发明内容
有鉴于此,有必要针对背景技术提到的问题,提供一种可提高产品平整度、表面质量,及减小厚度尺寸波动的片状氧化锆陶瓷的制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的:
一种片状氧化锆陶瓷的涂布制备方法,其包括以下步骤:
提供质量百分比为60-65%的氧化锆陶瓷粉、质量百分比为20-25%的有机溶剂、质量百分比为1.2-1.8%的分散剂、质量百分比为4.0-6.0%的粘结剂、质量百分比为2.5-7.0%的增塑剂;
将所述分散剂与50%质量的所述有机溶剂在高速搅拌机内搅拌溶解1-5小时后加入到球磨机与氧化锆陶瓷粉一起球磨12-24小时;在此过程中将所述粘结剂和所述增塑剂加入到另外50%质量的所述有机溶剂在高速搅拌机内搅拌溶解6-12小时后再加入到球磨机内球磨30-50小时;
将球磨机内的制备好的浆料在-0.1Mpa真空条件下脱泡,同时搅拌达到10000-20000mps后得到可涂布成型用的浆料;
将所述可涂布成型用浆料注入传统流延成型机,用塞尺将刮刀与膜带间距调整为0.5-4mm,浆料液面与膜带高度差为10-50mm,刮刀与膜带相对速度调整为0.1-0.4m/min,在温度60-120℃的热风干燥箱内干燥后得到厚度0.2-1.0mm的生坯,再经过模具冲切,经过12-30小时的低温排胶,6-18小时的1300-1450℃的高温烧结后得到厚度0.18-0.8mm的片状氧化锆陶瓷。
所述氧化锆陶瓷粉的直径为0.2-3.0um,所述氧化锆陶瓷粉是含有稳定剂的氧化锆粉料,所述稳定剂包括氧化钇,氧化铈、氧化钪中的一种或几种。
所述有机溶剂采用二元共沸混合有机溶剂体系,如丁酮和乙醇,两者质量比例是52:48;此体系可提供良好的溶解特性,并且溶剂能以恒定的组分蒸发,具有良好的化学稳定性,不与粉料发生化学反应,同时制备的浆料无毒,成本低。
所述分散剂采用两种陶瓷分散剂,如鱼油和油酸,两者质量比例是3-4:1;由于两者的分散性能不同,即对陶瓷颗粒表面的吸附能力不同,单一分散剂容易导致分散性能极端化,造成成型后坯体开裂或浆料性能的不断恶化,因此两种分散剂为成型工艺提供稳定的性能具有重要意义。
所述粘接剂采用两种粘结剂:分子链长和分子链短的两种不同的聚乙烯醇缩丁醛(PVB),两者质量比例是1-5:1;不同长度的分子链即有不同分子量,分子链长的PVB提供坯带强度,分子链短的PVB提供坯带中颗粒间的粘性,两种粘结剂使用优化浆料黏度,流动性,增强坯体强度和粘接性等。
所述增塑剂采用两种增塑剂:聚乙二醇(PEG)和邻苯二甲酸二辛酯(DOP),两者质量比=1:1-4;实验证明两种增塑剂制备的坯带不易开裂、柔韧性适中。
制成生坯后,可采用温等静压的方式保证其平整度,具体工艺是,将生坯放在平整模具中并装入薄膜袋,在-0.1Mpa的真空下塑封,放入等静压机,在70-95℃的温度下,以15-25Mpa压力均匀压制生坯,冷却后再取出,使生坯密度各向趋于均匀,从而保证烧结后片状氧化锆陶瓷的平整度;同时也可以采用多层叠加等静压成型来得较厚的片状氧化锆陶瓷。
所述模具冲切和低温排胶具体包括:将成型干燥后的生坯通过切刀切成带状卷取,放入陈腐库陈腐24-72小时,经过冲压、切断、打孔等制成需要的尺寸规格,通过敷粉机敷粉后,再4-8片叠加后放入低温排胶炉内,以5-10℃/分钟的速度排胶,缓慢分解配方中加入的分散剂、粘结剂、增塑剂等,排胶需要的时间与生坯的尺寸成正比。
所述高温烧结具体包括:将低温排胶后的生坯再放入推板式电炉内,以3-5℃/分钟的速度升温,在1300-1450℃保温1-5小时后自然降温得到片状氧化锆陶瓷。一般情况下的片状氧化物陶瓷可直接在空气中烧结。
片状3Y氧化锆陶瓷的制备方法是:
提供以下按质量百分比配比的原料混合物:
直径为0.5-3.0um的氧化锆陶瓷粉:69.4%,其内含有3%mol氧化钇,含有3%mol氧化钇的氧化锆粉的质量百分比:(氧化锆ZrO2+氧化铪HfO2)>94%,氧化钇5.25±0.05%,其余为杂质;
作为有机溶剂的质量比为52:48的丁酮和乙醇:共21.5%;
作为分散剂的质量比为3:1的鱼油:油酸:共1.46%;
作为粘结剂的质量比为2:1的PVB-长链和PVB-短链:共4.51%;
作为增塑剂的质量比为1:1的DBP和PEG:共3.12%;
将分散剂与50%质量的有机溶剂在高速搅拌机内搅拌溶解2小时后加入到球磨机与粉料一起球磨12小时;在此过程中将粘结剂和增塑剂加入到另外50%质量的有机溶剂在高速搅拌机内搅拌溶解6小时后再加入到球磨机内球磨30小时;
将球磨机内制备好的浆料在-0.1Mpa真空条件下脱泡,同时搅拌达到10000mps后得到可涂布成型用的浆料;
将所述浆料注入传统流延成型机内,用塞尺将刮刀与膜带间距调整为3.5mm,浆料液面与膜带高度差为40mm,刮刀与膜带相对速度调整为0.4m/min,在温度60-120℃的热风干燥箱内干燥后得到厚度1.0mm的生坯,再经过模具冲切,经过12小时的低温排胶,18小时的1450℃的高温烧结后得到厚度0.8mm的片状氧化锆陶瓷。
片状5Y氧化锆陶瓷的制备方法是:
提供以下按质量百分比配比的原料混合物:
直径为0.15-1.8um的氧化锆陶瓷粉:66.6%,其内含有5%mol氧化钇,含有5%mol氧化钇的氧化锆粉的质量百分比:(氧化锆ZrO2+氧化铪HfO2)>90.8%,氧化钇8.7±0.05%,其余为杂质;
作为有机溶剂的质量比为52:48的丁酮和乙醇:共23.3%;
作为分散剂的质量比为3.5:1的鱼油:油酸:共1.60%;
作为粘结剂的质量比为3:1的PVB-长链和PVB-短链:共5.20%;
作为增塑剂的质量比为1.8:1的DBP和PEG:共3.26%;
将分散剂与50%质量的有机溶剂在高速搅拌机内搅拌溶解3小时后加入到球磨机与粉料一起球磨18小时;在此过程中将粘结剂和增塑剂加入到另外50%质量的有机溶剂在高速搅拌机内搅拌溶解8小时后再加入到球磨机内球磨36小时;
将球磨机内制备好的浆料在-0.1Mpa真空条件下脱泡,同时搅拌达到15000mps后得到可涂布成型用的浆料;
将所述浆料注入传统流延成型机内,用塞尺将刮刀与膜带间距调整为2.5mm,浆料液面与膜带高度差为30mm,刮刀与膜带相对速度调整为0.3m/min,在温度60-120℃的热风干燥箱内干燥后得到厚度0.7mm的生坯,再经过模具冲切,经过18小时的低温排胶,16小时的1350℃的高温烧结后得到厚度0.55mm的片状5Y氧化锆陶瓷。
片状8Y氧化锆陶瓷的制备方法:
提供以下按质量百分比配比的原料混合物:
直径为0.1-1.5um 的氧化锆陶瓷粉:63.7%,其内含有8%mol氧化钇,含有8%mol氧化钇的氧化锆粉的质量百分比:(氧化锆ZrO2+氧化铪HfO2)>86%,氧化钇13.71±0.05%,其余为杂质;
作为有机溶剂的质量比为52:48的丁酮和乙醇:共25.5%;
作为分散剂的质量比为3-4:1的鱼油:油酸:共1.78%;
作为粘结剂的质量比为1-5:1的PVB-长链和PVB-短链:共5.41%;
作为增塑剂的质量比为1-4:1的DBP和PEG:共3.63%;
将分散剂与50%质量的有机溶剂在高速搅拌机内搅拌溶解5小时后加入到球磨机与粉料一起球磨24小时;在此过程中将粘结剂和增塑剂加入到另外50%有机溶剂在高速搅拌机内搅拌溶解12小时后再加入到球磨机内球磨45小时;
将球磨机内制备好的浆料在-0.1Mpa真空条件下脱泡,同时搅拌达到18000mps后得到可涂布成型用的浆料;
将所述浆料注入传统流延成型机内,用塞尺将刮刀与膜带间距调整为0.6mm,浆料液面与膜带高度差为15mm,刮刀与膜带相对速度调整为0.4m/min,在温度60-120℃的热风干燥箱内干燥后得到厚度0.25mm的生坯,再经过模具冲切,经过28小时的低温排胶,8小时的1300℃的高温烧结后得到厚度0.19mm的片状8Y氧化锆陶瓷。
与现有技术相比,本发明具备如下优点:
1、采用二元共沸混合有机溶剂体系,丁酮和乙醇,两者质量比例是52:48,此体系可提供良好的溶解特性,并且溶剂能以恒定的组分蒸发,具有良好的化学稳定性,不与粉料发生化学反应,同时制备的浆料无毒,成本低;
2、采用两种陶瓷分散剂,鱼油和油酸,两者质量比例是3-4:1;由于两者的分散性能不同,即对陶瓷颗粒表面的吸附能力不同,单一分散剂容易导致分散性能极端化,造成成型后坯体开裂或浆料性能的不断恶化,因此两种分散剂为成型工艺提供稳定的性能具有重要意义;
3、采用两种粘结剂:分子链长和分子链短的两种不同的聚乙烯醇缩丁醛(PVB),两者质量比例是1-5:1;不同长度的分子链即有不同分子量,分子链长的PVB提供坯带强度,分子链短的PVB提供坯带中颗粒间的粘性,两种粘结剂使用优化浆料黏度,流动性,增强坯体强度和粘接性等;
4、采用两种增塑剂:聚乙二醇(PEG)和邻苯二甲酸二辛酯(DOP),两者质量比=1:1-4;实验证明两种增塑剂制备的坯带不易开裂、柔韧性适中。
具体实施方式
实施例一,片状3Y氧化锆陶瓷的制备:
配方如下:
名称
|
成分 |
重量(kg) |
粉料(含3%mol氧化钇的氧化锆粉) |
直径为0.5-3.0um |
1000 |
有机溶剂 |
丁酮:乙醇=52:48 |
310 |
分散剂 |
鱼油:油酸=3:1 |
21 |
粘结剂 |
PVB-长链:PVB-短链=2:1 |
65(美国首诺公司生产) |
增塑剂 |
DOP:PEG=1:1 |
45 |
将分散剂与50%质量的有机溶剂在高速搅拌机内搅拌溶解2小时后加入到球磨机与粉料一起球磨12小时;在此过程中将粘结剂和增塑剂加入到另外50%质量的有机溶剂在高速搅拌机内搅拌溶解6小时后再加入到球磨机内球磨30小时;
将球磨机内制备好的浆料在-0.1Mpa真空条件下脱泡,同时搅拌达到10000mps后得到可涂布成型用的浆料;
将所述浆料注入传统流延成型机内,用塞尺将刮刀与膜带间距调整为3.5mm,浆料液面与膜带高度差为40mm,刮刀与膜带相对速度调整为0.4m/min,在温度60-120℃的热风干燥箱内干燥后得到厚度1.0mm的生坯,再经过模具冲切,经过12小时的低温排胶,18小时的1450℃的高温烧结后得到厚度0.8mm的片状氧化锆陶瓷。
得到的片状3Y-氧化锆陶瓷性能如下表:
项目 |
测试条件 |
单位 |
性能 |
试验方法 |
颜色状态 |
|
|
白色、致密 |
|
密度 |
|
g/cm3 |
6.0-6.05 |
GB2413 |
表面粗糙度 |
|
Um |
Ra(λ2)≤0.5 |
粗糙度仪器 |
平均晶粒大小 |
放大5000-10000倍 |
Nm |
400-500 |
SEM |
热膨胀系数 |
|
10-6/℃ |
8.6-9.8 |
GB5594.3 |
弹性模量 |
|
GPa |
200-220 |
|
翘曲度 |
|
Mm |
<长度的0.2% |
|
断裂韧性 |
|
MPa.m1/2 |
8-9 |
|
抗弯强度 |
弯距60mm |
MPa |
>1000 |
GB/T4741 |
实施例二:片状5Y氧化锆陶瓷的制备:
配方如下:
名称
|
成分 |
重量(kg) |
粉料(含5%mol氧化钇的氧化锆粉) |
直径为0.15-1.8um |
1000 |
有机溶剂 |
丁酮:乙醇=52:48 |
350 |
分散剂 |
鱼油:油酸=3.5:1 |
24 |
粘结剂 |
PVB-长链:PVB-短链=3:1 |
78(美国首诺公司生产) |
增塑剂 |
DOP:PEG=1.8:1 |
49 |
制备方法为:
将分散剂与50%质量的有机溶剂在高速搅拌机内搅拌溶解3小时后加入到球磨机与粉料一起球磨18小时;在此过程中将粘结剂和增塑剂加入到另外50%质量的有机溶剂在高速搅拌机内搅拌溶解8小时后再加入到球磨机内球磨36小时;
将球磨机内制备好的浆料在-0.1Mpa真空条件下脱泡,同时搅拌达到15000mps后得到可涂布成型用的浆料;
将所述浆料注入传统流延成型机内,用塞尺将刮刀与膜带间距调整为2.5mm,浆料液面与膜带高度差为30mm,刮刀与膜带相对速度调整为0.3m/min,在温度60-120℃的热风干燥箱内干燥后得到厚度0.7mm的生坯,再经过模具冲切,经过18小时的低温排胶,16小时的1350℃的高温烧结后得到厚度0.55mm的片状5Y氧化锆陶瓷。
得到的片状5Y-氧化锆陶瓷性能如下表
项目 |
测试条件 |
单位 |
性能 |
试验方法 |
颜色状态 |
|
|
白色、致密 |
|
密度 |
|
g/cm3 |
5.90-5.98 |
GB2413 |
表面粗糙度 |
|
um |
Ra(λ2)≤0.2 |
粗糙度仪器 |
平均晶粒大小 |
放大
20000倍 |
nm |
80-300 |
SEM |
热膨胀系数 |
100-1000℃ |
10-6/℃ |
9.0-9.8 |
GB5594.3 |
翘曲度 |
|
mm |
<长度的0.2% |
|
断裂韧性 |
25℃ |
MPa.m1/2 |
4-8 |
|
抗弯强度 |
25℃ |
MPa |
500-800 |
GB/T4741 |
电导率 |
1000℃ |
S/cm |
0.04-0.08 |
|
实施例三:片状8Y氧化锆陶瓷的制备:
配方如下:
名称
|
成分 |
质量百分比 |
粉料(含8%mol氧化钇的氧化锆粉) |
直径为0.1-1.5um |
1000 |
有机溶剂 |
丁酮:乙醇=52:48 |
400 |
分散剂 |
鱼油:油酸=3-4:1 |
28 |
粘结剂 |
PVB-长链:PVB-短链=1-5:1 |
85(美国首诺公司生产) |
增塑剂 |
DOP:PEG=1-4:1 |
57 |
制备方法:
将分散剂与50%质量的有机溶剂在高速搅拌机内搅拌溶解5小时后加入到球磨机与粉料一起球磨24小时;在此过程中将粘结剂和增塑剂加入到另外50%有机溶剂在高速搅拌机内搅拌溶解12小时后再加入到球磨机内球磨45小时;
将球磨机内制备好的浆料在-0.1Mpa真空条件下脱泡,同时搅拌达到18000mps后得到可涂布成型用的浆料;
将所述浆料注入传统流延成型机内,用塞尺将刮刀与膜带间距调整为0.6mm,浆料液面与膜带高度差为15mm,刮刀与膜带相对速度调整为0.4m/min,在温度60-120℃的热风干燥箱内干燥后得到厚度0.25mm的生坯,再经过模具冲切,经过28小时的低温排胶,8小时的1300℃的高温烧结后得到厚度0.19mm的片状8Y氧化锆陶瓷。
得到的片状8Y-氧化锆陶瓷性能如下表:
以上三种实施例中:
制成生坯后,可采用温等静压的方式保证其平整度,具体工艺是,将生坯放在平整模具中并装入薄膜袋,在-0.1Mpa的真空下塑封,放入等静压机,在70-95℃的温度下,以15-25Mpa压力均匀压制生坯,冷却后再取出,使生坯密度各向趋于均匀,从而保证烧结后片状氧化锆陶瓷的平整度;同时也可以采用多层叠加等静压成型来得较厚的片状氧化锆陶瓷。
所述模具冲切和低温排胶具体包括:将成型干燥后的生坯通过切刀切成带状卷取,放入陈腐库陈腐24-72小时,经过冲压、切断、打孔等制成需要的尺寸规格,通过敷粉机敷粉后,再4-8片叠加后放入低温排胶炉内,以5-10℃/分钟的速度排胶,缓慢分解配方中加入的分散剂、粘结剂、增塑剂等,排胶需要的时间与生坯的尺寸成正比。
所述高温烧结具体包括:将低温排胶后的生坯再放入推板式电炉内,以3-5℃/分钟的速度升温,在1300-1450℃保温1-5小时后自然降温得到片状氧化锆陶瓷。一般情况下的片状氧化物陶瓷可直接在空气中烧结。