CN1445196A - 静磁场中功能梯度材料凝胶注模制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了静磁场中功能梯度材料凝胶注模的制备方法。其步骤为：1)浇注模具准备；2)将陶瓷粉末和强磁性的金属粉末按一定比例与水或非水溶剂混合后，在球磨机中搅拌制成均匀弥散的浆料；3)在磁场强度为0.1～5.0特斯拉的静磁场中浇注、固化；4)烘干、烧结成型。本发明方法的优点是：可以制备出成分连续变化的各种厚度的梯度材料；利用成熟的陶瓷凝胶注模法成形工艺使生产功能梯度材料的手续简化、成本降低、性能提高。

Description

静磁场中功能梯度材料凝胶注模制备方法

                        技术领域

本发明涉及一种静磁场中功能梯度材料凝胶注模制备方法。

                        背景技术

陶瓷材料因其独特的性能已广泛地应用于电子、机械、国防等工业领域。但陶瓷材料烧结后很难进行机加工，故人们一直在寻求复杂形状陶瓷元件的净尺寸成型方法，这已成为保证陶瓷元件质量和使所研制的材料获得实际应用的关键环节。陶瓷材料的成型方法，一般可分为干法和湿法两大类。相比而言，湿法成型工艺设备简单、成型坯体组分均匀、缺陷少、易于成型复杂形状零件等优点，实用性较强，但传统的湿法成型技术都存在一些问题，如注浆成型是靠石膏模吸水来实现的，造成坯体中形成密度梯度分布和不均匀变形，并且坯体强度低，易于损坏。热压铸或注射成型需加入质量分数高达20％的蜡或有机物，造成脱脂过程繁琐，结合剂的融化或蒸发使坯体的强度降低，易形成缺陷甚至倒塌。这些问题提高了陶瓷材料的生产成本，降低了其质量的稳定性。90年代初，美国橡树岭国家实验室发明了一种全新的陶瓷材料湿法成型技术——凝胶注模成型技术，主要生产工艺过程为：陶资原料与介质的混合→成型(凝固)→排除介质→干燥→烧结。

凝胶注模成型是一种实用性很强的技术，它具有以下几个显著特点：(1)可适用于各种陶瓷材料，成型各种复杂形状和尺寸的陶瓷零件。(2)由于定型过程和注模操作是完全分离的，定型是靠浆料中有机单体原位聚合形成交链网状结构的凝胶体来实现的。所以成型坯体组分均匀、密度均匀、缺陷少。(3)浆料的凝固定型时间较短且可控。根据聚合温度和催化剂的加入量不同，凝固定型时间一般可控在5～60min。(4)该工艺所用模具为无孔模具，且对模具无特殊要求，可以是金属、玻璃或塑料等。(5)坯体中有机物含量较小，其质量分数一般为3％～5％。但强度较高，一般在10MPa以上。可对坯体进行机加工(车、磨、刨、铣、钻孔、锯等)，从而取消或减少烧结后的加工。(6)这是一种净尺寸成型技术。由于坯体的组分和密度均匀，因而在干燥和烧结过程中不会变形，烧结体可保持成型时的形状和尺寸比例。(7)所用陶瓷料为高固相(体积分数不小于50％)、低粘度(小于1Pa·s)。浆料的固相含量是影响成型坯体的密度、强度及均匀性的因素，粘度的大小关系到所成坯体形状的好坏及浆料的排气效果。

功能梯度材料(FGM)是针对高温、热循环和大温度落差的条件下，能反复地正常工作而开发的一类新型材料，如此苛刻的使用环境要求材料具有优异的抗热冲击和热疲劳性能。目前，功能梯度材料主要制备方法有粉末成型、物理气相沉积法(PVD)、化学气相沉积法(CVD)、等离子喷涂、电铸法、电镀法等。粉末成型法是将金属、陶瓷等颗粒状原料和晶须等组成梯度积层结构，经压实、烧结而制成功能梯度材料。耐热陶瓷用于高温端，金属材料或塑料用于低温端。为了强化金属组成相或提高陶瓷相韧性，可以掺入晶须。化学气相沉积法是将卤化物气体进行加热分解，使金属或半金属沉积在衬底表面上，或者将生成的碳化物、氯化物等混合气体送入反应管，使加热生成的化合物沉积在衬底上。电铸法是在母型表面上用金属盐溶液经电沉积处理析出一层金属或合金.然后剥离得到与设型表面凸凹相反的制品。物理气相沉积法是使加热蒸发的金属沉积在衬底上进行涂层的方法，在金属、半金属中送入氧、氮和碳化氢等反应气体后，合成氧化物、氯化物和碳化物等陶瓷，并沉积在衬底上。物理气相沉积法有真空镀膜、溅射和离子镀敷等。真空镀膜是单纯地加热金属使其蒸发沉积；溅射法是通过电子或离子打击，使溅射出来的金属沉积在衬底上；离子镀敷是通过金属蒸气离子化，得到粘结性好而且致密的沉积物。电铸金属或合金的厚度可为50微米至十几厘米。

但是这些制备方法均存在着重要的局限性。如粉末成型难以实现材料组分连续均匀变化；气相沉积难以得到大厚度材料；自蔓延燃烧致密度较低；等离子喷涂的各涂层间存在成分突变的界面；等等。这些方法要求复杂的工艺或设备，缺少简便的制备方法，是限制功能梯度材料进一步发展的重要原因。因此，如果能将成熟的金属或陶瓷材料成型手段，用来制备功能梯度材料，无疑具有重要的意义和广阔的发展前景。

本发明是将铁磁性的金属粉末(Fe、Ni、Co等过渡金属)与弱磁性的陶瓷粉末(Al₂O₃、ZrO₂、SiC、AlN、Si₃N₄)组成的浆料，在静磁场中采用凝胶注模固结成形，然后通过烧结来制备功能梯度材料。其突出的优点就是利用成熟的工艺陶瓷凝胶注模方法生产功能梯度材料，通过调整磁场强度、浆料组成、粘度及其它制备工艺参数，可以在很大的厚度范围内方便地制备出成分连续变化且可控的梯度材料。

                          发明内容

本发明的目的是提供一种静磁场中功能梯度材料凝胶注模制备方法。

它的步骤为：

1)浇注模具准备

采用α石膏与β石膏混合型石膏配制，与15～25℃的纯净自来水混合，搅拌3～8分钟后浇注，由石膏浆凝固、硬化制得的石膏模具经干燥后，在温度25～38℃、相对湿度20～30％的环境中保存；

2)浆料制备

采用颗粒尺寸为0.1～100μm的强磁性不锈铁粉或镍粉、钴粉，与颗粒尺寸为0.1～100μm的ZrO₂、SiC、AlN、Si₃N₄、B₄C、SiO₂、TiC、Al₂O₃中的一种或几种陶瓷粉末按0.1～10∶1的比例组成混合粉末，此混合粉末与溶剂混合成浆料；

当溶剂为水时，将混合粉末分散于混合溶液中，混合后固体含量体积分数为45～70％，调节pH值为5～12，在球磨机中搅拌1～10h，采用超声波进行弥散化处理制得浆料，浆料的湿度为20％～50％，温度为30～60℃，粘度为1～100mPa·s，在浆料中加入占有机单体量0.3～3％的引发剂过硫酸铵APB及占有机单体量0.5～5‰的催化剂四甲基乙二胺EMED；

当为非水溶剂时，加入粘接剂，粘接剂为浆料质量分数的10～50％，将浆料在球磨机中搅拌1～10h，制成均匀弥散的浆液，并用超声波进行弥散化处理，此时浆料中溶剂体积分数为浆料的50～80％，浆料的湿度为20％～50％，温度为30～60℃，在浆料中加入引发剂，引发剂为浆料体积分数的0.2～5％；

3)磁场中浇注成型

搅拌均匀后充入模具中，模具外施加静磁场，磁场强度为0.1～5.0特斯拉，磁化时间为3～60min；

4)烘干、烧结

固化5～60min，去模，并在35～60℃下缓慢烘干，得到的生坯在石墨或氮气的保护环境中烧结成型，烧结温度在600～1400℃之间，随后随炉冷却至100～300℃取出。

本发明方法的优点是：

1)通过施加静磁场，改变磁场强度，可以在很大成分范围内制备出各种厚度的梯度材料，成分连续变化且可控。

2)利用成熟的传统工艺陶瓷凝胶注方法使生产功能梯度材料的手续简化、成本降低。

                           附图说明

图1是浆料刚刚注入时模型示意图，图中1为浆料，2为石膏模具，3为钕铁硼永磁体，4为永磁体产生的磁场；

图2是磁化后浆料模型示意图，图中5为陶瓷浆料，6为铁磁性浆料。

                      具体实施方式

上述的功能梯度材料制备方法是将强磁性的金属(不锈铁、镍粉、钴粉中的一种)与陶瓷(ZrO₂、SiC、AlN、Si₃N₄、B₄C、SiO₂、TiC、Al₂O₃中的一种或几种)混合粉末与溶剂组成浆料，浇入模具内腔且在磁场中成形。浆料受静磁引力的作用，分别在模内向两端聚积，形成成分梯度。获得的坯料经聚合、烧结后制成功能梯度材料。此种功能梯度材料是超耐热材料，具有优异的抗热冲击和热疲劳性能。

本发明采用水溶剂的具体步骤如下：

1)模具的准备

本方法对模具无苛刻要求，可采用石膏、钢铁、塑料等作为模具。本法采用用α石膏与β石膏混合型石膏配制，模具制造中所用水的温度既能影响石膏浆的凝结时间，又能影响石膏浆的膨胀。水中的矿物质还会沉积在模具中，影响模具的性能。因此，生产中应采用纯净的自来水，水温为15～25℃，控制膏水比为1.3～1.5。石膏在水中浸泡1～2分钟，以确保石膏与水的充分接触。在水中的浸泡时间太长会使石膏浆过早硬化，模具产生砂粒状的表面；浸泡时间太短，则模具表面产生针孔和其他缺陷。控制石膏的搅拌时间约4分钟。浇注后由石膏浆凝固、硬化制得的石膏模具需经干燥，排出未参与水化反应的剩余水。石膏模具应干燥充分，干燥温度在50～70℃，当干燥器内的温度尚在38℃以上时，不宜拿出模具，否则易开裂。

2)浆料制备

采用颗粒尺寸为0.1～100μm的强磁性不锈铁粉或镍粉、钴粉，与颗粒尺寸为0.1～100μm的ZrO₂、SiC、AlN、Si₃N₄、B₄C、SiO₂、TiC、Y₂O₃、Al₂O₃中的一种或几种陶瓷粉末按0.1～10∶1的比例组成混合粉末。将有机单体丙烯酰胺(AM)与交联剂亚甲基双丙烯酰胺(MBAM)混合，质量比按AM∶MBAM＝6～18∶1加入，其中有机物含量为10～25％，并加入含量为浆料质量分数0.05％～0.50％的分散剂JA-281聚丙烯酸复合高分子铵盐(分子量5000～8000，pH为7)和A-6114甲基丙烯酸和甲基丙烯酸铵的复合共聚物(分子量10000，pH为7)，质量比按1∶1组成混合溶液。然后将混合粉末分散于混合溶液中，混合后固体含量体积分数为45～70％，然后用浓氨水(15～38％)和浓盐酸(15％～40％)调节pH值为5～12。在球磨机中搅拌1～10h，采用超声波进行弥散化处理制得浆料。浆料的湿度为20％～50％，温度为30～60℃，粘度为1～100mPa·s。

3)磁场中浇注成型

磁场中浇注成型是采用静磁场中凝胶注模制备功能梯度材料的关键工序。浇注时石膏模具处在周围气温为25～28℃条件下，为消除附着物和分化模具工作面，使用的苏打溶液擦拭模具。在浆料中加入占有机单体量0.3～3％的引发剂过硫酸铵(APB)，预先配制成浓度为10g/l的溶液及占有机单体量0.5～5‰的催化剂四甲基乙二胺(EMED)，搅拌均匀后充入石膏模中，模具外施加静磁场，磁场强度为0.1～5.0特斯拉，磁化时间为3～60min。产生静磁场的磁体为电磁铁或高磁能积的第三代稀土磁性钕铁硼材料。当磁场强度2.0特斯拉以上时，可由超导材料提供。

受磁化力的作用，金属组元向特定方向偏聚，形成成分梯度。在静磁场中，铁磁性金属颗粒被磁化并向一端吸引，弱磁性陶瓷颗粒则在压力梯度作用下被驱赶至另一端。减弱静磁场强度，成分梯度减小。提高静磁场强度，成分梯度则增大，直至一端为几乎全部金属，另一端为陶瓷。在静磁场的作用下，磁场强度从较小值增大时，金属与陶瓷颗粒在模内分别向两端聚积，浆体中形成了排列有序的“胶团”。调整磁场强度在0.1～5.0特斯拉的合适范围，控制磁化时间3～60min，获得所需成分梯度的样品。

增大浆料在模具中的压力，可加快吃浆速度。必要时振动模具，可以降低粘度，排除空气，提高坯料强度。部分较长的圆棒试样，在适当位置叠加旋转或交变磁场，可以使悬浮液在模内搅拌而均匀化，从而有目的地调整成分或温度梯度。这些均是避免半成品缺陷形成的辅助措施。

4)烘干、烧结

固化5～60min后的坯体去模后在35～60℃下缓慢烘干。根据颗粒成分的不同，生坯可以在普通烧结炉中烧结，或者为防止氧化在保护的环境中烧结。升温速率为100～400℃/h至500～1200℃，加热至1000～1600℃保温1～3h，最后随炉冷却至100～400℃取出。

以水溶液为溶剂的注模成型方法具有以下优点：(1)干燥过程更简单。(2)可避免使用非水溶剂所带来的环境污染问题。

本发明采用非水溶剂的具体步骤如下：

1)模具的准备

本方法对模具无苛刻要求，可采用石膏、钢铁、塑料等作为模具。本法采用石膏模具，其制作过程与上一方法的浇注模具准备过程相同。

2)浆料制备

采用颗粒尺寸为0.1～100μm的强磁性不锈铁粉或镍粉、钴粉，与颗粒尺寸为0.1～100μm的ZrO₂、SiC、AlN、Si₃N₄、B₄C、SiO₂、TiC、Y₂O₃、Al₂O₃中的一种或几种陶瓷粉末按0.1～10∶1的比例组成混合粉末，此混合粉末与非水溶剂混合。非水溶剂主要有：二元酯、高沸点汽油、长链乙醇等。有机单体(粘接剂)可用三甲基丙烷三丙烯酸盐(TMPTA)、丙烯酰胺或1，6乙二醇二乙烯酸盐(HDODA)，粘接剂为浆料质量分数的10～50％。通过改变单体总量和TMPTA或HDODA在溶液中的相对丰度，可以改变聚合凝胶的机械性能，以便其最适合于陶瓷成型。将浆料在球磨机中搅拌1～10h，制成均匀弥散的浆液，因为细小颗粒易于团聚，对于粒度为纳米与亚微米的浆料，采用超声波进行弥散化处理。

此浆料中溶剂体积分数为浆料的50～80％，浆料的湿度为20％～50％，温度为30～60℃。浆料的湿度越小，吃浆速度越快，注件的空气收缩率越低，模具的使用期限越长。在浆料中加入引发剂双苯酰过氧化物(BPO)、丁基酮过氧化物(MEKP)、过硫酸胺、二异丙基过氧化物(IPP)中的一种，引发剂为浆料体积分数的0.2～5％。

3)磁场中浇注成型

搅拌均匀后充入石膏模中，模具外施加静磁场。调整磁场强度大小在合适的范围内(0.1～5.0特斯拉)，控制磁化时间3～60min，使金属与陶瓷颗粒在模内分别向两端聚积，沿厚度(或长度)方向形成所需成分梯度。根据需制备的梯度材料形状、尺寸，设计磁路，获得所需的静磁场。产生静磁场的磁体为电磁铁或高磁能积的第三代稀土磁性钕铁硼材料。当磁场强度2.0特斯拉以上时，可由超导材料提供。

4)脱脂、烧结

在80～160℃下放置5～30min后聚合，再经冷却、脱模后得到具有较高强度和可靠性的生坯。生坯在100～300℃下干燥可除去溶剂，经烧结可除去聚合物，为防止氧化可在一定的保护环境中烧结。生坯在800～1800℃下烧结1h可得到坯体，随后随炉冷却至100～400℃取出。

通过本发明可以制备成分在很大范围内变化的各种厚度的梯度材料，且成分连续变化。成品内部缺陷少，结构紧密具有优异的抗热冲击和热疲劳性能。

实施例1：

1)将石膏浆凝固、硬化制得的石膏模具经干燥后，模具内部型腔是高度为20mm、直径为35mm的圆片。

2)平均颗粒尺寸为3μm的镍粉末和平均颗粒尺寸为0.9μm的Al₂O₃粉末按比例1∶3组成混合粉末，将有机单体丙烯酰胺(AM)与交联剂亚甲基双丙烯酰胺(MBAM)混合，质量比按AM∶MBAM＝12∶1加入，其中有机物含量为15％，并加入含量为浆料质量分数0.1％的分散剂，为JA-281聚丙烯酸复合高分子铵盐和A-6114甲基丙烯酸和甲基丙烯酸铵的复合共聚物，质量比按1∶1组成的混合溶液。然后将混合粉末分散于混合溶液中，混合后固体含量体积分数为60％，然后用25％的浓氨水和36％的浓盐酸调节pH值为7.8。在球磨机中搅拌8h，采用超声波进行弥散化处理制得浆料。浆料的湿度为30％，温度为30℃，粘度为34mPa·s。在浆料中加入占有机单体量1％的引发剂过硫酸铵(APB)溶液及占有机单体量2‰的催化剂四甲基乙二胺(EMED)；

3)搅拌均匀后充入石膏模中，模具外施加静磁场，产生静磁场的磁体为电磁铁，磁场强度为0.3特斯拉，磁化时间为15min。

4)聚合后的坯体在40℃下缓慢烘干，在石墨粉末保护下烧结生坯。以200℃/h的升温速率加热至800℃保温2h，然后以200℃/h加热至1350℃，保温1h。随炉冷却至200℃取出。

对实例1所制备的样品进行电子探针线分析，发现其成分连续变化，Ni由一侧的90％减少到另一侧的5％。样品内部无宏观界面存在，基本没有气孔。对试样进行循环热震试验，在800℃温差、急冷条件下经过100次循环未出现裂纹。

实施例2：

1)将石膏浆凝固、硬化制得的石膏模具经干燥后，模具内部型腔是高度为20mm、直径为35mm的圆片。

2)选取平均颗粒尺寸为4μm的具有较强磁性的钴粉末和平均颗粒尺寸为2.2μm的ZrO₂粉末按比例1∶5组成混合粉末。将有机单体丙烯酰胺(AM)与交联剂亚甲基双丙烯酰胺(MBAM)混合，质量比按AM∶MBAM＝15∶1加入，其中有机物含量为20％，并加入含量为浆料质量分数0.3％的分散剂，为JA-281聚丙烯酸复合高分子铵盐和A-6114甲基丙烯酸和甲基丙烯酸铵的复合共聚物，质量比按1∶1组成的混合溶液。然后将混合粉末分散于混合溶液中，混合后固体含量体积分数为65％，然后用25％的浓氨水和36％的浓盐酸调节pH值为8.2。在球磨机中搅拌6h，采用超声波进行弥散化处理制得浆料。浆料的湿度为30％，温度为30℃，粘度为40mPa·s。在浆料中加入占有机单体量1％的引发剂过硫酸铵(APB)溶液及占有机单体量2‰的催化剂四甲基乙二胺(EMED)；

3)搅拌均匀后充入石膏模中，模具外施加静磁场，产生静磁场的磁体为钕铁硼永磁体材料，磁场强度为0.4特斯拉，磁化时间为10min。

4)聚合后的坯体在40℃下缓慢烘干，生坯的烧结是在石墨粉末保护下进行的，升温速率为300℃/h至1000℃，恒温1.5h，然后以200℃/h至1200℃，恒温2h，而后随炉冷却至300℃取出。

对实例2所制备的样品进行电子探针线分析，发现其成分连续变化，钴粉由一侧的100％到另一侧为5％，无宏观界面存在，内部仅有少量气孔。对所得的试样进行循环热震试验，在800℃温差、急冷条件下经过150次循环未出现裂纹。

实施例3：

1)将石膏浆凝固、硬化制得的石膏模具经干燥后，模具内部型腔是高度为2mm、直径为20mm的圆片。

2)平均颗粒尺寸为8μm的镍粉末和平均颗粒尺寸为3μm的Al₂O₃粉末按比例1∶3组成混合粉末，与非水溶剂高沸点汽油混合，加入有机单体(粘接剂)用三甲基丙烷三丙烯酸盐(TMPTA)。将浆料在球磨机中搅拌5h，并采用超声波进行弥散化处理。然后加入引发剂过硫酸胺，此浆料中包含20％(质量分数)有机单体，1％(体积分数)引发剂，69％(体积分数)溶剂，浆料的湿度为35％，温度为33℃，粘度为55mPa·s。

3)将浆料搅拌均匀后充入石膏模中，模具外施加静磁场，产生静磁场的磁体为钕铁硼永磁体材料，磁场强度为0.7特斯拉，磁化时间为15min。

4)在100℃下放置15min后聚合，再经冷却、脱模后得到生坯。生坯在200℃下干燥除去溶剂，为防止氧化在石墨保护中烧结，烧结温度为1250℃，烧结时间为1h，随后随炉冷却至200℃取出。

对实例3所制备的样品进行电子探针线分析，发现其成分连续变化，Ni粉由一侧的90％到另一侧为1％，无宏观界面存在，内部仅有少量气孔。对所得的试样进行循环热震试验，在800℃温差、急冷条件下经过100次循环未出现裂纹。

实施例4：

1)采用不锈钢模具，模具内部型腔是高度为2mm、直径为30mm的圆片。

2)选取平均颗粒尺寸为5.2μm的具有较强磁性的不锈铁粉和平均颗粒尺寸为3.0μm的SiC粉末内含有5％的Y₂O₃按比例1∶3组成混合粉末，与非水溶剂高沸点汽油混合，加入有机单体(粘接剂)用三甲基丙烷三丙烯酸盐(TMPTA)。将浆料在球磨机中搅拌6h，并采用超声波进行弥散化处理。然后加入引发剂过硫酸胺，此浆料中包含25％(质量分数)有机单体，1％(体积分数)引发剂，60％(体积分数)溶剂，浆料的湿度为40％，温度为33℃，粘度为40mPa·s。

3)模温为27℃，将浆料充入不锈钢模具中，模具外施加静磁场，产生静磁场的磁体为钕铁硼永磁体材料，磁场强度为0.3特斯拉，磁化时间为15min。

4)在100℃下放置15min后聚合，再经冷却、脱模后得到生坯。生坯在200℃下干燥除去溶剂，为防止氧化在石墨保护中烧结，烧结温度为1000℃，烧结时间为2h，随后随炉冷却至200℃取出。

对实例4所制备的样品进行电子探针线分析，发现其成分连续变化不锈铁粉由一侧的100％到另一侧为1％，无宏观界面存在，内部没有气孔。对所得的试样进行循环热震试验，在800℃温差、急冷条件下经过80次循环未出现裂纹。

实施例5：

1)采用塑料模具，模具内部型腔是高度为25mm、直径为30mm的圆片。

2)选取平均颗粒尺寸为3μm的具有较强磁性的不锈铁粉和平均颗粒尺寸为0.9μm的S₃N₄粉末按比例1∶4组成混合粉末，将有机单体丙烯酰胺(AM)与交联剂亚甲基双丙烯酰胺(MBAM)混合，质量比按AM∶MBAM＝10∶1加入，其中有机物含量为20％，并加入含量为浆料质量分数0.5％的分散剂，为JA-281聚丙烯酸复合高分子铵盐和A-6114甲基丙烯酸和甲基丙烯酸铵的复合共聚物，质量比按1∶1组成的混合溶液。然后将混合粉末分散于混合溶液中，混合后固体含量体积分数为65％，然后用25％的浓氨水和36％的浓盐酸调节pH值为9.5。在球磨机中搅拌5h，采用超声波进行弥散化处理制得浆料。浆料的湿度为30％，温度为32℃，粘度为40mPa·s。在浆料中加入占有机单体量0.8％的引发剂过硫酸铵(APB)溶液及占有机单体量2‰的催化剂四甲基乙二胺(EMED)；

3)将浆料充入塑料模具中，模具外施加静磁场，产生静磁场的磁体为钕铁硼永磁体材料，磁场强度为0.6特斯拉，磁化时间为5min。

4)聚合后的坯体在40℃下缓慢烘干，生坯的烧结是在石墨粉末保护下进行的，升温速率为200℃/h至800℃，恒温1.5h，然后以200℃/h至1000℃，恒温2h，而后随炉冷却至300℃取出。

对实例5所制备的样品进行电子探针线分析，发现其成分连续变化不锈铁粉由一侧的100％到另一侧为2％，无宏观界面存在，内部没有气孔。对所得的试样进行循环热震试验，在800℃温差、急冷条件下经过120次循环未出现裂纹。

Claims (9)

1.一种静磁场中功能梯度材料凝胶注模制备方法，其特征在于它的步骤为：

1)浇注模具准备

采用α石膏与β石膏混合型石膏配制，与15～25℃的纯净自来水混合，搅拌3～8分钟后浇注，由石膏浆凝固、硬化制得的石膏模具经干燥后，在温度25～38℃、相对湿度20～30％的环境中保存；

2)浆料制备

采用颗粒尺寸为0.1～100μm的强磁性不锈铁粉或镍粉、钴粉，与颗粒尺寸为0.1～100μm的ZrO₂、SiC、AlN、Si₃N₄、B₄C、SiO₂、TiC、Al₂O₃中的一种或几种陶瓷粉末按0.1～10∶1的比例组成混合粉末，此混合粉末与溶剂混合成浆料；

当溶剂为水时，将混合粉末分散于混合溶液中，混合后固体含量体积分数为45～70％，调节pH值为5～12，在球磨机中搅拌1～10h，采用超声波进行弥散化处理制得浆料，浆料的湿度为20％～50％，温度为30～60℃，粘度为1～100mPa·s，在浆料中加入占有机单体量0.3～3％的引发剂过硫酸铵APB及占有机单体量0.5～5‰的催化剂四甲基乙二胺EMED；

当为非水溶剂时，加入粘接剂，粘接剂为浆料质量分数的10～50％，将浆料在球磨机中搅拌1～10h，制成均匀弥散的浆液，并用超声波进行弥散化处理，此时浆料中溶剂体积分数为浆料的50～80％，浆料的湿度为20％～50％，温度为30～60℃，在浆料中加入引发剂，引发剂为浆料体积分数的0.2～5％；

3)磁场中浇注成型

搅拌均匀后充入模具中，模具外施加静磁场，磁场强度为0.1～5.0特斯拉，磁化时间为3～60min；

4)烘干、烧结

固化5～60min，去模，并在35～60℃下缓慢烘干，得到的生坯在石墨或氮气的保护环境中烧结成型，烧结温度在600～1400℃之间，随后随炉冷却至100～300℃取出。

2.根据权利要求1所述的一种静磁场中功能梯度材料凝胶注模制备方法，其特征在于所说的浇注模具材料采用石膏、钢铁、玻璃、塑料。

3.根据权利要求1所述的一种静磁场中功能梯度材料凝胶注模制备方法，其特征在于所说当溶剂为水时的混合溶液为有机单体丙烯酰胺AM与交联剂亚甲基双丙烯酰胺MBAM混合，质量比按AM∶MBAM＝6～18∶1加入，其中有机物含量为10～25％，并加入含量为浆料质量分数0.05％～0.50％的分散剂。

4.根据权利要求3所述的一种静磁场中功能梯度材料凝胶注模制备方法，其特征在于所说的分散剂为JA-281聚丙烯酸复合高分子铵盐分子量5000～8000、pH为7和A-6114甲基丙烯酸和甲基丙烯酸铵的复合共聚物分子量10000、pH为7，质量比按1∶1混合。

5.根据权利要求1所述的一种静磁场中功能梯度材料凝胶注模制备方法，其特征在于所说的调节pH值是使用浓氨水15～38％和浓盐酸15％～40％。

6.根据权利要求1所述的一种静磁场中功能梯度材料凝胶注模制备方法，其特征在于所说的非水溶剂为二元酯、高沸点汽油、长链乙醇中的一种。

7.根据权利要求1所述的一种静磁场中功能梯度材料凝胶注模制备方法，其特征在于所说的非水溶剂中使用的粘接剂为三甲基丙烷三丙烯酸盐TMPTA、丙烯酰胺或1，6乙二醇二乙烯酸盐HDODA中的一种。

8.根据权利要求1所述的一种静磁场中功能梯度材料凝胶注模制备方法，其特征在于所说的非水溶剂中使用的引发剂是双苯酰过氧化物BPO、丁基酮过氧化物MEKP、过硫酸胺、二异丙基过氧化物IPP中的一种。

9.根据权利要求1所述的一种静磁场中功能梯度材料凝胶注模制备方法，其特征在于所说的产生静磁场的磁体为电磁铁或高磁能积的第三代稀土磁性钕铁硼材料，或者为超导材料，磁场强度为0.1～5.0特斯拉。

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