CN116608647B - 一种氮化硅生坯的干燥方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氮化硅生坯的干燥方法，涉及氮化硅制备领域，旨在解决干燥质量不高的问题，其技术方案要点：测量初始高度H1，升温速率V1升温，固定时间t，测量生坯高度，数据为H2、H3、H4、…、Hn，生坯高度变化率K1＝(H2‑H1)/t；K2＝(H3‑H2)/t；K3＝(H4‑H3)/t；Kn‑1＝(Hn‑Hn‑1)/t；当Kn‑1＞Kn时，用时T＝nt；升温速率V2升温，记录生坯变化值，生坯在固定时间t内不发生变化，维持温度保温，半小时取出，多次实验，取均值后获得干燥曲线，同批次的生坯采用干燥曲线干燥。本发明的干燥方法能够准确获得干燥温度曲线，干燥效果好，效率高。
Description
技术领域
本发明涉及氮化硅陶瓷材料制备领域，更具体地说，它涉及一种氮化硅生坯的干燥方法。
背景技术
氮化硅(Si3N4)是一种典型的强共价键高温结构陶瓷材料，具有高强度、高硬度、耐磨损、耐腐蚀等独特的优异性能，在新型陶瓷中占有重要的地位,与其它陶瓷相比,Si3N4陶瓷还具有比重小,热膨胀系数低,抗热冲击性好,自润性好,是一种理想的高温结构陶瓷材料。因此,人们一直对它的生产颇有研究。氮化硅陶瓷生坯的流延成型工艺流程包括混料、球磨、脱泡、流延、干燥等步骤。
流延流出的生坯是经过干燥才能从基板上剥落下来，制定合适的干燥工艺是获得高质量生坯的重要因素。如果干燥工艺制定不当，生坯就会经常出现气泡、针孔、皱纹、干裂，甚至出现不易从膜带上脱落等缺陷。流延浆料是在一个有空气流动的密闭容器中干燥，许多设备的干燥方式是通过慢慢传送生坯进行加热，同时采用底板加热和空气加热两种方式进行恒温干燥生坯，但此干燥方式变量因素较多，不容易干燥彻底，还是会发生气泡、针孔、皱纹、干裂的现象，导致成品率不高。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种氮化硅生坯的干燥方法，通过激光测距仪测量生坯的高度变化跟升温速率形成干燥制度，从而高效干燥出高质量的氮化硅生坯。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种氮化硅生坯的干燥方法，包括以下步骤：
S1、首先设置初始干燥曲线，起始温度大于室温，将干燥曲线至少设置有两个升温阶段，前段的升温速率为V1，第二段升温速率为V2，保证V1＞V2；
S2、然后生坯进入流延机进行干燥，在流延机内安装有激光测距仪用于测量生坯的初始高度H1，然后按照升温速率V1进行升温，并且每间隔固定时间t，测量生坯的高度，获得数据为H2、H3、H4、…、Hn，计算单位时间内生坯高度的变化率K1＝(H2-H1)/t；K2＝(H3-H2)/t；K3＝(H4-H3)/t；Kn-1＝(Hn-Hn-1)/t；当Kn-1＞Kn时，记录用时T＝nt；然后设置升温速率V2进行升温，并继续记录生坯高度变化值，当生坯高度在固定时间t内不发生变化时，维持当前的温度进入保温状态，半小时后取出生坯；
S3、重复S1和S2的步骤，进行多次实验，取升温速率V1的均值以及升温速率V2的均值后获得最终干燥曲线，同批次的氮化硅生坯采用该干燥曲线进行干燥。
本发明进一步设置为：生坯在干燥过程中当生坯表面的溶剂的蒸汽压大于该溶剂在该温度下的饱和蒸汽压时，通入溶剂蒸汽。
本发明进一步设置为：生坯在干燥过程中当生坯表面温度低于生坯底部温度时开启热风进行补温。
本发明进一步设置为：生坯在干燥过程中，观察生坯状态，若生坯表面出现褶皱和隐裂，降低温度至未出现褶皱和隐裂时的温度并进行保温，保温过程中测量生坯的高度变化值，直至在固定时间t内，高度变化值为0，再进行升温。
本发明进一步设置为：在前段升温时，采用电阻丝在生坯底部加热。
本发明进一步设置为：在第二段升温时，采用热风和电阻丝同步加热的方式。
本发明进一步设置为：前段升温完成后进行保温后再进行二段升温。
本发明进一步设置为：所述电阻丝安装在流延机承载板的底部，并且设有若干块进行单独控温。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1)本发明的方法是通过测距仪来推测出合理的干燥温度曲线，在厚度变化结合加热温度的控制，合理得出最佳的保温的时间和速率，给快速高效的得出干燥制度，使生坯干燥得到最佳状态。
2)本次发明的工艺节省时间、操作便捷，更加体现了激光测距仪的优点；流延流出的生坯开裂的可能性降低，减少横向裂纹和爪型裂纹的产生。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种氮化硅生坯流延成型的干燥方法，所述的方法具体涉及到流延机底板加热和空气加热两种干燥方式，其中底板加热为在流延机的承载板底部安装的电阻丝加热器进行加热，随着坯片内部溶剂的蒸发完全便完成了整个干燥过程。在底部安装的加热器一般都装在槽的指定区域，同时为精确控制每个区域的温度，每个加热器采用独立监控。流延机的理想温度设置是入口处温度接近室温，干燥区的温度为溶剂系统的沸点温度。对于现在使用的大多数溶剂系统，干燥区的温度一般低于100℃。一般采用具有一定的温度梯度方法以加快坯片的干燥。
流延生坯的干燥过程包括两个阶段：蒸发主导阶段和扩散主导阶段。干燥速度由坯片中的溶剂移动或扩散到坯片上表面的速度决定，理想状态下坯片内部溶剂迁移至坯片表面的速率要小于坯片表面溶剂的蒸发速率。
生坯干燥成型的过早形成会导致坯片内部残余的溶剂无法蒸发，因此需要限制表面的蒸发以避免表面膜的生成，为了限制溶剂的扩散需要调节溶剂在局部气氛中蒸发的量和温度。溶剂在坯片中的扩散速率可通过改变生坯温度来加以控制，以保证坯片内部具有使溶剂扩散到表面的通道。流延坯片的干燥过程属于物理过程，主要是溶剂在坯片内部的扩散主导阶段和坯片表面的蒸发主导阶段。随着干燥的进行，坯片陶瓷粉体颗粒间的溶剂逐渐减少，坯片体积收缩，坯片内产生应力，从而容易导致坯片产生开裂、翘曲等缺陷。干燥过程干燥开裂通常发生在坯片的表面，在干燥临界点发生，因此液相传递在干燥过程中起重要作用。
并且当溶剂蒸发掉一定量(约为90％)时，生坯高度变化曲线会发生偏离，干燥转入扩散主导阶段，扩散主导过程在整个干燥过程中所占比例很小，而且样品厚度越小，其作用阶段越小。
为了更好的了解到生坯在干燥阶段，其厚度的变化与温度之间的关系，此发明工艺需要引用一台激光测距仪，此设备不仅能测试生坯厚度，也能根据测出的数据来灵活地推测出升温曲线。
此次干燥方式需要将生坯放在流延机膜带上静置，用不同的温度进行加热，根据生坯表面状况和厚度变化情况来有序加热。这种方法即节省时间又可以减少其他因素的干扰，流出完整、缺陷少的生坯。
本次首先要做好流延前的准备工作，用双元试剂进行溶胶球磨，到达一定时间后，取出浆料进行过滤脱泡，到达一定粘度再进行流延。干燥方法将结合下面具体实施例做进一步详细说明。
其具体步骤包括：
S1首先设置初始干燥曲线，起始温度大于室温，将干燥曲线至少设置有两个升温阶段，前段的升温速率为V1，主要使用电阻丝进行加热，第二段升温速率为V2，主要使用电阻丝和热风两种加热方式同步进行，并且保证V1＞V2，在干燥的两个升温阶段中间可以进行保温，根据设备长度不同可分为多次保温。生坯在流延前1h要开启热风对设备进行预热，设置温度为升温初始温度，风量可以进行多组实验测试，找到合适的数值。
S2生坯干燥过程：然后生坯进入流延机进行干燥，在流延机内安装有激光测距仪用于测量生坯的初始高度H1，然后按照升温速率V1进行升温，并且每间隔固定时间t，测量生坯的高度，获得数据为H2、H3、H4、…、Hn，计算单位时间内生坯高度的变化率K1＝(H2-H1)/t；K2＝(H3-H2)/t；K3＝(H4-H3)/t；Kn-1＝(Hn-Hn-1)/t；当Kn-1＞Kn时，记录用时T＝nt；然后设置升温速率V2进行升温，并继续记录生坯高度变化值，当生坯高度在固定时间t内不发生变化时，维持当前的温度进入保温状态，半小时后取出生坯；由于生坯表面存在大量溶液，蒸汽在湿坯的表面区域被带走且存在部分溶剂的挥发，蒸发作用占主导地位，生坯内部的扩散作用可忽略不计，干燥速率基本恒定；在升温过程中观察厚度的变化和生坯状态，为了生坯干燥顺畅，没有异常现象发生，当达到一定时间温度为nt时，厚度变化量Kn-1要大于Kn时，说明需要进入到第二阶段了，此时温度为蒸发阶段和扩散阶段的温度转折点，称之临界点。到达第二阶段时生坯内部溶剂扩散运输和表面溶剂挥发起主要作用，当然从第一阶段进入到第二阶段时，可以对生坯进行一次保温；
如果刚升温不久，生坯表面出现褶皱和隐裂等不良现象，需要适量降温，当裂纹不延伸，可以再升温；
干燥速率由生坯内部的溶剂扩散输运速率决定，干燥速率逐渐变慢，进入衰减期；扩散主导过程在流延生坯的干燥过程中所占比例很小，此次升温要进行慢速升温，此时厚度变化值逐渐下降，当生坯表面无变化，厚度差变化不明显，进行保温，此时生坯干燥过程基本完成，生坯质量趋于恒定，一段时间后关闭加热。
S3重复S1和S2的步骤，进行多次实验，取升温速率V1的均值以及升温速率V2的均值后获得最终干燥曲线，同批次的氮化硅生坯采用该干燥曲线进行干燥。
生坯在干燥过程中利用压力检测表检测生坯表面的溶剂的蒸汽压力，当生坯表面的溶剂的蒸汽压大于该溶剂在该温度下的饱和蒸汽压时，通入溶剂蒸汽进行补充。
生坯在干燥过程中当生坯表面温度低于生坯底部温度时开启热风进行补温。
生坯坯在干燥过程中，观察生坯状态，若生坯表面出现褶皱和隐裂，降低温度至未出现褶皱和隐裂时的温度并进行保温，保温过程中测量生坯的高度变化值，直至在固定时间t内，高度变化值为0，再进行升温。
具体实施方案：
首先，设置一个略大于浆料的温度作为起始温度，本次设计的升温曲线在没有特殊状况下只有升温和保温，浆料的温度和室温相差不能太大，本此设计的初始温度要大于料浆温度，防止料浆结皮，影响流延效果。
将激光测距仪安装在流延机内，固定好一个测量的精准位置，调好刀高，预热流延机，将温度升到30℃(所有温度为本次实验的温度值)，当料浆全部流入到流延机内进行升温，并时刻关注厚度的变化，当生坯厚度变化值很小，生坯无明显开裂，这时需要升温，升温的幅度不能过大，当出现开裂，需要降温。此次是从起始温度30℃直接升温到40℃，为了防止生坯内部溶剂扩散速度小于表面蒸发速度，应该停止升温，进入保温状态。保温半小时后厚度变化值越来越小，此时需要升温到45℃进行保温半小时。
生坯表面干燥时开启流延机热风，热风的温度要小于起始温度，风量设置为5％、10％、15％，具体设置要根据浆料各项参数和生坯状态来设定。本次实验的进风风量设置为5％，温度为25℃，排风风量设置为8％。
当厚度还发生变化时在没开裂基础上在进行升温，升温幅度是5℃同步观察生坯变化，此次升温到55℃后取出生坯，生坯已经完全干燥。本次生坯厚度变化如表1所示。
表1为生坯厚度变化表：
| 时间/min | 厚度/mm | 厚度差/mm | 时间/min | 厚度/mm | 厚度差/mm |
| 0 | 0.874 | 70 | 0.712 | 0.014 | |
| 5 | 0.866 | -0.002 | 75 | 0.698 | 0.01 |
| 10 | 0.868 | 0.002 | 80 | 0.688 | 0.004 |
| 15 | 0.866 | 0.018 | 85 | 0.684 | 0.002 |
| 20 | 0.848 | 0.018 | 90 | 0.682 | 0.001 |
| 25 | 0.83 | 0.018 | 95 | 0.681 | 0.002 |
| 30 | 0.812 | 0.018 | 100 | 0.679 | 0.004 |
| 35 | 0.794 | 0.01 | 105 | 0.675 | 0.001 |
| 40 | 0.784 | 0.008 | 110 | 0.674 | 0.001 |
| 45 | 0.776 | 0.012 | 115 | 0.673 | 0.001 |
| 50 | 0.764 | 0.012 | 120 | 0.672 | 0.002 |
| 55 | 0.752 | 0.012 | 125 | 0.670 | 0.001 |
| 60 | 0.74 | 0.014 | 130 | 0.669 | 0.001 |
| 65 | 0.726 | 0.014 | 135 | 0.668 |
由表1可以看出到80min左右厚度差越来越小，说明生坯表面已经干燥，这时就是开启热风的时间，到达此时更需要仔细观察生坯变化，因为生坯开裂的可能性最大。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种氮化硅生坯的干燥方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、首先设置初始干燥曲线，起始温度大于室温，将干燥曲线至少设置有两个升温阶段，前段的升温速率为V1，第二段升温速率为V2，保证V1＞V2；
S2、然后生坯进入流延机进行干燥，在流延机内安装有激光测距仪用于测量生坯的初始高度H1，然后按照升温速率V1进行升温，并且每间隔固定时间t，测量生坯的高度，获得数据为H2、H3、H4、…、Hn，计算单位时间内生坯高度的变化率K1＝(H2-H1)/t；K2＝(H3-H2)/t；K3＝(H4-H3)/t；Kn-1＝(Hn-Hn-1)/t；当Kn-1＞Kn时，记录用时T＝nt；然后设置升温速率V2进行升温，并继续记录生坯高度变化值，当生坯高度在固定时间t内不发生变化时，维持当前的温度进入保温状态，半小时后取出生坯；
S3、重复S1和S2的步骤，进行多次实验，取升温速率V1的均值以及升温速率V2的均值后获得最终干燥曲线，同批次的氮化硅生坯采用该干燥曲线进行干燥。
2.根据权利要求1所述的一种氮化硅生坯的干燥方法，其特征在于：生坯在干燥过程中当生坯表面的溶剂的蒸汽压大于该溶剂在该温度下的饱和蒸汽压时，通入有机溶剂蒸汽。
3.根据权利要求1所述的一种氮化硅生坯的干燥方法，其特征在于：生坯在干燥过程中当生坯表面温度低于生坯底部温度时开启热风进行补温。
4.根据权利要求1所述的一种氮化硅生坯的干燥方法，其特征在于：生坯在干燥过程中，观察生坯状态，若生坯表面出现褶皱和隐裂，降低温度至未出现褶皱和隐裂时的温度并进行保温，保温过程中测量生坯的高度变化值，直至在固定时间t内，高度变化值为0，再进行升温。
5.根据权利要求1所述的一种氮化硅生坯的干燥方法，其特征在于：在前段升温时，采用电阻丝在生坯底部加热。
6.根据权利要求1所述的一种氮化硅生坯的干燥方法，其特征在于：在第二段升温时，采用热风和电阻丝同步加热的方式。
7.根据权利要求1所述的一种氮化硅生坯的干燥方法，其特征在于：前段升温完成后进行保温后再进行二段升温。
8.根据权利要求5或6所述的一种氮化硅生坯的干燥方法，其特征在于：所述电阻丝安装在流延机承载板的底部，并且设有若干块进行单独控温。
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