度在1550℃～1800℃。2.如權(quán)利要求1中所述的制備氮化硅陶瓷發(fā)熱體的凝膠注模成型工藝方法，其特征在于所用的氮化硅陶瓷粉末為ct-Si孔粉料，a相>92%，粒徑范圍為0.1-80um,或|3-313化粉料，0相>96%,粒徑范圍為0,5~20um。3.如權(quán)利要求1中所述的制備氮化硅陶瓷發(fā)熱體的凝膠注模成型工藝方法，其特征在于在步驟B中加入的燒結(jié)助劑為氧化鋁、氧化鎂、氧化釔、氮化鋁、氮化硼、氧化硅和氧化鈰，以氮化硅粉料質(zhì)量為基準(zhǔn)，各個(gè)成分的重量份數(shù)比為氧化鋁1~3,氧化鎂1~2,氧化釔2~4，氮化鋁0~5，氮化硼0~5,氧化硅0~10，氧化鈰0~10。4.如權(quán)利要求3中所述的制備氮化硅陶瓷發(fā)熱體的凝膠注模成型工藝方法，其特征在于所述的氧化鋁粒徑范圍0.2-100um，純度〉99.7%;氧化4美粒徑范圍0.5~20um,純度>99%;氧化4乙粒徑范圍0.1~80um，純度>99.9%;5.如權(quán)利要求1中所述的制備氮化硅陶瓷發(fā)熱體的凝膠注模成型工藝方法，其特征在于在步驟A中加入的非離子水溶性高分子溶劑為聚丙烯酰胺或聚乙烯吡咯烷酮。6.如權(quán)利要求1中所述的制備氮化硅陶瓷發(fā)熱體的凝膠注模成型工藝方法，其特征在于所述的有機(jī)單體為丙烯酰胺或甲基丙烯酰胺。7.如權(quán)利要求1中所述的制備氮化硅陶瓷發(fā)熱體的凝膠注模成型工藝方法，其特征在于所述的交聯(lián)劑為N，N-亞曱基雙丙烯酰胺MBAM。8.如權(quán)利要求1所述的制備氮化硅陶瓷發(fā)熱體的凝膠注模成型工藝方法，其特征在于所述的步驟C中加入的分散劑為四曱基氫氧化氨水溶液或聚曱基丙烯酸銨水溶液。9.如權(quán)利要求1所述的制備氮化硅陶瓷發(fā)熱體的凝膠注模成型工藝方法，其特征在于所述的步驟F中所用的引發(fā)劑為過硫酸銨APS水溶液。10.如權(quán)利要求1所述的制備氮化硅陶瓷發(fā)熱體的凝膠注模成型工藝方法，其特征在于所述的步驟F中所用的催化劑為N，N，N',N'-四曱基乙二胺TEMED。全文摘要一種制備氮化硅陶瓷發(fā)熱體的凝膠注模成型工藝方法，它屬于無機(jī)材料合成制備
技術(shù)領(lǐng)域：
，其特征在于它包括如下的工藝步驟配制包含有機(jī)單體與交聯(lián)劑的單體溶液，并加入氮化硅陶瓷粉料和4％～39％的燒結(jié)助劑制成懸浮體漿料，再加入占固相粉料質(zhì)量1％～3％的分散劑；并將pH值調(diào)節(jié)在9～11；懸浮體漿料球磨4～8小時(shí)，得到固相體積含量在55％～60％，粘度為0.7Pa.s～0.9Pa.s的陶瓷漿料；加入20％～50％的引發(fā)劑和10％～30％催化劑并在真空下攪拌除泡5～15分鐘；然后注模固化成型并干燥，最后坯體在1550℃～1800℃的微波爐中燒結(jié)。本發(fā)明得到的陶瓷坯體結(jié)構(gòu)均勻，且操作簡單，生產(chǎn)成本低。文檔編號B28B1/08GK101397210SQ20071007725公開日2009年4月1日申請日期2007年9月24日優(yōu)先權(quán)日2007年9月24日發(fā)明者劉培祥,宋文杰,張大牛,郜長福申請人:深圳市金科特種材料股份有限公司