CN101863071A - 一种超高温陶瓷的水基流延方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超高温陶瓷的水基流延方法，属于流延成型工艺领域。其特征在于采用水作为流延工艺中的唯一溶剂，将陶瓷粉体加入水中调成均匀的悬浮浆料，以苯丙乳液作为粘结剂并加入适量的成膜助剂，球磨后再次加入陶瓷粉体，从而制备出适合流延成型的浆料，经脱泡、流延、干燥后制得均匀光滑的流延膜。本发明不仅具有操作简单、条件易于控制、成本低廉及无毒无害等优点，而且由于粘结剂具有较低的玻璃化转变温度(T_g)，因此不需要加入塑性剂。另外流延浆料对Mylar膜带具有良好的润湿性，流延后流延膜干燥速度快，且具有良好的强度和韧性，且两次使用的陶瓷粉体可相同也可以不同，从而构筑成复相陶瓷流延膜。

Description

一种超高温陶瓷的水基流延方法

技术领域

本发明涉及一种超高温陶瓷的水基流延方法，属于流延成型工艺领域。

背景技术

超高温陶瓷包括高熔点的硼化物、碳化物及氮化物。由于其具有高熔点，良好的化学稳定性及抗氧化性等性能，可作为热防护体系材料应用于高超音速飞行、大气层再入等极端环境和机翼前缘、鼻锥等关键部件。目前，超高温陶瓷的成型方法主要是干压成型，干压成型具有操作简单、低成本等优点，但是干压容易使得素坯成型不均匀(尤其是大部件)，不利于最终的产品性能。而与干压成型相比，胶态成型通过对浆料的初始“结构”及其在制备过程中的演化进行精细控制，可得到更加均匀的素坯结构。

作为胶态成型的一种，流延成型被广泛的应用于制备电路基板和电容器等，已成为陶瓷膜的普遍方法，适用于大规模的工业生产。另外，流延成型还可用于制备具有高韧性和良好的抗热震性能的层状结构陶瓷。对超高温陶瓷进行层状结构设计，可满足其在空间领域应用的要求。流延成型工艺包括水基和非水基流延两种。非水基流延往往需使用大量的有毒有机溶剂，不仅制作成本高，而且危害人体健康，造成环境污染。而水基流延采用水作为溶剂，成本低，环境污染小，对人体健康无害，因此越来越被人们所关注和研究。由于硼化物与传统的水基流延成型粘结剂聚乙烯醇(PVA)会发生化学反应，因此聚乙烯醇(PVA)不可用于超高温陶瓷的水基流延成型。因此需开发一种新的粘结剂用于超高温陶瓷的水基流延成型。

发明内容

本发明的目的是提供一种超高温陶瓷的水基流延成型的方法，其特征在于：采用水作为流延工艺中的唯一溶剂，将陶瓷粉体加入到含分散剂的水溶液中，调制成均匀的悬浮浆料，并加入适量的分散剂、粘结剂、成膜助剂，制备出适合流延成型的浆料，经脱泡、流延、干燥后制得均匀光滑的流延膜。超高温陶瓷的水基流延成型，主要包括以下步骤：

(1)将超高温陶瓷粉体(0.1-0.5μm)加入含分散剂的水溶液中，球磨20-24h，然后加入粘结剂和成膜助剂，球磨8-15h，然后再次加入适量的超高温陶瓷粉体，球磨20-24h，两次加入陶瓷粉体可进一步增大浆料的固含量，并可避免高浓度浆料出现剪切增稠现象；再次加入的超高温陶瓷粉体与起初的超高温陶瓷粉体为同一种类或不同种类，所述的超高温陶瓷粉体为硼化物(TiB₂、ZrB₂等)碳化物(SiC、B₄C或WC等)、或氮化物(Si₃N₄、AlN、赛隆等)。不同种类超高温陶瓷的加入构筑成复相流延膜；

再次加入超高温陶瓷粉体为起初加入的粉体的20wt％-80wt％以及所述的不同种类的超高温陶瓷粉体为碳化物、硼化物或氮化物中不同组份组成的复相流延膜；或为碳化物、硼化物和氮化物中两种或两种以上组份组成的复相流延膜；

(2)将上述所得的浆料真空10-20Pa脱泡后流延成型；

(3)上述所得到的流延膜在室温下自然干燥3-5小时即可从Mylar膜带上剥离，所得的流延膜厚度为0.2-0.5mm。

所述分散剂为聚丙烯酸盐，分散剂的加入质量百分含量为1-2％。

所述粘结剂为水溶性苯丙乳液，胶体颗粒平均大小为0.17μm，胶体颗粒固含量为50wt％，pH为8-9，玻璃转化温度T_g为-6℃，粘结剂中的固含量与陶瓷粉体的质量比为0.18-0.25。

所述成膜助剂为商业成膜助剂Texanol，其与粘结剂中的固含量的质量比为0.02。

本发明的有益效果是：(1)本发明工艺操作简单、条件易于控制；(2)本发明所采用的分散剂、粘结剂和成膜助剂均为商业化产品，成本低廉、无毒、易于烧除且不留残余物，容易实现大规模生产；(3)流延浆料具有良好的润湿性，可以很好的润湿Mylar膜带，制得的流延膜容易从Mylar膜带上剥离；(4)由于粘结剂具有较低的玻璃化转变温度(T_g)，因此不需要另外加入塑性剂，可降低流延膜中的有机物含量；(5)流延膜干燥速度较快，室温下自然干燥3-5小时即干燥完全，且不容易产生裂纹；(6)制得的流延膜具有较好的强度和柔韧性，可任意裁减及弯曲。

具体实施方式

下面通过具体的实例，对本发明予以进一步说明：

实施例1：将50g平均粒径为0.35μm的ZrB₂粉体加入到10ml含分散剂的水中，球磨24h。加入的粘结剂为水溶性苯丙乳液(胶体颗粒固含量为50wt％，pH为8-9，玻璃转化温度T_g为-6℃)28g，成膜助剂Texanol 0.28g，球磨12h。再加入11.2g ZrB₂粉体，球磨24h。得到的浆料经真空脱泡后流延成型，室温下自然干燥3-5小时即可从基带上剥离得到流延膜。

实施例2：将50g平均粒径为0.35μm的ZrB₂粉体加入到10ml含分散剂的水中，球磨24h。加入粘结剂水溶性苯丙乳液(胶体颗粒固含量为50wt％，pH为8-9，玻璃转化温度T_g为-6℃)30g，成膜助剂Texanol 0.30g，球磨12h。再加入25g ZrB₂粉体，球磨24h。得到的浆料经真空脱泡后流延成型，室温下自然干燥3-5小时即可从基带上剥离得到流延膜。

实施例3：将50g平均粒径为0.35μm的TiB₂粉体加入到10ml含分散剂的水中，球磨24h。加入的粘结剂为水溶性苯丙乳液(胶体颗粒固含量为50wt％，pH为8-9，玻璃转化温度T_g为-6℃)30.6g，成膜助剂Texanol 0.31g，球磨12h。再加入35g ZrB₂粉体，球磨24h。得到的TiB₂-ZrB₂复合浆料经真空脱泡后流延成型，室温下自然干燥3-5小时即可从基带上剥离得到流延膜。

实施例4：用SiC、B₄C、Si₃N₄、AlN取代ZrB₂或TiB₂可获得雷同的结果。

实施例5：再次加入超高温陶瓷粉料为SiC(粒径为0.2μm)，加入量为15g，其余同实施例1构筑成ZrB₂-SiC复相陶瓷流延膜。

Claims (9)

1.一种超高温陶瓷的水基流延方法，其特征在于：采用水作为流延工艺中的唯一溶剂，将陶瓷粉体加入到含分散剂的水溶液中调制成均匀的悬浮浆料，再加入粘结剂和成膜助剂，制备出流延成型的浆料，经脱泡、流延、干燥后制得均匀光滑的流延膜，具体包括以下步骤：

(a)将超高温陶瓷粉体加入含分散剂的水溶液中，球磨20-24h，然后加入粘结剂和成膜助剂，球磨8-15h，然后再次加入超高温陶瓷粉体，球磨20-24h，两次加入陶瓷粉体可进一步增大浆料的固含量，并可避免高浓度浆料出现剪切增稠现象；

(b)将步骤a所得的浆料真空脱泡后在Mylar膜带上流延成型成膜；

(c)将步骤b所得到的流延膜在室温下自然干燥后即可从Mylar膜带上剥离；

所述分散剂为聚丙烯酸盐，分散剂的加入质量百分含量为1％-2％；

所述粘结剂为水溶性苯丙乳液，粘结剂中的固含量与陶瓷粉体的质量比为0.18-0.25；

所述的成膜助剂为Texanol，它与粘结剂中的固含量的质量比为0.02；

所述的超高温陶瓷粉体为硼化物、氮化物或碳化物。

2.按权利要求1所述的超高温陶瓷的水基流延方法，其特征在于再次加入超高温陶瓷粉体与起初加入的超高温陶瓷粉体为同一种类或不同种类的超高温陶瓷粉体。

3.按权利要求2所述的超高温陶瓷的水基流延方法，其特征在于所述的不同种类的超高温陶瓷粉体为碳化物、硼化物或氮化物中不同组份组成的复相流延膜；或为碳化物、硼化物和氮化物中两种或两种以上组份组成的复相流延膜。

4.按权利要求1、2或3所述的超高温陶瓷的水基流延方法，其特征在于所述的超高温陶瓷粉体的平均粒径为0.1-0.5μm。

5.按权利要求1、2或3所述的超高温陶瓷的水基流延方法，其特征在于再次加入的陶瓷粉体质量百分数为起先加入陶瓷粉体的20％-80％。

6.按权利要求1所述的超高温陶瓷的水基流延方法，其特征在于所述的苯丙乳液的胶体颗粒平均大小为0.17μm，固含量为50％，PH为8-9，玻璃转化温度Tg为-6℃。

7.按权利要求1所述的超高温陶瓷的水基流延方法，其特征在于步骤b所述的浆料真空脱泡的真空度为10-20Pa。

8.按权利要求1所述的超高温陶瓷的水基流延方法，其特征在于步骤c自然干燥时间为3-5小时。

9.按权利要求1所述的超高温陶瓷的水基流延方法，其特征在于从Mylar膜上剥离的流延膜厚度为0.2-0.5mm。