CN106738210A - 一种模具及利用该模具制造gos闪烁陶瓷的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种模具及利用该模具制造GOS闪烁陶瓷的方法。该模具包括：阴模外筒，所述阴模外筒的内部具有一空腔；多个阴模垫块，设置于所述空腔之内，所述多个阴模垫块合拢形成具有一垂直通孔的组合结构；以及阳模上压头和阳模下压头，所述阳模上压头和所述阳模下压头的形状与所述垂直通孔的形状一致。本发明的模具采用分体式设计，对于所需不同形状的GOS闪烁陶瓷，只需更换特定形状的阴模垫块与阳模压头，模具损耗与失效发生在阴模垫块与阳模压头处，对于失效的模具只需更换上述两种部件即可而无需更换整个模具，从而避免已有热压烧结技术的模具报废周期短以及材料浪费的缺点，显著降低GOS闪烁陶瓷的生产成本，工艺经济性显著提升。

Description

一种模具及利用该模具制造GOS闪烁陶瓷的方法
技术领域
本发明涉及闪烁陶瓷制造领域，特别涉及一种热压模具及利用该模具制造GOS闪烁陶瓷的方法。
背景技术
稀土离子掺杂的GOS(化学式Gd2O2S)闪烁陶瓷相对于传统CsI、CdWO4等闪烁单晶同时兼具密度高、光产额高、化学性质稳定，制备工艺相对简单、加工时无解理等优点，成为X射线CT、高速X射线扫描仪物品安检仪等辐射检查仪器探测器理想的、综合性能最为优异的闪烁体材料。掺杂Pr、Ce离子的GOS闪烁陶瓷具有极低的余辉，成为CT辐射探测器的理想闪烁体。
目前GOS闪烁陶瓷多采用单轴加压烧结的方式制造。通常是将GOS配制好的粉料装入具有上下压头的直筒模具进行热压烧结。美国专利US patent 5296163、US 8025817中国专利CN 105439561A报道了采用单轴热压方法，中国专利CN 105330289A报道了采用单轴放电等离子方法制备GOS闪烁陶瓷的方法。公知用于制造GOS闪烁陶瓷的单轴加压烧结模具的结构如图1所示，模具由阴模外筒101和阳模压头102组成，阴模外筒101为具有中心通孔的柱形，阳模压头102包括上压头和下压头且均与阴模外筒101的中心通孔相配合，通过热压压力的驱动在轴向相对运动来挤压GOS陶瓷粉末，从而形成闪烁体。
由于所需的轴向压力与温度较高，这种单轴加压烧结模具对模具材料的要求非常高，因此一般模具采用圆形腔以使得粉末在热压烧结时对模具的挤压压力均匀分散，避免应力集中造成模具的损伤，进而实现模具的重复利用。但是由于粉料在高温高压的条件下处于半流动的状态，烧结完成的陶瓷块紧密的挤压在阴模外筒101的内壁上，并且GOS陶瓷具有较高的硬度，因此在脱模时会对阴模外筒101的内壁造成一定的损伤，经过几次重复使用后阴模外筒101的内径逐渐变大，阴模外筒101与阳模压头102的配合间隙越来越大，致使模具失效。
此外，由于GOS闪烁陶瓷在应用时一般需切割成为长方形条状结构，因此为了便于切割加工，如图2所示，通常需要将圆形GOS片200切割出供有效使用的方形部分201，其四周的弓形部分202将会无法用于闪烁体切割加工，造成材料的浪费。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术不足，解决现有单轴加压烧结模具的报废周期短及材料浪费的缺陷，提供一种可直接制造出特定形状GOS闪烁陶瓷的模具及利用该模具制造GOS闪烁陶瓷的方法。
一方面，本发明提供一种用于GOS闪烁陶瓷加工的模具，包括：
阴模外筒，所述阴模外筒的内部具有一空腔；
多个阴模垫块，设置于所述空腔之内，所述多个阴模垫块合拢形成具有一垂直通孔的组合结构；以及
阳模上压头和阳模下压头，所述阳模上压头和所述阳模下压头的形状与所述垂直通孔的形状一致。
在本发明的模具的一个实施方式中，所述组合结构的外壁与所述阴模外筒的内壁贴合。
在本发明的模具的另一个实施方式中，所述阴模外筒的内壁为垂直内壁或锥形内壁。
在本发明的模具的另一个实施方式中，所述组合结构的形状为一圆柱或一圆台。
在本发明的模具的另一个实施方式中，所述垂直通孔为正方形通孔、三角形通孔或圆形通孔。
在本发明的模具的另一个实施方式中，所述多个阴模垫块具有相同的形状。
另一方面，本发明提供利用上述模具制造GOS闪烁陶瓷的方法，包括以下步骤：
将所述多个阴模垫块合拢置于所述阴模外筒的空腔内；
将所述阳模下压头装入所述垂直通孔中；
将GOS闪烁陶瓷粉料加入所述垂直通孔中，并置于所述阳模下压头之上；
在与所述阳模下压头位置相反的方向，将所述阳模上压头装入所述垂直通孔中；以及
对所述阳模上压头和所述阳模下压头施加压力，使所述GOS闪烁陶瓷粉料受挤压形成GOS闪烁陶瓷。
在本发明的方法的一个实施方式中，还包括在所述GOS闪烁陶瓷粉料与所述阳模上压头和所述阳模下压头的接触面上设置垫片。
在本发明的方法的另一个实施方式中，还包括在所述垂直通孔的内壁上设置垫片。
在本发明的方法的另一个实施方式中，还包括在所述组合结构的外壁与所述阴模外筒的内壁的接触面上涂覆脱模剂。
本发明的模具采用分体式设计，对于所需不同形状的GOS闪烁陶瓷，只需更换特定形状的阴模垫块与阳模压头，模具损耗与失效发生在阴模垫块与阳模压头处，对于失效的模具只需更换上述两种部件即可而无需更换整个模具，从而避免已有热压烧结技术的模具报废周期短以及材料浪费的缺点，显著降低GOS闪烁陶瓷的生产成本，工艺经济性显著提升。
附图说明
图1为现有技术中GOS闪烁陶瓷的单轴加压烧结模具的结构示意图；
图2为现有技术中圆形GOS闪烁陶瓷基体切割形成特定形状的示意图；
图3为根据本发明一个实施方式的模具的轴向剖面示意图；
图4为图3所示模具的俯视示意图；
图5为图3所示模具的分解状态示意图。
其中，附图标记说明如下：
101：阴模外筒
102：阳模压头
200：圆形GOS片
201：方形部分
202：弓形部分
301：外筒
302：阴模垫块
303：阳模上压头
304：阳模下压头
305：闪烁陶瓷粉料
306、307、308：接触面
a：角度
具体实施方式
下面根据具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。本发明的保护范围不限于以下实施例，列举这些实例仅出于示例性目的而不以任何方式限制本发明。
本发明的模具为高强度组合热压模具，图3为根据本发明一个实施方式的模具的轴向剖面示意图，图4为图3所示模具的俯视示意图，图5为图3所示模具的分解状态示意图。如图3-图5所示，本发明的模具包括阴模外筒301，多个阴模垫块302，阳模上压头303和阳模下压头304。
阴模外筒301为具有固定外径与内径的高强度圆柱形结构，其内部具有一空腔以提供挤压烧结的空间，主要作用是提供足够的强度来承受GOS闪烁陶瓷粉体在受上下轴向挤压力而流动传到至径向的分力。
阴模外筒301的内壁为垂直内壁或锥形内壁(具有一定角度的圆锥侧面部分)，即其内部的空腔可为垂直的圆柱形，也可为上下内径不同的具有一定角度的圆台形，该角度的作用是为了便于烧结完成的GOS陶瓷脱模。
阴模垫块302设置于阴模外筒301的空腔之内，多个阴模垫块302可合拢形成具有一垂直通孔的组合结构，该组合结构的外壁与阴模外筒301的内壁贴合，即该组合结构完全填充阴模外筒301的空腔。组合结构的外形为一圆柱或一圆台，与阴模外筒301的空腔的形状保持一致。阴模垫块302的作用是将阴模内部粉料受压产生的对组合结构内壁的挤压力均匀的分散到阴模外筒301上，避免在模具内壁的拐角处产生应力集中而损坏模具。
垂直通孔的截面为中心对称的特定形状，如不同尺寸的正方形、三角形、圆形等，具体需视所要制备的GOS闪烁陶瓷基体的形状而定。阴模垫块302在制造时可由圆柱或圆台形的结构均匀等分而成，具体的等分位置视所需垂直通孔的形状而定，等分线位置选择在特定形状应力集中的尖角初，如正方形的垂直通孔可将阴模垫块302在直角处等分成四块，等边三角形的垂直通孔可将阴模垫块302在尖角处等分成三块，圆形的垂直通孔可将阴模垫块302任意均匀等分。
阳模上压头303和阳模下压头304放置在多个阴模垫块302所形成的垂直通孔之内，其作用是将热压烧结设备液压压力传递给GOS粉料或陶瓷。阳模上压头303和阳模下压头304的为棒状结构，其横截面形状与垂直通孔的形状保持一致。
阳模上压头303和阳模下压头304与多个阴模垫块302配套使用，根据垂直通孔的形状及尺寸的不同可在一套模具中配备多套阴模垫块302及阳模上压头303和阳模下压头304。
由于各个部件的功能具有差异，如阴模外筒301主要用于承受径向的挤压力转化而来的切向拉力，阴模垫块302主要承受和传递径向的挤压力，而阳模上压头303和阳模下压头304主要承受轴向的压力，并且阴模外筒301不接触GOS粉体，而阴模垫块302、阳模上压头303和阳模下压头304有接触GOS粉体的机会，因此上述三个部件的选材可以根据具体工艺要求制定。
通常来说，由于GOS闪烁陶瓷在热压烧结过程中需要在高温如1300～1600摄氏度下施加很高的压力，使GOS陶瓷所受压强达到100～200MPa。因此阳模上压头303和阳模下压头304的抗压强度需尽量高，且具有低的高温蠕变性能，因此可选的材质为高密度碳-碳纤维复合材质，碳化硅陶瓷等；而阴模垫块302所受径向挤压力和阴模外筒所受切向拉伸力较阳模压头所受压力稍低，可选用密度稍低的碳-碳纤维复合材质、碳化硅陶瓷等。
在使用该模具制造GOS闪烁陶瓷时，先将多个阴模垫块302合拢置于阴模外筒301的空腔内，再将阳模下压头304装入多个阴模垫块302所形成的垂直通孔中。
之后，将GOS闪烁陶瓷粉料加入该垂直通孔中，并承载于阳模下压头304之上，随后在与阳模下压头304位置相反的方向，将阳模上压头303装入垂直通孔中。
最后，通过热压烧结设备对阳模上压头303和阳模下压头304同时施加压力，使GOS闪烁陶瓷粉料受挤压形成GOS闪烁陶瓷。
为了烧结后的脱模方便，阴模垫块302的外壁与阴模外筒301的内壁的接触面308可具有一定的角度a，如1度～10度，并在该接触面308上喷涂脱模剂。
同理，为了快速脱模，减少模具之间的粘连或相对摩擦而造成的模具损坏，可在GOS闪烁陶瓷粉料与阳模上压头303和阳模下压头304的接触面306上设置垫片，还可在垂直通孔的内壁(即该内壁与GOS闪烁陶瓷粉料、阳模上压头303、阳模下压头304的接触面307)上设置垫片。垫片的作用是隔离粉料与模具，避免粉料与模具发生化学反应污染陶瓷工件或损坏模具压头，垫片的材质可选择加工性能好的难熔金属，如钼、钽、铌等，也可选择低成本的石墨纸，氮化硼陶瓷片等。
实施例
制造56mm*56mm的正方形闪烁陶瓷基体。
采用传统圆形模具先烧结直径80mm的GOS闪烁陶瓷基体再切割得到56mm*56mm的正方形，而采用本发明的模具直接烧结获得56mm*56mm正方形GOS闪烁陶瓷基体，这两种方式相比较，如设置热压烧结工艺为150MPa，则所需热压设备压力以及GOS粉料用量的比均为3.14/2，而采用本发明的模具及制造方法可将压机压力从原来的约77吨降低至约49吨，降低了对设备的要求，同时GOS粉料可节省粉料约36.3％，经济效益显著。
采用本发明的模具制备得到的闪烁陶瓷具有与使用传统圆形模具所制造的GOS闪烁陶瓷同样的质量，但更方便的是可直接制造出特定形状端面的GOS闪烁陶瓷片或块。对于所需不同形状的GOS闪烁陶瓷，本发明的模具只需更换特定形状的阴模垫块与阳模压头，而无需传统热等静压烧结方法中的先制备出圆形端面陶瓷基体再经过切割，制造同样有效面积的GOS闪烁陶瓷，减少了材料浪费，降低了对热压烧结设备压制压力的要求，同时减少了热压模具的损耗，有利于提高GOS闪烁陶瓷的生产效率。
另外，模具在正常使用过程中在阴模与阳模以及GOS闪烁陶瓷的接触面会发生一定程度的粘连或磨损，每次使用后需对模具进行修整，累积使用一定时间后会是模具配合间隙或增大到失效，而本发明的模具采用分体设计，模具损耗与失效发生在阴模垫块与阳模上下压头处，对于失效的模具只需更换上述两种部件即可而无需更换整个模具。
综上所述，本发明的模具可避免已有热压烧结技术的模具报废周期短以及材料浪费的缺点，显著降低GOS闪烁陶瓷的生产成本，工艺经济性显著提升，使其应用范围有利于从传统的医疗辐射成像领域扩展到要求成本更低的安检辐射成像领域大规模应用。
本领域技术人员应当注意的是，本发明所描述的实施方式仅仅是示范性的，可在本发明的范围内作出各种其他替换、改变和改进。因而，本发明不限于上述实施方式，而仅由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种用于GOS闪烁陶瓷加工的模具，包括：
阴模外筒，所述阴模外筒的内部具有一空腔；
多个阴模垫块，设置于所述空腔之内，所述多个阴模垫块合拢形成具有一垂直通孔的组合结构；以及
阳模上压头和阳模下压头，所述阳模上压头和所述阳模下压头的形状与所述垂直通孔的形状一致。
2.根据权利要求1所述的模具，其中所述组合结构的外壁与所述阴模外筒的内壁贴合。
3.根据权利要求2所述的模具，其中所述阴模外筒的内壁为垂直内壁或锥形内壁。
4.根据权利要求3所述的模具，其中所述组合结构的形状为一圆柱或一圆台。
5.根据权利要求1所述的模具，其中所述垂直通孔为正方形通孔、三角形通孔或圆形通孔。
6.根据权利要求1所述的模具，其中所述多个阴模垫块具有相同的形状。
7.一种利用根据权利要求1至6中任一项的模具制造GOS闪烁陶瓷的方法，包括以下步骤：
将所述多个阴模垫块合拢并置于所述阴模外筒的空腔内；
将所述阳模下压头装入所述垂直通孔中；
将GOS闪烁陶瓷粉料加入所述垂直通孔中，并置于所述阳模下压头之上；
在与所述阳模下压头位置相反的方向，将所述阳模上压头装入所述垂直通孔中；以及
对所述阳模上压头和所述阳模下压头施加压力，使所述GOS闪烁陶瓷粉料受挤压形成GOS闪烁陶瓷。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括在所述GOS闪烁陶瓷粉料与所述阳模上压头和所述阳模下压头的接触面上设置垫片。
9.根据权利要求7所述的方法，还包括在所述垂直通孔的内壁上设置垫片。
10.根据权利要求7所述的方法，还包括在所述组合结构的外壁与所述阴模外筒的内壁的接触面上涂覆脱模剂。
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