專利名稱：陶瓷坯體的非水基注模凝膠精密成型方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無機非金屬材料領(lǐng)域，涉及一種陶瓷坯體的非水基注模凝膠精密成型 方法。
背景技術(shù)：
二十世紀九十年代初，美國橡樹嶺國家重點實驗室先后發(fā)明了《陶瓷坯體的 有機料漿注模凝膠成型技術(shù)》(U. S 4894194，)和《水基料漿注模凝膠成型技術(shù)》(U. S 5028362,) 0該技術(shù)將傳統(tǒng)的陶瓷坯體注漿成型技術(shù)與高分子化學(xué)理論相結(jié)合，將可形成凝 膠體的有機單體和交聯(lián)劑與有機溶劑或水配制成預(yù)混液，與陶瓷粉體混合后配制成陶瓷料 漿，澆注入無滲漏的模具中并在一定條件下使之原位聚合，形成交叉鍵結(jié)構(gòu)的凝膠體而使 陶瓷坯體定型，因此可適用于各種復(fù)雜形狀的陶瓷坯體的精密成型。比較而言，水基料漿以水為溶劑，不僅成本低，環(huán)境污染少，而且由于近年來多種 高效水溶性分散劑的發(fā)明應(yīng)用，易于配制出高陶瓷粉體體積分量的料漿，因此受到人們的 廣泛關(guān)注，并在某些領(lǐng)域獲得了成功應(yīng)用。然而，水基料漿注模凝膠成型的陶瓷坯體在脫水 干燥過程中必然產(chǎn)生一定的收縮率。當(dāng)坯體尺寸較大時，由于凝膠坯體表面的水分最先揮 發(fā)，收縮結(jié)果將原先連通的空隙從坯體表面封堵，致使坯體內(nèi)部的水分難以順利脫除，美國 專利U. S. 5028362給出的辦法是將凝膠后的坯體置于溫濕干燥箱中，逐漸降低干燥箱的相 對濕度，使坯體中的水分從內(nèi)到外逐漸脫除。實踐表明，這一過程相當(dāng)緩慢，而且對于尺寸 較大的坯體或陶瓷粉體體積分量較低時仍難以保證坯體內(nèi)部的水分充分脫出，以致造成干 燥和燒結(jié)過程中坯體脹裂損壞。為解決這一問題，中國專利《一種半水基注模凝膠成型陶瓷 坯體新技術(shù)》(ZL200410090865. 8)，公開了一種通過向水基料漿中加入一定量的與水不同 時揮發(fā)且與水無限互溶的醇類有機溶劑，在不影響料漿固相含量和凝膠化的情況下實現(xiàn)坯 體的注模凝膠精密成型，簡化坯體的脫水干燥過程，保證坯體中水分和有機溶劑的充分脫 除，使大尺寸陶瓷零件可以避免干燥和燒結(jié)過程中開裂的危險。但上述技術(shù)均難以適用于 易水解陶瓷粉體的注模凝膠法精密成型。有機料漿注模凝膠成型技術(shù)可以適用于易水解陶瓷粉體的精密成型，有廣泛的應(yīng) 用前景。但美國專利U. S 4894194給出的辦法是采用鄰苯二甲酸酯、二元酯、鄰苯二甲酸二 丁酯等作為溶劑，以三丙烯酸三羥甲基丙酯和二丙烯酸1，6_己二酯作為聚合單體和交聯(lián) 劑。這些溶劑和聚合物體系本身粘度較高，難以配制出高固相含量且流動性良好的陶瓷料 菜，加之價格較高，排除也比較困難，使其應(yīng)用范圍受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提出一種適用于易水解陶瓷粉體的非水基注模凝膠精密成型方法。本發(fā)明的技術(shù)解決方案(1).配料按照所成型陶瓷坯體的組成稱取所需陶瓷粉體，按體積含量為30% 55 %的比例加入有機溶劑，該有機溶劑是下列低粘度和不影響料漿凝膠化的有機溶劑之一或幾種的混合乙醇、乙二醇、丙三醇、1，3_ 丁二醇、1，4_ 丁二醇、異丙醇；稱取有機單體和 交聯(lián)劑，分別為醇溶性的丙烯酰胺和N’ N’ -亞甲基雙丙烯酰胺，有機單體和交聯(lián)劑的比例 可在10 1 30 1，有機單體和交聯(lián)劑的總加入量為陶瓷粉體重量的1 5% ；(2).混合球磨將上述陶瓷粉體、醇類有機溶劑、分散劑、有機單體和交聯(lián)劑放入 球磨機中充分混合球磨，形成非水基陶瓷料漿，球磨時間為2 50小時，球料比為1 1 5:1;(3).除氣將混合球磨好的非水基陶瓷料漿取出后進行真空攪拌或振動除氣；(4).加入引發(fā)劑向上述料漿中加入濃度為2 10%的引發(fā)劑過硫酸銨乙二醇溶 液，攪拌均勻，引發(fā)劑的加入量為有機單體重量的0. 1 1. 0% ；(5).模具準備模具材料應(yīng)為不滲液體的金屬、玻璃、塑料及蠟料；(6).注模凝膠采用下述三種方法其中之一凝膠化(6. 1)向非水基陶瓷料漿中加入催化劑四甲基乙二胺，催化劑的加入量為有機單 體重量的0. 02 0. 1%，充分攪拌均勻，澆注進模具中室溫靜置凝膠化，室溫靜置時間為 5 20分鐘；(6. 2)向非水基陶瓷料漿中加入還原劑亞硫酸銨乙二醇溶液，還原劑的加入量為 有機單體重量的0. 05 0. 5%，濃度為3 10%，充分攪拌均勻，澆注進模具中室溫靜置凝 膠化，室溫靜置時間為5 20分鐘；(6. 3)將非水基陶瓷料漿澆注進模具中，加熱至40 100°C使料漿凝膠化，加熱方 式采用電烘箱加熱、水浴加熱、微波加熱。(7).脫模干燥料漿凝膠過程完成后，開模取出陶瓷凝膠坯體，置于烘箱中在 30 200°C條件下排除陶瓷坯體中的有機物溶劑，所得到的陶瓷坯體進一步置于燒結(jié)爐 中在300 400°C條件下燒除有機單體和交聯(lián)劑組成的有機聚合物網(wǎng)絡(luò)，繼續(xù)提高溫度至 1000 1600°C實現(xiàn)陶瓷坯體的燒結(jié)致密化，即得所需的陶瓷體。本發(fā)明具有的優(yōu)點和有益效果本發(fā)明采用粘度較低的無水醇類有機溶劑中的一種或幾種混合作為溶劑，加入陶 瓷粉體和能夠溶解于該溶劑體系的有機單體、交聯(lián)劑，經(jīng)過混磨后得到具有高陶瓷粉體體 積分量和良好的流動性的非水基陶瓷料漿。加入適量非水性引發(fā)劑，攪拌均勻后，澆注進模 具中，在催化劑、或還原劑、或加熱條件下使料漿凝膠固化，從而實現(xiàn)了非水基陶瓷料漿的 精密成型。所得坯體經(jīng)加熱脫除有機溶劑、燒除有機單體和交聯(lián)劑聚合物，繼續(xù)提高溫度實 現(xiàn)陶瓷坯體的燒結(jié)致密化，即得所需的陶瓷體。該技術(shù)因采用非水性溶劑，可適用于易水解 陶瓷粉體原料的注模凝膠精密成型。同時由于醇類溶劑屬于弱極性分子，其脫除過程中引 起的坯體收縮和變形較小，避免了較大尺寸的陶瓷坯體在干燥過程中易產(chǎn)生變形和開裂的 危險，更容易獲得結(jié)構(gòu)均勻和無(少)缺陷的陶瓷體。本發(fā)明解決了易水解陶瓷粉體如氧 化鎂、氧化鈣、氧化鑭、氮化鋁、氮化硅以及硬質(zhì)合金粉體如碳化鎢、碳化鈦、硼化鈦等物質(zhì) 的注模凝膠精密成型，擴大了原材料的使用范圍。其優(yōu)點主要表現(xiàn)為1.與美國專利U. S 4894194有機料漿注模凝膠成型陶瓷坯體技術(shù)相比，由于采用 醇類物質(zhì)為溶劑，其粘度遠低于鄰苯二甲酸二丁酯，在使用合適的分散劑后，易于配置高固 相含量且流動性良好的非水基陶瓷料漿，同時原料價格也相對便宜。2.與美國專利U. S5028362水基料漿注模凝膠成型陶瓷坯體技術(shù)相比，由于醇類溶劑屬于弱極性分子，使陶瓷坯體干燥過程中收縮率相對減少，可保證坯體內(nèi)部溶劑能充 分排除，比鄰苯二甲酸二丁酯等溶劑更容易揮發(fā)，避免了較大尺寸陶瓷坯體干燥過程易于 開裂的危險并簡化干燥工藝。3.由于醇類物質(zhì)代替水，使陶瓷料漿中氣泡的表面強力減小而易于去除，因此料 漿中無須再加入消泡劑即可較容易的消除氣泡，凝膠后得到的陶瓷坯體缺陷更少。
具體實施例方式實施例1.氧化鎂陶瓷坯體成型稱取IOOOg中位徑尺寸為0.2μπι氧化鎂陶瓷粉體，加入500ml乙二醇，并加入 20ml市售JA281分散劑，50g丙烯酰胺有機單體、2. 5gN’N_亞甲基雙丙烯酰胺交聯(lián)劑，置于 滾筒式球磨機中，同時加入1500g磨球，混磨18小時后取出料漿，經(jīng)真空攪拌除氣后，料漿 流動性良好。加入預(yù)先配置好的5%濃度的過硫酸銨乙二醇溶液引發(fā)劑，攪拌均勻，澆注進 c5 22mmX80mm金屬材質(zhì)模具中。于烘箱中60°C溫度下加熱30分鐘，料漿凝膠化。取出后 在室溫下脫模，將凝膠坯體從模具取出，置于烘箱中于從40°C開始每小時升溫20°C，直至 升溫至200°C，繼續(xù)保溫3小時，揮發(fā)掉乙二醇。于空氣爐中1550°C燒結(jié)3小時，獲得完整 無開裂的氧化鎂陶瓷體。實施例2.氧化鎂/鈦酸鍶鋇陶瓷基片坯體的精密成型稱取120g平均粒徑為0. 2um的氧化鎂粉體和80g平均粒徑為0. 5um鈦酸鍶鋇超細 粉體，加入IOOml乙二醇，20ml丙三醇，IOml無水乙醇，細1市售JA-281分散劑，6g丙烯酰胺 有機單體，0. 3g亞甲基雙丙烯酰胺交聯(lián)劑，置于行星式球磨機中，同時加入500g磨球，球磨 4小時后取出料漿，振動除氣泡后加入0. 4m 1四甲基乙二胺催化劑和0. 5ml預(yù)先配置好的 5%濃度過硫酸銨水溶液引發(fā)劑，攪拌均勻，澆注進由平板玻璃組成的帶有1. 2mm間隙的模 具中，放置8分鐘，料漿凝膠化。開模揭下凝膠陶瓷坯片，放于石膏板之間空氣自然條件下 干燥5小時，此時坯片平整不變形，柔韌性良好，可進行沖切加工。將其切割成50mmX 150mm 小片，置于烘箱中于40°C開始每小時升溫20°C，直至升溫至200°C，繼續(xù)保溫1小時，揮發(fā)掉 乙二醇。然后五片疊層，于空氣爐中1300°C燒結(jié)2小時，獲得平整無開裂的Imm厚氧化鎂/ 鈦酸鍶鋇陶瓷基片。實施例3.氮化鋁陶瓷基片坯體的精密成型稱取360g平均粒徑為3. 0 μ m的氮化鋁粉，20g氧化釔和20g氟化鈣粉體，加入 IOOml乙二醇以及1，3_ 丁二醇、1，4_ 丁二醇、異丙醇各10ml，并加入20ml市售JA281分散 劑，IOg丙烯酰胺單體，0. 5g亞甲基雙丙烯酸銨交聯(lián)劑，加入IOOOg磨球，置于行星磨中球 磨12個小時后將料漿取出，經(jīng)真空攪拌除氣后加入3ml四甲基乙二胺催化劑和2ml濃度 為10%的過硫酸銨乙二醇溶液引發(fā)劑，攪拌均勻，分別澆注進鋼制的c520mmX80mm的圓柱 形模具中，放置15分鐘，料漿凝膠化。從模具中取出凝膠坯體，均得到表面光滑無氧阻聚現(xiàn) 象的坯體。取出后在室溫下脫模，將凝膠坯體從模具取出，置于烘箱中于從40°C開始每小 時升溫20°C，直至升溫至200°C，繼續(xù)保溫5小時，揮發(fā)掉有機溶劑。然后于氮氣氣氛爐中 1550°C燒結(jié)3小時，獲得完整無開裂的氮化鋁陶瓷圓柱體，經(jīng)進一步加工、切片、研磨即獲 得Φ 15mmX Imm的氮化鋁陶瓷基片。
權(quán)利要求
1.一種陶瓷坯體的非水基注模凝膠法精密成型方法，其特征在于(1).配料按照所成型陶瓷坯體的組成稱取所需陶瓷粉體，按體積含量為30% 55% 的比例加入非水有機溶劑，該有機溶劑是下列低粘度和不影響料漿凝膠化有機溶劑之一或 幾種的混合乙醇、乙二醇、丙三醇、1，3_ 丁二醇、1，4_ 丁二醇、異丙醇；稱取有機單體和交 聯(lián)劑，分別為醇溶性的丙烯酰胺和N’ N’ -亞甲基雙丙烯酰胺，有機單體和交聯(lián)劑的比例可 在10 1 30 1，有機單體和交聯(lián)劑的總加入量為陶瓷粉體重量的1 5%;(2).混合球磨將上述陶瓷粉體、醇類有機溶劑、分散劑、有機單體和交聯(lián)劑放入球磨 機中充分混合球磨，形成非水基陶瓷料漿，球磨時間為2 50小時，球料比為1 1 5 1(3).除氣將混合球磨好的非水基陶瓷料漿取出后進行真空攪拌或振動除氣；(4).加入引發(fā)劑向上述料漿中加入引發(fā)劑過硫酸銨乙二醇溶液，濃度為2 10%，攪 拌均勻，引發(fā)劑的加入量為有機單體重量的0. 1 1. 0% ；(5).模具準備模具材料應(yīng)為不滲液體的金屬、玻璃、塑料及蠟料；(6).注模凝膠采用下述三種方法其中之一凝膠化(6. 1)向非水基陶瓷料漿中加入催化劑四甲基乙二胺，催化劑的加入量為有機單體重 量的0. 02 0. 1 %，充分攪拌均勻，澆注進模具中室溫靜置凝膠化，室溫靜置時間為5 20 分鐘；(6. 2)向非水基陶瓷料漿中加入還原劑亞硫酸銨乙二醇溶液，還原劑的加入量為有機 單體重量的0. 05 0. 5%，濃度為3 10%，充分攪拌均勻，澆注進模具中室溫靜置凝膠 化，室溫靜置時間為5 20分鐘；(6. 3)將非水基陶瓷料漿澆注進模具中，加熱至40 100°C使料漿凝膠化，加熱方式采 用電烘箱加熱、水浴加熱、微波加熱；(7).脫模干燥料漿凝膠過程完成后，開模取出陶瓷凝膠坯體，置于烘箱中在30 200°C條件下排除陶瓷坯體中的有機物溶劑，所得到的陶瓷坯體進一步置于燒結(jié)爐中在 300 400°C條件下燒除有機單體和交聯(lián)劑聚合物，繼續(xù)提高溫度至1000 1600°C實現(xiàn)陶 瓷坯體的燒結(jié)致密化，即得所需的陶瓷體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種陶瓷坯體的非水基注模凝膠法精密成型方法，其特征在 于所述的有機溶劑是下列一種或幾種的混合乙醇、乙二醇、丙三醇、1，3_ 丁二醇、1，4_ 丁 二醇、異丙醇，混合比例為任意比，陶瓷粉體的固相含量為30% 55%。
全文摘要
本發(fā)明屬于無機非金屬材料領(lǐng)域，涉及一種陶瓷坯體的非水基注模凝膠精密成型方法。本發(fā)明采用粘度較低的無水醇類有機溶劑中的一種或幾種混合作為溶劑，加入陶瓷粉體和能夠溶解于該溶劑體系的有機單體、交聯(lián)劑，經(jīng)過混磨后得到具有高陶瓷粉體體積分量和良好的流動性的非水基陶瓷料漿。加入適量引發(fā)劑，攪拌均勻后，澆注進模具中，在催化劑、或還原劑、或加熱條件下使料漿凝膠固化，從而實現(xiàn)了非水基陶瓷料漿的精密成型。所得坯體經(jīng)排膠、燒結(jié)，即得所需的陶瓷體。該技術(shù)因采用非水性溶劑，可適用于易水解陶瓷粉體原料的注模凝膠精密成型。避免了較大尺寸的陶瓷坯體在干燥過程中易產(chǎn)生變形和開裂的危險。
文檔編號B28B1/14GK102085688SQ20101056217
公開日2011年6月8日 申請日期2010年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月29日
發(fā)明者仝建峰, 李寶偉, 梁艷媛, 焦春榮, 陳大明, 黃浩 申請人:中國航空工業(yè)集團公司北京航空材料研究院