借助流化床造粒制備透明陶瓷物品的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種在波長范圍為300mn至4000nm,陶瓷壁厚度為2mm的條件下，具有>10%的RIT的透明陶瓷物品的生產(chǎn)方法。所述方法包括如下步驟：通過散布陶瓷粉末制作一種漿料，所述陶瓷粉末的粒料尺寸為d50<50ym，優(yōu)選為5ym至500ym;通過流化床造粒，從上述衆(zhòng)料生產(chǎn)一種粒狀材料，其粒徑為d50<1mm，優(yōu)選為50ym至500ym,更優(yōu)選為80ym至300ym;將粒狀材料以簡單非循環(huán)的方式壓制成坯體；燒結(jié)坯-體制成燒結(jié)體；重致密化燒結(jié)體。
【專利說明】借助流化床造粒制備透明陶瓷物品的方法
[0001] 本發(fā)明涉及透明陶瓷物品的生產(chǎn)方法，所述透明陶瓷物品在300nm至4000nm之間 的波長范圍在所述陶瓷物品的壁厚為2mm的情況下具有> 10%的RIT。
[0002] 這種陶瓷物品例如可用于彈道學中，因為其可在高硬度的同時實現(xiàn)所希望的透明 度。另外的應(yīng)用可能性例如在光學領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0003] 為了保護車輛如軍用車輛或民用車輛免受射擊，通常給它們裝甲。裝甲大都借助 金屬-體系或借助金屬-陶瓷-體系進行。然而，這樣的已知體系不適用于汽車的側(cè)窗玻 璃、擋風玻璃等區(qū)域。給這些區(qū)域通常配備防彈玻璃。但是，防彈玻璃尤其對穿甲武器具有 相對低的彈道學效率，所以窗戶區(qū)域是這樣配備的車輛的薄弱處。此外，防彈玻璃造成大的 重量，以確保足夠的防護。
[0004] 透明陶瓷具有更好的防護性能，因此尋求防彈玻璃的替代品。這些替代品基本上 在尖晶石和氮氧化鋁（A10N)中找到。然而，由于需要很高的加工溫度，這些已知材料是粗 晶的，具有明顯>lum，或者甚至明顯> 10 的粒徑。這些已知替代品的另一不足之處 在于其成本高昂，因為在一個持續(xù)數(shù)小時的制造周期中，僅能實現(xiàn)一小部分。由此導(dǎo)致如此 生產(chǎn)的透明陶瓷物品需要數(shù)倍于防彈玻璃的成本。盡管已知的透明陶瓷物品擁有更好的特 性，但它們迄今還未能在市場上占有顯著的地位，或者其迄今只能進行實驗室規(guī)模的生產(chǎn)。
[0005] 因此，迫切希望一種更為經(jīng)濟的透明陶瓷物品的生產(chǎn)方法。此外，相較于迄今使 用的粗晶熱壓材料，也希望改善結(jié)構(gòu)特性。這種結(jié)構(gòu)特性的改善例如描述于EP1557402A2 通過凝膠澆鑄。凝膠澆鑄是濕法成型。除凝膠澆鑄外，也已知注漿成型、壓鑄和電泳沉積 (EH))。然而所有這些已知方法均需要復(fù)雜的干燥及/或脫脂。此外，因為此種方式生產(chǎn)的 陶瓷物品的表面品質(zhì)還有許多待改進之處，所以需要進行復(fù)雜的表面后處理。
[0006] 所以，希望尋求一種不復(fù)雜的經(jīng)濟的透明陶瓷物品的生產(chǎn)工藝。在經(jīng)濟性方面壓 制法尤其適合。然而，迄今沒有任何具有所需光學和機械特性的陶瓷能用這種技術(shù)經(jīng)濟地 生產(chǎn)。其原因尤其在于坯體燒結(jié)能力太低，該能力基本上由孔分布和孔體積決定。因為，在 傳統(tǒng)壓制成型中，孔體積和尤其是孔分布比濕法成型方法差。
[0007] 除了壓制之外，造粒對于透明陶瓷物品的生產(chǎn)也十分重要。只有在存在最佳粒料 時才能制備無缺陷材料。
[0008] 大多數(shù)情況下使用的粒料是噴霧粒料。因其生產(chǎn)方式，噴霧粒料的孔比例較高，而 且由于粒料的外殼暴露在比粒料中心明顯更高的生產(chǎn)溫度下，該粒料具有不規(guī)則結(jié)構(gòu)。此 夕卜，總是發(fā)生水由粒料內(nèi)部向外的擴散，所以在各顆粒內(nèi)有梯度密度曲線。在大多數(shù)情況 下，在粒料內(nèi)甚至產(chǎn)生在壓制粒料時不能完全均勻的空心區(qū)域。
[0009] KimD.J. ,JungJ.-Y"Granuleperformanceofzirconia/alumina compositepowdersspray-driedusingpolyvinylpyrrolidonebinder，〃，J.E.Ceram Soc. 27(2007)3177-3182描述了基于噴霧造粒的實心粒料；但其仍然存在在粒料的邊緣區(qū) 域與中心區(qū)域之間的暴露溫度不同的問題。這將導(dǎo)致較寬的孔分布。
[0010] 為回避上述問題的一種可能性是冷凍造粒；它產(chǎn)生非常均質(zhì)且均勻結(jié)構(gòu)的粒料， 因此在燒結(jié)的陶瓷中產(chǎn)生好的性能。然而，迄今在陶瓷領(lǐng)域此技術(shù)僅以實驗室規(guī)模應(yīng)用，且 不適用于大規(guī)模生產(chǎn)。此技術(shù)使用液氮進行生產(chǎn)，需要很高的制造成本。在噴霧之后，該材 料還必須在另一步驟中冷凍干燥。
[0011] 由 申請人:的DE10 2007 059 091A1中已知一種制備在600nm至650nm之間的相 對小的光波長范圍內(nèi)具有RIT> 40%的透明陶瓷的方法。作為關(guān)鍵工藝步驟，此方法利用 粒料的循環(huán)壓制來制作胚體。在這種已知方法中，可將通過噴霧造粒、通過冷凍造?；蛲ㄟ^ 流化床造粒制備的常規(guī)陶瓷顆粒通過循環(huán)壓制制成在上述波長范圍內(nèi)透明的陶瓷物品。 [0012] 本發(fā)明的目的是實現(xiàn)本文開始提及類型的方法，由此用已知的工藝技術(shù)通過特殊 陶瓷粒料的單軸壓制或冷等靜壓成型可以制備在寬的波長范圍內(nèi)透明的陶瓷物品。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明，上述目的通過權(quán)利要求1的特征得以實現(xiàn)。本發(fā)明所述方法的優(yōu)選 實施方案和/或擴展方案在從屬權(quán)利要求中表明。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)的陶瓷物品例如在600nm-700nm、1000nm-1400nm和 2000nm-2400nm之間的波長范圍內(nèi)，在壁厚度為2mm的情況下，具有> 10%的RIT。即意外 地發(fā)現(xiàn)，通過已知的流化床造?？梢詫崿F(xiàn)上述類型的透明陶瓷物品。在此，特別之處在于流 化床粒料的特殊性質(zhì)和這種特殊性質(zhì)對透明陶瓷物品的生產(chǎn)的作用，不需要如在此前引用 的DE10 2007 059 091A1中公開的粒料的循環(huán)壓制用于制備相應(yīng)的胚體。
[0015] 本發(fā)明所述的方法也適用于以有利的方式生產(chǎn)具有彈道保護特性的透明陶瓷物 品。此透明陶瓷物品例如是車窗或者紅外-雷達天線整流罩等部件。
[0016] 意外地發(fā)現(xiàn)，流化床造粒具有最優(yōu)化潛力，這使其可以生產(chǎn)相應(yīng)于以非常復(fù)雜并 因此僅用實驗室規(guī)模使用冷凍造粒工藝獲得的品質(zhì)的粒料。已意外地表明，用流化床造粒 生產(chǎn)的粒料令人驚訝地具有改善的變形性能并帶來更低的孔隙率。粒料的實心粒狀結(jié)構(gòu)及 無梯度的結(jié)構(gòu)是可能的，因為通過根據(jù)本發(fā)明的造粒方法在粒料的外殼和粒料內(nèi)部之間不 產(chǎn)生溫度梯度。不僅所述實心粒料，而且此外由于所述連續(xù)結(jié)構(gòu)造成的粒料的無梯度性均 以有利的方式能夠使得根據(jù)本發(fā)明通過流化床造粒制備的粒料特別適用于透明陶瓷物品。 不取決于所使用的陶瓷粉末，根據(jù)本發(fā)明制備的粒料在透明陶瓷物品的胚體壓制過程中表 現(xiàn)出最佳性能；由此，與根據(jù)DE10 2007 059 091A1的循環(huán)壓制相反，以有利的方式可以 或?qū)崿F(xiàn)了簡單的非循環(huán)的粒料壓制。此外，常見不透明陶瓷小于〇. 1 %的小的殘留孔隙率在 其性能方面幾乎沒有帶來優(yōu)點。然而，在透明陶瓷的情況中，殘留孔隙率卻形成不透明性和 透明性之間的差異。由此，根據(jù)本發(fā)明的生產(chǎn)工藝特別適用于生產(chǎn)透明陶瓷物品。
[0017] 如下表和附圖1所示，在不適用于透明陶瓷物品的常規(guī)粉末中，在較低的溫度和 密度下就已經(jīng)可以看出這些一般的優(yōu)點；曲線a表示參照噴霧粒料的相對燒結(jié)密度和溫度 之間的函數(shù)關(guān)系，曲線b表示根據(jù)本發(fā)明的流化床粒料的相應(yīng)函數(shù)關(guān)系。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明，在相對較低的溫度條件下已經(jīng)可以達到> 99%的密度。在參照噴霧 粒料的情況中，在16001：下也無法達到>99(%的密度。
[0019] 表
[0020]

【權(quán)利要求】
1. 透明陶瓷物品的生產(chǎn)方法，所述透明陶瓷物品在300nm至4000nm的波長范圍內(nèi)，在 所述陶瓷物品的壁厚為2mm的情況下，具有> 10%的RIT， 其特征在于以下方法步驟： 通過分散陶瓷粉末生產(chǎn)漿料，所述陶瓷粉末具有d50 < 5iim，優(yōu)選在5nm至500nm之間 的粒徑， 由上述楽料通過流化床造粒生產(chǎn)粒料，所述粒料具有d50 < 1mm，優(yōu)選在50ym至 500iim之間的，更優(yōu)選在80iim至300iim之間的粒徑， 將所述粒料簡單地非循環(huán)壓制成坯體， 將所述胚體燒結(jié)成燒結(jié)體，以及 后致密化所述燒結(jié)體。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述陶瓷粉末的分散用水和表面活性物 質(zhì)進行。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在分散時研磨所述陶瓷粉末。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項所述的方法，其特征在于，所述陶瓷粉末的分散及研磨在 攪拌研磨機中進行。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述坯體通過單軸壓制和/或冷等靜壓而 成型。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，通過熱等靜壓（HIP)進行所述后致密化。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，將所述燒結(jié)體打磨并拋光至光學品質(zhì)。
【文檔編號】B01J2/16GK104220397SQ201280066625
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2012年11月12日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月10日
【發(fā)明者】L·施內(nèi)特 申請人:陶瓷技術(shù)－Etec有限責任公司