CN1978385A

CN1978385A - 纳米陶瓷的水基凝胶注模成型方法

Info

Publication number: CN1978385A
Application number: CN 200510129874
Authority: CN
Inventors: 张永胜; 胡丽天; 胡天昌; 陈建敏
Original assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Current assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Priority date: 2005-12-09
Filing date: 2005-12-09
Publication date: 2007-06-13

Abstract

本发明涉及一种纳米陶瓷的水基凝胶注模成型方法。该方法首先将纳米陶瓷粉体用凝胶注模方法成型，然后将干燥后的凝胶注模坯体在模具中加压成型。通过本发明制备的材料，大大提高了纳米陶瓷素坯的密度，显著改善其显微结构。

Description

纳米陶瓷的水基凝胶注模成型方法

技术领域

本发明涉及一种纳米陶瓷的水基凝胶注模成型方法，主要涉及水基凝胶注模成型与干压成型技术相结合来制备纳米陶瓷的方法。

背景技术

纳米材料以其超常规的力学、电学、光学和磁学等性能，二十余年来引起人们广泛的关注。纳米陶瓷更是以其优异的强度、韧性和与金属类似的超塑性，展现出诱人的应用前景。然而，高致密度纳米陶瓷的制备却非常困难。纳米粉体由于晶粒尺寸小、比表面积大，采用传统的成型方法容易引入缺陷，坯体内部颗粒很难分布均匀。而素坯的致密度和结构的均匀性对纳米陶瓷后续的烧结具有重要的影响，高致密度和均匀的结构可使坯体在较低的温度下致密化。因此，纳米陶瓷素坯的成型成为一个关键技术。

为解决这些问题，国内外研究工作者采用了各种方法以提高纳米陶瓷素坯的质量。这方面的研究主要集中在干法成型上，如采用脉冲电磁场技术、超高压技术、橡胶等静压技术等，虽然收到一定的效果，但是缺点也很明显，如模具损耗大，成本高，素坯易分层等。近年来，湿法成型因能够控制坯体中颗粒的团聚及杂质含量，减少坯体缺陷而发展很快。在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(Gel casting)，该工艺以设备简单、成型坯体组份均匀、密度均匀、缺陷少、不需脱脂、不易变形及实用性很强等突出优点，受到国内外学术界和工业界的极大重视。该技术首先发明的是有机溶剂的非水凝胶注模成型(Nonaqueous gelcasting)，随后作为一种改进，又发明了用于水溶剂的水凝胶注模成型(aqueous gelcasting)，并广泛应用于各种陶瓷中。利用水基凝胶注模成型技术，使有机单体在一定条件下发生原位聚合反应，形成坚固的网状结构，能有效地控制颗粒的团聚，减少坯体的缺陷，制备强度高、结构均匀的陶瓷坯体，这种技术将成为纳米陶瓷成型的主要方法之一。但目前对凝胶注模成型的研究大多集中在微米级粉体上，对纳米陶瓷成型的研究很少。

对水基凝胶注模成型技术而言，关键是配制高固相含量且流动性较好的浆料。但由于纳米颗粒表面能高，比表面积大，在范德华力的作用下很容易发生团聚，在凝胶注模成型时很难获得高固相含量的浆料，因而所得素坯的密度并不理想。

发明内容

本发明的目的是在于提供一种纳米陶瓷的水基凝胶注模成型方法，它可以大大提高陶瓷素坯密度，而且可显著改善其显微结构的水基凝胶成型工艺方法。

一种纳米陶瓷的水基凝胶注模成型方法，其特征在于该方法包括以下几个步骤：

a将有机单体和交联剂溶解于水中，并加入水溶性高分子作为分散剂，制成单体溶液；有机单体为丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、甲基聚乙二醇单甲基丙烯酯、乙烯基咯酮其中之一；交联剂为N，N′-亚甲基双丙烯酰胺；分散剂为聚乙二醇、聚丙烯酸及其共聚物或聚乙烯亚胺；

b单体溶液中加入纳米陶瓷粉体，经过超声分散后得到混合浆料，经过球磨、真空脱泡；纳米陶瓷粉体选自氧化锆、氧化铝、氧化锌或氧化钛；

c向真空脱泡后的浆料中加入引发剂和催化剂并搅拌均匀，而后注入模具中，置于50℃～80℃烘箱内，保温10～60分钟，即得到固化的坯体；引发剂为过硫酸铵、过硫酸钠、过硫酸钾其中之一的水溶液；催化剂N，N，N′，N′-四甲基乙二胺的水溶液；

d将坯体脱模、干燥后在模具加压成型，并烧结。

本发明所述的纳米陶瓷粉体选自氧化锆、氧化铝、氧化锌或氧化钛，粒径范围为5～50nm。

所述分散剂为聚乙二醇、聚丙烯酸及其共聚物或聚乙烯亚胺，加入量为陶瓷粉体重量的0.1～2.0％。

所述有机单体与交联剂的质量比为10～12∶1；有机单体和交联剂的加入量为陶瓷粉体重量的2～10％；引发剂和催化剂的加入量为有机单体重量的0.5～1.5％。

所述加压成型压力为100～1000MPa，保压时间为5～20分钟。

本发明的创新点在于用一种新的方法一水基凝胶注模成型和干压成型技术相结合来制备纳米陶瓷素坯，成型的陶瓷素坯致密度高，结构均匀，且成型工艺简单，不需专用设备，便于工业化生产。

本发明的技术关键：

首先，制备晶体粒度细小(5～50nm)、粒径分布均匀、纯度高、团聚少的陶瓷粉体，是整个陶瓷成型的前提。

其次要选择合适的分散剂，制备高固相含量、低粘度、分散均匀的陶瓷浆料，是保证获得高致密度、均匀的显微结构的关键。纳米粉体由于比表面积大，表面能高，在液相介质中受范德华力的作用极易发生团聚，分散剂可防止颗粒的团聚而制备出相对高固相含量和低粘度的陶瓷浆料。

具体实施方式

下面介绍本发明的实施例：

实施例1：氧化锆纳米陶瓷的制备

采用化学共沉淀法制备平均粒径为8～12nm ZrO₂(3Y)(氧化钇稳定氧化锆)陶瓷粉体，把该粉末研磨后备用。取以上粉体10克，在其中加入2.5ml水，同时加入0.5克有机单体丙烯酰胺和0.05克交联剂N，N′-亚甲基双丙烯酰胺，并加入0.12克聚丙烯酸铵作为分散剂，并用氨水调节PH值至10，超声10分钟后再球磨4小时。将球磨后的浆料真空脱泡10分钟，分别加入0.03克浓度为10％的过硫酸铵溶液和四甲基乙二胺溶液，然后注入模具中在40℃下聚合30分钟得到成型坯体；固化后的坯体经脱模后，将其切割成2mm厚的薄片，并在室温条件下静置6小时后再放入80℃烘箱中继续干燥12小时。将干燥后的凝胶注模坯体用压片机在钢模具中单向加压，压强为1000MPa，恒压时间为5分钟，即得所需的陶瓷坯体。

结果：对制得的陶瓷素坯进行相关的性能测试发现，陶瓷坯体的相对密度高达53％，平均气孔尺寸仅为3nm，坯体经1250℃烧结2小时后可得到完全致密的纳米Y-TZP陶瓷。

实验例2：氧化铝纳米陶瓷的成型

采用高分子网络凝胶法制备了粒径为5～10nm的Al₂O₃陶瓷粉体，取粉体10克，在其中加入3.5ml水，同时加入0.2克聚丙烯酸作为分散剂，并用氨水调节PH值至12。将干燥后的凝胶注模坯体用压片机在钢模具中单向加压，压强为250MPa。其余同实施例1。

结果：对制得的陶瓷素坯进行相关的性能测试发现，陶瓷坯体的相对密度高达51％，坯体经1400℃烧结2小时后可得到完全致密的纳米Al₂O₃陶瓷。

实验例3：氧化钛纳米陶瓷的成型

采用水解法制备了粒径为10～15nm的TiO₂陶瓷粉体，取粉体10克，在其中加入3ml水，同时加入0.15克聚丙烯酸作为分散剂，并用氨水调节PH值至12。将干燥后的凝胶注模坯体用压片机在钢模具中单向加压，压强为250MPa。其余同实施例1。

结果：对制得的陶瓷素坯进行相关的性能测试发现，陶瓷坯体的相对密度高达58％，坯体经900℃烧结2小时后可得到完全致密的纳米TiO₂陶瓷。

Claims

1、一种纳米陶瓷的水基凝胶注模成型方法，其特征在于该方法包括以下几个步骤：

d将坯体脱模、干燥后在模具加压成型，并烧结。

2、如权利要求书1所说的方法，其特征在于纳米陶瓷粉体选自氧化锆、氧化铝、氧化锌或氧化钛，粒径范围为5～50nm。

3、如权利要求书1所说的方法，其特征在于分散剂为聚乙二醇、聚丙烯酸及其共聚物或聚乙烯亚胺，加入量为陶瓷粉体重量的0.1～2.0％。

4、如权利要求书1所说的方法，其特征在于有机单体与交联剂的质量比为10～12∶1。

5、如权利要求书1所说的方法，其特征在于有机单体和交联剂的加入量为陶瓷粉体重量的2～10％。

6、如权利要求书1所说的方法，其特征在于引发剂和催化剂的加入量为有机单体重量的0.5～1.5％。

7、如权利要求书1所说的方法，其特征在于加压成型压力为100～1000MPa，保压时间为5～20分钟。