CN100582033C - 陶瓷模仁 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种陶瓷模仁，其包括一具成型表面的陶瓷基体及形成在成型表面的功能膜层。其中，该功能膜层是通过在成型表面沉积碳纳米管而形成的。本发明所提供的陶瓷模仁具有碳纳米管，因而在高温高压环境下仍有高耐磨性、高硬度及使用周期长等特点，适合于模制光学组件及其类似产品。

Description

陶瓷模仁
【技术领域】
本发明是关于模仁组件，特别涉及表面具有膜层的陶瓷模仁。
【背景技术】
随着世界加工制造业的不断发展，模具业也不断向高技术含量方向发展，并对模具提出更高要求，如要求在高温条件下具备耐磨损、耐高压、抗塑性变形、抗整体开裂及可机加工等性能。其中磨损是模具失效模式中一种主要失效形式，耐磨损性能对模具质量及使用周期有着直接的影响。而在玻璃加工如制造照相机摄相镜头的加工工艺中，其不仅要求模具(即模仁)精准，还需要具有很高耐磨性能。
为增加模仁耐磨性能，通常在模仁成型表面增加一功能膜层，例如在模仁表面沉积一层超硬TiN膜。1991年1月2日公告的美国第5,028,251号专利揭示一种制造光学精密玻璃产品的模仁，该陶瓷模仁基体材料选自Si3N4，SiO2，Al2O3，ZrO2或SiC。而模仁成型表面具有一功能膜层，该膜层组成物选自AlN，Si3N4，SiC，TiN或ZrN。其中TiN具有较好抗磨减摩性能，但是，其存在硬度不够高及成本高等不足之处。
1993年4月3日公告的美国第5,202,156号专利揭示一种用在制作光学组件并具有硬碳膜模仁的制造方法。请参阅图1，为该模仁模压时工作状态，其中，上模仁与下模仁相对而立，其间可注入待压玻璃坯体3。通过上下模仁模压坯体3以形成玻璃制品。上模仁与下模仁上下对称且结构相同，上模仁包括模仁基体1及形成在基体1成型表面的碳膜涂层1a，下模仁则包括模仁基体2及碳膜涂层2a。碳膜涂层1a及2a可为非晶态a-C:H薄膜或硬碳膜。虽然该非晶态碳膜硬度较高，但在高温高压环境下仍不能满足目前模仁耐磨性能的要求。
2004年1月28日公开的中国第03129543.6号专利申请揭示一种SiC/TiN超硬纳米多层膜及其制作工艺。SiC/TiN超硬纳米多层膜通过TiN层及SiC层交替沉积在金属或陶瓷基体上，膜层总厚度为2～4μm。此工艺选取晶格匹配良好的氮化物与碳化物，使该种薄膜具有较高硬度。但是，对于这种不同材料多层膜结构，在模制过程的温度压力环境下，难以确保其层间结合紧密程度，且制程相对较为复杂。
有鉴于此，为适应目前模仁高温高压环境下所需的高耐磨及硬度等性能，以提供一种耐磨性能强、硬度高及使用周期长的陶瓷模仁实为必要。
【发明内容】
为克服现有技术中陶瓷模仁的耐磨性能和硬度的不足以及制程复杂等缺陷，本发明的目的在于提供一种高温高压环境下耐磨性能强、硬度高及使用周期长的陶瓷模仁。
为实现上述目的，本发明提供一种陶瓷模仁，包括一具成型表面的模仁基体，其中，该基体的成型表面沉积有碳纳米管膜。
其中，所述模仁为上模仁或下模仁；其使用周期为104～106次使用循环。所述基体材质选自WC(碳化钨)、BNC(碳氮化硼)、SiC、Si3N4等陶瓷材料。所述碳纳米管膜包括单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、阵列式碳纳米管或其他形式的碳纳米管，膜层厚度范围为20纳米～200纳米，且以50纳米～100纳米为佳；能耐104牛顿压力及700℃温度。
另外，所述碳纳米管膜可通过化学气相沉积法、电弧放电法、激光烧蚀法或反应溅射法沉积生长所得。
与现有技术相比，本发明所提供的陶瓷模仁具有一碳纳米管膜层，利用其高温高压下的强耐磨及硬度等性能，增加陶瓷模仁的耐磨损性及硬度，从而增加其使用周期。
【附图说明】
图1是现有技术的陶瓷模仁结构示意图；
图2是本发明模压前的陶瓷模仁结构示意图；
图3是本发明模压后的陶瓷模仁结构示意图；
图4是图2所示的陶瓷模仁IV部分的局部放大示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
请参阅图2，是本发明模压前的陶瓷模仁结构示意图。鉴于陶瓷模仁通常成对使用，因此图2中展示本发明的模压前陶瓷模仁分为下模仁10及与之对称的上模仁10′，其间可注入待模压的坯体13。其中下模仁10与上模仁10′结构相同，下模仁10包括一基体11，该基体11具有成型表面110。在该基体11的成型表面110上均匀沉积有碳纳米管膜12，沉积后，碳纳米管膜12表面仍保持成型表面110的原型。同样，上模仁10′也包括一具有成型表面110′的基体11′，以及沉积在成型表面110′上的碳纳米管膜12′。根据实际需要，基体11的成型表面110与基体11′的成型表面110′的形状可以相同也可不相同，并可为球面或非球面形状，例如模制光学组件时一般为非球面形状，本实施方式采用相同且为非球面形状的成型表面110及成型表面110′，用来制造光学组件。其中，基体11、11′材质选自WC、BNC、SiC、Si3N4等陶瓷材料。
请参阅图3，是本发明模压后的陶瓷模仁结构示意图。此时，坯体13(如图2所示)经上模仁10′与下模仁10模压后，即成为所需光学组件14。由于模压作用，光学组件14的外表面即分别具有与下模仁10的成型表面110及上模仁10′的成型表面110′相对应形状。因而为获得特定形状的光学组件14，只要使用具相应成型表面的上下模仁10′、10即可。
请参阅图4，是图2所示的陶瓷模仁IV部分的局部放大示意图。其中，该碳纳米管膜12是直接形成在基体11的成型表面110上，其形成方法选自选自化学气相沉积法、电弧放电法、激光烧蚀法或反应溅射法等。碳纳米管膜12可包括单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、阵列式碳纳米管或其他形式的碳纳米管。碳纳米管膜12厚度范围为20纳米～200纳米，且以50纳米～100纳米为佳。由于碳纳米管膜12的存在，使得模仁10使用周期至少可达104次循环，而通过优化膜层沉积方法所得碳纳米管膜12，含该碳纳米管膜12的模仁10使用周期可达105～106次循环(如用于模制棱镜)，并且至少能耐10000牛顿压力及700℃温度，而在玻璃成型中模制温度一般处于400～600℃之间，模压为2000～7000牛顿。同理，碳纳米管膜12′具有与碳纳米管膜12相同结构及性能，亦即模仁10′具有与模仁10相同结构及性能。

Claims (7)

1.一种陶瓷模仁，包括一具有成型表面的模仁基体，其特征在于：所述基体的成型表面沉积有碳纳米管膜。
2.如权利要求1所述的陶瓷模仁，其特征在于所述模仁为上模仁或下模仁。
3.如权利要求1所述的陶瓷模仁，其特征在于所述基体材质选自WC、BNC、SiC、Si3N4陶瓷材料。
4.如权利要求1所述的陶瓷模仁，其特征在于所述碳纳米管膜厚度范围为20纳米～200纳米。
5.如权利要求1所述的陶瓷模仁，其特征在于所述模仁的使用周期范围为104～106次使用循环，且能耐104牛顿压力及700℃温度。
6.如权利要求1至5中任一项所述的陶瓷模仁，其特征在于所述碳纳米管膜包括单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、阵列式碳纳米管或其他形式的碳纳米管。
7.如权利要求6所述的陶瓷模仁，其特征在于所述碳纳米管膜是通过化学气相沉积法、电弧放电法、激光烧蚀法或反应溅射法沉积而形成的。
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