CN104073669A - 一种制备含梯度金属三维网络陶瓷的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种制备含梯度金属三维网络陶瓷的方法，方法包括含梯度金属陶瓷前驱体的制备和陶瓷前驱体的烧制，含梯度金属陶瓷前驱体的制备包括有机泡沫选材、陶瓷浆料的制备、有机泡沫浸渍法制备前驱体、陶瓷前驱体的烧结。该含梯度金属三维网络陶瓷可应用于制备陶瓷增强金属基复合材料，将复合材料中不金属陶瓷与金属之间的界面仅以机械结合的模式改善为机械结合与扩散结合混合模式，大大提高复合材料陶瓷与金属相的结合强度。

Description

一种制备含梯度金属三维网络陶瓷的方法

技术领域

本发明属于结构陶瓷制备领域，更具体地说，涉及一种含梯度金属三维网络陶瓷制备方法，该材料可作为制备界面结合强度高的网络陶瓷增强金属复合材料的预制体。

背景技术

具有三维连续网络结构陶瓷/金属复合材料融合了金属和陶瓷的各自优点，其优良的耐磨性能，广泛应用于航空航天、汽车工业、食品和制药工业。合金与陶瓷之间的界面问题是制备三维连续网络结构氧化铝陶瓷/金属复合材料的关键，但氧化铝陶瓷与合金之间润湿性很差，界面结合困难。

目前，解决的方法有：1.添加元素，改善润湿性。徐东、汪德宁等于1995年第12卷第3期《复合材料学报》和1996年第4卷第1期发表的文章“Fe40Al合金与Al2O3陶瓷的界面润湿现象”和“金属间化合物FeAl与α- Al2O3的界面润湿性为及合金元素Y和Nb的作用” 中指出Y、B和Nb等元素对改善金属熔液与陶瓷之间的润湿性有一定作用。但是所加的量最大值在0.8at%，所起的作用是有限的；2. 对Al2O3陶瓷表面进行活化金属处理。K.Lemster等公开了一种对多孔陶瓷体表面金属钛活化处理后进行无压浸渗的方法，解决了Fe合金熔液浸渗多孔陶瓷体润湿性的问题，但成本高，工艺复杂，并且界面结合依赖镀层的质量，金属与陶瓷之间有明显的裂纹。以上方法并没有在实质上解决界面结合问题 ，限制了三维连续网络结构陶瓷/金属复合材料在生产中的应用。

发明内容

为了解决上述问题，本发明采用有机泡沫挂浆法，逐层涂覆不同金属的

陶瓷浆料，制备含梯度金属的三维网络陶瓷体，后期制备陶瓷/金属基复合材料，形成机械啮合与金属元素互扩散的冶金结合，可提高复合材料的界面结合强度。

    为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

    本发明是一种制备含梯度金属三维网络陶瓷的方法，方法包括含梯度金属陶瓷前驱体的制备和陶瓷前驱体的烧制，含梯度金属陶瓷前驱体的制备包括有机泡沫选材、陶瓷浆料的制备、有机泡沫浸渍法制备前驱体、陶瓷前驱体的烧结。

优选的：含梯度金属陶瓷前驱体制备工艺包括为选择有机泡沫、不同金属含量陶瓷浆料的制备、有机泡沫浸渍法制备含梯度金属多孔网络陶瓷前驱体、陶瓷前驱体的烧结。

优选的：陶瓷浆料的制备方法为将有机泡沫浸渍陶瓷浆料，有机泡沫为不同孔径规格的聚氨酯有机泡沫，陶瓷为选择商用氧化铝、碳化硅或碳化钛陶瓷粉体，粘结剂为PVA制剂，聚丙烯酸铵作分散剂，羧甲基纤维素CMC作浆料悬浮剂，无水乙醇作消泡剂，聚丙烯酰胺作絮凝剂，去离子水为稀释剂。

优选的：陶瓷浆料的制备中在各个含梯度层中金属质量分数含量分别为0wt%、10-15wt%、20-25wt%和30-40wt%，金属粉≤40μm。

优选的：陶瓷浆料中的金属粉为镍粉、铁粉、钛粉、铜粉、铝粉或其合金粉。

优选的：陶瓷前驱体的烧结采用真空烧结、阶段升温制度，200℃-400℃范围内升温速率1℃/min，400℃保温20-60min，保证聚氨酯泡沫在分解过程中不导致坯体的破坏；；400℃-1200℃升温速率10-15℃/ min，1200-1500℃升温速率5-8℃/ min，至1500℃保温1-2h后，烧结成结构稳定的陶瓷骨架。

优选的：含梯度金属三维网络陶瓷制备包括如步骤下：

步骤一：混粉

将所选的用于制备含梯度金属陶瓷前驱体的金属粉与陶瓷粉机械混合，制备不同金属含量的混合粉体，其中，按质量分数计，金属粉含量为0wt%、10-15wt%、20-25wt%和30-40wt%；

步骤二：球磨

经步骤一机械混合后的混合粉在氧化铝质磨罐、磨球的高能球磨机中球磨4h以上；然后依次加入粘结剂、分散剂、悬浮剂、消泡剂、稀释剂，继续球磨4-8h，获得不同金属含量的陶瓷浆料，原材料为金属粉≤40μm，以降低金属的沉降速度；氧化铝、碳化硅或碳化钛陶瓷粉体，PVA制剂或硅溶胶作为粘结剂，聚丙烯酸铵作分散剂，羧甲基纤维素作浆料悬浮剂，无水乙醇作消泡剂，聚丙烯酰胺作絮凝剂，去离子水为稀释剂；

步骤三：前驱体制备

将剪裁好的有机泡沫，浸入步骤二球磨法得到的不同金属含量的陶瓷浆料，按照含金属量从少到多的顺序依次进行2-3挂浆，去除多余浆料后，进行常温阴干后在放入干燥炉中加热干燥，炉温控制在80℃以下，可防止开裂；

步骤四：陶瓷体烧结

陶瓷前驱体的烧结采用真空烧结、阶段升温制度，200℃-400℃范围内升温速率1℃/min，400℃保温10-30min，保证聚氨酯泡沫缓慢气化；400℃-1200℃升温速率10-15℃/ min，1200-1480℃以上，升温速率5-8℃/ min，至1500℃保温1-2h后，烧结成结构稳定的陶瓷骨架。

优选的：有机泡沫为聚氨酯泡沫。

本发明的有益效果是：三维网络陶瓷骨架金属含量由外到内逐渐降低，有助于保持陶瓷的基本特性。采用涂覆、掺杂等方式对网络陶瓷结构进行设计，既有利于保持陶瓷结构体的基本物理特性，又能保证金属颗粒与陶瓷之间紧密结合，使二者在物理和力学匹配方面一致；采用有机泡沫浸渍法制备含梯度金属的多孔陶瓷，技术成熟、易于控制，可实现工业化生产；该多孔陶瓷可应用于制备三维网络增强金属基复合材料，根据金属基体的种类不同，调整陶瓷中的金属粉体种类，灵活多变，使金属基体与陶瓷之间形成扩撒结合，解决陶瓷与金属复合材料界面结合强度低、物理化学性能在界面处突变的不利影响。

附图说明

图1 为含金属多孔网络陶瓷制备流程图；

图2 为金属含20wt%网络陶瓷的示意图。

图3为金属含20wt%网络陶瓷截面电镜图。

具体实施方式

    为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

    如图1-3所示，本发明是一种制备含梯度金属三维网络陶瓷的方法，所述方法包括含梯度金属陶瓷前驱体的制备和陶瓷前驱体的烧制，所述含梯度金属陶瓷前驱体的制备包括有机泡沫选材、陶瓷浆料的制备、有机泡沫浸渍法制备前驱体、陶瓷前驱体的烧结。

所述含梯度金属陶瓷前驱体制备工艺包括为选择有机泡沫、不同金属含量陶瓷浆料的制备、有机泡沫浸渍法制备含梯度金属多孔网络陶瓷前驱体、陶瓷前驱体的烧结，所述陶瓷浆料的制备方法为将有机泡沫浸渍陶瓷浆料，有机泡沫为不同孔径规格的聚氨酯有机泡沫，所述有机泡沫为聚氨酯泡沫，泡沫形状及孔径规格可按实际应用进行选择；陶瓷为选择商用氧化铝、碳化硅或碳化钛陶瓷粉体，粘结剂为PVA制剂，聚丙烯酸铵作分散剂，羧甲基纤维素CMC作浆料悬浮剂，无水乙醇作消泡剂，聚丙烯酰胺作絮凝剂，去离子水为稀释剂，所述的含金属陶瓷浆料的磨制中，羧甲基纤维素CMC应随着含金属量增加而相应提高，降低金属颗粒的沉降速度，可实现含金属梯度过渡，所述陶瓷浆料的制备中在各个含梯度层中金属质量分数含量分别为0wt%、10-15wt%、20-25wt%和30-40wt%，金属粉≤40μm，陶瓷浆料中的金属粉为镍粉、铁粉、钛粉、铜粉、铝粉或其合金粉，陶瓷前驱体的烧结采用真空烧结、阶段升温制度，200℃-400℃范围内升温速率1℃/min，400℃保温20-60min，保证聚氨酯泡沫在分解过程中不导致坯体的破坏；；400℃-1200℃升温速率10-15℃/ min，1200-1500℃升温速率5-8℃/ min，至1500℃保温1-2h后，烧结成结构稳定的陶瓷骨架。

一种制备含梯度金属三维网络陶瓷的方法，所述制备包括如步骤下：

步骤一：混粉

将所选的用于制备含梯度金属陶瓷前驱体的金属粉与陶瓷粉机械混合，制备不同金属含量的混合粉体，其中，按质量分数计，金属粉含量为0wt%、10-15wt%、20-25wt%和30-40wt%；

步骤二：球磨

经步骤一机械混合后的混合粉在氧化铝质磨罐、磨球的高能球磨机中球磨4h以上；然后依次加入粘结剂、分散剂、悬浮剂、消泡剂、稀释剂，继续球磨4-8h，获得不同金属含量的陶瓷浆料，所述原材料为金属粉≤40μm，以降低金属的沉降速度；氧化铝、碳化硅或碳化钛陶瓷粉体，PVA制剂或硅溶胶作为粘结剂，聚丙烯酸铵作分散剂，羧甲基纤维素作浆料悬浮剂，无水乙醇作消泡剂，聚丙烯酰胺作絮凝剂，去离子水为稀释剂；

步骤三：前驱体制备

将剪裁好的有机泡沫，浸入步骤二球磨法得到的不同金属含量的陶瓷浆料，按照含金属量从少到多的顺序依次进行2-3挂浆，去除多余浆料后，进行常温阴干后在放入干燥炉中加热干燥，炉温控制在80℃以下，可防止开裂；

步骤四：陶瓷体烧结

所述陶瓷前驱体的烧结采用真空烧结、阶段升温制度，200℃-400℃范围内升温速率1℃/min，400℃保温10-30min，保证聚氨酯泡沫缓慢气化；400℃-1200℃升温速率10-15℃/ min，1200-1480℃以上，升温速率5-8℃/ min，至1500℃保温1-2h后，烧结成结构稳定的陶瓷骨架。

实施例一

下面以制备含镍20wt%多孔陶瓷过程，对本发明作详细描述：

选用中国铝业有限公司提供的造粒95瓷Al2O3陶瓷粉，粒径在0.1～0.5mm范围内，主要组成：2.5wt%SiO₂、2.0 wt % CaO、0.5 wt %MgO，Al₂O₃余量，镍粉，镍粉的纯度为99.96%，平均粒径为40μm，各种添加剂用量见表1：

表1 陶瓷骨料以及添加剂

具体步骤及其工艺条件如下，流程图见图1：

 步骤一：混粉

将所选金属粉与商用陶瓷粉机械混合，制备不同金属含量的混合粉体，其中，按质量分数计，金属粉含量为20wt%；

步骤二：球磨

经步骤一机械混合后的混合粉在氧化铝质磨罐、磨球的高能球磨机中球磨4h；然后依次加入粘结剂、分散剂、悬浮剂、消泡剂、稀释剂等，继续球磨4h，获得金属含量为20wt%的陶瓷浆料；

步骤三：前驱体制备

将按照尺寸剪裁好的有机泡沫，浸入步骤二球磨法得到的金属含量20wt%的陶瓷浆料进行挂浆。去除多余浆料后，进行常温阴干48h后在放入干燥炉中加热干燥，炉温控制在80℃；

步骤四：陶瓷体烧结

所述的陶瓷前驱体的烧结采用真空烧结、阶段升温制度，200℃-400℃范围内升温速率1℃/min，400℃保温10-30min，保证聚氨酯泡沫缓慢气化；400℃-1200℃升温速率10-15℃/ min，1200-1480℃升温速率5-8℃/ min，至1480℃保温1h后，烧结成结构稳定的陶瓷骨架，所获得的陶瓷结构见图2。

Claims (8)

1.一种制备含梯度金属三维网络陶瓷的方法，其特征在于：所述方法包括含梯度金属陶瓷前驱体的制备和陶瓷前驱体的烧制，所述含梯度金属陶瓷前驱体的制备包括有机泡沫选材、陶瓷浆料的制备、有机泡沫浸渍法制备前驱体、陶瓷前驱体的烧结。

2.根据权利要求1所述一种制备含梯度金属三维网络陶瓷的方法，其特征在于：所述含梯度金属陶瓷前驱体制备工艺包括为选择有机泡沫、不同金属含量陶瓷浆料的制备、有机泡沫浸渍法制备含梯度金属多孔网络陶瓷前驱体、陶瓷前驱体的烧结。

3.根据权利要求1所述一种制备含梯度金属三维网络陶瓷的方法，其特征在于：所述陶瓷浆料的制备方法为将有机泡沫浸渍陶瓷浆料，有机泡沫为不同孔径规格的聚氨酯有机泡沫，陶瓷为选择商用氧化铝、碳化硅或碳化钛陶瓷粉体，粘结剂为PVA制剂，聚丙烯酸铵作分散剂，羧甲基纤维素CMC作浆料悬浮剂，无水乙醇作消泡剂，聚丙烯酰胺作絮凝剂，去离子水为稀释剂。

4.根据权利要求1所述一种制备含梯度金属三维网络陶瓷的方法，其特征在于：所述陶瓷浆料的制备中在各个含梯度层中金属质量分数含量分别为0wt%、10-15wt%、20-25wt%和30-40wt%，金属粉≤40μm。

5.根据权利要求3所述一种制备含梯度金属三维网络陶瓷的方法，其特征在于：陶瓷浆料中的金属粉为镍粉、铁粉、钛粉、铜粉、铝粉或其合金粉。

6.根据权利要求1所述一种制备含梯度金属三维网络陶瓷的方法，其特征在于：陶瓷前驱体的烧结采用真空烧结、阶段升温制度，200℃-400℃范围内升温速率1℃/min，400℃保温20-60min，保证聚氨酯泡沫在分解过程中不导致坯体的破坏；；400℃-1200℃升温速率10-15℃/ min，1200-1500℃升温速率5-8℃/ min，至1500℃保温1-2h后，烧结成结构稳定的陶瓷骨架。

7.根据权利要求1所述一种制备含梯度金属三维网络陶瓷的方法，其特征在于：所述制备包括如步骤下：

步骤一：混粉

将所选的用于制备含梯度金属陶瓷前驱体的金属粉与陶瓷粉机械混合，制备不同金属含量的混合粉体，其中，按质量分数计，金属粉含量为0wt%、10-15wt%、20-25wt%和30-40wt%；

步骤二：球磨

经步骤一机械混合后的混合粉在氧化铝质磨罐、磨球的高能球磨机中球磨4h以上；然后依次加入粘结剂、分散剂、悬浮剂、消泡剂、稀释剂，继续球磨4-8h，获得不同金属含量的陶瓷浆料，所述原材料为金属粉≤40μm，以降低金属的沉降速度；氧化铝、碳化硅或碳化钛陶瓷粉体，PVA制剂或硅溶胶作为粘结剂，聚丙烯酸铵作分散剂，羧甲基纤维素作浆料悬浮剂，无水乙醇作消泡剂，聚丙烯酰胺作絮凝剂，去离子水为稀释剂；

步骤三：前驱体制备

将剪裁好的有机泡沫，浸入步骤二球磨法得到的不同金属含量的陶瓷浆料，按照含金属量从少到多的顺序依次进行2-3挂浆，去除多余浆料后，进行常温阴干后在放入干燥炉中加热干燥，炉温控制在80℃以下，防止开裂；

步骤四：陶瓷体烧结

所述陶瓷前驱体的烧结采用真空烧结、阶段升温制度，200℃-400℃范围内升温速率1℃/min，400℃保温10-30min，保证聚氨酯泡沫缓慢气化；400℃-1200℃升温速率10-15℃/ min，1200-1480℃以上，升温速率5-8℃/ min，至1500℃保温1-2h后，烧结成结构稳定的陶瓷骨架。

8.根据权利要求6所述一种制备含梯度金属三维网络陶瓷的方法，其特征在于：所述有机泡沫为聚氨酯泡沫。