注漿法制備氧化鋯-硼化鋯雙層復合陶瓷發(fā)熱體的工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電加熱材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種注漿法制備氧化鋯-硼化鋯雙層 復合陶瓷發(fā)熱體的工藝。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，在氧化氣氛環(huán)境下可產(chǎn)生1800°C以上高溫的發(fā)熱體有四種：二硼化鋯/碳 化硅復合陶瓷發(fā)熱體、二硅化鉬復合陶瓷發(fā)熱體，鉻酸鑭復合陶瓷發(fā)熱體和二氧化鋯復合 陶瓷發(fā)熱體。二硼化鋯/碳化硅復合陶瓷發(fā)熱體是近年發(fā)展起來的一種新型超高溫發(fā)熱 體，其特點是熔點高，電學性能、力學性能和化學穩(wěn)定性俱佳。在1800°C以下，具有較好的抗 氧化能力。但不能在1800°C以上的氧化環(huán)境中長期使用。二硅化鉬復合陶瓷發(fā)熱體是目前 在氧化氣氛下可使用的最成熟的高溫發(fā)熱體，但由于其力學性能和抗氧化能力等問題，使 其應(yīng)用極限止步于1800°C。以二氧化鋯為基體的復合陶瓷發(fā)熱體在氧化氣氛下可以提供最 高至2000°C的高溫。但由于這種發(fā)熱體在常溫下不導電，必須設(shè)置輔助加熱系統(tǒng)，當溫度達 到1000°C以上后，才能啟動氧化鋯發(fā)熱體。因此，在制作與其配套的加熱設(shè)備時必須設(shè)計成 雙發(fā)熱系統(tǒng)，導致爐膛結(jié)構(gòu)非常復雜。鉻酸鑭復合陶瓷發(fā)熱體是一種在氧化氣氛下可提供 1800 °C高溫的加熱元件，但在使用過程中，發(fā)熱體中的氧化鉻有少量的發(fā)揮，對被加熱物料 產(chǎn)生一定污染。鑒于上述發(fā)熱體各自所存在的不足，從而限制了它們在實際中的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是提供一種注漿法制備氧化鋯-硼化鋯雙層復合陶瓷發(fā)熱體的工 藝，該工藝制得的發(fā)熱體可在氧化環(huán)境下提供2000~2100°C的高溫，有效地克服了氧化鋯發(fā) 熱體在使用過程中復雜的雙加熱系統(tǒng)以及二硼化鋯復合陶瓷發(fā)熱體在1800°C以上的氧化 氣氛中抗氧化能力差等缺點。
[0004] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：注漿法制備氧化鋯-硼化鋯雙層復合陶瓷發(fā)熱體的工 藝，所述發(fā)熱體由一個發(fā)熱段、兩個過渡段和兩個接線段構(gòu)成，發(fā)熱段和過渡段均由內(nèi)外兩 層陶瓷結(jié)構(gòu)構(gòu)成，內(nèi)層為實芯結(jié)構(gòu)的ZrB 2基質(zhì)復合陶瓷，外層為Zr02s質(zhì)復合陶瓷； 所述發(fā)熱體的制備工藝包括以下步驟： 步驟一、取制備發(fā)熱體外層結(jié)構(gòu)的原材料，在球磨機中球磨80~120h，過200~300目 篩，調(diào)節(jié)得到的漿料的pH為1. 7~1. 9,密度為1. 9~2. lg/cm3,即得到發(fā)熱體外層漿料， 備用； 步驟二、取制備發(fā)熱體內(nèi)層結(jié)構(gòu)的原材料，按照每百克原材料50~100mL的量加入酒 精，然后在球磨機中球磨20~60h，球磨完成后，在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀烘干，過篩200~300目，得 到混合粉料，備用；再加入分散劑、陶瓷增強劑和水，使固相含量為45~55vol%，pH為8~ 11. 5,得到發(fā)熱體內(nèi)層漿料，備用； 步驟三、將步驟一得到的發(fā)熱體外層漿料和步驟二得到的發(fā)熱體內(nèi)層漿料注入到用于 制造發(fā)熱體的模具中，成型、脫模后，經(jīng)溫等靜壓機制成素坯，然后將素坯裝入到石墨匣缽 內(nèi)，在等靜壓燒結(jié)爐中真空預燒，先按照60~70°C /h的速度，從室溫升溫至300°C，保溫2h 后，再按照60~70°C /h的速度升溫至350~500°C，并保溫lh ;然后通入氬氣至爐內(nèi)壓力 為1~2KPa，同時按照300~600°C /h的升溫速度升溫至1000°C，保溫20~40min ;之后再 按照200~400°C /h的升溫速度升溫至1500°C，保溫20~40min ;接著按照300~600°C / h的升溫速度升溫至1900~2000°C，保溫20~40min，然后，按6KPa/h的升壓速度升高壓 力至10~15KPa，恒溫恒壓保持0. 5~lh后繼續(xù)升壓至8~lOMPa，恒溫恒壓保持0. 5~ lh，燒結(jié)結(jié)束，得到氧化鋯-硼化鋯雙層復合陶瓷發(fā)熱體。
[0005] 進一步優(yōu)化，制備發(fā)熱體外層結(jié)構(gòu)的原材料為ZrO# CaO、Y 203、Al203、Ce03、Mg0和 Ti0 2中的一種或幾種混合組成的Zr02復合粉料，Zr02復合粉料中各組分的重量百分比為 Zr0 275 ~95%、CaOO ~5%、Y2030 ~20%、A12030 ~1%、Ce020 ~25%、MgOO ~20% 和 Ti020 ~ 1%，各組分配比之和為100%。
[0006] 進一步優(yōu)化，制備發(fā)熱體內(nèi)層結(jié)構(gòu)的原材料為ZrB# SiC、Zr、B 4C、B、C和Zr02 復合粉料中的一種或幾種，各組分的重量百分比為ZrB245~90%、SiCO~30%、B4C0~6%、 ZrO~3%、B0~6%、C0~10%和21〇 2復合粉料0~25%，各組分配比之和為100% ;所述的 Zr02復合粉料為ZrO 2與Ca0、Y 203、Al203、Ce03、Mg0和Ti0 2中的一種或幾種，ZrO 2復合粉料中 各組分的重量百分比為Zr027 5~95%、CaOO~5%、Y2030~20%、A12030~l%、Ce0 20~25%、 Mg00~20%和Ti020~1%，各組分配比之和為100%。
[0007] 進一步優(yōu)化，步驟二所述的分散劑為聚乙烯亞胺或者聚醚酰亞胺。
[0008] 進一步優(yōu)化，步驟二所述的分散劑和陶瓷增強劑的加入量為：每百克混合粉料加 入分散劑〇? 1~〇? 6mL，陶瓷增強劑0? 05~0? 5mL。
[0009]進一步優(yōu)化，步驟三所述的溫等靜壓機在溫度為35~50°C、壓力為150~300MPa 條件下保溫保壓10~20min后制成素還。
[0010] 進一步優(yōu)化，所述的制備得到的發(fā)熱體為直形發(fā)熱體或u形發(fā)熱體。
[0011] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有下述優(yōu)點及有益效果： 1、本發(fā)明充分利用氧化鋯復合陶瓷在高溫下出色的抗氧化能力以及硼化鋯-碳化硅 復合陶瓷良好的導電性能等優(yōu)點，并有效地避免氧化鋯復合陶瓷在1000°c以下導電性差及 硼化鋯-碳化硅復合陶瓷在1800°c以上抗氧化能力差等之缺點。
[0012] 2、本發(fā)明制得的發(fā)熱體可在氧化環(huán)境下提供2000~2100°C的高溫，與現(xiàn)有技術(shù)相 比，可以有效地克服氧化鋯發(fā)熱體在使用過程中復雜的雙加熱系統(tǒng)以及二硼化鋯復合陶瓷 發(fā)熱體在1800°C以上的氧化氣氛中抗氧化能力差等缺點。
【附圖說明】
[0013] 圖1為本發(fā)明制得的直形發(fā)熱體的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明制得的直形發(fā)熱體的發(fā)熱段及過渡段的截面結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為本發(fā)明制得的直形發(fā)熱體的接線段的截面結(jié)構(gòu)示意圖； 附圖標記：1、發(fā)熱段，2、過渡段，3、接線段，4、內(nèi)層陶瓷結(jié)構(gòu)，5、外層陶瓷結(jié)構(gòu)。
【具體實施方式】
[0014] 為使本發(fā)明的內(nèi)容更明顯易懂，以下結(jié)合具體實施例1-3,對本發(fā)明進行詳細描 述。
[0015] 實施例1-3注漿法制備氧化鋯-硼化鋯雙層復合陶瓷發(fā)熱體的工藝中，Zr02復合 粉料的配方及配方中各組分的質(zhì)量百分比見表1。
[0016] 表1 :實施例1-3穩(wěn)定氧化鋯配方(質(zhì)量百分比）
【主權(quán)項】
1. 注漿法制備氧化鋯-硼化鋯雙層復合陶瓷發(fā)熱體的工藝，所述發(fā)熱體由一個發(fā)熱 段、兩個過渡段和兩個接線段構(gòu)成，其特征在于：發(fā)熱段和過渡段均由內(nèi)外兩層陶瓷結(jié)構(gòu)構(gòu) 成，內(nèi)層為實芯結(jié)構(gòu)的ZrB2基質(zhì)復合陶瓷，外層為ZrO2基質(zhì)復合陶瓷； 所述發(fā)熱體的制備包括以下步驟： 步驟一、取制備發(fā)熱體外層結(jié)構(gòu)的原材料，在球磨機中球磨80~120h，過200~300目 篩，調(diào)節(jié)得到的漿料的PH為1. 7~1. 9,密度為1. 9~2.lg/cm3,即得到發(fā)熱體外層漿料， 備用； 步驟二、取制備發(fā)熱體內(nèi)層結(jié)構(gòu)的原材料，按照每百克原材料50~IOOmL的量加入酒 精，然后在球磨機中球磨20~60h，球磨完成后，在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀烘干，過篩200~300目，得 到混合粉料，備用；再加入分散劑、陶瓷增強劑和水，使固相含量為45~55vol%，pH為8~ 11. 5,得到發(fā)熱體內(nèi)層漿料，備用； 步驟三、將步驟一得到的發(fā)熱體外層漿料和步驟二得到的發(fā)熱體內(nèi)層漿料注入到用于 制造發(fā)熱體的模具中，成型、脫模后，經(jīng)溫等靜壓機制成素坯，然后將素坯裝入到石墨匣缽 內(nèi)，在等靜壓燒結(jié)爐中真空預燒，先按照60~70°C/h的速度，從室溫升溫至300°C，保溫 2h后，再按照60~70°C/h的速度升溫至350~500°C，并保溫Ih;然后通入氬氣至爐內(nèi) 壓力為1~2KPa，同時按照300~600°C/h的升溫速度升溫至1000°C，保溫20~40min; 之后再按照200~400°C/h的升溫速度升溫至1500°C，保溫20~40min;接著按照300~ 600°C/h的升溫速度升溫至1900~2000°C，保溫20~40min，然后按6KPa/h的升壓速度 升高壓力至10~15KPa，恒溫恒壓保持0. 5~Ih后繼續(xù)升壓至8~lOMPa，恒溫恒壓保持 0. 5~lh，燒結(jié)結(jié)束，得到氧化鋯-硼化鋯雙層復合陶瓷發(fā)熱體。
2. 如權(quán)利要求1所述的注漿法制備氧化鋯-硼化鋯雙層復合陶瓷發(fā)熱體的工藝，其特 征在于：制備發(fā)熱體外層結(jié)構(gòu)的原材料為ZrOgCaO、Y203、A1203、Ce03、MgO和TiO2中的一 種或幾種混合組成的ZrO2復合粉料，ZrO2復合粉料中各組分的重量百分比為Zr0275~95%、 CaOO~5%、Y2030 ~20%、A12030 ~l%、Ce020 ~25%、MgOO~20% 和TiO2O~1%，各組分配比 之和為100%。
3. 如權(quán)利要求1所述的注漿法制備氧化鋯-硼化鋯雙層復合陶瓷發(fā)熱體的工藝，其特 征在于：制備發(fā)熱體內(nèi)層結(jié)構(gòu)的原材料為2池2與SiC、Zr、B4C、B、C和21〇2復合粉料中的一 種或幾種，各組分的重量百分比為ZrB245~90%、SiCO~30%、B4CO~6%、ZrO~3%、BO~ 6%、CO~10%和ZrO^合粉料0~25%，各組分配比之和為100% ;所述的ZrO2復合粉料為 ZrOgCaO、Y203、A1203、Ce03、MgO和TiO2中的一種或幾種，ZrO2復合粉料中各組分的重量 百分比為Zr027 5 ~95%、CaOO~5%、Y2030 ~20%、A12030 ~l%、Ce020 ~25%、MgOO~20% 和 TiO2O~1%，各組分配比之和為100%。
4. 如權(quán)利要求1所述的注漿法制備氧化鋯-硼化鋯雙層復合陶瓷發(fā)熱體的工藝，其特 征在于：步驟二所述的分散劑為聚乙烯亞胺或者聚醚酰亞胺。
5. 如權(quán)利要求1所述的注漿法制備氧化鋯-硼化鋯雙層復合陶瓷發(fā)熱體的工藝，其 特征在于：步驟二所述的分散劑和陶瓷增強劑的加入量為：每百克混合粉料加入分散劑 0? 1~0? 6mL，陶瓷增強劑0? 05~0? 5mL。
6. 如權(quán)利要求1所述的注漿法制備氧化鋯-硼化鋯雙層復合陶瓷發(fā)熱體的工藝，其特 征在于：步驟三所述的溫等靜壓機在溫度為35~50°C、壓力為150~300MPa條件下保溫
【專利摘要】本發(fā)明公開一種注漿法制備氧化鋯-硼化鋯雙層復合陶瓷發(fā)熱體的工藝，所述發(fā)熱體由一個發(fā)熱段、兩個過渡段和兩個接線段構(gòu)成，發(fā)熱段和過渡段均由內(nèi)外兩層陶瓷結(jié)構(gòu)構(gòu)成，內(nèi)層為實芯結(jié)構(gòu)的ZrB2基質(zhì)復合陶瓷，外層為ZrO2基質(zhì)復合陶瓷；所述發(fā)熱體的制備包括發(fā)熱體外層漿料的制備、發(fā)熱體內(nèi)層漿料的制備以及注漿成型、脫模和燒結(jié)等步驟，本發(fā)明的目的是提供一種注漿法制備氧化鋯-硼化鋯雙層復合陶瓷發(fā)熱體的工藝，該工藝制得的發(fā)熱體可在氧化環(huán)境下提供2000~2100℃的高溫，有效地克服了氧化鋯發(fā)熱體在使用過程中復雜的雙加熱系統(tǒng)以及二硼化鋯復合陶瓷發(fā)熱體在1800℃以上的氧化氣氛中抗氧化能力差等缺點。
【IPC分類】C04B35-48, C04B35-622, C04B35-58
【公開號】CN104844199
【申請?zhí)枴緾N201510198026
【發(fā)明人】郭進武, 馬軍營, 陳權(quán), 李軍波, 汪庚先
【申請人】河南科技大學
【公開日】2015年8月19日
【申請日】2015年4月24日