CN102060514A - 一种高致密氧化镁陶瓷的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高致密氧化镁陶瓷制备方法，属于结构陶瓷应用技术领域。该方法采用凝胶注模工艺，首先配制凝胶注模用单体溶液，然后将经过预烧处理的高纯度氧化镁陶瓷粉体加入到单体溶液中，混合均匀得到稳定的浆料，加入催化剂和引发剂，再真空除气，然后将陶瓷浆料浇注到模具中，合适温度下使单体与交联剂完全反应，得到陶瓷素坯，将素坯烘干、烧结后，即得到氧化镁陶瓷制品。利用本发明制备的氧化镁陶瓷具有机械强度高、高纯高致密、抗热震性能好等优点。同时，氧化镁陶瓷制品的形状和尺寸可由模具来控制，是一种快速、高效、低成本、批量化生产高致密氧化镁陶瓷的新方法。

Description

一种高致密氧化镁陶瓷的制备方法

技术领域

本发明涉及一种高致密氧化镁陶瓷制备方法，属于结构陶瓷应用技术领域。

背景技术

高纯、高致密氧化镁在高温下具有优良的耐酸碱性和电绝缘性，光透过性好，导热性高。在氧化气氛或氮气保护下可稳定工作到2400℃，Fe、Zn、Pb、Cu、Mn等金属对它不起还原作用。MgO陶瓷可用作冶炼金属的坩埚，在原子能工业中也适于冶炼高纯度的铀和钍；还可用作热电偶保护套管。利用它能使电磁波通过的性质，作雷达罩及红外辐射的透射窗口材料等。

目前，国内市场的氧化镁陶瓷制品很多，但多为纯度和致密度低的产品，其产品附加值也低。成型工艺主要有：注浆成型、热压铸成型以及等静压成型。以氧化镁陶瓷坩埚为例，目前大多采用电熔镁砂为原料，采用注浆成型工艺进行坩埚生产，产品的纯度和致密度都比较低，不能满足冶炼高纯有色金属、高温合金及放射性合金的要求；采用等静压成型的产品质量高，烧成收缩小，坯体致密，不易变形，但效率较低；热压铸方法成型操作方便，尺寸精度高，生产效率高，但排蜡工期长，成品率也低。

发明内容

本发明针对以上技术的不足，提出了一种制备高致密氧化镁结构陶瓷的方法。本方法适用于成型各种形状和尺寸的氧化镁陶瓷，例如：氧化镁坩埚、氧化镁热电偶保护套管、氧化镁棒材、氧化镁靶材等。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明所涉及的制备高致密氧化镁陶瓷，采用的粉体主要为微米及亚微米及氧化镁陶瓷粉体，通过凝胶注模工艺得到陶瓷制品。首先，配制凝胶注模工艺用单体溶液，在单体溶液中加入预烧处理过的氧化镁陶瓷粉体和分散剂，球磨混合均匀得到稳定的浆料，加入催化剂和引发剂后，抽真空除去浆料中的空气，然后将浆料浇注入模具中，保温至单体和交联剂完全反应，得到陶瓷素坯，脱模后，将素坯干燥、烧结，即得到氧化镁陶瓷制品。

本发明包括如下步骤：

第一步，对高纯氧化镁粉体进行预烧处理。

所述预烧处理的温度为：1200℃-1600℃，预烧处理的时间为10min-20min。

第二步，配制凝胶注模用单体溶液，以丙烯酰胺为单体，以N，N’-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，以聚丙烯酰胺或柠檬酸铵作为分散剂，以去离子水为分散介质，混合成为单体溶液。

所述单体溶液，其各成分的质量百分比为：单体5％-15％，交联剂0.25％-1.5％，分散剂0.4％-4％，分散介质79.5％-94.35％。

第三步，将高纯度氧化镁陶瓷粉体加到第一步中得到的单体溶液中，通过球磨将各成分混合均匀，得到稳定的浆料。

所述氧化镁陶瓷粉体，纯度≥99.5％，粒径≤10微米。

所述浆料，其各成分的质量百分比为：氧化镁陶瓷粉体70％-90％，单体溶液10％-30％。

第四步，在第三步中得到的浆料中加入过硫酸铵和四甲基乙二胺分别作为引发剂和催化剂，将浆料进行搅拌混合，同时抽真空除去浆料中的空气，待气泡完全消除后，将氧化镁陶瓷浆料从模具的浇口浇入，转移模具到烘箱中，在40℃-100℃下保温，直到浆料中的单体与交联剂聚合形成凝胶网络，将模具连同里面的氧化镁陶瓷素坯在室温下自然冷却，然后脱模，得到陶瓷素坯，将素坯干燥，所述将素坯干燥，是指：将素坯在湿度为85％以上的空气中于常温干燥，直到素坯体积恒定，然后将素坯分别在40、60、80和100℃条件下于空气中再干燥，每个温度条件下干燥时间为2-4小时。从而得到质地坚硬，且无裂纹的陶瓷素坯。

所述引发剂的加入量为0.05％-0.2％，催化剂的加入量为0.05％-0.2％(均相对于第三步中浆料的质量百分比)。

第五步，将第四步中得到的陶瓷素坯进行烧结，得到高致密的氧化镁陶瓷制品。

所述烧结，具体为：从室温以1℃/min-5℃/min的速度升温至400℃，保温1-4小时，然后以5℃/min-10℃/min的速度升温至1600℃-1800℃，保温1-4小时。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明所用的凝胶注模工艺是一种湿法成形工艺，可消除干法成型时粉体的软团聚，提高致密度。同时凝胶注模工艺还是一种近净尺寸成型工艺，即干燥后的素坯与烧结体之间的形状与尺寸差异极小，这样可以有效地控制制品的尺寸，实现氧化镁陶瓷制品的一次成型，而不需要对其进行机械加工，大大降低了生产成本，提高了产品的成品率，缩短了生产周期。

2)与等静压工艺相比，采用凝胶注模工艺制备高致密氧化镁陶瓷，不需要价格较为昂贵的等静压机，而只需要价格较为低廉的球磨机和搅拌机等设备，一次性投入较低；同时，在制备过程中模具无任何损耗，可多次重复使用。

3)由于所成型氧化镁陶瓷制品的形状和尺寸完全由模具控制实现，因此，只要能制备出合适的模具，任意形状的氧化镁陶瓷制品都可以被很容易的制备，这可大大拓宽氧化镁陶瓷制品的应用领域。

具体实施方式

本发明包括如下步骤：

第一步，对高纯氧化镁粉体进行预烧处理。

所述预烧处理的温度为：1200℃-1600℃，预烧处理的时间为10min-20min。

第二步，配制凝胶注模用单体溶液，以丙烯酰胺为单体，以N，N’-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，以聚丙烯酰胺或柠檬酸铵作为分散剂，以去离子水为分散介质，混合成为单体溶液。

所述单体溶液，其各成分的质量百分比为：单体5％-15％，交联剂0.25％-1.5％，分散剂0.4％-4％，分散介质79.5％-94.35％。

第三步，将高纯度氧化镁陶瓷粉体加到第一步中得到的单体溶液中，通过球磨将各成分混合均匀，得到稳定的浆料。

所述氧化镁陶瓷粉体，纯度≥99.5％，粒径≤10微米。

所述浆料，其各成分的质量百分比为：氧化镁陶瓷粉体70％-90％，单体溶液10％-30％。

第四步，在第三步中得到的浆料中加入过硫酸铵和四甲基乙二胺分别作为引发剂和催化剂，将浆料进行搅拌混合，同时抽真空除去浆料中的空气，待气泡完全消除后，将氧化镁陶瓷浆料从模具的浇口浇入，转移模具到烘箱中，在40℃-100℃下保温，直到浆料中的单体与交联剂聚合形成凝胶网络，将模具连同里面的氧化镁陶瓷素坯在室温下自然冷却，然后脱模，得到陶瓷素坯，将素坯干燥，所述将素坯干燥，是指：将素坯在湿度为85％以上的空气中于常温干燥，直到素坯体积恒定，然后将素坯分别在40、60、80和100℃条件下于空气中再干燥，每个温度条件下干燥时间为2-4小时。从而得到质地坚硬，且无裂纹的陶瓷素坯。

所述引发剂的加入量为0.05％-0.2％，催化剂的加入量为0.05％-0.2％(均相对于第三步中浆料的质量百分比)。

第五步，将第四步中得到的陶瓷素坯进行烧结，得到高致密的氧化镁陶瓷制品。

所述烧结，具体为：从室温以1℃/min-5℃/min的速度升温至400℃，保温1-4小时，然后以5℃/min-10℃/min的速度升温至1600℃-1800℃，保温1-4小时。

实施例1：氧化镁坩埚的制备

原料采用纯度为99.5％的氧化镁粉体，平均粒径为2微米。配制1000ml预混液，质量比例为：10％丙烯酰胺；1％N，N’-亚甲基双丙烯酰胺；2％聚丙烯酰胺；87％去离子水。

配制质量固含量为80％的浆料，球磨混合2小时。

分别加入催化剂四甲基乙二胺和引发剂过硫酸铵，加入量均为上述浆料的0.2％，再真空搅拌除气15分钟，然后浇注入模具中，在80℃下保温30分钟。将模具置于室温条件下，待模具冷却后，脱模得到氧化镁坩埚素坯。

将素坯在湿度为90％的恒温恒湿箱中，直至坯体不再收缩，即可转移至烘箱中，在40、60、80和100℃下于空气中各干燥4小时，即得到坚硬的氧化镁坩埚素坯。将氧化镁坩埚素坯在烧结炉中于1650烧结2小时，随炉冷却，得到氧化镁坩埚，体积密度为3.44g/cm³，显气孔率为0.3％。

实施例2：氧化镁热电偶保护套管的制备

原料及步骤同实施例1，浆料的质量固含量为85％，烧结温度为1700℃，烧结时间为4小时，最后得到的氧化镁热电偶保护套管体积密度为3.56g/cm³，显气孔率为0.1％。

实施例3氧化镁靶材的制备

原料采用高纯度纳米氧化镁粉体，纯度大于99.9％，平均粒径为12纳米，实施步骤同实施例1，浆料的质量固含量为80％，烧结温度为1600℃，烧结时间1小时，最后得到的氧化镁热电偶保护套管体积密度为3.57g/cm³。

Claims (6)

1.一种高致密氧化镁陶瓷的制备方法，其特征在于，它是通过下述工艺步骤实现的：

第一步，对高纯氧化镁粉体进行预烧处理；

所述预烧处理的温度为：1200℃-1600℃，预烧处理的时间为10-120min；

第二步，配制凝胶注模用单体溶液，以丙烯酰胺为单体，以N，N’-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，以聚丙烯酰胺或柠檬酸铵作为分散剂，以去离子水为分散介质，混合成为单体溶液；

所述单体溶液，其各成分的质量百分比为：单体5％-15％，交联剂0.25％-1.5％，分散剂0.4％-4％，分散介质79.5％-94.35％；

第三步，将高纯度氧化镁陶瓷粉体加到第一步中得到的单体溶液中，通过球磨将各成分混合均匀，得到稳定的浆料；

第四步，在第三步中得到的浆料中加入过硫酸铵和四甲基乙二胺分别作为引发剂和催化剂，将浆料进行搅拌混合，同时抽真空除去浆料中的空气，待气泡完全消除后，将氧化镁陶瓷浆料从模具的浇口浇入，转移模具到烘箱中保温，直到浆料中的单体与交联剂聚合形成凝胶网络，将模具连同里面的氧化镁陶瓷素坯在室温下自然冷却，然后脱模，得到陶瓷素坯，将素坯干燥；

第五步，将第四步中得到的陶瓷素坯进行烧结，得到高致密的氧化镁陶瓷制品。

2.根据权利要求1所述的高致密氧化镁陶瓷的制备方法，其特征是，第三步中，所述浆料，其各成分的质量百分比为：氧化镁陶瓷粉70％-90％，单体溶液10％-30％。

3.根据权利要求1所述的高致密氧化镁陶瓷的制备方法，其特征是，第四步中，所述保温，其温度为40℃-100℃。

4.根据权利要求1所述的高致密氧化镁陶瓷的制备方法，其特征是，所述引发剂的加入量为0.05％-0.2％，催化剂的加入量为0.05％-0.2％，此处加入量均是相对于第三步中浆料的质量百分比。

5.根据权利要求1所述的高致密氧化镁陶瓷的制备方法，其特征是，所述将素坯干燥，是指：将素坯在湿度为85％以上的空气中于常温干燥，直到素坯体积恒定，然后将素坯分别在40、60、80和100℃条件下于空气中再干燥，每个温度条件下干燥时间为2-4小时。

6.根据权利要求1所述的高致密氧化镁陶瓷的制备方法，其特征是，所述烧结，具体为：从室温以1℃/min-5℃/min的速度升温至400℃，保温1-4小时，然后以5℃/min-10℃/min的速度升温至1600℃-1800℃，保温1-4小时。