CN104387036A - 一种陶瓷坯体的新型连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种陶瓷坯体的新型连接方法，包括以下步骤：将含有第一陶瓷粉体、第一水溶性顺丁烯类聚合物和水的第一陶瓷浆料浇注于模具中进行原位固化和陈化制得形成为陶瓷凝胶的第一陶瓷坯体；将含有第二陶瓷粉体、第二水溶性顺丁烯类聚合物和水的第二陶瓷浆料浇注于模具中进行原位固化和陈化制得形成为陶瓷凝胶的第二陶瓷坯体；将制得的第一陶瓷坯体和第二陶瓷坯体的连接面经表面平整度处理后直接对接即可将所述第一陶瓷坯体和所述第二陶瓷坯体相连接。本发明在不借助任何粘结剂的情况下，只需利用陶瓷凝胶中水溶性顺丁烯类有机分子的键合作用，即可对陶瓷凝胶进行连接。

Description

一种陶瓷坯体的新型连接方法

技术领域

本发明涉及一种陶瓷坯体的新型连接方法，属于陶瓷-陶瓷连接领域。具体说，是涉及水溶性顺丁烯凝胶体系所制备的陶瓷凝胶，由于有机分子链官能团之间的键合作用，使其在陈化过程中展现出天然的塑性和粘黏性，可直接进行凝胶的连接操作。本发明无需在连接处添加任何粘结剂或施加压力，具有连接处显微结构均匀，烧结后连接体的强度高，工艺简单有效，操作简单等优点。尤其适用于连接制备复杂或大尺寸的陶瓷材料。

背景技术

陶瓷的连接技术是工程陶瓷实用化的有效手段，它一方面可以降低复杂或大尺寸部件的成型难度，另一方面又大幅度地降低后续加工难度，大大拓展了陶瓷部件的应用前景。因此，陶瓷材料的连接技术成为了陶瓷工艺研究的热点之一。当前陶瓷材料的连接技术分为两类：(一)烧结体之间的连接。其常用的方法有活性金属焊接法、扩散连接法、燃烧反应法、微波烧结法等。这些连接方法所得到连接体的强度较高，但在连接处也有较多的裂纹和较高的气孔率，残余应力也相对较大。同时，这种连接工艺的复杂性以及成本也制约了它们的运用。(二)素坯之间的连接。在传统陶瓷工艺中，利用粘土的塑性可以连接素坯，例如茶杯的手柄和杯体的连接。但是，先进陶瓷材料都显脊性，不能像粘土素坯那样直接连接，目前比较普遍的工艺是借助均匀稳定的陶瓷浆料作为粘结剂将坯体连接在一起，最后再烧结。例如，通过这种技术Wang Liwu(Mater.Lett.,2002,54:73-77)成功实现了氧化铝素坯之间的连接。相对于烧结体之间的连接技术，素坯之间的连接技术显著提高了连接处的强度和可靠性，且成本低，工艺简便。但是，利用陶瓷浆料作为粘结剂的连接技术对浆料的依赖性高，浆料不仅需要有优良的浸润性，还需要有一定的粘结能力。而且，由于毛细管力的作用，浆料中的水分会浸入所连接的素坯内，导致连接处形成一层颗粒堆积更紧密的中间层，即在两个连接面之间形成一层致密的中间层，影响了连接体显微结构的均匀性。

发明内容

针对现有技术所存在的上述问题，本发明的目的是提供一种更加有效的坯体连接方法。本发明人发现水溶性顺丁烯类凝胶体系(中国专利CN 103130509 A)所制备的陶瓷凝胶，由于有机分子官能团之间的键合作用，在原位固化后不仅具有塑性，还具有一定的粘黏性，有望借助陶瓷凝胶自身的粘黏性来进行连接。如果利用水溶性顺丁烯凝胶体系所制备的陶瓷凝胶直接进行连接，则不需要借助浆料作为粘结剂。而且由于是两个连接面的直接连接，不存在中间层，从而保证了连接处显微结构的均匀性，保障了连接体的性能的一致性。

在此，本发明提供一种陶瓷坯体的连接方法，包括以下步骤：

(1)将含有第一陶瓷粉体、第一水溶性顺丁烯类聚合物和水的第一陶瓷浆料浇注于模具中进行原位固化和陈化制得形成为陶瓷凝胶的第一陶瓷坯体；

(2)将含有第二陶瓷粉体、第二水溶性顺丁烯类聚合物和水的第二陶瓷浆料浇注于模具中进行原位固化和陈化制得形成为陶瓷凝胶的第二陶瓷坯体；

(3)将制得的第一陶瓷坯体和第二陶瓷坯体的连接面经表面平整度处理后直接对接即可将所述第一陶瓷坯体和所述第二陶瓷坯体相连接。

本发明中，吸附在陶瓷颗粒表面的顺丁烯类聚合物水解后含有羧酸根基团(-COO^-)、胺根基团(-NH₂)和铵根离子(-NH₄ ⁺)等官能团，通过不同分子间官能团的化学键合作用(例如氢键)，陶瓷浆料自发凝胶固化。水溶性顺丁烯类凝胶体系的固化反应相对缓慢，陶瓷凝胶的弹性模量也是逐渐增加，所以在接下来的陈化过程中陶瓷凝胶展现出了一定的塑性。而且依靠陈化阶段陶瓷凝胶的有机物具有的反应活性，陶瓷凝胶还展现出独特的粘黏性。这样，陶瓷凝胶直接进行连接所需的塑性和粘黏性都能得到满足。因此，本发明在不借助任何粘结剂的情况下，只需利用陶瓷凝胶中水溶性顺丁烯类有机分子的键合作用，即可对陶瓷凝胶进行连接。从而摆脱了坯体连接技术对浆料粘结剂的依赖，且避免了连接处的中间层和母材的显微结构差异。因此，本发明还可以显著改善连接体的显微结构均匀性，从而提升连接体的力学性能。

此外，本发明工艺简单有效，无苛刻操作条件和设备要求，且适用于多种氧化物、非氧化、复合陶瓷的连接。同时，本发明提供了一种新的坯体连接的思路，即利用陶瓷凝胶陈化过程中的化学活性，通过有机分子的键合作用来促进相互连接。除了水溶性顺丁烯类凝胶体系，还适用于通过分子间氢键或其它化学键形成陶瓷凝胶的体系，例如天然高分子凝胶体系等。

较佳地，在所述第一陶瓷浆料中，第一水溶性顺丁烯类聚合物与水的质量比为0.005:1～0.05:1，第一陶瓷粉体的体积分数为50～58％；在所述第二陶瓷浆料中，第二水溶性顺丁烯类聚合物与水的质量比为0.005:1～0.05:1；第二陶瓷粉体的体积分数为50～58％。

较佳地，所述第一水溶性顺丁烯类聚合物和/或所述第二水溶性顺丁烯类聚合物是聚[(异丁烯-alt-马来酸，铵盐)-co-(异丁烯-alt-马来酸酐)]中的任意一种型号或相互组合。

较佳地，所述第一陶瓷粉体和/或所述第二陶瓷粉体为氧化铝、氧化锆、氮化铝、氧氮化铝、氧化钇、氮化硅、和碳化硅粉体中的至少一种。

较佳地，在步骤(1)和/或步骤(2)中，原位固化和陈化的温度范围在30～80℃之间，时间为1～80小时。随着陈化时间的延长，弹性模量增加，陶瓷凝胶的反应活性逐渐降低，其粘黏性也逐渐降低，需控制陈化时间，保证陶瓷凝胶具有足够强度和粘黏性，从而满足连接的需要。

较佳地，所述表面平整度处理为机械切割、超声清洗或打磨。

较佳地，第一陶瓷坯体和第二陶瓷坯体的连接方式为横向的立体连接或纵向的层状叠加。

较佳地，所述连接方法还包括将相连接的第一陶瓷坯体和第二陶瓷坯进行干燥和烧结。

较佳地，所述干燥控制在温度范围30℃～80℃，湿度范围20％～80％烘干。

附图说明

图1是本发明实施例1所进行的氧化铝陶瓷凝胶连接实验；

图2是本发明实施例1氧化铝陶瓷凝胶在20小时陈化后相互连接，经1600℃烧结2小时后连接处的表面显微结构；

图3是本发明实施例1所得的陈化不同时间的陶瓷凝胶连接后，在1600℃烧结下的抗弯强度。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

本发明提供了一种利用陶瓷凝胶的粘黏性来直接进行坯体连接的技术。即，通过水溶性顺丁烯凝胶体系所制备的陶瓷凝胶有机分子链之间的键合作用，在陈化过程中展现出一定的塑性和粘黏性，可进行凝胶之间的连接操作。

在本发明的一个实施方式中，可以包含以下步骤：步骤一，以水为溶剂，加入水溶性顺丁烯类聚合物和陶瓷粉体制备陶瓷浆料，将陶瓷浆料除气后注入成型模具中，密封好后在特定温度下进行原位固化以及陈化；步骤二，陈化的陶瓷凝胶脱模后，将连接面进行平整度处理，然后直接进行连接；步骤三，对连接后的陶瓷凝胶在一定环境下干燥，最后预烧和烧结。

更具体地，作为示例，本发明可以包括以下步骤：

(1)陶瓷凝胶的制备：以水为溶剂，加入水溶性顺丁烯类聚合物和陶瓷粉体，其中：水溶性顺丁烯类聚合物与水的质量比可为0.005:1～0.05:1；陶瓷粉体的的固相含量可在50～58vol％之间。将制备的陶瓷浆料注入成型模具中，密封好后在30℃～80℃进行原位固化和陈化；

(2)陈化的陶瓷凝胶脱模后，进行连接面平整度的处理，然后将两块陶瓷凝胶直接对接起来即可实现连接。陶瓷凝胶中有机分子链官能团之间具有键合作用，在陈化过程中具有反应活性，使陶瓷凝胶展现出天然的塑性和粘黏性。两个连接面依靠有机分子的作用连接成整体，连接处不需添加任何粘结剂或施加压力。

本发明所述的水溶性顺丁烯类聚合物优选为长短链结合的聚[(异丁烯-alt-马来酸，铵盐)-co-(异丁烯-alt-马来酸酐)]，分子量在5500～65000之间不等，它们在水中易溶解，既能提高浆料的分散性，又能够满足原位凝胶固化的要求。而对于其他常用的凝胶体系，例如水溶性环氧树脂凝胶体系，由于原位固化反应为加成聚合反应，有机物发生链式反应，在很短的时间就由浆料向陶瓷素坯转变，弹性模量也急剧上升，所以不能展现出陶瓷凝胶连接所需要的塑性和粘黏性。

陶瓷粉体包括但不限于氧化铝、氧化锆、氮化铝、氧氮化铝、氧化钇、氮化硅和碳化硅粉体中的至少一种。应理解，相连接的各陶瓷坯体中的陶瓷粉体可以相同，也可以不同，即，本发明中，可以连接同种材料的陶瓷凝胶，也可以连接不同种类的陶瓷凝胶。在一个示例中，相连接的陶瓷坯体中一个为氧化铝陶瓷凝胶，另一个为碳化硅陶瓷凝胶。

优选地，陶瓷浆料的制备可以是先将水溶性顺丁烯类聚合物加入水溶液中，搅拌静置一定时间(例如10分钟)后再加入陶瓷粉料，然后球磨混合成陶瓷浆料。

原位固化和陈化可为1～80小时，优选为10～20小时。随着陈化时间的延长，弹性模量增加，陶瓷凝胶的反应活性逐渐降低，其粘黏性也逐渐降低，需控制陈化时间，保证陶瓷凝胶具有足够强度和粘黏性，从而满足连接的需要。

模具可选用塑料、玻璃、橡胶、金属或木质拼装模具。

陶瓷凝胶的连接在陈化后进行，首先对接触面进行表面平整度的处理，然后将两个凝胶的连接面直接对接起来(例如参照图1)。通过连接面有机分子的键合作用实现陶瓷凝胶的连接。对陶瓷凝胶连接面的平整度处理可为机械切割、超声清洗和/或打磨。陶瓷凝胶的连接，是直接利用手工或者机械将陶瓷凝胶的连接面接触在一起即可，且不添加其他粘结剂或施加压力，更不需要高温共烧。连接的方式包括横向的立体连接、纵向的层状叠加等。

此外，为了制备最终的陶瓷材料，还可以进行以下步骤：(3)将连接后的陶瓷凝胶在一定条件下进行干燥，随后进行预烧和烧结。其中，干燥可控制在温度范围30℃～80℃，湿度范围20％～80％烘干。烧结温度可由陶瓷粉体的种类和特性所决定。

图2示出本发明一个示例中氧化铝陶瓷凝胶在20小时陈化后相互连接，经1600℃烧结2小时后连接处的表面显微结构。由图2可知，在相互连接经烧结后的材料和整体成型的材料具有同样均匀的显微结构。图3示出本发明一个示例中所得的陈化不同时间的陶瓷凝胶连接后，在1600℃烧结下的抗弯强度。由图3可知，在相互连接经烧结后的材料的抗弯强度可达近470MPa，和整体成型的材料(平均抗弯强度为470.6MPa)具有同样的力学性能。

本发明主要有如下优点：

(1)在不借助任何粘结剂的情况下，只需利用陶瓷凝胶中水溶性顺丁烯类有机分子的键合作用，即可对陶瓷凝胶进行连接。从而摆脱了坯体连接技术对浆料粘结剂的依赖，且避免了连接处的中间层和母材的显微结构差异；

(2)本发明显著改善连接体的显微结构均匀性，从而提升连接体的力学性能。此外，本发明工艺简单有效，无苛刻操作条件和设备要求，且适用于多种氧化物、非氧化、复合陶瓷的连接。同时，本发明提供了一种新的坯体连接的思路，即利用陶瓷凝胶陈化过程中的化学活性，通过有机分子的键合作用来促进相互连接。除了水溶性顺丁烯类凝胶体系，还适用于通过分子间氢键或其它化学键形成陶瓷凝胶的体系，例如天然高分子凝胶体系等。

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

实施例1：氧化铝陶瓷凝胶的连接方法

所用的氧化铝陶瓷粉体由日本住友化学公司提供，平均粒径约为0.45μm。向50g去离子水中加入0.6g长短链结合的顺丁烯类聚合物，混合水溶10min后，再加入200g氧化铝陶瓷粉，用行星球磨机混合球磨30min，混合均匀后，对陶瓷浆料进行真空除气。除气后浆料注入塑料模具，用PVC膜密封好放入50℃恒温箱中进行原位固化以及陈化。陈化1～80小时后取出脱模，在连接面进行机械切割，以保证表面的洁净度和平整度，然后如图1所示直接将氧化铝陶瓷凝胶相互对接在一起。连接后的陶瓷凝胶放入恒温恒湿箱干燥，干燥控制在温度30℃，湿度60％条件下烘干。烘干后的氧化铝连接体在1600℃烧结2小时。如图2和图3所示，陈化20小时以内的氧化铝陶瓷凝胶，在相互连接经烧结后和整体成型的材料具有同样均匀的显微结构和力学性能(整体成型的材料平均抗弯强度为470.6MPa)。

实施例2：氧化锆连接体的制备方法

向50g去离子水中加入1.08g长短链结合的顺丁烯类聚合物和360g氧化锆陶瓷粉，用行星球磨机混合30min。混合均匀后，对陶瓷浆料进行真空除气，然后注入塑料模具，用PVC膜密封好放入50℃恒温箱中进行原位固化以及陈化。陈化1～80小时后取出脱模，在连接面进行机械切割，以保证表面的洁净度和平整度。直接将氧化锆陶瓷凝胶相互对接，连接后的陶瓷凝胶放入恒温恒湿箱干燥，干燥控制在温度30℃，湿度75％的条件，烘干即可得到氧化锆连接体。

实施例3：碳化硅连接体的制备方法

向50g去离子水中加入0.48g长短链结合的顺丁烯类聚合物和160g碳化硅陶瓷粉，用行星球磨机混合30min。混合均匀后，对陶瓷浆料进行真空除气，然后注入塑料模具，用PVC膜密封好放入50℃恒温箱中进行原位固化以及陈化。陈化1～80小时后取出脱模，在对接面进行机械切割，以保证表面的洁净度和平整度。直接将碳化硅陶瓷凝胶相互对接，连接后的陶瓷凝胶放入恒温恒湿箱干燥，干燥控制在温度30℃，湿度75％的条件，烘干即可得到碳化硅连接体。

实施例4：氮化硅连接体的制备方法

向50g去离子水中加入0.56g长短链结合的顺丁烯类聚合物和172g氮化硅陶瓷粉，用行星球磨机混合30min。混合均匀后，对陶瓷浆料进行真空除气，然后注入塑料模具，用PVC膜密封好放入50℃恒温箱中进行原位固化以及陈化。陈化1～80小时后取出脱模，在对接面进行机械切割，以保证表面的洁净度和平整度。直接将氮化硅陶瓷凝胶相互对接，连接后的陶瓷凝胶放入恒温恒湿箱干燥，干燥控制在温度30℃，湿度75％的条件，烘干即可得到氮化硅连接体。

实施例5：氧化铝和碳化硅连接体的制备方法

依照实施例1和实施例3的步骤分别制备出氧化铝和碳化硅凝胶。用PVC膜密封好放入50℃恒温箱中进行原位固化以及陈化。陈化20小时后取出脱模，在连接面进行机械切割，以保证表面的洁净度和平整度，然后将氧化铝和碳化硅陶瓷凝胶纵向层状对接，连接后的陶瓷凝胶放入恒温恒湿箱干燥，干燥控制在温度30℃，湿度75％的条件，烘干即可得到氧化铝和碳化硅的连接体。

产业应用性：本发明提供一种利用陶瓷凝胶自身的塑性和粘黏性来进行的陶瓷连接技术，无需在连接处添加任何粘结剂或施加压力，具有连接处显微结构均匀，连接体烧结后强度高、工艺简单等优点，尤其适用于连接制备复杂或大尺寸的陶瓷材料。

Claims (9)

1.一种陶瓷坯体的连接方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将含有第一陶瓷粉体、第一水溶性顺丁烯类聚合物和水的第一陶瓷浆料浇注于模具中进行原位固化和陈化制得形成为陶瓷凝胶的第一陶瓷坯体；

（2）将含有第二陶瓷粉体、第二水溶性顺丁烯类聚合物和水的第二陶瓷浆料浇注于模具中进行原位固化和陈化制得形成为陶瓷凝胶的第二陶瓷坯体；

（3）将制得的第一陶瓷坯体和第二陶瓷坯体的连接面经表面平整度处理后直接对接即可将所述第一陶瓷坯体和所述第二陶瓷坯体相连接。

2.根据权利要求1所述的陶瓷坯体的连接方法，其特征在于，

在所述第一陶瓷浆料中，第一水溶性顺丁烯类聚合物与水的质量比为0.005:1～0.05:1，第一陶瓷粉体的体积分数为50～58%；

在所述第二陶瓷浆料中，第二水溶性顺丁烯类聚合物与水的质量比为0.005:1～0.05:1；第二陶瓷粉体的体积分数为50～58%。

3.根据权利要求1或2所述的陶瓷坯体的连接方法，其特征在于，所述第一水溶性顺丁烯类聚合物和/或所述第二水溶性顺丁烯类聚合物是聚[（异丁烯-alt-马来酸，铵盐）-co-（异丁烯-alt-马来酸酐）]中的任意一种型号或相互组合。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的陶瓷坯体的连接方法，其特征在于，所述第一陶瓷粉体和/或所述第二陶瓷粉体为氧化铝、氧化锆、氮化铝、氧氮化铝、氧化钇、氮化硅、和碳化硅粉体中的至少一种。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的陶瓷坯体的连接方法，其特征在于，在步骤（1）和/或步骤（2）中，原位固化和陈化的温度范围在30～80℃之间，时间为1～80小时。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的陶瓷坯体的连接方法，其特征在于，所述表面平整度处理为机械切割、超声清洗和/或打磨。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的陶瓷坯体的连接方法，其特征在于，第一陶瓷坯体和第二陶瓷坯体的连接方式为横向的立体连接或纵向的层状叠加。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的陶瓷坯体的连接方法，其特征在于，还包括将相连接的第一陶瓷坯体和第二陶瓷坯进行干燥和烧结。

9.根据权利要求8所述的陶瓷坯体的连接方法，其特征在于，所述干燥控制在温度范围30℃～80℃，湿度范围20%～80%烘干。