通过螯合反应实现延迟固化的陶瓷胶态成型方法

文档序号:1790926阅读:1122来源:国知局
专利名称:通过螯合反应实现延迟固化的陶瓷胶态成型方法
技术领域
本发明涉及一种通过鳌合反应实现延迟固化的陶瓷胶态成型方法,属材料制备技术领域。
高技术陶瓷材料,如氧化铝、氧化锆、氮化硅、氮化铝、碳化硅等因具有高强度、高硬度、耐高温、耐磨损和抗腐蚀等一系列优良的力学性能和化学稳定性;因此在现代科学技术与工业领域(如航天、化工、信息电子、生命科学等方面)应用的愈来愈多。这些材料多作为一种结构部件使用,具有各种不同形状,并要求尺寸精确,达到近净尺寸成型。传统的成型制造工艺如干压成型很难制备复杂形状的陶瓷部件,而普通注浆成型只限于薄壁陶瓷件,对于厚壁陶瓷成型体内部存在密度梯度,烧结时容易产生缺陷和开裂。因此,高技术陶瓷部件的精密成型制造成为一个关键技术。
本发明目的提出一种通过鳌合反应实现延迟固化的陶瓷胶态成型方法,其基本原理是应用褐藻酸钠与钙盐中的钙离子化学键合形成凝胶大分子将陶瓷悬浮体转变为固态陶瓷坯体。而上述凝胶反应可通过加入钙离子鳌合剂与钙盐的鳌合反应来调控。当鳌合反应进行完全时,褐藻酸钠很难与钙离子发生凝胶反应,而当这种鳌合反应被某些酸性物质破坏时,鳌合的钙离子被释放再与褐藻酸钠水溶液的陶瓷悬浮体原位固化成所需形状的陶瓷坯体。
本发明提出的通过鳌合反应实现固化可控的陶瓷胶态注模成型,包括以下各步骤1)配制褐藻酸钠溶液,室温下将固体粉末状褐藻酸钠加入水中,搅拌至褐藻酸钠完全溶解为止。配制溶液比例为褐藻酸钠∶水=0.5~2∶100(以质量计)。
2)在上述配制好的褐藻酸钠溶液中加入陶瓷粉料、钙盐和鳌合剂,同时搅拌均匀混合。钙盐主要包括碳酸钙、磷酸钙及磷酸氢钙。鳌合剂包括柠檬酸三钠和六偏磷酸钠。褐藻酸钠水溶液与陶瓷粉末的体积比为55~120∶100。褐藻酸钠水溶液与鳌合剂和钙盐的质量比为100∶0.1~0.4∶0.1~0.3。
3)将第二步骤得到的混合料悬浮体倒入球磨罐进行球磨,球磨时间为48~72小时。球磨过程中一方面陶瓷粉料逐渐均匀地分散在溶液中;另一方面,鳌合剂与钙盐中钙离子发生鳌合反应,避免钙离子与褐藻酸钠反应形成凝胶而使悬浮体粘度增大。
4)球磨后的陶瓷悬浮体具有较好流动性,在室温下进行真空除泡10~30分钟,真空度为600~750mmHg。
5)在除泡后的陶瓷悬浮体中加入酸性较强的物质如己二酸或盐酸,通过搅拌使其均匀分散。酸与褐藻酸钠溶液的比例为0.5~1.0(g)∶100(ml)。
6)加入酸后的陶瓷悬浮体立即注入非孔模具中。模具材料可用金属、塑料、硬橡胶、玻璃等任何一种。注模后,模具中悬浮体内的酸将逐步从鳌合物中把钙离子置换出来,这些钙离子与褐藻酸钠发生化学反应形成凝胶大分子,把悬浮体中陶瓷颗粒和水分子都固定住,使模具中陶瓷悬浮体原位固化成陶瓷坯体。大约30~60分钟后,陶瓷坯体具有足够强度,进行脱模,即可得到所需形状的陶瓷部件。
本发明提出的方法具有如下优点1)适合不同种类的陶瓷悬浮体的成型;2)可成型各种复杂形状和大小的陶瓷部件;3)成型的陶瓷坯体表面光洁、尺寸精度高;4)成型所用的褐藻酸钠离分子,鳌合剂和钙盐等均无毒性,对环境无污染,且用量少,价格低廉,便于工业化生产。
下面介绍
具体实施例方式实施例1高纯氧化铝陶瓷部件的成型氧化铝为美国公司生产的高纯(99.97%)陶瓷粉,平均粒径为0.5μm。褐藻酸钠由上海化学试剂分装厂生产。磷酸氢钙为北京盖利精细化学品有限公司分析纯试剂。六偏磷酸钠系由北京化学试剂公司生产的分析纯试剂。乙二酸由北京红星化工厂生产的分析纯试剂。
在200毫升水中加入2克褐藻酸钠高分子搅拌到完全溶解,然后加入800克氧化铝陶瓷超细粉,0.5g六偏磷酸钠为鳌合剂和1克的磷酸氢钙为钙盐固化剂。混合球磨60小时,制得固相体积分数约为50%陶瓷悬浮体,然后于真空条件下除去悬浮体中可能存在的气泡,加入1.5克的乙二酸完全均匀分散在陶瓷悬浮体内,随后将上述陶瓷悬浮体注入金属模具。大约半小时后,模腔内陶瓷悬浮体凝固形成固态坯体,并达到一定强度,此时可将已固化的陶瓷部件从模具中取出。
实验例2国产工业氧化铝陶瓷部件的成型氧化铝为河南鑫源铝业有限公司生产的工业粉,平均粒约为2.8μm,褐藻酸钠、磷酸氢钙、乙二酸试剂同上,但鳌合剂改为柠檬酸三钠。
于240毫升水中加入2.4克褐藻酸钠高分子搅拌到溶解后,加入950克上述国产工业化铝粉,1.2克磷酸氢钙为钙盐固化剂,1.5克的柠檬酸三钠为鳌合剂。通过球磨机球磨72小时,得到固相体积分数为52%陶瓷悬浮体,然后进行真空除泡。再加入1.8克的乙二酸并均匀分散在悬浮体中,随后将上述陶瓷悬浮体注入塑料模具中,约40分钟后模具内悬浮体固化为陶瓷坯体并可脱模取出。
实验例3氮化硅陶瓷部件的成型氮化硅粉为德国STACK公司生产,平均粒径约为0.8um,使用褐藻酸钠凝胶高分子,鳌合剂柠檬酸三钠。均同上,但钙盐系用磷酸钠。
300毫升水中加入克褐藻酸钠高分子,待搅拌完全溶解后,加入1000克氮化硅陶瓷粉,2克柠檬酸三钠和1.5克磷酸钙。通过球磨60小时制得流动性良好的陶瓷悬浮体,经真空除泡后,再加入2克乙二酸与悬浮体均匀混合后将悬浮体注入一玻璃模具内,约50分钟后悬浮体完全固化并达到较高强度,即可从模具内取出,得到表面光洁,形状完好的氮化硅陶瓷坯体。
实验例4碳化硅陶瓷部件的成型碳化硅粉由山东维场华美磨料磨具厂生产,平均粒径为1.48μm,海藻酸钠高分子和六偏磷酸钠同上。但钙盐采用碳酸钙。
250毫升水中加入2.5克褐藻酸钠高分子,搅拌至溶解。加入800克碳化硅粉,0.6克六偏磷酸钠和0.8克的碳酸钙。将上述混合料球磨72小时,得到粘度较低易于流动的陶瓷悬浮体,真空除泡20分钟后加入1克乙二酸,再将悬浮体注入金属模具,静止放置35分钟后悬浮体固化成坯体,此时即可脱模。
实验例5氧化锆陶瓷部件成型氧化锆(ZrO2)陶瓷粉料由北京方大高技术陶瓷公司生产,平均粒径为0.8um,鳌合剂六偏磷酸三钠,凝胶大分子褐藻酸钠同上,钙盐采用磷酸氢钙。
150毫升水中加入1.5克褐藻酸钠高分子,搅拌至溶解,然后加入氧化锆粉850克,0.4克六偏磷酸钠和0.6克磷酸氢钙。上述混合物经球磨54小时后,真空除泡15分钟,以便除去在球磨过程中陶瓷悬浮体内中产生的一些气泡。然后加入乙二酸约1.2克用于消除鳌合反应,释放钙离子。随即将陶瓷悬浮体注入塑料模具内,静止放置40分钟。模具内悬浮体转变为具有一定强度的陶瓷坯体,并可脱模。所得坯体的尺寸形状完好。
权利要求
1.一种通过鳌合反应实现固化可控的陶瓷胶态注模成型,其特征在于,该方法包括以下各步骤(1)配制褐藻酸钠溶液室温下将固体粉末状褐藻酸钠加入水中,搅拌至褐藻酸钠完全溶解为止,配制的溶液,其质量比为褐藻酸钠∶水=0.5~2∶100;(2)在上述配制好的褐藻酸钠溶液中加入陶瓷粉料、钙盐和鳌合剂,同时搅拌均匀混合,其中钙盐为碳酸钙、磷酸钙或磷酸氢钙中的任何一种,鳌合剂为柠檬酸三钠或六偏磷酸钠,褐藻酸钠水溶液与陶瓷粉末的体积比为55~120∶100,褐藻酸钠水溶液与鳌合剂和钙盐的质量比为100∶0.1~0.4∶0.1~0.3;(3)将上述第二步骤得到的混合料悬浮体倒入球磨罐进行球磨,球磨时间为48~72小时;(4)球磨后的陶瓷悬浮体具有较好流动性,在室温下进行真空除泡10~30分钟,真空度为600~750mmHg;(5)在除泡后的陶瓷悬浮体中加入己二酸或盐酸,通过搅拌使其均匀分散,酸与褐藻酸钠溶液的比例为0.5~1.0(g)∶100(ml);(6)加入酸后的陶瓷悬浮体立即注入非孔模具中,30~60分钟后,陶瓷坯体具有足够强度,进行脱模,即为本发明的陶瓷部件。
全文摘要
本发明涉及一种通过螯合反应实现固化可控的陶瓷胶态注模成型,首先配制褐藻酸钠溶液,然后在其中加入陶瓷粉料、钙盐和螯合剂,将混合料悬浮体进行球磨,球磨后的陶瓷悬浮体在室温下进行真空除泡,除泡后加入酸性较强的物质如己二酸或盐酸,加入酸后的陶瓷悬浮体立即注入非孔模具中,冷却脱模,即可得到所需形状的陶瓷部件。本发明适合不同种类的陶瓷悬浮体的成型,成型的陶瓷坯体表面光洁、尺寸精度高。
文档编号C04B35/63GK1291602SQ00124980
公开日2001年4月18日 申请日期2000年9月29日 优先权日2000年9月29日
发明者谢志鹏, 黄勇, 杨金龙, 贾玉 申请人:清华大学
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