交变磁场中金属/陶瓷梯度材料的压滤成型制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种交变磁场中金属/陶瓷梯度材料的压滤成型制备方法，属于材料 制备领域。
【背景技术】
[0002] 压滤成型是近年来迅速发展并引起广泛关注的一种陶瓷部件成型工艺，其主要原 理是在外加压力作用下，使在一定条件下在液态介质中分散有固相陶瓷颗粒的浆料通过输 浆管道进入模型腔内，并通过多孔滤层滤出部分液态介质，从而使陶瓷颗粒紧密排列固化 成为具有一定形状的陶瓷坯体。
[0003] 粉末原料制备的陶瓷材料通常包括粉末制备、粉料处理、粉末成型、烧结致密化几 个步骤。每一步均有可能引入缺陷。烧结以前各步骤中引入的缺陷有些将在下一步工艺过 程中被消除，而有一些将保持至最后或者随着工艺过程的推进转变为新的缺陷。最终引起 材料破坏的缺陷大多起源于坯体中，亦即形成于成型过程。这些缺陷起源包括：软团聚、硬 团聚、有机夹杂，无机夹杂和大晶粒。这些主要缺陷种类，大多可以通过压滤成型来消除或 减少。
[0004] 压滤成型是提高陶瓷材料工程可靠性的有效工艺。尤其对于制备较大尺寸截面和 复杂形状的陶瓷制品，压滤成型更显示出其优越性。由于压滤成型采用极少量的有机添加 剂，成型密度高，且没有排除有机物的困难，因此适宜于成型大截面制品，也可以消除有机 物夹杂所造成的缺陷。压滤成型采用液相介质制备浆料直接成型，可以采用沉淀分离等方 法去除粉料中的团聚体、大颗粒及夹杂体。而不经过干燥过程直接成型又避免了新的团聚 体的形成，从而可以提高成型坯体的显微均匀性。在制备陶瓷基复合材料时，压滤成型还可 以避免破坏纤维状复合相，并且能有效地将其均匀分布于基体中。
[0005] 功能梯度材料（FGM)是一类组成结构和性能在材料厚度或长度方向连续或准连续 变化的非均质复合材料。如果构成梯度材料的组分一种为陶瓷，另外一种为金属，则可以实 现陶瓷和金属单独使用时都达不到的性能。主要制备方法有粉末成型、气相沉积法、自蔓延 反应合成、等离子喷涂、电铸法、电镀法、激光烧结和离心铸造等。这些制备方法要求复杂的 工艺或设备，大多需要在制备过程中持续地改变原料成分或工艺参数。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。
[0006] 目前，对于许多重要的功能梯度材料如：Zr02/Ni、Zr02/钢、Al 203/Ni、SiC/Fe等，金 属组元Fe、Ni、Co等过渡金属属于铁磁性物质，而陶瓷组元A1 203、Zr02、SiC、AIN、Si3N4等 是弱磁性物质。铁磁性物质在居里温度以下具有强磁性，而弱磁性物质对磁场不敏感。利 用二者之间磁性能的差异，我们小组先后采用静磁场、脉冲磁场和运动磁场中采用压滤成 型法成功制备出了梯度材料，相关技术已经授权发明专利。
[0007] 遗憾的是，上述几种方法虽然能够制备功能梯度材料，但是对样品组元的磁性能 有要求。体系的组分中必须有强磁性(铁磁性、亚铁磁性)组元和弱磁性(反铁磁性、顺磁性、 抗磁性)组元，否则不能采用上述方法制备。因此，上述几种方法存在很大局限性。几年来， 我们小组在原来的实验基础上不断改进，并取得突破性进展。在压滤成型的基础上，利用交 变磁场控制金属组元的移动，成功制备出了成分连续的金属/陶瓷梯度材料。
[0008] 本发明的原理是：金属材料通常具有良好的导电性，在交变磁场中会因磁场的连 续变化而在材料内部产生感应电流，根据楞次定律判断，感生电流产生的磁场应该是阻碍 内部磁通的变化。因此，感生磁场与交变磁场会产生力的作用，磁力/?勺大小为：
其中，K是颗粒体积，靡3颗粒感生磁化强度，grad #磁场梯度。磁化强度M与输入电 流强度直接相关，电流强度越大，则感生磁化强度越大。磁场梯度与颗粒所处的位置有关： 在线圈内部中央位置，磁场分布均匀，磁场梯度为零，因此颗粒受到的磁力为零；在线圈端 部位置，磁场梯度最大，在该位置处，金属颗粒受到的磁力最大。因此，金属颗粒受到磁力的 大小与电流强度、交变磁场的频率以及金属在磁场中的位置有关系。陶瓷材料通常电阻率 很高，在交变磁场中不会有涡流产生，因此不受交变磁场影响。于是，基于金属和陶瓷组元 对交变磁场不同的相应，可以采用交变磁场控制金属组元在复合体系内的分布，通过压滤 成型法制备金属/陶瓷梯度材料。
[0009] 本方法的突出优点就是在压滤成型工艺的基础上施加交变磁场制备梯度材料，通 过调整电流强度、频率等工艺参数，可以方便地制备出成分连续变化且可控的梯度材料，成 本大大降低。
【发明内容】
[0010] 本发明的目的是提供一种交变磁场中金属/陶瓷梯度材料的压滤成型制备方法。
[0011] 它的步骤为： 1) 模具准备 将α-石膏和β-石膏混合型石膏粉与水混合，并加入聚氟化乙烯、三聚氰胺树脂或 酚醛树脂等有机添加剂，其含量为石膏质量的5~25%，搅拌3~8分钟后浇注，石膏浆经凝 固、硬化、干燥后制得石膏模具； 2) 浆料制备 将颗粒尺寸为0. 1~1000 ym的&1、41、八8、1%、211、？6等优良导电性的金属颗粒与颗 粒尺寸为0. 1~1000 ym的21〇2、51(：、5102、11(：、￥20 3、六1203等高电阻率的陶瓷颗粒按质量 比0. 1~10 :1混合，加入去离子水，至固相含量达30~55vol%，在球磨机中球磨1~10h， 超声波弥散化处理1~15min，制得弥散浆料； 3) 交变磁场中压滤成型 将弥散浆料注入石膏模中，模具外施加交变磁场，交变磁场是由交变电流通过线圈产 生，样品位于交变磁场线圈端部，电流强度为0. 1~20A，电流频率为IO2~10 5Hz,作用时间 为1~20min，随后对浆料施加压力，并进行保压处理，施加的压力为0· 1~lOMpa，保压时 间为10~IOOmin。
[0012] 受交变磁场作用，导电性的金属内部产生感生电流，进而产生感生磁场，感生磁场 与初生磁场之间的相互作用使金属受到驱动，进而在体系中形成成分梯度。降低交变电流 强度和频率，金属组元受到的驱动力降低，成分梯度减小。提高交变电流强度和频率，金属 组元受到的驱动力增大，成分梯度则增大。在交变磁场的作用下，交变电流强度和频率从小 增大时，金属和陶瓷颗粒分别向两端聚积； 4)烧结 固化、去模并在35~60°C下缓慢烘干。得到的生坯在氩气或氮气的保护环境中烧结成 型，烧结温度为1000~1400°C，随炉冷却至100~300°C取出。
[0013] 本发明的优点是： 1) 通过施加交变磁场，改变电流强度、电流频率、磁场作用时间，可以在很大成分范围 内制备出各种厚度的梯度材料，成分变化可控； 2) 与静磁场下、脉冲磁场和运动磁场条件下制备功能梯度材料相比，交变磁场对组元 的磁性没有要求，仅仅需要其中一种组元为导电性金属，因此突破了上述技术的限制，适用 范围更广； 3) 利用成熟的陶瓷压滤成型方法使制备梯度材料的工艺简化、成本降低。
【具体实施方式】
[0014] 实施例1 : 1) 模具准备 将α-石膏和β-石膏混合型石膏粉与水混合，并加入聚氟化乙烯有机添加剂，其含 量为石膏质量的5%，搅拌3分钟后浇注，石膏浆经凝固、硬化、干燥后制得石膏模具，模具内 部型腔是高度为15_、直径为15_的圆片； 2) 浆料制备 将颗粒尺寸为〇. I ym的金属Cu颗粒与颗粒尺寸为0. 1~1000 μL?的21"02陶瓷颗粒 按质量比〇. 1 :1混合，加入去离子水，至固相含量达30vol%，在球磨机中球磨lh，超声波弥 散化处理lmin，制得弥散浆料； 3) 交变磁场中压滤成型 将弥散浆料注入石膏模中，模具外施加交变磁场，交变磁场是由交变电流通过线圈产 生，样品位于交变磁场线圈端部，电流强度为0. 1A，电流频率为IO2Hz,作用时间为lmin，随 后对浆料施加压力，并进行保压处理，施加的压力为〇· IMpa，保压时间为IOOmin ; 4) 烧结 固化、去模并在35°C下缓慢烘干。得到的生坯在氩气的保护环境中烧结成型，烧结温度 为1000°C，随炉冷却至100°C取出。
[0015] 所制备的样品组织致密，孔隙率低，表面平整。对样品进行电子探针线扫描，发现 样品内部无宏观界面存在，成分连续变化，Cu含量由一侧的16%减少到另一侧的5%。
[0016] 实施例2: 1) 模具准备 将α-石膏和β-石膏混合型石膏粉与水混合，并加入三聚氰胺树脂有机添加剂，其 含量为石膏质量的10%，搅拌5分钟后浇注，石膏浆经凝固、硬化、干燥后制得石膏模具，模 具内部型腔是高度为15mm、直径为15mm的圆片； 2) 浆料制备 将颗粒尺寸为I ym的金属A