CN101665360A - 一种陶瓷材料凝胶注模微波固化工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种陶瓷材料凝胶注模微波固化工艺，它包括以下步骤：首先，在溶剂中依次溶解有机单体、交联剂，加入分散剂，得到预配液；调节预配液的pH值为7～11，加入陶瓷粉体，强力机械搅拌1小时得到均匀的浆料；然后在浆料中加入引发剂和催化剂混合均匀；随后真空除去浆料内部气体；再把所得浆料注入模具；将装有浆料的模具放入微波炉中处理，固化得到凝胶注模成型陶瓷坯体；干燥，然后在1200℃～2200℃、保温1～6小时烧结，得到陶瓷制品。本发明方法的优点是：与常规凝胶注模固化方法相比加热速度快，温度场均匀，降低了反应的活化能，加大了反应速率，使聚合反应迅速完成，达到材料快速高质量成型的目的。

Description

一种陶瓷材料凝胶注模微波固化工艺

技术领域

本发明涉及一种陶瓷材料凝胶注模微波固化工艺，属于无机非金属材料成型技术领域。

背景技术

陶瓷材料因其独特的性能已广泛应用于电子、机械、国防等工业领域。但陶瓷材料烧结后很难进行机加工，故人们一直在寻求复杂形状陶瓷元件的近净尺寸成型方法，这已成为保证陶瓷元件质量和获得具有实际应用价值材料的重要环节。陶瓷成型工艺方法，一般可分为干法和湿法两大类。相比而言，湿法成型工艺简单、成型坯体组分均匀、缺陷少、易于成型复杂形状零件等优点，实用性较强。但传统的湿法成型技术都存在一些问题，如注浆成型是靠石膏模吸水来实现的，造成坯体的密度梯度分布而变形，并且坯体强度低，容易损坏。

陶瓷的凝胶注模成型(gel-casting)是继注浆成型、注射成型之后发展起来的一种近净尺寸成型工艺，与传统的湿法成型工艺相比，因设备简单、易成型形状复杂的零件、成型的坯体组分和密度均匀、缺陷少、强度高、有机物含量较少而受到广泛重视，成为一种独具特色又极具前景的新型陶瓷成型工艺。

凝胶注模成型的固化方式是在模具中通过浆料中的有机单体与交联剂在溶液状态下，加入引发剂，在催化剂的作用引下发单体聚合交联，形成三维网状结构，少量水分子和固体颗粒被锁在结构中，形成有一定弹性的凝胶结构。但常规加热固化方式存在加热时间长，温度梯度大等弊端。而微波加热可以有效地避免以上弊端，而且有研究表明，在有机单体的聚合过程中，微波处理不但具有加热的作用，而且还可以有效地引发自由基，降低聚合反应的活化能。所以，采用微波处理的方法探索微波对凝胶注模成型浆料固化过程的影响的研究有着重要的理论意义和实际应用价值。然而，到目前为止，采用微波处理实现陶瓷材料的凝胶注模方面的研究尚少见报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种加热速度快，温度场均匀的陶瓷材料凝胶注模微波固化工艺，它能够降低反应活化能，加快反应速率，达到材料快速成型的目的。

一种陶瓷材料凝胶注模微波固化工艺，其特征在于：首先，在溶剂中依次溶解有机单体、交联剂，加入分散剂，得到预配液；调节预配液的pH值为7～11，加入陶瓷粉体，强力机械搅拌1小时得到均匀的浆料；然后在浆料中加入引发剂和催化剂混合均匀；随后真空除去浆料内部气体；再把所得浆料注入模具；将装有浆料的模具放入微波炉中在100瓦～600瓦的输出功率下进行微波处理10～120秒，固化得到凝胶注模成型陶瓷坯体；在室温～60℃、相对湿度40％～85％条件下干燥1～24小时，然后在1200℃～2200℃、保温1～6小时烧结，最后得到陶瓷制品。

其中，所述溶剂为蒸馏水、去离子水或自来水；

所述有机单体为丙烯酰胺，有机单体占粉体质量分数为0.2～0.4％；

所述交联剂为N，N’-亚甲基双丙烯酰胺，有机单体与交联剂控制在质量比为17∶1，有机单体加交联剂与水的质量比(0.15～0.2)∶1；

所述分散剂为聚甲基丙烯酸铵，分散剂的含量为凝胶注模浆料质量的0.1～0.4％；

调节预配液所用的是质量浓度15～38％的氨水或质量浓度为15～40％的盐酸；

所述陶瓷粉体为氧化锆、氧化铝、碳化硼、碳化硅、氮化硅、氧化硅、碳化钛中的一种或几种；

所述催化剂为体积浓度为50％的四甲基乙二胺的水溶液，凝胶注模浆料中催化剂含量在0.2％-1.4％体积浓度之间；

所述引发剂为质量分数为10％的过硫酸铵水溶液，凝胶注模浆料中引发剂含量在0.2％-1.4％体积浓度之间。

本发明所制备的陶瓷素坯强度远远高于传统干压成型方法所得素坯，微波固化及干燥后素坯完全可以进行车、铣、刨、钻等机械加工；相比于传统凝胶注模成型工艺，本发明能够大幅度缩短坯体制备所需时间，从而防止陶瓷浆料固化前浆料中陶瓷粉体发生沉降而出现上下密度不均；由于微波固化温度场较均匀，本发明制备的陶瓷素坯致密，且微观结构均匀，烧结后所得陶瓷制品显微结构更易于致密化和细晶化，因此可获得高的使用性能。

具体实施方式

下面通过具体实施例来进一步说明本发明。

实施例1

在20mL蒸馏水中一次溶解3.4g丙烯酰胺，0.2g N，N’-亚甲基双丙烯酰胺，0.34g聚甲基丙烯酸铵制得预配液，用氨水调节预配液的pH值为10.5，加入113g氧化锆粉体，强力机械搅拌1小时得到均匀浆料；然后加0.2mL的10％的过硫酸铵水溶液和0.2ml体积浓度为50％的四甲基乙二胺水溶液混合；搅拌均匀后真空脱气15分钟，把浆料注入聚四氟乙烯模具中；将装有浆料的模具放入微波炉中在140瓦功率下，采用连续加热的方式微波处理120秒固化成型；将凝胶注模所得陶瓷素坯在55℃、相对湿度60％条件下干燥10小时，陶瓷素坯的抗弯强度达30.5MPa，然后在1450℃保温2小时烧结。

实施例2

在20mL蒸馏水中一次溶解3.4g丙烯酰胺，0.2g N，N’-亚甲基双丙烯酰胺，0.34g聚甲基丙烯酸铵制得预配液；用氨水调节预配液的pH值为10.5；加入113g氧化锆粉体，强力机械搅拌1小时得到均匀浆料；然后加0.2ml的10％的过硫酸铵水溶液和0.2ml体积浓度为50％的四甲基乙二胺水溶液混合；搅拌均匀后真空脱气15min，注浆入模；将装有浆料的模具放入微波炉中在中高输出功率(280瓦、420瓦和560瓦)时，采用间歇加热，按照每加热5秒停止5秒的方式进行微波处理，分别经25秒、20秒、15秒微波固化成型；将凝胶注模所得陶瓷素坯在55℃、相对湿度70％条件下干燥12小时，陶瓷素坯的抗弯强度达29MPa、30MPa、30.5MPa，然后在1450℃保温2小时烧结。

Claims (9)

1.一种陶瓷材料凝胶注模微波固化工艺，其特征在于：首先，在溶剂中依次溶解有机单体、交联剂，加入分散剂，得到预配液；调节预配液的pH值为7～11，加入陶瓷粉体，强力机械搅拌1小时得到均匀的浆料；然后在浆料中加入引发剂和催化剂混合均匀；随后真空除去浆料内部气体；再把所得浆料注入模具；将装有浆料的模具放入微波炉中在100瓦～600瓦的输出功率下进行微波处理10～120秒，固化得到凝胶注模成型陶瓷坯体；在室温～60℃、相对湿度40％～85％条件下干燥1～24小时，然后在1200℃～2200℃、保温1～6小时烧结，最后得到陶瓷制品。

2.如权利要求1所述陶瓷材料凝胶注模微波固化工艺，其特征在于所述的溶剂为蒸馏水、去离子水或自来水中的一种。

3.如权利要求1所述陶瓷材料凝胶注模微波固化工艺，其特征在于所述有机单体为丙烯酰胺，有机单体占粉体质量分数为0.2～0.4％。

4.如权利要求1所述陶瓷材料凝胶注模微波固化工艺，其特征在于所述交联剂为N，N’-亚甲基双丙烯酰胺，有机单体与交联剂控制在质量比为17∶1，有机单体加交联剂与水的质量比为(0.15～0.2)∶1。

5.如权利要求1所述陶瓷材料凝胶注模微波固化工艺，其特征在于所述分散剂为聚甲基丙烯酸铵，分散剂的含量为凝胶注模浆料质量的0.1～0.4％。

6.如权利要求1所述陶瓷材料凝胶注模微波固化工艺，其特征在于所述的调节预配液pH值所用的是质量浓度15～38％的氨水或质量浓度为15～40％的盐酸。

7.如权利要求1所述陶瓷材料凝胶注模微波固化工艺，其特征在于所述的陶瓷粉体为氧化锆、氧化铝、碳化硼、碳化硅、氮化硅、氧化硅、碳化钛中的一种或几种。

8.如权利要求1所述陶瓷材料凝胶注模微波固化工艺，其特征在于所述催化剂为体积浓度为50％的四甲基乙二胺的水溶液，凝胶注模浆料中催化剂含量在0.2％-1.4％体积浓度之间。

9.如权利要求1所述陶瓷材料凝胶注模微波固化工艺，其特征在于所述引发剂为质量分数为10％的过硫酸铵水溶液，凝胶注模浆料中引发剂含量在0.2％-1.4％体积浓度之间。