一種陶瓷胚體的凝膠離心成型方法
【專利摘要】一種陶瓷胚體的凝膠離心成型方法，本發(fā)明涉及一種陶瓷胚體的成型方法。本發(fā)明的目的是要解決現(xiàn)有陶瓷胚體成型方法存在陶瓷顆粒很難分布均勻，容易產(chǎn)生團(tuán)聚，素胚存在裂紋并且殘有少量孔洞，致使燒結(jié)后的陶瓷致密度較低的問(wèn)題。方法：首先將有機(jī)單體和交聯(lián)劑溶解到去離子水中，再加入分散劑，再進(jìn)行超聲處理，再加入陶瓷粉，進(jìn)行球磨，再加入引發(fā)劑，攪拌、離心，再進(jìn)行固化，得到固化胚體；將固化胚體脫模，再進(jìn)行干燥，得到陶瓷胚體。本發(fā)明得到陶瓷胚體的致密度可達(dá)55％～80％；素胚微觀結(jié)構(gòu)均勻，堆垛致密，無(wú)裂紋且內(nèi)部無(wú)缺陷，同時(shí)本發(fā)明材料利用率高，成型工藝簡(jiǎn)單，適合產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。本發(fā)明可獲得一種陶瓷胚體的凝膠離心成型方法。
【專利說(shuō)明】一種陶瓷胚體的凝膠離心成型方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種陶瓷胚體的成型方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 陶瓷材料具有較高的強(qiáng)度和耐高溫等優(yōu)良性能，正在成為一種優(yōu)異的結(jié)構(gòu)材料和 功能材料，尤其是納米陶瓷具有優(yōu)異的強(qiáng)度和韌性，具有廣闊的發(fā)展前景。陶瓷顆粒尤其是 納米陶瓷粒徑較小，具有較大的表面能，很難制備出高致密，缺陷少，結(jié)構(gòu)均勻的陶瓷素胚， 高致密和均勻結(jié)構(gòu)的素胚可以在低溫下燒結(jié)致密化，這在降低設(shè)備要求的同時(shí)也提高了 陶瓷的性能。因此制備出高致密，缺陷少，結(jié)構(gòu)均勻的素胚體成為了一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。
[0003] 為了解決上述問(wèn)題，開(kāi)發(fā)出的陶瓷胚體成型的技術(shù)主要有模壓、冷等靜壓、凝膠注 模成型等，模壓成型的陶瓷材料容易分層，其性能具有方向性和不均勻性，且材料的利用率 較低。冷等靜壓成型的陶瓷致密度較低，不利于燒結(jié)，需要后加工，材料的利用率低。這兩 種成型方法中陶瓷顆粒很難分布均勻，容易產(chǎn)生團(tuán)聚，不利于陶瓷燒結(jié)。
[0004] 為了獲得高致密度，內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻，不含孔洞和裂紋的胚體，1991年美國(guó)橡樹(shù)嶺實(shí) 驗(yàn)室的Janney和Omatete等提出了凝膠注模成型方法，其基本原理是通過(guò)加入單體，交聯(lián) 劑和分散劑，再加入少量的引發(fā)劑和催化劑，漿料中的有機(jī)物在一定溫度下反應(yīng)形成堅(jiān)固 的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而使陶瓷顆粒原位固定，單體含量為14wt%。Jung-Soo Ha制備Al2O3 陶瓷時(shí)，單體AM的含量為14wt%。凝膠注模工藝獲得的素胚常常存在裂紋并且殘有少量孔 洞。同時(shí)由于單體含量過(guò)高，排膠后的胚體致密度較低，致使燒結(jié)后的陶瓷致密度較低。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是要解決現(xiàn)有陶瓷胚體成型方法存在陶瓷顆粒很難分布均勻，容易 產(chǎn)生團(tuán)聚，素胚存在裂紋并且殘有少量孔洞，致使燒結(jié)后的陶瓷致密度較低的問(wèn)題，而提供 一種陶瓷胚體的凝膠離心成型方法。
[0006] 一種陶瓷胚體的凝膠離心成型方法，具體是按以下步驟完成的：
[0007] -、制備混合溶液：將有機(jī)單體和交聯(lián)劑溶解到去離子水中，再加入分散劑，再進(jìn) 行超聲處理，得到混合溶液；
[0008] 步驟一中所述的有機(jī)單體與交聯(lián)劑的質(zhì)量比為1: (0. 08?0. 12);
[0009] 步驟一中所述的有機(jī)單體與去離子水的質(zhì)量比為1: (10?100);
[0010] 步驟一中所述的分散劑與去咼子水的質(zhì)量比為1: (50?1000);
[0011] 二、制備漿料：將陶瓷粉加入到步驟一中得到的混合溶液中，再在球料比為3:1和 球磨速度為190r/min?260r/min下球磨8h?24h，得到衆(zhòng)料；
[0012] 步驟二中所述的陶瓷粉與步驟一中得到的混合溶液的質(zhì)量比為1: (0. 1?1);
[0013] 三、制備固化胚體：將引發(fā)劑溶液加入到漿料中，再在攪拌速度為40r/min?60r/ min下攪拌2min?30min，得到衆(zhòng)料；將衆(zhòng)料注入到模具中，再將裝有衆(zhòng)料的模具在離心 速度為4000r/min?10000r/min下離心15min?35min，得到胚體；再將胚體放入溫度為 40°C?80°C的干燥箱中固化0. 5h?3h，得到固化胚體；
[0014] 步驟三中所述的引發(fā)劑溶液與漿料的質(zhì)量比為1: (2500?10000);
[0015] 四、脫模、干燥：將固化胚體脫模，再在溫度為10°C?20°C下干燥7d?16d，得到 陶瓷胚體。
[0016] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：
[0017] -、本發(fā)明在不降低陶瓷胚體性能基礎(chǔ)上，通過(guò)降低漿料中有機(jī)單體的含量，有機(jī) 單體的含量到0.2%?5%之間，減少排膠后胚體中的孔隙，提高了胚體的致密度，促進(jìn)坯 體的低溫?zé)Y(jié)；本發(fā)明使用低含量的有機(jī)單體能夠獲得性能優(yōu)異的陶瓷胚體，使用本發(fā)明 的方法可獲得致密度較高的素坯，本發(fā)明得到陶瓷胚體的致密度可達(dá)55%?80% ;
[0018] 二、凝膠工藝能夠制備出高固含量、分散均勻的漿料，但是一方面由于漿料粘度較 大，導(dǎo)致漿料中氣體不能排除完全，殘留在漿料內(nèi)部，造成了缺陷的產(chǎn)生；另一方面凝膠注 模成型屬于無(wú)壓成型，這使得陶瓷顆粒堆垛不致密，致密度較低；最后，凝膠注模由于液體 含量高，干燥過(guò)程中收縮較大，容易產(chǎn)生裂紋；而本發(fā)明將水基凝膠和離心成型相結(jié)合，利 用顆粒之間的相互作用力，使顆粒緊密接觸，排除氣泡，將多余的水分離心出去，制備出了 高致密度可達(dá)80%的胚體，對(duì)于復(fù)合陶瓷通過(guò)SEM面能譜分析可知本發(fā)明制備的陶瓷胚體 上中下三部位組分含量均勻，SEM掃描分析可知素胚微觀結(jié)構(gòu)均勻，堆垛致密，無(wú)裂紋且內(nèi) 部無(wú)缺陷，有利于低溫?zé)Y(jié)和材料的致密化，提高陶瓷性能；同時(shí)本發(fā)明材料利用率高，成 型工藝簡(jiǎn)單，適合產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。
[0019] 本發(fā)明可獲得一種陶瓷胚體的凝膠離心成型方法。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1為實(shí)施例一得到的陶瓷胚的數(shù)碼照片，圖中1為第一點(diǎn)，2為第二點(diǎn)，3為第三 占 .
[0021] 圖2是圖1中第一點(diǎn)的SEM圖；
[0022] 圖3是圖1中第二點(diǎn)的SEM圖；
[0023] 圖4是圖1中第三點(diǎn)的SEM圖；
[0024] 圖5為圖1中第一點(diǎn)的能譜圖；
[0025] 圖6為圖1中第三點(diǎn)的能譜圖。

【具體實(shí)施方式】

【具體實(shí)施方式】 [0026] 一：本實(shí)施方式是一種陶瓷胚體的凝膠離心成型方法，具體是按以 下步驟完成的：
[0027] 一、制備混合溶液：將有機(jī)單體和交聯(lián)劑溶解到去離子水中，再加入分散劑，再進(jìn) 行超聲處理，得到混合溶液；
[0028] 步驟一中所述的有機(jī)單體與交聯(lián)劑的質(zhì)量比為1: (0. 08?0. 12);
[0029] 步驟一中所述的有機(jī)單體與去離子水的質(zhì)量比為1: (10?100);
[0030] 步驟一中所述的分散劑與去尚子水的質(zhì)量比為1: (50?1000);
[0031] 二、制備漿料：將陶瓷粉加入到步驟一中得到的混合溶液中，再在球料比為3:1和 球磨速度為190r/min?260r/min下球磨8h?24h，得到衆(zhòng)料；
[0032] 步驟二中所述的陶瓷粉與步驟一中得到的混合溶液的質(zhì)量比為I: (0. 1?I);
[0033] 三、制備固化胚體：將引發(fā)劑溶液加入到漿料中，再在攪拌速度為40r/min?60r/ min下攪拌2min?30min，得到衆(zhòng)料；將衆(zhòng)料注入到模具中，再將裝有衆(zhòng)料的模具在離心 速度為4000r/min?10000r/min下離心15min?35min，得到胚體；再將胚體放入溫度為 40°C?80°C的干燥箱中固化0. 5h?3h，得到固化胚體；
[0034] 步驟三中所述的引發(fā)劑溶液與漿料的質(zhì)量比為1: (2500?10000);
[0035] 四、脫模、干燥：將固化胚體脫模，再在溫度為10°C?20°C下干燥7d?16d，得到 陶瓷胚體。
[0036] 本實(shí)施方式的優(yōu)點(diǎn)：
[0037] 一、本實(shí)施方式在不降低陶瓷胚體性能基礎(chǔ)上，通過(guò)降低漿料中有機(jī)單體的含量， 有機(jī)單體的含量到〇. 2%?5%之間，減少排膠后胚體中的孔隙，提高了胚體的致密度，促 進(jìn)坯體的低溫?zé)Y(jié)；本實(shí)施方式使用低含量的有機(jī)單體能夠獲得性能優(yōu)異的陶瓷胚體，使 用本實(shí)施方式的方法可獲得致密度較高的素坯，本實(shí)施方式得到陶瓷胚體的致密度可達(dá) 55%?80% ;
[0038] 二、凝膠工藝能夠制備出高固含量、分散均勻的漿料，但是一方面由于漿料粘度較 大，導(dǎo)致漿料中氣體不能排除完全，殘留在漿料內(nèi)部，造成了缺陷的產(chǎn)生；另一方面凝膠注 模成型屬于無(wú)壓成型，這使得陶瓷顆粒堆垛不致密，致密度較低；最后，凝膠注模由于液體 含量高，干燥過(guò)程中收縮較大，容易產(chǎn)生裂紋；而本實(shí)施方式將水基凝膠和離心成型相結(jié) 合，利用顆粒之間的相互作用力，使顆粒緊密接觸，排除氣泡，將多余的水分離心出去，制備 出了高致密度可達(dá)80%的胚體，對(duì)于復(fù)合陶瓷通過(guò)SEM面能譜分析可知本實(shí)施方式制備的 陶瓷胚體上中下三部位組分含量均勻，SEM掃描分析可知素胚微觀結(jié)構(gòu)均勻，堆垛致密，無(wú) 裂紋且內(nèi)部無(wú)缺陷，有利于低溫?zé)Y(jié)和材料的致密化，提高陶瓷性能；同時(shí)本實(shí)施方式材料 利用率高，成型工藝簡(jiǎn)單，適合產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。
[0039] 本實(shí)施方式可獲得一種陶瓷胚體的凝膠離心成型方法。

【具體實(shí)施方式】 [0040] 二：本實(shí)施方式與一的不同點(diǎn)是：步驟一中所述的超 聲處理的功率為50W?200W，超聲時(shí)間為5min?20min。其他與一相同。

【具體實(shí)施方式】 [0041] 三：本實(shí)施方式與一或二的不同點(diǎn)是：步驟二中所述 的陶瓷粉體的粒徑為〇. 1 μπι?10 μπι。其他與一或二相同。

【具體實(shí)施方式】 [0042] 四：本實(shí)施方式與一至三的不同點(diǎn)是：步驟一中所述 的去離子水的pH值為7?11，當(dāng)去離子水為堿性時(shí)，是使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10 %?30 %的氨水 調(diào)節(jié)的。其他與一至三相同。

【具體實(shí)施方式】 [0043] 五：本實(shí)施方式與一至四的不同點(diǎn)是：步驟一中所述 的交聯(lián)劑為N，N-亞甲基雙丙烯酰胺、二異氰酸酯或聚丙烯酸酯。其他與一至 四相同。

【具體實(shí)施方式】 [0044] 六：本實(shí)施方式與一至五的不同點(diǎn)是：步驟一中所述 的分散劑為聚丙烯酸銨、羧甲基丙烯酸銨、聚乙二醇或分散劑E80。其他與一 至五相同。
[0045]

【具體實(shí)施方式】七：本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至六的不同點(diǎn)是：步驟一中所述 的有機(jī)單體為三亞甲基碳酸酯、N，N-二甲基乙?；阴０?、聚氧乙烯醚、丙烯酰胺或甲基丙 烯酸聚乙二醇酯。其他與【具體實(shí)施方式】一至六相同。

【具體實(shí)施方式】 [0046] 八：本實(shí)施方式與一至七的不同點(diǎn)是：步驟二中所述 的陶瓷粉體為硼化鋯、碳化硅、碳化硼、氧化鋯和氧化鋁中的一種或幾種的混合物。其他與 一至七相同。

【具體實(shí)施方式】 [0047] 九：本實(shí)施方式與一至八的不同點(diǎn)是：步驟三中所述 的引發(fā)劑溶液為濃度為5 %?20 %的過(guò)硫酸鉀水溶液、濃度5 %?20 %的過(guò)硫酸銨水溶液 或濃度為5%?20%的偶氮二異丁腈水溶液。其他與一至八相同。

【具體實(shí)施方式】 [0048] 十：本實(shí)施方式與一至九的不同點(diǎn)是：步驟三中所述 的將引發(fā)劑加入到衆(zhòng)料中，再在攪拌速度為40r/min?60r/min下攪拌20min?30min，得 到漿料；將漿料注入到模具中，再將裝有漿料的模具在離心速度為5000r/min?8000r/min 下離心20min?35min，得到胚體；再將胚體放入溫度為60°C?80°C的干燥箱中固化Ih? 3h，得到固化胚體。其他與一至九相同。
[0049] 采用以下實(shí)施例驗(yàn)證本發(fā)明的有益效果：
[0050] 實(shí)施例一：一種陶瓷胚體的凝膠離心成型方法具體是按以下步驟完成的：
[0051] -、制備混合溶液：將I. 55g有機(jī)單體和0. 155g交聯(lián)劑溶解到38. 84g去離子水 中，再加入0. 17g分散劑，再進(jìn)行超聲處理，得到混合溶液；
[0052] 步驟一中所述的去離子水的pH為10. 8,去離子水的pH為10. 8是使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 20%的氨水調(diào)節(jié)的；
[0053] 步驟一中所述的有機(jī)單體為丙烯酰胺；
[0054] 步驟一中所述的交聯(lián)劑為N，N-亞甲基雙丙烯酰胺；
[0055] 步驟一中所述的分散劑為聚乙二醇；
[0056] 步驟一中所述的超聲處理的功率為100W，超聲時(shí)間為15min ;
[0057] 二、制備漿料：將149. IOg粒徑為2 μ m的ZrBjP 20. 44g粒徑0. 5 μ m為的SiC加 入到步驟一中得到的混合溶液中，再在球料比為3:1和球磨速度為230r/min下球磨20h，得 到漿料；
[0058] 三、制備固化胚體：將0. 46g引發(fā)劑溶液加入到漿料中，再在攪拌速度為50r/min 下攪拌20min，得到漿料；將漿料注入到模具中，再將裝有漿料的模具在離心速度為8000r/ min下離心25min，得到胚體；再將胚體放入溫度為60°C的干燥箱中固化I. 5h，得到固化胚 體；
[0059] 步驟三中所述的引發(fā)劑溶液為濃度為10%的過(guò)硫酸銨水溶液；
[0060] 四、脫模、干燥：將固化胚體脫模，再在溫度為20°C下干燥15d，得到陶瓷胚。
[0061] 通過(guò)阿基米德排水法對(duì)實(shí)例一所得胚體的致密度進(jìn)行測(cè)量，其致密度達(dá)到60 %。
[0062] 使用數(shù)碼照相機(jī)對(duì)實(shí)施例一得到的陶瓷胚進(jìn)行測(cè)試，如圖1所示，圖1為實(shí)施例一 得到的陶瓷胚的數(shù)碼照片，圖中1為第一點(diǎn)，2為第二點(diǎn)，3為第三點(diǎn)。
[0063] 從圖1可知圖1中第一點(diǎn)、第二點(diǎn)和第三點(diǎn)的顆粒粒徑分散較為均勻。
[0064] 使用掃描電鏡對(duì)圖1中第一點(diǎn)、第二點(diǎn)和第三點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，如圖2、圖3和圖4所 示。圖2是圖1中第一點(diǎn)的SEM圖；圖3是圖1中第二點(diǎn)的SEM圖；圖4是圖1中第三點(diǎn)的 SEM圖。從圖2,圖3和圖4可知實(shí)施例一得到的陶瓷胚的胚體表面不含有任何宏觀裂紋和 孔洞，內(nèi)部不含有宏觀缺陷，顆粒堆垛致密，因此，實(shí)施例一適合于陶瓷胚體成型。
[0065] 使用SEM面能譜對(duì)圖1中第一點(diǎn)和第三點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，如圖5和圖6所示；圖5為圖 1中第一點(diǎn)的能譜圖；圖6為圖1中第三點(diǎn)的能譜圖；表1為圖5測(cè)試出的元素含量；表2 為圖6測(cè)試出的元素含量；從表1和表2可知，試驗(yàn)一得到的陶瓷胚的第一點(diǎn)和第三點(diǎn)，即 胚體的頂端和低端組分含量的變化不大，組分未發(fā)生明顯的分離，
[0066] 表 1

【權(quán)利要求】
1. 一種陶瓷胚體的凝膠離心成型方法，其特征在于一種陶瓷胚體的凝膠離心成型方法 具體是按以下步驟完成的： 一、 制備混合溶液：將有機(jī)單體和交聯(lián)劑溶解到去離子水中，再加入分散劑，再進(jìn)行超 聲處理，得到混合溶液； 步驟一中所述的有機(jī)單體與交聯(lián)劑的質(zhì)量比為1: (〇. 08?0. 12); 步驟一中所述的有機(jī)單體與去離子水的質(zhì)量比為1: (10?100); 步驟一中所述的分散劑與去離子水的質(zhì)量比為1: (50?1000); 二、 制備漿料：將陶瓷粉加入到步驟一中得到的混合溶液中，再在球料比為3:1和球磨 速度為190r/min?260r/min下球磨8h?24h，得到衆(zhòng)料； 步驟二中所述的陶瓷粉與步驟一中得到的混合溶液的質(zhì)量比為1: (〇. 1?1); 三、 制備固化胚體：將引發(fā)劑溶液加入到衆(zhòng)料中，再在攪拌速度為40r/min?60r/min 下攪拌2min?30min，得到漿料；將漿料注入到模具中，再將裝有漿料的模具在離心速度為 4000r/min?10000r/min下離心15min?35min，得到胚體；再將胚體放入溫度為40°C? 80°C的干燥箱中固化0. 5h?3h，得到固化胚體； 步驟三中所述的引發(fā)劑溶液與漿料的質(zhì)量比為1: (2500?10000); 四、 脫模、干燥：將固化胚體脫模，再在溫度為l〇°C?20°C下干燥7d?16d，得到陶瓷 胚體。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種陶瓷胚體的凝膠離心成型方法，其特征在于步驟一中所 述的超聲處理的功率為50W?200W，超聲時(shí)間為5min?20min。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種陶瓷胚體的凝膠離心成型方法，其特征在于步驟二中所 述的陶瓷粉體的粒徑為0. 1 y m?10 y m。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種陶瓷胚體的凝膠離心成型方法，其特征在于步驟一中所 述的去離子水的pH值為7?11，當(dāng)去離子水為堿性時(shí)，是使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10 %?30 %的氨 水調(diào)節(jié)的。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種陶瓷胚體的凝膠離心成型方法，其特征在于步驟一中所 述的交聯(lián)劑為N，N-亞甲基雙丙烯酰胺、二異氰酸酯或聚丙烯酸酯。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種陶瓷胚體的凝膠離心成型方法，其特征在于步驟一中所 述的分散劑為聚丙烯酸銨、羧甲基丙烯酸銨、聚乙二醇或分散劑E80。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種陶瓷胚體的凝膠離心成型方法，其特征在于步驟一中所 述的有機(jī)單體為三亞甲基碳酸酯、N，N-二甲基乙?；阴０贰⒕垩跻蚁┟?、丙烯酰胺或甲基 丙烯酸聚乙二醇酯。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種陶瓷胚體的凝膠離心成型方法，其特征在于步驟二中所 述的陶瓷粉體為硼化鋯、碳化硅、碳化硼、氧化鋯和氧化鋁中的一種或幾種的混合物。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種陶瓷胚體的凝膠離心成型方法，其特征在于步驟三中所 述的引發(fā)劑溶液為濃度為5%?20%的過(guò)硫酸鉀水溶液、濃度5%?20%的過(guò)硫酸銨水溶 液或濃度為5%?20%的偶氮二異丁腈水溶液。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種陶瓷胚體的凝膠離心成型方法，其特征在于步驟三 中所述的將引發(fā)劑加入到衆(zhòng)料中，再在攪拌速度為40r/min?60r/min下攪拌20min? 30min，得到漿料；將漿料注入到模具中，再將裝有漿料的模具在離心速度為5000r/min? 8000r/min下離心20min?35min，得到胚體；再將胚體放入溫度為60°C?80°C的干燥箱中 固化lh?3h，得到固化胚體。
【文檔編號(hào)】B28B1/20GK104476655SQ201410649036
【公開(kāi)日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月14日
【發(fā)明者】鄧賢柱, 胡平, 張東洋 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)