CN110698186A - 均质化氧化铝陶瓷及其制备方法 - Google Patents

均质化氧化铝陶瓷及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110698186A
CN110698186A CN201911041156.3A CN201911041156A CN110698186A CN 110698186 A CN110698186 A CN 110698186A CN 201911041156 A CN201911041156 A CN 201911041156A CN 110698186 A CN110698186 A CN 110698186A
Authority
CN
China
Prior art keywords
alumina ceramic
ceramic powder
preparing
homogenized
mixed slurry
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201911041156.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110698186B (zh
Inventor
董衡
孙志强
韩耀
肖振兴
王涛
李淑琴
吕毅
张剑
张昊
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology
Original Assignee
Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology filed Critical Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology
Priority to CN201911041156.3A priority Critical patent/CN110698186B/zh
Publication of CN110698186A publication Critical patent/CN110698186A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110698186B publication Critical patent/CN110698186B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/10—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on aluminium oxide
    • C04B35/111—Fine ceramics
    • C04B35/117—Composites
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28B—SHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28B1/00—Producing shaped prefabricated articles from the material
    • B28B1/007—Producing shaped prefabricated articles from the material by freezing the material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/63—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B using additives specially adapted for forming the products, e.g.. binder binders
    • C04B35/632—Organic additives
    • C04B35/634—Polymers
    • C04B35/63404—Polymers obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • C04B35/63444—Nitrogen-containing polymers, e.g. polyacrylamides, polyacrylonitriles, polyvinylpyrrolidone [PVP], polyethylenimine [PEI]
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/63—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B using additives specially adapted for forming the products, e.g.. binder binders
    • C04B35/632—Organic additives
    • C04B35/636—Polysaccharides or derivatives thereof
    • C04B35/6365—Cellulose or derivatives thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/34—Non-metal oxides, non-metal mixed oxides, or salts thereof that form the non-metal oxides upon heating, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3418—Silicon oxide, silicic acids, or oxide forming salts thereof, e.g. silica sol, fused silica, silica fume, cristobalite, quartz or flint
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/50—Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/54—Particle size related information
    • C04B2235/5418—Particle size related information expressed by the size of the particles or aggregates thereof
    • C04B2235/5436—Particle size related information expressed by the size of the particles or aggregates thereof micrometer sized, i.e. from 1 to 100 micron
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/50—Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/54—Particle size related information
    • C04B2235/5418—Particle size related information expressed by the size of the particles or aggregates thereof
    • C04B2235/5445—Particle size related information expressed by the size of the particles or aggregates thereof submicron sized, i.e. from 0,1 to 1 micron
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/50—Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/54—Particle size related information
    • C04B2235/5418—Particle size related information expressed by the size of the particles or aggregates thereof
    • C04B2235/5454—Particle size related information expressed by the size of the particles or aggregates thereof nanometer sized, i.e. below 100 nm
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/656—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes characterised by specific heating conditions during heat treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/656—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes characterised by specific heating conditions during heat treatment
    • C04B2235/6567—Treatment time

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Abstract

本发明提供一种均质化氧化铝陶瓷及其制备方法，能够解决现有制备方法无法获取均质化氧化铝陶瓷的技术问题。其中，均质化氧化铝陶瓷的制备方法包括：配制混合料浆：将一定质量配比的硅溶胶、水溶性大分子有机物以及氧化铝陶瓷粉体依次混合均匀得到混合料浆；制备均质氧化铝陶瓷，包括：将所述混合料浆注入模具并控制所述模具迅速悬浮在液氮环境中，以使所述混合料浆固化成型，得到坯体；将所述坯体脱模并进行后处理即得均质氧化铝陶瓷。

Description

均质化氧化铝陶瓷及其制备方法
技术领域
本发明属于功能陶瓷制备技术领域，尤其涉及一种均质化氧化铝陶瓷及其制备方法。
背景技术
氧化铝陶瓷具有机械强度高、电阻率高、电绝缘性好、熔点高、抗腐蚀性好、化学稳定性优良等优势，广泛应用于机械、电子电力、化工、医学、建筑及其它高科技领域。
目前氧化铝陶瓷的制备方法有：等静压成型、干压成型、挤压成型、流延成型、注浆成型、凝胶注模成型、冷冻成型、冷冻胶凝成型等。其中，常用的方法为挤压成型、注浆成型以及冷冻成型，挤压成型料浆中溶剂与粘结剂用量较高，使得坯体在干燥与烧成时收缩较大，无法保证均质化，力学性能受到影响；注浆成型对料浆流变性能要求较高且制备流程较长，坯体密度较低，强度低，烧结易变形；冷冻成型制备的陶瓷生坯强度低、且干燥过程需在真空和冷冻双重条件下进行。由此可见上述主要的制备方法均难以获得均质化的氧化铝陶瓷坯体，使得氧化铝陶瓷的力学性能难以得到保证。
此外，现有技术还存在采用冷冻凝胶法制备陶瓷材料，冷冻胶凝法是将粉料与某种硅溶胶混合制备出悬浮体，利用低温冷冻硅溶胶粒子发生缩聚反应形成―Si―O―Si―三维网络状凝胶结构特性，实现陶瓷浆料原位固化成型。成型坯体经干燥，结晶体升华，即可保留结晶形貌的孔隙。此法整个过程所涉及的物相比较简单(液相低温凝固、液相结晶时晶体的生长、晶体的升华等)，可以通过控制液相介质的结晶形态制备具有独特气孔结构的多孔陶瓷材料，因此常用来制备多孔材料。
综上所述，如何获得均质化氧化铝陶瓷以保证氧化铝陶瓷优异的力学性能成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种均质化氧化铝陶瓷及其制备方法，能够解决现有制备方法无法获取均质化氧化铝陶瓷的技术问题。
本发明的技术解决方案为：
根据一方面，提供一种均质化氧化铝陶瓷的制备方法，该方法包括以下步骤：
配制混合料浆，
将一定质量配比的硅溶胶、水溶性大分子有机物以及氧化铝陶瓷粉体依次混合均匀得到混合料浆；
制备均质氧化铝陶瓷，包括：
将所述混合料浆注入模具并控制所述模具迅速悬浮在液氮环境中，以使所述混合料浆固化成型，得到坯体；
将所述坯体脱模并进行后处理即得均质氧化铝陶瓷。
进一步地，所述水溶性大分子有机物为聚乙烯吡咯烷酮、羧甲基纤维素中的至少一种。
进一步地，所述氧化铝陶瓷粉体包括纳米级氧化铝陶瓷粉体颗粒和微米级氧化铝陶瓷粉体颗粒。
进一步地，所述纳米级氧化铝陶瓷粉体颗粒和微米级氧化铝陶瓷粉体颗粒的平均粒径分别为20～80nm和0.5～2μm。
进一步地，对于所述氧化铝陶瓷粉体，所述纳米级氧化铝陶瓷粉体颗粒和微米级氧化铝陶瓷粉体颗粒质量占比分别为5～15wt％和85～95wt％。
进一步地，所述硅溶胶、水溶性有机物以及氧化铝陶瓷粉体的质量配比为：
陶瓷粉体 50～70wt％，
硅溶胶 25～45wt％，
水溶性有机物 1.1～5wt％。
进一步地，所述的后处理包括坯体干燥和烧结处理。
进一步地，固化时间为0.1～0.45h。
根据另一方面，提供一种均质化氧化铝陶瓷，该均质化氧化铝陶瓷采用上述制备方法制备得到。
应用上述技术方案，提供一种均质化氧化铝陶瓷的制备方法，通过添加水溶性有机物和温度场调控互相配合、协同实现了均质氧化铝陶瓷的制备，其中，温度场调控中，选择液氮环境下(冷冻胶凝工艺)进行料浆的固化并控制该固化过程在浆料模具悬浮状态下进行，区别于现行的冷冻凝胶方法的Z轴传热原理，该手段使靠近冷表面的浆料迅速达到过冷状态，在水中快速生成大量微小冰核，由于冰核数量多，冰晶体在生长过程中相互竞争，冰晶的生长受到抑制；此外悬浮快速冷冻还可以使温度场更均匀、热量的导出更容易，枝晶生长会受到一定的限制，减弱了常规冷冻胶凝梯度结构的出现，确保了浆料中液态水结晶形成精细的冰晶尺寸；同时料浆中水溶性大分子有机物在此条件下更容易发挥其长支链的优势，协同配合对抑制冷冻过程水结冰时的膨胀效果更明显，更好控制冷冻固化过程中冰晶的生长，制备的陶瓷坯体更均匀，达到在成型坯体均质化的微观结构。本发明方法简单易行，成本低，得到的氧化铝陶瓷的均匀性得以大幅度提升，保证了氧化铝陶瓷的力学性能，扩宽了氧化铝陶瓷的应用领域。
附图说明
图1-3分别示出了根据本发明实施例1～3得到的均质氧化铝陶瓷的微观结构图；
图4--5分别示出了对比例1～2得到的氧化铝陶瓷的微观结构图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本发明。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本发明。
在此需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
如前文所述，本发明提供一种均质化氧化铝陶瓷及其制备方法。
第一方面，根据本发明实施例提供一种均质化氧化铝陶瓷的制备方法，该方法包括以下步骤：
S1、配制混合料浆，
将一定质量配比的硅溶胶、水溶性有机物以及氧化铝陶瓷粉体依次混合均匀得到混合料浆；
S2、制备均质氧化铝陶瓷，包括：
将所述混合料浆注入模具并控制所述模具迅速悬浮在液氮环境中，以使所述混合料浆固化成型，得到坯体；
将所述坯体脱模并进行后处理即得均质氧化铝陶瓷。
上述制备方法中，硅溶胶作为配制浆料的液相，可以采用碱性硅溶胶或酸性硅溶胶，其可以通过市售获得，浓度优选为浓度为10～30wt％。
上述制备方法中，为了保证混合料浆的均匀性，优选采用球磨的手段进行上述各原料的混合，例如可以在高速球磨机中对上述各原料进行混合。
优选的，所述的球磨时间为24-30h，例如为24h、25h、26h、27h、28h、29h或30h。
另外，上述混合料浆料浆在注入模具之前还需进行真空脱气处理，其中脱气时间优选为10～40min，但并不限于此。
上述制备方法中，对混合料浆所用模具本身并无特殊要求，可根据实际需要进行选择。
上述制备方法中，作为一项重要之处在于料浆固化过程中控制模具所处的位置，本发明中控制模具呈悬浮状态，例如使模具悬浮在液氮罐中，而现有冷冻凝胶制备方法中通常是直接将模具放置在液氮罐中，现有技术中为Z轴传热，容易出现温度梯度结构，无法保证温度场的均匀性，采用本发明方法的悬浮快速冷冻，使温度场更均匀、热量的导出更容易，减弱了常规冷冻胶凝梯度结构的出现，使靠近冷表面的浆料迅速达到过冷状态，在水中快速生成大量微小冰核，使得大量冰晶体在生长过程中相互竞争，冰晶的生长受到抑制。同时，再加上其中水溶性大分子有机物的协同配合，水溶性大分子有机物在此条件下更容易发挥其长支链的优势，协同配合对抑制冷冻过程水结冰时的膨胀效果更明显，更好控制冷冻固化过程中冰晶的生长，制备的陶瓷坯体更均匀，达到在成型坯体均质化的微观结构。
由此可见，本发明提供的制备方法简单易行，成本低，得到的氧化铝陶瓷的均匀性得以大幅度提升，保证了氧化铝陶瓷的力学性能，扩宽了氧化铝陶瓷的应用领域。
此外，本领域技术人员应当理解，本发明对如何使上述模具悬浮在液氮环境中的具体手段不做限制，凡是能起到上述作用的手段均可，例如可以液氮罐中固定网状结构的支撑体，以支撑上述模具。
在上述悬浮快速冷冻与水溶性大分子有机物的配合下，可以极大缩短固化所用时间，本发明中的固化时间为0.1～0.45h，在该范围内，可根据实际需要进行固化时间的调整。
上述坯体脱模后可采用现有常用的基于坯体来成型陶瓷的后处理手段。
本发明中，优选所述的后处理包括坯体干燥和烧结处理，其中，本发明的陶瓷坯体可以在常压下进行干燥，不涉及严格的干燥程序限制，可以在常温下进行干燥，干燥时间可以为24～36h，根据干燥温度和陶瓷坯体的干燥成都进行选择，只要保证陶瓷坯体彻底干燥即可。此外，坯体的烧结为本领域公知技术，可采用热压烧结、气氛压力烧结或无压烧结等，烧结的气氛为氮气，烧结的温度和时间可根据具体的烧结手段进行选择调整。
本发明中，作为优选，为了更好地保证均质陶瓷坯体的生成，上述的水溶性大分子有机物为聚乙烯吡咯烷酮、羧甲基纤维素中的至少一种。例如可以为聚乙烯吡咯烷酮，或羧甲基纤维素，或聚乙烯吡咯烷酮和羧甲基纤维素的混合物。其中，聚乙烯吡咯烷酮和羧甲基纤维素水溶性大分子具有支链长等优势，采用此类有机物尤其在悬浮冷冻条件下，可以起到明显抑制结冰膨胀作用，两者协同配合确保了水分的去除，使得得到的陶瓷坯体的均匀性得以大幅度提升，保证了最终陶瓷制品的力学性能。
上述的水溶性大分子有机物的添加量也不能太多，否则会对最终陶瓷材料的致密度以及力学性能有影响；其添加量若太少，会对冰晶膨胀抑制效果下降，与悬浮快速冷冻凝胶工艺起不到很好地控制冰晶生长的协同作用。本发明给出该水溶性大分子有机物优选的添加量，使其既不影响材料的致密度和力学性能，又能保证其协同作用更好的发挥。如下：
所述硅溶胶、水溶性有机物以及氧化铝陶瓷粉体的质量配比为：
陶瓷粉体 50～70wt％，
硅溶胶 25～45wt％，
水溶性有机物 1.1～5wt％。
此外，在本发明中，优选所述氧化铝陶瓷粉体包括纳米级氧化铝陶瓷粉体颗粒和微米级氧化铝陶瓷粉体颗粒。
通过此种颗粒级配的方式选择氧化铝陶瓷粉体，能够进一步提升氧化铝陶瓷的均质化程度，原因在于：纳米级的颗粒具有更大的表面积，因而提供了更多形核基底，对形核具有促进作用，而大量形核可以更好抑制冰晶的生长，从而减小了孔隙尺寸；同时微米级的颗粒可以增加固含量，固相颗粒的含量增大，浆料中水的含量减小，冰晶体生长受到的生长阻力变大，冰晶不能充分长大，微纳粉体的选择具有协同作用，不仅共同抑制冰晶生长制备均质化坯体而且还有利于物体烧结，增加力学性能。反之，如果仅仅添加纳米级粉体则固含量会降低，不能很好抑制冰晶生长，如果仅仅添加微米级粉体，尽管提高了固含量，但是影响烧结，导致最终产品的力学性能可能下降，且抑制冰晶的作用效果相对于纳米粉体较差。即上述纳米级氧化铝陶瓷粉体颗粒和微米级氧化铝陶瓷粉体颗粒协同匹配可以得到均质化更好的氧化铝陶瓷粉体。
上述氧化铝陶瓷粉体中，所述纳米级氧化铝陶瓷粉体颗粒和微米级氧化铝陶瓷粉体颗粒的平均粒径优选分别为20～80nm和0.5～2μm。所述纳米级氧化铝陶瓷粉体颗粒和微米级氧化铝陶瓷粉体颗粒质量占比优选分别为5～15wt％和85～95wt％。本领域技术人员可根据实际需要在上述范围内对氧化铝陶瓷粉体原料进行具体选择，但是如果超出上述两者的范围将会对烧结性能会有影响，而且制备的坯体均匀性相比于上述范围内的也稍差。
综上，本发明通过利用温度场调控(悬浮快速冷冻凝胶工艺)、添加水溶性大分子有机物以及氧化铝粉体颗粒级配等协同作用，与现有技术相比更好地控制冰晶的生长结构(成核与生长的速率)，从而保证均质氧化铝陶瓷的生成。
第二方面，本发明还提供了一种均质氧化铝陶瓷，该均质化氧化铝陶瓷采用上述制备方法制备得到。由此可见，基于上述制备方法得到的氧化铝陶瓷与现有氧化铝陶瓷相比，其均匀性得以大幅度提升，保证了氧化铝陶瓷的力学性能，扩宽了氧化铝陶瓷的应用领域。
实施例
下文将结合附图以实施例的形式对本发明作进一步说明，然而这些实施例只是就本发明的优选方式进行举例说明，本发明的保护范围不应解释为限于这些实施例。
实施例1
步骤1：料浆制备，将聚乙烯吡咯烷酮、浓度15wt％，pH为3.6的硅溶胶、氧化铝陶瓷粉体按质量比1.1:43.9:55混合均匀并进行球磨即得氧化铝陶瓷浆料；其中氧化铝陶瓷粉体包含平均粒径50nm的颗粒10wt％和2μm的颗粒90wt％，球磨时间为28h。
步骤2：均质化氧化铝陶瓷制备，上述浆料真空脱气20min注入模具，并使其迅速悬浮在液氮中充分固化0.5h后脱模，得到坯体；坯体经室温干燥24h，1500℃烧结2h即可制备均质化氧化铝陶瓷材料。
实施例2
步骤1：料浆制备，将聚乙烯吡咯烷酮、浓度15wt％，pH为3.6的硅溶胶、氧化铝陶瓷粉体按质量比2.5:42.5:55混合均匀并进行球磨即得氧化铝陶瓷浆料；其中氧化铝陶瓷粉体包含平均粒径50nm的颗粒10wt％和2μm的颗粒90wt％，球磨时间为28h。
步骤2：均质化氧化铝陶瓷制备，上述浆料真空脱气20min注入模具，并使其迅速悬浮在液氮中充分固化0.5h后脱模，得到坯体；坯体经室温干燥24h，1500℃烧结2h即可制备均质化氧化铝陶瓷材料。
实施例3
步骤1：料浆制备，将羧甲基纤维素、浓度10wt％，pH为5.0的硅溶胶、氧化铝陶瓷粉体按质量比5:42.5:52.5混合均匀并进行球磨即得氧化铝陶瓷浆料；其中氧化铝陶瓷粉体包含平均粒径50nm的颗粒10wt％和2μm的颗粒90wt％，球磨时间为28h。
步骤2：均质化氧化铝陶瓷制备，上述浆料真空脱气20min注入模具，并使其迅速悬浮在液氮中充分固化0.5h后脱模，得到坯体；坯体经室温干燥24h，1500℃烧结2h即可制备均质化氧化铝陶瓷材料。
对比例1
步骤1：料浆制备，将浓度15wt％，pH为3.6的硅溶胶、氧化铝陶瓷粉体按质量比45:55混合均匀并进行球磨即得氧化铝陶瓷浆料；其中氧化铝陶瓷粉体包含平均粒径50nm的颗粒10wt％和2μm的颗粒90wt％，球磨时间为28h。
步骤2：氧化铝陶瓷制备，上述浆料真空脱气20min注入模具，并使其迅速悬浮在液氮中充分固化0.5h后脱模，得到坯体；坯体经室温干燥24h，1500℃烧结2h即可制备氧化铝陶瓷材料。
步骤2：均质化氧化铝陶瓷制备，上述浆料真空脱气20min注入模具，并使其迅速悬浮在液氮中充分固化0.5h后脱模，得到坯体；坯体经室温干燥24h，1500℃烧结2h即可制备均质化氧化铝陶瓷材料。
对比例2
步骤1：料浆制备，将聚乙烯吡咯烷酮、浓度15wt％，pH为3.6的硅溶胶、氧化铝陶瓷粉体按质量比1.1:43.9:55混合均匀并进行球磨即得氧化铝陶瓷浆料；其中氧化铝陶瓷粉体包含平均粒径50nm的颗粒10wt％和2μm的颗粒90wt％，球磨时间为28h。
步骤2：氧化铝陶瓷制备，上述浆料真空脱气20min注入模具，使其迅速放在液氮中充分固化0.5h后脱模(模具在液氮罐底部)，得到坯体；坯体经室温干燥24h，1500℃烧结2h即可制备氧化铝陶瓷材料。
对比例3
步骤1：料浆制备，将聚乙烯吡咯烷酮、浓度15wt％，pH为3.6的硅溶胶、氧化铝陶瓷粉体按质量比5.5:39.5:55混合均匀并进行球磨即得氧化铝陶瓷浆料；其中氧化铝陶瓷粉体包含平均粒径50nm的颗粒10wt％和2μm的颗粒90wt％，球磨时间为28h。
步骤2：均质化氧化铝陶瓷制备，上述浆料真空脱气20min注入模具，并使其迅速悬浮在液氮中充分固化0.5h后脱模，得到坯体；坯体经室温干燥24h，1500℃烧结2h即可制备均质化氧化铝陶瓷材料。
对比例4
步骤1：料浆制备，将聚乙烯吡咯烷酮、浓度15wt％，pH为3.6的硅溶胶、氧化铝陶瓷粉体按质量比0.5:44.5:55混合均匀并进行球磨即得氧化铝陶瓷浆料；其中氧化铝陶瓷粉体包含平均粒径50nm的颗粒10wt％和2μm的颗粒90wt％，球磨时间为28h。
上述实施例和对比例得到的产品的性能如表1所示，其中，弯曲强度(GB/T14390-2008)，样品密度(GB/T 25995-2010)。
表1实施例和对比例所得产品的性能测试结果
Figure BDA0002252841760000121
其中，从图1-5的1-SEM图可以看出，通过对温度场调控、添加水溶性大分子有机物、颗粒级配等协同配合手段可以改变材料的微观结构，能够很好实现冰晶生长控制以及材料均质化，反之，如果缺少温度场调控或不添加水溶性大分子有机物，得到的氧化铝陶瓷的均匀化则无法保证，此外，从表1所得到的产品的性能也可以看出，即实施例1～3相对于对比例1～4，其力学性能与密度得以大幅度提升，其中，对比例3-4中水溶性大分子有机物比例不在本发明限定范围内，其得到产品性能相对于实施例1-3也相应下降，但相对于对比例1-2，其性能还是显著得以提升。
如上针对一种实施例描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施例中使用，和/或与其它实施例中的特征相结合或替代其它实施例中的特征使用。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤、组件或其组合的存在或附加。
这些实施例的许多特征和优点根据该详细描述是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施例的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施例限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。
本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (9)

1.一种均质化氧化铝陶瓷的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
配制混合料浆，
将一定质量配比的硅溶胶、水溶性大分子有机物以及氧化铝陶瓷粉体依次混合均匀得到混合料浆；
制备均质氧化铝陶瓷，包括：
将所述混合料浆注入模具并控制所述模具迅速悬浮在液氮环境中，以使所述混合料浆固化成型，得到坯体；
将所述坯体脱模并进行后处理即得均质氧化铝陶瓷。
2.根据权利要求1所述的一种均质化氧化铝陶瓷的制备方法，其特征在于，所述水溶性大分子有机物为聚乙烯吡咯烷酮、羧甲基纤维素中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的一种均质化氧化铝陶瓷的制备方法，其特征在于，所述氧化铝陶瓷粉体包括纳米级氧化铝陶瓷粉体颗粒和微米级氧化铝陶瓷粉体颗粒。
4.根据权利要求3所述的一种均质化氧化铝陶瓷的制备方法，其特征在于，所述纳米级氧化铝陶瓷粉体颗粒和微米级氧化铝陶瓷粉体颗粒的平均粒径分别为20～80nm和0.5～2μm。
5.根据权利要求3所述的一种均质化氧化铝陶瓷的制备方法，其特征在于，对于所述氧化铝陶瓷粉体，所述纳米级氧化铝陶瓷粉体颗粒和微米级氧化铝陶瓷粉体颗粒质量占比分别为5～15wt％和85～95wt％。
6.根据权利要求1或2所述的一种均质化氧化铝陶瓷的制备方法，其特征在于，所述硅溶胶、水溶性有机物以及氧化铝陶瓷粉体的质量配比为：
陶瓷粉体50～70wt％，
硅溶胶25～45wt％，
水溶性有机物1.1～5wt％。
7.根据权利要求1所述的一种均质化氧化铝陶瓷的制备方法，其特征在于，所述的后处理包括坯体干燥和烧结处理。
8.根据权利要求1所述的一种均质化氧化铝陶瓷的制备方法，其特征在于，固化时间为0.1～0.45h。
9.一种均质化氧化铝陶瓷，该其特征在于，所述均质化氧化铝陶瓷采用权利要求1-8所述的制备方法制备得到。
CN201911041156.3A 2019-10-30 2019-10-30 均质化氧化铝陶瓷及其制备方法 Active CN110698186B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911041156.3A CN110698186B (zh) 2019-10-30 2019-10-30 均质化氧化铝陶瓷及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911041156.3A CN110698186B (zh) 2019-10-30 2019-10-30 均质化氧化铝陶瓷及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110698186A true CN110698186A (zh) 2020-01-17
CN110698186B CN110698186B (zh) 2022-08-09

Family

ID=69202713

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911041156.3A Active CN110698186B (zh) 2019-10-30 2019-10-30 均质化氧化铝陶瓷及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110698186B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113149619A (zh) * 2021-05-14 2021-07-23 景德镇陶瓷大学 一种高强度低介电损耗氧化铝陶瓷基片
CN113800917A (zh) * 2021-08-17 2021-12-17 航天特种材料及工艺技术研究所 一种均质化大尺寸氮化硅陶瓷平板的制备方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5120477A (en) * 1991-07-17 1992-06-09 Suey Paul V Preparing refractory articles by a freezecast process
CN104108938A (zh) * 2014-07-04 2014-10-22 航天特种材料及工艺技术研究所 一种制备Sialon陶瓷的方法
CN104496484A (zh) * 2014-12-02 2015-04-08 航天特种材料及工艺技术研究所 一种制备Si3N4/BAS复合陶瓷材料的方法
CN106866157A (zh) * 2015-12-14 2017-06-20 航天特种材料及工艺技术研究所 一种大尺寸塞隆陶瓷制品的成形方法
CN107759240A (zh) * 2016-11-18 2018-03-06 航天特种材料及工艺技术研究所 一种Si3 N4 /BAS复相陶瓷材料的制备方法
CN108271770A (zh) * 2017-01-06 2018-07-13 中国科学院化学研究所 微米颗粒在低温冻存中的应用
CN108863394A (zh) * 2017-05-10 2018-11-23 中国科学院上海硅酸盐研究所 一种凝胶浇注结合冷冻干燥制备多孔陶瓷的方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5120477A (en) * 1991-07-17 1992-06-09 Suey Paul V Preparing refractory articles by a freezecast process
CN104108938A (zh) * 2014-07-04 2014-10-22 航天特种材料及工艺技术研究所 一种制备Sialon陶瓷的方法
CN104496484A (zh) * 2014-12-02 2015-04-08 航天特种材料及工艺技术研究所 一种制备Si3N4/BAS复合陶瓷材料的方法
CN106866157A (zh) * 2015-12-14 2017-06-20 航天特种材料及工艺技术研究所 一种大尺寸塞隆陶瓷制品的成形方法
CN107759240A (zh) * 2016-11-18 2018-03-06 航天特种材料及工艺技术研究所 一种Si3 N4 /BAS复相陶瓷材料的制备方法
CN108271770A (zh) * 2017-01-06 2018-07-13 中国科学院化学研究所 微米颗粒在低温冻存中的应用
CN108863394A (zh) * 2017-05-10 2018-11-23 中国科学院上海硅酸盐研究所 一种凝胶浇注结合冷冻干燥制备多孔陶瓷的方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113149619A (zh) * 2021-05-14 2021-07-23 景德镇陶瓷大学 一种高强度低介电损耗氧化铝陶瓷基片
CN113149619B (zh) * 2021-05-14 2022-10-11 景德镇陶瓷大学 一种高强度低介电损耗氧化铝陶瓷基片
CN113800917A (zh) * 2021-08-17 2021-12-17 航天特种材料及工艺技术研究所 一种均质化大尺寸氮化硅陶瓷平板的制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN110698186B (zh) 2022-08-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Dhara et al. Egg white as an environmentally friendly low‐cost binder for gelcasting of ceramics
CN109400200B (zh) 一种宏观与微观结构皆可控的羟基磷灰石多孔陶瓷及其制备方法和应用
CN110698186B (zh) 均质化氧化铝陶瓷及其制备方法
Chen et al. Alumina casting based on gelation of gelatine
Zuo et al. Effect of polyvinyl alcohol additive on the pore structure and morphology of the freeze-cast hydroxyapatite ceramics
CN109534817B (zh) 一种先驱体转化类陶瓷的定向多孔结构制备方法
Szudarska et al. Fabrication of textured alumina by magnetic alignment via gelcasting based on low-toxic system
Yao et al. Fabrication porous Si3N4 ceramics via starch consolidation–freeze drying process
CN109400179B (zh) 一种制备宏观与微观结构皆可控的材料的方法
CN101050128A (zh) 冷冻干燥法制备多孔材料的改进
Wang et al. Control of pore structure during freeze casting of porous SiC ceramics by different freezing modes
Hu et al. Freeze casting of composite system with stable fiber network and movable particles
CN108329051B (zh) 一种超高孔隙率和低坯体收缩率Y2SiO5多孔陶瓷的制备方法
Guo et al. Preparation and properties of AlN ceramic suspension for non-aqueous gel casting
CN110937920A (zh) 一种超轻高强钙长石多孔陶瓷及其制备方法
CN111995422B (zh) 一种蜂窝状陶瓷材料的制备方法
Jia et al. Fabrication of alumina green body through gelcasting process using alginate
CN110668802A (zh) 一种轻质高强堇青石多孔陶瓷的绿色制备方法及过滤器
CN107935628B (zh) 一种泡沫碳化硅陶瓷及其制备方法
Wang et al. Porous SiC ceramics fabricated by quick freeze casting and solid state sintering
Prabhakaran et al. A new direct coagulation casting process for alumina slurries prepared using poly (acrylate) dispersant
Wang et al. Preparation of dense spherical AlN fillers by aqueous granulation and post-sintering process
Millán et al. Aqueous Gel‐Forming of Silicon Nitride Using Carrageenans
CN107759240B (zh) 一种Si3N4/BAS复相陶瓷材料的制备方法
Akhondi et al. Gelcasting of alumina–zirconia–yttria nanocomposites with Na-alginate system

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant