纳米ZrO₂陶瓷插针毛坯及其制备方法

专利名称：：纳米ZrO₂陶瓷插针毛坯及其制备方法
技术领域：
：本发明属于光通讯材料
技术领域：
，具体是纳米ZrOj甸瓷插针毛坯及其制备方法。
背景技术：
：光通信用二氧化锆陶瓷插针由陶瓷插针毛坯精加工后制成。氧化锆陶瓷插针毛坯一般是由二氧化锆粉体和添加剂经混合、挤出、造粒制成喂料，再经注射成型、脱脂、烧结等工序制成；虽然目前国内可以工业化批量生产各类型的陶瓷插针，但原材料尤其是二氧化锆成型喂料必须依赖进口，特别是添加剂的配方这一核心技术仍然为国外厂商所垄断，导致产品成本居高不下。同时，由于二氧化锆陶瓷插针在光通路连接中起着精密对接作用，其插針的同心度、外径等尺寸精密要求高，其中插针的同心度要求在0.OOlmm以内，外径公差在正负0.0005mm以内，为了保证插针的尺寸精度，必须保证插针加工前毛坯的尺寸精度，目前比较先进的毛坯成型技术就是采用注射成型，这种方法成型出来的毛坯同心度可以控制在0.03mm以内，外径尺寸可以控制在0.05mm公差范围内。但目前的氧化锆陶瓷插针毛坯注射成型存在烧结后有开裂以及弯曲变形情况，为后续的精密加工以及使用带来很大质量隐患。
发明内容本发明的目的就是提供一种纳米Zr(^陶瓷插针毛坯及其制备方法，以打破外国对此行业的垄断。本发明制成的Zr02陶瓷插针毛坯，其坯体致密，强度大，成型过程不散料，插针坯体烧结后无开裂以及弯曲变形，污染物少，完全满足通信行业标准要求。本发明的纳米Zr02陶瓷插针毛坯，是由下述重量份的原料制备成喂料，再经注射成型、脱脂、烧结而成氧化锆7585固体石蜡215硬脂酸0.53聚丙烯0.55聚苯乙烯15丙烯酸树脂110邻苯二甲酸二辛脂0.83本发明还可由下述重量份的原料制备成喂料，再经注射成型、脱脂、烧结而成氧化锆7882固体石蜡510硬脂酸12聚丙烯13聚苯乙烯24丙烯酸树脂38邻苯二甲酸二辛脂12所述氧化锆为纳米二氧化锆粉体，粉体粒径为0.250.5ym，粉体中需掺杂7%氧化钇以及0.1%0.5%的氧化铝。本纳米Zr02陶瓷插针毛坯的制备方法，包括下述步骤第一步制备喂料a、将氧化锆粉体在150-18(TC下干燥68小时；b、将干燥后的粉体置入混炼机中，同时加入聚苯乙烯升温到1S(TC20(TC，搅c、将固体石蜡加入到混炼机中搅匀d、待石蜡融化后，分别加入聚丙烯和丙烯酸树脂，搅匀；e、加入硬脂酸和邻苯二甲酸二辛脂，搅匀；f、将上述混合料置于造粒机中，升温至120130。C，造粒，粒子长度为35mm，507(TC干燥，即得喂料，备用；第二步注射成型a、将上述制好的喂料经加热塑化后，由注射螺杆注入到相应的模具中，经保压冷却，即制成成型的陶瓷插针毛坯坯体；塑化温度注射头及注射筒前部15021(TC，注射筒中部13018(TC，注射筒后部100150°C保压压力30_60Mpa成型模具冷却温度1825°C第三步脱脂将上述成型的陶瓷插针毛坯坯体，在脱脂炉内进行脱脂排焦处理，脱脂温度和时间呈如图l所示的曲线；第四步烧结将脱脂后陶瓷插针毛坯坯体经高温煅烧成致密的瓷体，瓷体密度为5.96.lg/cm3，晶粒直径为0.20-0.28iim，气孔率为1.0-1.5%，烧结温度和时间呈如图2所示的曲线。本发明配方中的添加剂在二氧化锆粉体成型中起着决定性的作用，若粉体达不到良好的流动性与可塑性，一方面会造成成型坯体变形开裂，另一方面会造成坯体不够致密，烧结体结晶不完全，达不到一定的压縮刚度和韧性。本发明所用添加剂由固体石蜡、硬脂酸、聚丙烯、聚苯乙烯、丙烯酸树脂、邻苯二甲酸二辛脂6种高分子材料组成，其中二氧化锆粉必须满足以下特性a.粒度分布均匀，平均粒径小，比表面积大，能够保证成型体得到较高的填充密度，适于快速烧结。一般粉体粒径选择在0.250.5iim，b.粉体需掺杂3%7%氧化钇以及0.1%0.5%的氧化铝，以保证粉体在1300150(TC能快速充分结晶，添加剂的选择是决定注射成型喂料能否顺利制造出坯体，保证坯体烧结后具有良好加工性能的核心步骤。氧化锆注射成型添加剂选择主要考虑了四个方面的因素一是添加剂必须与氧化锆粉体有良好的相容性；二是各添加剂之间必须具有良好的相容性；三是必须保证成型坯体具有良好的脱模性和强度；四是必须满足在一定的温度条件下可以完全气化从坯体中排出，没有或极少有残留物，而又赋予坯体不变形的特性。本发明配方中添加剂固体石蜡英文名Paraffinwax，其结构式为CLH2n+2，白色片状固体。添加石蜡的作用主要是提高二氧化锆粉沫的湿润性，便于后期练泥，同时可保证坯体成型后易于脱模；聚苯乙烯英文名Polystyreneresin，分子式!1，透明柱状颗粒。聚苯乙烯在原料中起到增加氧化锆粉体塑性以及增强成型体坯体强度作用；聚丙烯英文名Polypropylene,分子式CH3-[CH2_CH]-n，白色球状固体；聚苯乙烯在原料中起到增加氧化锆粉体塑性以及增强成型体坯体强度作用；硬脂酸英文名StearicAcid，结构式CH3(Cigi6C00H，白色球状固体。硬脂酸作为表面活性剂和分散剂，在本配方中起到分散作用，同时能改善粉末与添加剂之间的相容性，另一方面可有效消除粉料的团聚现象，便于添加剂充分融合到粉料中，填充粉料中的间隙，保证成型体的均匀性；丙烯酸树脂英文名Acrylinresin，分子式C3H402，白色粉沫状，丙烯酸树脂在原料中起到增强配合料的塑性，提高原料的流动性，同时也可以使原料成型后有一定的光洁度，可保证成型体的脱模性能；邻苯二甲酸二辛脂英文名DioctylPhthalate，透明油状液体，分子式CeH厂[C00CHjCH》6CH山，邻苯二甲酸二辛脂是一种通用的增塑齐U，在原料中添加DOP可以有效提高粉体的塑性以及流动性，保证快速注射成型。上述制备方法中的脱脂工序是决定毛坯质量的重要步骤。经过成型的陶瓷插针毛坯成型体，在烧结前必须将成型坯体里面的添加剂脱除，本发明采用热分解的方法在脱脂炉中进行脱脂排焦处理，其脱脂温度与时间曲线见表1:表1<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>从表1中可以看出当炉温从8(TC升至10(TC，用时2小时，平均每小时升温l(TC，再快速升至150°C，当炉温从15(TC升至18(TC，用时8小时，平均每小时升温3.75°C........如此类推，当升至50(TC时，保温1小时，再降至5(TC，即完成脱脂过程。这种缓慢呈阶段式升温过程是为了避免添加剂脱除过程中由于其分解后过快从成型坯体中逸出，而造成坯体出现气泡，开裂等缺陷，在开始阶段需要缓慢升温，使分解产物缓慢从坯体中排除，需要降低升温速率，待到坯体内已形成气体排出的孔道后再提高升温速率，以达到提高脱脂生产效率和保证坯体质量的目的。烧结过程是将脱脂后坯体经高温煅烧，使二氧化锆晶相发生改变而瓷化的过程。通过烧结，促使二氧化锆的晶粒生长，形成致密的瓷体，瓷体密度达到6.lg/cm具有了较高的抗弯强度和硬度。本发明的烧结温度与时间曲线见下表2:表2<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>从上表中可以看出从10(TC升温至80(TC，用了10个小时，从80(TC升至135(TC，用了11个小时，在135(TC保温2小时，再用4个小时，降至IOO(TC，整个过程历时27个小时。本发明对烧结温度进行设计与控制，使二氧化锆的晶粒直径控制在0.20-0.28iim之间，气孔率控制在1.0-1.5%，保证了二氧化锆陶瓷毛坯的硬度与抗弯强度.上述配方中所有原料均可在国内购买，配制方法简单，粉料与添加剂混炼采用两辊轧压设备，混炼时间短，喂料具有非常好的流动性与可塑性，适宜不同类型的模具与注射机成型。采用本配方成型的陶瓷插针成型坯体致密，强度大，成型过程不散料。配方中所用的添加剂在50(TC高温下就可排出。插针坯体烧结后无裂痕，污染物少，经检测烧结体密度达到6.08左右，抗弯强度达到1600Mpa，满足通信行业标准YD/Tl198-2002要求。本发明的技术原理是将陶瓷型配方混合料在特定温度下通过粉料干燥_粉料混炼_成型_脱脂_烧成，将Zr02粉料与添加剂加工成多元复合材料。本发明有效解决了二氧化锆陶瓷插针毛坯在制备过程中出现开裂，弯曲变形等技术难题，运用此技术制造出的二氧化锆陶瓷插针试验性的应用在光纤连接上，经测定各项性能指标均已达到或超过国际及行业标准要求，打破了他国在此行业技术上的垄断地位。(四)图1是按本发明表1数据绘制的脱脂温度与时间曲线图；图2是按本发明表2数据绘制的烧结温度与时间曲线图。(五)具体实施例方式实施例1第一步制备喂料a、将75kg纳米二氧化锆粉体在15(TC下干燥6小时，以去除粉体中的水分；b、将干燥后的粉体置入双辊混炼机中，同时加入lkg聚苯乙烯升温到18(TC，按每分钟4转速率搅拌；c、将2kg固体石蜡加入到混炼机中搅10-15分钟；d、待石蜡融化后，分别加入0.5kg聚丙烯和lkg丙烯酸树脂，搅拌10分钟；e、加入0.5kg硬脂酸和0.8kg邻苯二甲酸二辛脂，搅拌60分钟，得混合料；f、将造粒机升温至120°C，将上述混合料置于造粒机中，启动造粒机推动装置及旋转切割刀，根据出料速度调整切割速度，造粒，粒子长度为3mm，5(TC干燥，即得喂料，备用；第二步注射成型a、将上述制好的喂料经加热塑化后，由注射螺杆注入到相应的模具中，经保压冷却，即制成成型的陶瓷插针毛坯坯体；塑化温度注射头及注射筒前部15(TC，注射筒中部13(TC，注射筒后部IO(TC保压压力30Mpa成型模具冷却温度18°C第三步脱脂将上述成型的陶瓷插针毛坯坯体，在脱脂炉内进行脱脂排焦处理，脱脂温度和时间呈如图l所示的曲线；第四步烧结将脱脂后陶瓷插针毛坯坯体经高温煅烧成致密的瓷体，瓷体密度为5.96.lg/cm3，晶粒直径为0.20-0.28iim，气孔率为1.0-1.5%，烧结温度和时间呈如图2所示的曲线。实施例2第一步制备喂料a、将85kg纳米二氧化锆粉体在18(TC下干燥8小时，以去除粉体中的水分；b、将干燥后的粉体置入双辊混炼机中，同时加入5kg聚苯乙烯升温到20(TC，按每分钟4转速率搅拌；c、将15kg固体石蜡加入到混炼机中搅10-15分钟；d、待石蜡融化后，分别加入5kg聚丙烯和10kg丙烯酸树脂，搅拌10分钟；e、加入3kg硬脂酸和3kg邻苯二甲酸二辛脂，搅拌60分钟，得混合料；f、将造粒机升温至130°C，将上述混合料置于造粒机中，启动造粒机推动装置及旋转切割刀，根据出料速度调整切割速度，造粒，粒子长度为5mm，7(TC干燥，即得喂料，备用；第二步注射成型a、将上述制好的喂料经加热塑化后，由注射螺杆注入到相应的模具中，经保压冷却，即制成成型的陶瓷插针毛坯坯体；塑化温度注射头及注射筒前部21(TC，注射筒中部18(TC，注射筒后部150°C保压压力60Mpa成型模具冷却温度25°C第三步脱脂将上述成型的陶瓷插针毛坯坯体，在脱脂炉内进行脱脂排焦处理，脱脂温度和时间呈如图l所示的曲线；第四步烧结将脱脂后陶瓷插针毛坯坯体经高温煅烧成致密的瓷体，瓷体密度为5.96.lg/cm3，晶粒直径为0.20-0.28iim，气孔率为1.0-1.5%，烧结温度和时间呈如图2所示的曲线。实施例3第一步制备喂料a、将78kg纳米二氧化锆粉体在15(TC下干燥6小时，以去除粉体中的水分；b、将干燥后的粉体置入双辊混炼机中，同时加入2kg聚苯乙烯升温到18(TC，按每分钟4转速率搅拌；c、将5kg固体石蜡加入到混炼机中搅10-15分钟；d、待石蜡融化后，分别加入lkg聚丙烯和3kg丙烯酸树脂，搅拌10分钟；e、加入lkg硬脂酸和lkg邻苯二甲酸二辛脂，搅拌60分钟，得混合料；f、将造粒机升温至120°C，将上述混合料置于造粒机中，启动造粒机推动装置及旋转切割刀，根据出料速度调整切割速度，造粒，粒子长度为3mm，5(TC干燥，即得喂料，备用；第二步注射成型a、将上述制好的喂料经加热塑化后，由注射螺杆注入到相应的模具中，经保压冷却，即制成成型的陶瓷插针毛坯坯体；塑化温度注射头及注射筒前部15(TC，注射筒中部13(TC，注射筒后部IO(TC保压压力40Mpa7成型模具冷却温度18°C第三步脱脂将上述成型的陶瓷插针毛坯坯体，在脱脂炉内进行脱脂排焦处理，脱脂温度和时间呈如图l所示的曲线；第四步烧结将脱脂后陶瓷插针毛坯坯体经高温煅烧成致密的瓷体，瓷体密度为5.96.lg/cm3，晶粒直径为0.20-0.28iim，气孔率为1.0-1.5%，烧结温度和时间呈如图2所示的曲线。实施例4第一步制备喂料a、将82kg纳米二氧化锆粉体在15(TC下干燥6小时，以去除粉体中的水分；b、将干燥后的粉体置入双辊混炼机中，同时加入4kg聚苯乙烯升温到18(TC，按每分钟4转速率搅拌；c、将10kg固体石蜡加入到混炼机中搅10-15分钟；d、待石蜡融化后，分别加入3kg聚丙烯和8kg丙烯酸树脂，搅拌10分钟；e、加入2kg硬脂酸和2kg邻苯二甲酸二辛脂，搅拌60分钟，得混合料；f、将造粒机升温至12(TC，将上述混合料置于造粒机中，启动造粒机推动装置及旋转切割刀，根据出料速度调整切割速度，造粒，粒子长度为3mm，5(TC干燥，即得喂料，备用；第二步注射成型a、将上述制好的喂料经加热塑化后，由注射螺杆注入到相应的模具中，经保压冷却，即制成成型的陶瓷插针毛坯坯体；塑化温度注射头及注射筒前部15(TC，注射筒中部13(TC，注射筒后部IO(TC保压压力50Mpa成型模具冷却温度18°C第三步脱脂将上述成型的陶瓷插针毛坯坯体，在脱脂炉内进行脱脂排焦处理，脱脂温度和时间呈如图l所示的曲线；第四步烧结将脱脂后陶瓷插针毛坯坯体经高温煅烧成致密的瓷体，瓷体密度为5.96.lg/cm3，晶粒直径为0.20-0.28iim，气孔率为1.0-1.5%，烧结温度和时间呈如图2所示的曲线。8权利要求纳米ZrO2陶瓷插针毛坯，其特征在于由下述重量份的原料制备成喂料，再经注射成型、脱脂、烧结而成氧化锆75～85固体石蜡2～15硬脂酸0.5～3聚丙烯0.5～5聚苯乙烯1～5丙烯酸树脂1～10邻苯二甲酸二辛脂0.8～3。2.根据权利要求1所述的纳米Zr02陶瓷插针毛坯，其特征在于由下述重量份的原料制备成喂料，再经注射成型、脱脂、烧结而成氧化锆7882固体石蜡510硬脂酸12聚丙烯13聚苯乙烯24丙烯酸树脂38邻苯二甲酸二辛脂12。3.根据权利要求1或2所述的纳米Zr02陶瓷插针毛坯，其特征在于所述氧化锆为纳米二氧化锆粉体，粉体粒径为0.250.5iim，粉体中需掺杂3%7%氧化钇以及0.1%0.5%的氧化铝。4.如权利要求1所述的纳米Zr02陶瓷插针毛坯的制备方法，其特征在于包括下述步骤第一步制备喂料a、将氧化锆粉体在15018(TC下干燥68小时；b、将干燥后的粉体置入混炼机中，同时加入聚苯乙烯升温到1S(TC20(TC，搅拌；c、将固体石蜡加入到混炼机中搅匀；d、待石蜡融化后，分别加入聚丙烯和丙烯酸树脂，搅匀；e、加入硬脂酸和邻苯二甲酸二辛脂，搅匀；f、将上述混合料置于造粒机中，升温至12013(TC，造粒，粒子长度为35mm，507(TC干燥，即得喂料，备用；第二步注射成型a、将上述制好的喂料经加热塑化后，由注射螺杆注入到相应的模具中，经保压冷却，即制成成型的陶瓷插针毛坯坯体；塑化温度注射头及注射筒前部150210°C，注射筒中部130180°C，注射筒后部100150°C保压压力3060Mpa成型模具冷却温度1825°C第三步脱脂将上述成型的陶瓷插针毛坯坯体，在脱脂炉内进行脱脂排焦处理，脱脂温度和时间呈如图l所示的曲线；第四步烧结将脱脂后陶瓷插针毛坯坯体经高温煅烧成致密的瓷体，瓷体密度为5.96.lg/cm3，晶粒直径为0.20-0.28iim，气孔率为1.0-1.5%，烧结温度和时间呈如图2所示的曲线。全文摘要本发明公开的是光通信用纳米ZrO2陶瓷插针毛坯及其制备方法，主要由纳米氧化锆粉料及添加剂制备成喂料，再经注射成型、脱脂、烧结而成；本发明粉料与添加剂全部为国产原料，配制方法简单，混炼时间短，喂料具有非常好的流动性与可塑性，适宜不同类型的模具与注射机成型，陶瓷插针成型坯体致密，强度大，成型过程不散料，所用的添加剂在500℃高温下就可排出，插针坯体烧结后无裂痕，污染物少，经检测烧结体密度达到6.08左右，抗弯强度达到1600MPa，满足通信行业标准YD/T1198-2002要求。文档编号C04B35/632GK101767988SQ20091006042公开日2010年7月7日申请日期2009年1月1日优先权日2009年1月1日发明者叶苍竹,曹祥鑫,汤国华,邹立军申请人:黄石晨信光电有限责任公司