一种高纯氧化铝陶瓷材料的制备方法与流程

本发明涉及氧化铝陶瓷材料生产技术领域，尤其涉及一种高纯氧化铝陶瓷材料的制备方法。

背景技术：

约95wt％Al₂O₃陶瓷成型工艺，当前主要采用20世纪50年代的热压铸成型。在热压铸成型过程中经常出现塌坑、缩孔、皱纹等缺陷；排蜡时间长且容易开裂、起皮、缩孔等现象；焙烧后收缩大、变形大、废品率较高等。90年代初，美国橡树岭国家实验室发明了凝胶注模成型技术(Gel-casting)，由于其显著的优点越来越受到关注，它将胶体化学理论巧妙的应用于传统的注浆成型工艺中，使有机单体与分散稳定的陶瓷料浆交联形成紧密的三维网状结构，被胶凝的固相颗粒得以在成型中原位固化降低了密度不均等产品缺陷。因此凝胶注模成型工艺对制备高强度高韧性的复杂形状部件具有十分重要的意义。目前广泛应用的是丙烯酰胺凝胶体系，由于该体系中的有机单体对人体健康和环保有负面影响，故寻找环境友好且无毒的凝胶体系是凝胶注模工艺发展的方向。

许保华等人(陶瓷.2011.13.19-20)采用明胶体系制备氧化铝陶瓷，在明胶溶液中加入尿素抑制其凝胶化，用其制备料浆悬浮体，之后加入尿酶将尿素分解，使明胶大分子重新获得氢键结合力，完成凝胶化转变，形成网络结构，获得氧化铝陶瓷坯体，但是，此法步骤复杂，所用原料较多，成本大，难以工业化推广。

CN103304223A的发明公开了一种高纯氧化铝陶瓷的制备方法，通过在氧化铝颗粒表面形成的纳米氧化铝涂层作为助烧结剂，使得少量烧结助剂可以在主相中均匀分散，实现了小剂量烧结助剂的均匀添加。该制备方法不适于工业化生产高纯氧化铝陶瓷材料。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高纯氧化铝陶瓷材料的制备方法。

本发明的技术方案是：一种高纯氧化铝陶瓷材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)配制氧化铝陶瓷浆料，将氧化铝陶瓷浆料进行球磨混料；

(2)球磨后的浆料进行真空除泡；

(3)将真空除泡后的浆料置于模具中，加入羧甲基壳聚糖溶液，搅拌混合均匀，滴 入戊二醛溶液后，室温干燥，脱模；

(4)将生坯进行高温烧结后，制得高纯氧化铝陶瓷材料成品。

步骤(1)中，氧化铝陶瓷浆料中氧化铝的固含量为45-55vol％，氧化铝陶瓷浆料的分散剂采用聚丙烯酸铵，其加入量为氧化铝质量的2.5-3％，氧化铝陶瓷浆料的塑化剂采用甘油，其加入量为氧化铝质量的1-2％。

步骤(1)中，球磨混料时间为20-24h。

步骤(2)中，真空除泡时间为8-10min，真空度为-0.095MPa～-0.09MPa。

步骤(3)中，羧甲基壳聚糖的加入量为氧化铝质量的0.5-1％，戊二醛的滴入量为氧化铝质量的0.02-0.035％，室温干燥时间为24h。

步骤(4)中，高温烧结工艺参数控制如下：

①室温升温至300℃，时间在100-120min；

②300℃升温至600℃，时间在200-210min；

③600℃维持2-2.5h；

④600℃升温至1250℃，时间在130-150min；

⑤1250℃升温至1500℃，时间在100-110min；

⑥1500℃维持2-3h；

⑦1500℃降温至600℃，时间在900-120min；

⑧温度降至600℃之后自然冷却至室温。

本方法与其它制备氧化铝陶瓷材料的方法相比，具有如下有益效果：

(1)本发明首次采用糖类大分子羧甲基壳聚糖体系来制备高纯氧化铝陶瓷材料；(2)本发明无需使用催化剂、引发剂等，生产成本低，操作简单，所述周期短，重复性高，便于实现工业化生产；

(3)本发明具有无毒、环境友好的特点；

(4)本发明脱模后的半成品干燥、烧结后变形和收缩小，获得的高纯氧化铝陶瓷材料品质佳。

附图说明

图1为本发明所述制备方法的流程图。

图2为本发明实施例1中高纯氧化铝陶瓷的X射线衍射图。

图3为本发明实施例2中高纯氧化铝陶瓷生坯的扫描电子显微镜图片。

图4为本发明实施例3中高纯氧化铝陶瓷的断面扫描电子显微镜图片。

具体实施方式

实施例1：高纯氧化铝陶瓷材料的制备

如图1，称取1g羧甲基壳聚糖，并将其溶于8ml去离子水中备用；将氧化铝粉199g，去离子水50ml，聚丙烯酸铵5.97g，甘油1.99g，搅拌混合均匀，并用氨水调节浆料pH值至9，倒入GQM-5-2型罐磨机中球磨混料24h。取出浆料，置入真空搅拌机中真空除泡10min，真空度为-0.095MPa～-0.09MPa。取出浆料放置于自制模具中，加入羧甲基壳聚糖溶液，搅拌混合均匀，滴入6滴戊二醛(25wt％)溶液后，室温干燥24h，脱模。将生坯放于刚玉坩埚中并将刚玉坩埚放于KSL-1400X-A4型马弗炉中烧结后，获得高纯氧化铝陶瓷材料成品。

烧结的温度工艺曲线如下：

①室温升温至300℃，时间在100min；

②300℃升温至600℃，时间在200min；

③600℃维持2h；

④600℃升温至1250℃，时间在130min；

⑤1250℃升温至1500℃，时间在100min；

⑥1500℃维持2h；

⑦1500℃降温至600℃，时间在900min；

⑧温度降至600℃之后自然冷却至室温。

X射线衍射分析(图2)的结果表明，所制得的样品的衍射峰与α-Al₂O₃标准卡完全吻合，无其它杂峰。

实施例2：高纯氧化铝陶瓷材料的制备

如图1，称取1g羧甲基壳聚糖，并将其溶于8ml去离子水中备用；将氧化铝粉179.1g，去离子水50ml，聚丙烯酸铵5.97g，甘油1.99g，搅拌混合均匀，并用氨水调节浆料pH值至9，倒入GQM-5-2型罐磨机中球磨混料24h。取出浆料，置入真空搅拌机中真空除泡10min，真空度为-0.095MPa～-0.09MPa。取出浆料放置于自制模具中，加入羧甲基壳聚糖溶液，搅拌混合均匀，滴入6滴戊二醛(25wt％)溶液后，室温干燥24h，脱模。将生坯放于刚玉坩埚中并将刚玉坩埚放于KSL-1400X-A4型马弗炉中烧结后，获得高纯氧化铝陶瓷材料成品。

烧结的温度工艺曲线如下：

①室温升温至300℃，时间在100min；

②300℃升温至600℃，时间在200min；

③600℃维持2h；

④600℃升温至1250℃，时间在130min；

⑤1250℃升温至1500℃，时间在100min；

⑥1500℃维持2h；

⑦1500℃降温至600℃，时间在900min；

⑧温度降至600℃之后自然冷却至室温。

图3是上述制得的高纯氧化铝陶瓷生坯的扫描电子显微镜图片，从图3可以看出，氧化铝粉料已部分粘结在一起，气孔较多。

实施例3：高纯氧化铝陶瓷材料的制备

如图1，称取1.5g羧甲基壳聚糖，并将其溶于8ml去离子水中备用；将氧化铝粉199g，去离子水50ml，聚丙烯酸铵5.97g，甘油1.99g，搅拌混合均匀，并用氨水调节浆料pH值至9，倒入GQM-5-2型罐磨机中球磨混料24h。取出浆料，置入真空搅拌机中真空除泡10min，真空度为-0.095MPa～-0.09MPa。取出浆料放置于自制模具中，加入羧甲基壳聚糖溶液，搅拌混合均匀，滴入6滴戊二醛(25wt％)溶液后，室温干燥24h，脱模。将生坯放于刚玉坩埚中并将刚玉坩埚放于KSL-1400X-A4型马弗炉中烧结后，获得高纯氧化铝陶瓷材料成品。

烧结的温度工艺曲线如下：

①室温升温至300℃，时间在100min；

②300℃升温至600℃，时间在200min；

③600℃维持2h；

④600℃升温至1250℃，时间在130min；

⑤1250℃升温至1500℃，时间在100min；

⑥1500℃维持2h；

⑦1500℃降温至600℃，时间在900min；

⑧温度降至600℃之后自然冷却至室温。

图4是上述制得的高纯氧化铝陶瓷的断面扫描电子显微镜图片，从图4可以看 出，氧化铝粉料已完全粘结在一起，气孔明显减少，等轴晶粒具有明显的晶界和多面体形态。