一种采用微纳米粒径级配制备陶瓷的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及到多种硼化物、氧化物、氮化物以及碳化物等陶瓷材料的微纳米粉体级配技术制备陶瓷的方法。
【背景技术】
[0002]陶瓷材料因其具有较高的熔点、高强度、高模量以及耐高温性能等特点，广泛应用于结构或功能材料中。但由于陶瓷材料多为强共价键结合且自扩散系数较低，故其陶瓷材料的烧结致密化较为困难，这也在一定程度上限制了其应用范围。因此制备出颗粒堆垛密实、强度较高且微结构均匀的陶瓷材料是国内外研究的重点。
[0003]目前，陶瓷生坯的制备方法中主要采用干法成型以及湿法成型来完成。陶瓷干法成型中主要采用冷等静压成型方法来实现，其主要利用液体介介质的不可压缩性以及压力传递的均匀性来制备陶瓷生坯。而陶瓷湿法成型中应用最为广泛的是胶态成型，胶态成型包括注射成型、流延成型、离心成型以及凝胶注模成型等技术，而注射成型制备的体积较小、形状复杂且较为均匀，原料的利用率较高以及后期的机加工量较少；但其注射成型制备的坯体脱脂时间较长及生坯易产生开裂、起皮以及变形等缺陷，严重影响其陶瓷烧结体的性能；离心成型原理是将陶瓷大颗粒和小颗粒在范德华引力的作用下被吸引在一起，在离心力的作用下聚沉，形成结构均匀的陶瓷材料，但其离心过程中可能会出现偏聚现象，使得制备的陶瓷材料容易分层。凝胶注模成型是在催化剂或引发剂的作用下，将低粘度、高固含量的陶瓷悬浮液在有机单体的作用下聚合成三维网状结构，进而原位固化成型陶瓷生坯，该方法获得的陶瓷生坯强度较高、成型时间较短且能实现近净成形，但其生坯烧结致密化过程中收缩较大，易出现弯曲变形，同时陶瓷生坯中可能有气泡残存，进而影响陶瓷的综合性能。考虑上述胶态成型工艺的优缺点。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了解决现有的陶瓷粉体成型技术难以获得较高致密度的陶瓷生坯以及烧结体，不能有效提升陶瓷材料的综合性能的问题。本发明采用微纳米粉体之间粒径级配的方法结合离心凝胶注模工艺制备出高致密度的陶瓷材料，进而提升陶瓷材料的性能。
[0005]本发明的一种采用微纳米粒径级配制备陶瓷的方法，它是按照以下步骤进行的:
[0006]—、制备均匀混合液:先将有机单体和交联剂溶解于去离子水中，调节溶液pH值后超声处理，获得混合均匀的胶体溶液；
[0007]所述的有机单体含量占去离子水质量的2?10% ;
[0008]所述的有机单体与交联剂的质量比为(8?20):1 ;
[0009]所述的pH值调节至5?12 ;
[0010]二、制备单相或多相陶瓷浆料:向步骤一得到的胶体溶液中，加入微纳米陶瓷粉体制备单相陶瓷浆料或加入微纳米基体陶瓷粉体和第二相微米陶瓷粉体制备多相陶瓷浆料，然后加入分散剂，再进行球磨混合，获得均匀分散的单相或多相陶瓷浆料；
[0011]所述的单相或多相陶瓷浆料的固含量为30?60% ；
[0012]所述的单相陶瓷浆料中微纳米陶瓷粉体的级配体积比为(7?9):1 ;
[0013]所述的多相陶瓷浆料中第二相微米陶瓷粉体与微纳米基体陶瓷粉体的体积比为1: (3 ?9)；
[0014]所述的分散剂质量占加入总陶瓷粉体质量的0.1?0.8% ；
[0015]所述的球磨混合的球磨转速为230?250r/min，且球磨时间为16?20h ；
[0016]三、制备陶瓷坯体
[0017]向步骤二所获得的均匀分散的单相或多相陶瓷浆料中加入引发剂并搅拌均匀，然后注入密封的离心管中，进行离心处理，再将离心过后的陶瓷坯体进行固化，获得陶瓷素胚；
[0018]所述的引发剂含量占有机单体质量的2?4% ;
[0019]所述的离心处理的离心转速为4000?10000r/min，且离心时间为15?30min ；
[0020]所述的陶瓷坯体进行固化的固化温度60?80 °C，且固化时间为40?60min ；
[0021]四、烧结致密化
[0022]将步骤三所获得的陶瓷素胚进行干燥处理，再将干燥后的陶瓷胚体进行排胶，最后进行烧结致密化处理，获得陶瓷材料，即完成所述的采用微纳米粒径级配制备陶瓷；
[0023]所述的排胶工艺参数为:以I?2°C /min的加热速率将温度从室温升温至30?3000C ;再以30?50°C /h的加热速率将温度升温至300?500°C ;然后以2?5°C /min的加热速率将温度升温至500?800°C ;最后在800°C温度下保温2h ;
[0024]所述的烧结致密化处理是采用无压烧结的方式进行的，烧结温度为1900?2100°C，加热速率300C /min，保温时间为I?2h。
[0025]本发明具有以下有益效果:
[0026](I)采用微纳米无机粉体级配技术来改善陶瓷生坯或烧结体颗粒的堆垛方式，使陶瓷颗粒之间堆垛更为密实，获得内部微结构均匀，颗粒紧密堆垛且内部无明显孔洞的陶瓷生坯，进而提升陶瓷材料的性能。
[0027](2)本发明将离心成型和凝胶注模成型优点进行结合成一种新颖的胶态成型方法-离心凝胶注模成型。该成型方法通过凝胶成型的三维网状结构使得陶瓷颗粒在离心力作用下均匀聚沉，使得陶瓷颗粒之间堆垛更为密实，进而制备出颗粒堆垛密实、微结构均匀、内部无明显孔洞且强度较高的陶瓷生坯，有利于陶瓷材料的低温烧结致密化，进而提升陶瓷材料的性能。有效解决生坯偏聚或分层现象的发生；同时在离心力的作用下还能解决凝胶注模成型中的生坯内部残留较多孔洞等问题。
[0028](3)本方法能够实现近净成形，材料利用高，生产周期短，适合批量化生产。
[0029]同时本发明在离心凝胶注模成型的基础上，结合陶瓷颗粒晶粒的堆垛以及密排的相关模型，引伸出陶瓷颗粒之间的级配技术，通过控制微纳米粉体之间的级配比例来改善多相颗粒之间的堆垛方式，进而使颗粒堆垛更为均匀致密，从而提高陶瓷生坯以及烧结体的致密度，最后达到改善陶瓷性能的目的。
[0030]本发明方法在离心凝胶注模工艺下结合陶瓷颗粒堆垛中的微纳米粉体级配问题出发，通过选择合适的粒径级配比例来获得性能优异的陶瓷材料。
【附图说明】
[0031]图1为实施例3制备的陶瓷材料的实物图；
[0032]图2为实施例3制备的陶瓷材料生坯的扫描图；
[0033]图3为实施例3制备的陶瓷材料烧结后的扫描图。
【具体实施方式】
[0034]【具体实施方式】一:本实施方式的一种采用微纳米粒径级配制备陶瓷的方法，它是按照以下步骤进行的:
[0035]—、制备均匀混合液:先将有机单体和交联剂溶解于去离子水中，调节溶液pH值后超声处理，获得混合均匀的胶体溶液；
[0036]所述的有机单体含量占去尚子水质量的2?10% ；
[0037]所述的有机单体与交联剂的质量比为(8?20):1 ;
[0038]所述的pH值调节至5?12 ;
[0039]二、制备单相或多相陶瓷浆料:向步骤一得到的胶体溶液中，加入微纳米陶瓷粉体制备单相陶瓷浆料或加入微纳米基体陶瓷粉体和第二相微米陶瓷粉体制备多相陶瓷浆料，然后加入分散剂，再进行球磨混合，获得均匀分散的单相或多相陶瓷浆料；
[0040]所述的单相或多相陶瓷浆料的固含量为30?60% ;
[0041]所述的单相陶瓷浆料中微纳米陶瓷粉体的级配体积比为(7?9):1 ;
[0042]所述的多相陶瓷浆料中第二相微米陶瓷粉体与微纳米基体陶瓷粉体的体积比为1: (3 ?9)；
[0043]所述的分散剂质量占加入总陶瓷粉体质量的0.1?0.8% ；
[0044]所述的球磨混合的球磨转速为230?250r/min，且球磨时间为16?20h ；
[0045]三、制备陶瓷坯体
[0046]向步骤二所获得的均匀分散的单相或多相陶瓷浆料中加入引发剂并搅拌均匀，然后注入密封的离心管中，进行离心处理，再将离心过后的