CN101397210B

CN101397210B - 制备氮化硅陶瓷发热体的凝胶注模成型工艺方法

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Publication number: CN101397210B
Application number: CN2007100772577A
Authority: CN
Inventors: 郜长福; 张大牛; 宋文杰; 刘培祥
Original assignee: SHENZHEN JINKE SPECIAL MATERIALS CO Ltd
Current assignee: SHENZHEN JINKE SPECIAL MATERIALS CO Ltd
Priority date: 2007-09-24
Filing date: 2007-09-24
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2027-09-24
Also published as: CN101397210A

Abstract

一种制备氮化硅陶瓷发热体的凝胶注模成型工艺方法，它属于无机材料合成制备技术领域，其特征在于它包括如下的工艺步骤：配制包含有机单体与交联剂的单体溶液，并加入氮化硅陶瓷粉料和4％～39％的烧结助剂制成悬浮体浆料，再加入占固相粉料质量1％～3％的分散剂；并将PH值调节在9～11；悬浮体浆料球磨4～8小时，得到固相体积含量在5 5％～60％，粘度为0.7Pa.s～0.9Pa.s的陶瓷浆料；加入20％～50％的引发剂和10％～30％催化剂并在真空下搅拌除泡5～15分钟；然后注模固化成型并干燥，最后坯体在1550℃～1800℃的微波炉中烧结。本发明得到的陶瓷坯体结构均匀，且操作简单，生产成本低。

Description

制备氮化硅陶瓷发热体的凝胶注模成型工艺方法

技术领域：

本发明涉及一种制备氮化硅陶瓷发热体的凝胶注模成型工艺方法，它属于无机材料合成制备技术领域，特别是针对具有复杂形状，对近净尺寸要求严格的陶瓷发热体。

背景技术：

氮化硅发热体是在氮化硅材料中放置发热金属丝，按使用要求成型后经高温烧结或热压烧结工艺使氮化硅材料充分致密化。由于氮化硅的优良绝缘性能及良好的导热性，使得该发热体具有可靠的安全性和自动除垢性能。而本发明所涉及的陶瓷烧结的现有技术中，陶瓷材料烧结后机械加工却非常困难，也大幅度地增加了生产成本，故陶瓷零件的近尺寸精密成型技术是保证陶瓷零件质量，降低成本和使所研制的新材料能够得到实际应用的关键环节。

但目前行业中制备氮化硅发热器的成型工艺均采用干粉的干压成型。该方法虽然简单，容易操作，但依靠这种方法来制备氮化硅发热体却有一些不足，因为在干压过程中，容易造成发热金属丝扭曲变形，该形变会使金属发热丝周围的氮化硅坯体产生微裂纹，这使得高温烧结后的产品会存在微裂纹缺陷，导致性能偏差，并影响发热体的安全使用。另外，发热金属丝一般都是弹簧形状的，干粉压制成型的产品无论是经过高温烧结或是热压烧结后均会在发热金属丝弹簧的内孔中留下空洞，该空洞亦会影响产品质量和产品的使用寿命。

现有的采用注浆成型或热压铸成型等湿法成型技术，也由于其本身的特点不能成型出结构均匀，强度大的陶瓷坯体。

凝胶注模成型技术(gel-casting)是美国橡树岭国家实验室于20世纪90年代初发明的一种陶瓷湿法成型技术。该技术的新颖之处在于它首次将传统的陶瓷注浆成型技术与聚合物化学有机结合起来，利用高分子单体聚合的特点达到成型的目的。该方法所要求的设备简单，成型坯体收缩率小，排胶容易，密度大，强度高。但是现有的凝胶注模成型技术由于不够完善，仅仅停留在实验室阶段，不能推广使用在实际生产中。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种可实现陶瓷坯体结构均匀，干坯强度高，且操作简单，生产成本低的制备氮化硅陶瓷发热体的凝胶注模成型工艺方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种制备氮化硅陶瓷发热体的凝胶注模成型工艺方法，它包括如下的工艺步骤：

A：配制单体溶液：有机单体与交联剂的质量比为(6～30)∶1，按此质量配比称量后加入去离子水，配制成8％～14％的有机单体溶液。然后在单体溶液中加入1％～2％的非离子水溶性高分子溶剂；

B：制备悬浮体溶液：在步骤A得到的单体溶液中加入氮化硅陶瓷粉料和烧结助剂，氮化硅陶瓷粉料加入量按其质量与单体溶液体积比为：(45～65)∶(35～55)的比例加入，烧结助剂总的加入量占氮化硅质量的6％～8％，制成悬浮体浆料；

C：加入分散剂：在经B步骤得到的悬浮体浆料中加入占固相粉料质量1％～3％的分散剂；

D：调节PH值：用浓度值＞30％的浓氨水调节经C步骤得到的浆料的PH值，调节范围在9～11；

E：球磨悬浮体浆料：将步骤D所配制好的悬浮体浆料在球磨机里球磨4～8小时，得到固相体积含量在55％～60％，粘度为0.7Pa.s～0.9Pa.s的陶瓷浆料；

F：加入引发剂和催化剂：经过步骤E后，加入引发剂和催化剂，以有机单体和交联剂总的质量为基准，引发剂加入量20％～50％，催化剂加入量10％～30％。将浆料在真空下搅拌除泡，时间在5～15分钟；

G：注模固化成型：把F步骤得到的陶瓷浆料注入放在振动台上的已经放入了发热金属丝的模具中，然后放在烘箱中固化，烘箱温度在60℃～85℃；固化时间在1～3小时；

H：干燥坯体：将固化后的成型坯体首先在小于25℃的低温，大于80RH的高湿的环境中干燥1.0～2.0小时，待其收缩变形后，缓慢升高温度到100-200℃后保温1.0～3.0小时而后降到室温，即得到凝胶注模干坯体；

I：陶瓷烧结：经过H步骤的坯体在微波炉中烧结，烧结温度在1550℃～1800℃。

所用的氮化硅陶瓷粉末为α-Si₃N₄粉料，α相＞92％，粒径范围为0.1～80um，或β-Si₃N₄粉料，β相＞96％，粒径范围为0.5～20um。

在步骤B中加入的烧结助剂为氧化铝、氧化镁、氧化钇、氮化铝、氮化硼、氧化硅和氧化铈，以氮化硅粉料质量为基准，各个成分的重量份数比为：氧化铝添加1～3，氧化镁添加1～2，氧化钇添加2％～4，氮化铝0～5，氮化硼0～5，氧化硅0～10，氧化铈0～10。

所述的氧化铝粒径范围0.2～100um，纯度＞99.7％；氧化镁粒径范围0.5～20um，纯度＞99％；氧化钇粒径范围0.1～80um，纯度＞99.9％；

在步骤A中加入的非离子水溶性高分子溶剂为聚丙烯酰胺，加入量为有机单体质量的1％～2％。

在步骤A中加入的非离子水溶性高分子溶剂为聚乙烯吡咯烷酮，按有机单体质量的1％～2％加入。

所述的有机单体为丙烯酰胺或甲基丙烯酰胺。

所述的交联剂为N，N-亚甲基双丙烯酸胺MBAM。

所述的步骤C中加入的分散剂为四甲基氢氧化氨水溶液或聚甲基丙烯酸铵溶液。

所述的步骤F中所用的引发剂为过硫酸铵APS水溶液。

所述的步骤F中所用的催化剂为N，N，N’，N’-四甲基乙二胺TEMED。

本发明克服了传统的干压成型工艺易造成内嵌的发热金属丝扭曲变形，从而在周围的陶瓷坯体中产生微裂纹而影响产品性能，而若采用注浆成型或热压铸成型等湿法成型技术，也由于其本身的特点不能成型出结构均匀，强度大的陶瓷坯体等等缺陷，所制备出的氮化硅陶瓷坯体结构均匀，干坯强度很高，且内嵌发热金属丝不易变形，而且操作方法简单，生产成本降低，同时也有效的提高了生产效率。

具体实施方式：

下面结合实施例，对本发明进行进一步的说明：

实施例1：

单体溶液配制如下：采用的有机单体为丙烯酰胺，交联剂为N，N-亚甲基双丙烯酰铵。丙烯酰胺：N，N-亚甲基双丙烯酰胺为24∶1，根据24∶1的重量份数比称量有机单体和交联剂后，加入去离子水配制成有机单体(包括有机单体和交联剂)含量为12％的单体溶液，并在上述的单体溶液中加入2％非离子水溶性高分子溶剂聚丙烯酰胺作为防氧阻凝剂。称取50克α-Si₃N₄陶瓷粉体，α相＞92％，平均粒径为20um，加入烧结助剂氧化铝0.5克，氧化镁0.5克和氧化钇1.0克。在上述混合均匀的固相粉料中加入已经配置好的40ml单体溶液，制得的悬浮体浆料中固相体积分数约为56％。而后加入浓度为5％的分散剂四甲基氢氧化铵1.5ml，用浓氨水调节悬浮体浆料的PH值为9.4。然后球磨8小时后倒出浆料。加入浓度为5％的引发剂过硫酸铵1.3ml和催化剂N，N，N’N’-四甲基乙二胺0.5ml。并把浆料放在真空中抽真空除气和均匀搅拌，时间大约5分钟，尔后把浆料注入已经放入发热金属丝的成型模具中，模具可放在振动台上可以防止浆料的分层和沉淀，以达到浆料的均匀，再放在70℃的烘箱中固化成型2小时。脱模后首先在10℃，50RH的低温高湿的环境中干燥1小时，待其收缩变形后，缓慢升高温度到120℃后保温2小时尔后降到室温，即得到凝胶注模干坯体，然后在微波烧结炉中烧结，温度1700℃，最后得到结构致密、强度高，尺寸形状精确的氮化硅陶瓷发热体。

实施例2～实施例6：

表1给出了本发明的其它五个更优选的具体的实施方案，其工艺流程和步骤与实施例1完全相同，具体的材料成分、配比和工艺参数见表1。

表一

Claims

1.一种制备氮化硅陶瓷发热体的凝胶注模成型工艺方法，其特征在于它包括如下的工艺步骤：

A：配制单体溶液：有机单体与交联剂的质量比为(6～30)∶1，按此质量配比称量后加入去离子水，配制成浓度为8％～14％的单体溶液，然后在单体溶液中加入1％～2％的非离子水溶性高分子溶剂；加入的非离子水溶性高分子溶剂为聚丙烯酰胺或聚乙烯吡咯烷酮；

B：制备悬浮体溶液：在步骤A得到的单体溶液中加入氮化硅陶瓷粉料和烧结助剂，氮化硅陶瓷粉料加入量按其质量与单体溶液体积比为：(45～65)∶(35～55)的比例加入，烧结助剂的加入量占氮化硅陶瓷粉料质量的4％～39％，制成悬浮体浆料；

E：球磨悬浮体浆料：将步骤D所配制好的悬浮体浆料球磨4～8小时，得到固相体积含量在55％～60％，粘度为0.7Pa.s～0.9Pa.s的陶瓷浆料；

F：加入引发剂和催化剂：经过步骤E后，加入引发剂和催化剂，以所加入的有机单体质量和交联剂总质量为基准，引发剂加入量占20％～50％，催化剂加入量占10％～30％，将浆料在真空下搅拌除泡，时间在5～15分钟；所述的有机单体为丙烯酰胺或甲基丙烯酰胺；所用的引发剂为过硫酸铵APS水溶液；所用的催化剂为N，N，N’，N’-四甲基乙二胺TEMED；

G：注模固化成型：把F步骤得到的陶瓷浆料注入放在振动台上的已经放入了金属发热丝的模具中，然后放在烘箱中固化，烘箱温度在60℃～85℃；固化时间在1～3小时；

2.如权利要求1中所述的制备氮化硅陶瓷发热体的凝胶注模成型工艺方法，其特征在于所用的氮化硅陶瓷粉料为α-Si₃N₄粉料，α相＞92％，粒径范围为0.1～80um，或β-Si₃N₄粉料，β相＞96％，粒径范围为0.5～20um。

3.如权利要求1中所述的制备氮化硅陶瓷发热体的凝胶注模成型工艺方法，其特征在于在步骤B中加入的烧结助剂为氧化铝、氧化镁、氧化钇、氮化铝、氮化硼、氧化硅和氧化铈，以氮化硅陶瓷粉料质量为基准，各个成分的重量份数比为：氧化铝1～3，氧化镁1～2，氧化钇2～4，氮化铝0～5，氮化硼0～5，氧化硅0～310，氧化铈0～10。

4.如权利要求3中所述的制备氮化硅陶瓷发热体的凝胶注模成型工艺方法，其特征在于所述的氧化铝粒径范围0.2～100um，纯度＞99.7％；氧化镁粒径范围0.5～20um，纯度＞99％；氧化钇粒径范围0.1～80um，纯度＞99.9％。

5.如权利要求1中所述的制备氮化硅陶瓷发热体的凝胶注模成型工艺方法，其特征在于所述的交联剂为N，N-亚甲基双丙烯酰胺MBAM。

6.如权利要求1所述的制备氮化硅陶瓷发热体的凝胶注模成型工艺方法，其特征在于所述的步骤C中加入的分散剂为四甲基氢氧化氨水溶液或聚甲基丙烯酸铵水溶液。