专利名称：高压烧结组合模具及其制备纳米陶瓷的高压快速烧结方法
技术领域：
本发明涉及陶瓷材料的快速烧结技术领域，具体涉及一种高压烧结模具及其制备纳米陶瓷的高压快速烧结方法。
背景技术：
陶瓷或金属粉末加压烧结模具，由于通常情况下对其在高温力学性能和导热性等方面的普通要求，一般只采用高性能石墨或难熔金属材料制成。显然，在一定烧结温度下只采用石墨或难熔金属材料显然无法承受几百兆帕甚至超过IGPa以上的高压或超高压烧结。关于烧结模具，ZL200920034468. 7 “一种制备TiAl基合金的约束预烧结模具”和 201110040207. 8 “一种控制粉末冶金坯体烧结变形缺陷的约束烧结模具”中烧结模具均非加压或高压烧结模具；而中国专利ZL201020211803.9 “一种粉末冶金闸片加压烧结模具” 只是针对粉末冶金闸片加压烧结模具，而非高压烧结模具。概括地说，现有的烧结模具均不能承受高压。关于纳米块体陶瓷的烧结技术，主要包括两步烧结法、等离子烧结(包括放电等离子烧结和等离子活化烧结)、热压烧结、超高压烧结、相变烧结、添加烧结助剂法等，其中等离子烧结和超高压烧结分别为典型的快速烧结和低温烧结技术。总之，现有制备纳米块体陶瓷的烧结技术不能同时实现既低温又快速的致密化烧结。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺点，本发明的目的在于提供一种高压烧结模具及其制备纳米陶瓷的高压快速烧结方法，采用本发明高压烧结模具及其烧结方法，可实现纳米陶瓷材料的低温且快速的致密化烧结。为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是—种高压烧结组合模具，该模具的组合状态为，包括中空圆柱体状的外模1，所述外模1的侧面设置有热电偶插入的通孔8，设置在外模1中空腔体中的中空圆柱体状的内模5，内模5的侧面设置有热电偶插入的盲孔9，所述外模1和内模5为紧配合且使得外模 1侧面的热电偶插入通孔8和内模5侧面的热电偶插入盲孔9的中心线重合，半插入内模5 中空腔体上下两端的一对圆柱体状的内压头6，所述一对内压头6插入内模5中的圆形面和内模5的中空腔体形成模腔7，设置在一对内压头6外的一对圆柱体状的金属叠片4，设置在一对金属叠片4外的圆柱体状的陶瓷叠片3，设置在一对陶瓷叠片3外的圆柱体状的外压头2，所述陶瓷叠片3和外压头2和外模1紧配合。所述外模1侧面设置的热电偶插入通孔8位于侧面上下居中位置。所述内模5侧面设置的热电偶插入盲孔9位于侧面上下居中位置。所述外压头2与内压头6的截面积之比为4 1 36 1。 所述外模1、内模5和外压头2材质为石墨，金属叠片4材质为超高温合金，陶瓷叠片3和内压头6材质为碳化硅陶瓷。所述超高温合金为耐温等级为1000°C以上的Ni基、Co基、Nb基或者Ti基合金。所述碳化硅陶瓷为采用AlN和Lu2O3为烧结助剂的加压烧结而成的碳化硅陶瓷。一种制备纳米陶瓷的高压快速烧结方法，包括如下步骤步骤1 将纳米陶瓷粉末装入权利要求1所述高压烧结组合模具的模腔7中，然后将高压烧结组合模具组装；步骤2 将装有纳米陶瓷粉末的高压烧结组合模具置于等离子烧结炉中进行烧结加热速率100-300°C /min，烧结压力lOO-lOOOMPa，烧结温度500-800°C，烧结保温时间 3-lOmin，保温结束后解除压力，随等离子烧结炉冷却至室温即可。步骤1所述的纳米陶瓷粉末的平均粒径小于等于50nm。与现有技术相比，本发明的有益效果是在等离子烧结过程中，组合模具的内外两压头之间通过陶瓷叠片和金属叠片进行力和电的传递，并通过内外压头的截面积差来实现高压的，从而可实现陶瓷材料或粉末冶金材料的短时、低温和高压的致密化烧结，特别适合块体纳米陶瓷的低温快速烧结。
图1是本发明高压烧结组合模具组合状态俯视图。图2是本发明高压烧结组合模具组合状态俯视图沿A-A向剖面图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明作更详细的说明。如图1、图2所示，一种高压烧结组合模具，该模具的组合状态为，包括中空圆柱体状的外模1，外模1的侧面上下居中位置设置有热电偶插入的通孔8，设置在外模1中空腔体中的中空圆柱体状的内模5，内模5的侧面上下居中位置设置有热电偶插入的盲孔9外模 1和内模5为紧配合且使得外模1侧面的热电偶插入通孔8和内模5侧面的热电偶插入盲孔9的中心线重合，半插入内模5中空腔体上下两端的一对圆柱体状的内压头6，一对内压头6插入内模5中的圆形面和内模5的中空腔体形成模腔7，设置在一对内压头6外的一对圆柱体状的金属叠片4，设置在一对金属叠片4外的圆柱体状的陶瓷叠片3，设置在一对陶瓷叠片3外的圆柱体状的外压头2，所述陶瓷叠片3和外压头2和外模1紧配合。高压烧结组合模具的外模1的尺寸为04O~5OmmX02O~3OmmX4Omm，内模5的尺寸为 020 3OmmX05~lOmmX8mm，外压头2的尺寸为02O~3OmmX 20mm，金属叠片 4的尺寸为01O~2OmmX5mm，陶瓷叠片3的尺寸为02O~3Omm><5mm，内压头6的尺寸为:05~lOmmx6mmo使用时，将高压烧结组合模具组装，组装方法为如图1所示，将内模5套入外模1 中，使外模1侧面的热电偶插入通孔8和内模5侧面的热电偶插入盲孔9的中心线重合，然后将下片内压头6从内模5中空腔体下半插入中空腔体，随后将预设量的纳米陶瓷粉末装入下片内压头6和内模5的中空腔体形成模腔7中，随后装入上片内压头6，随后将一对金属叠片4居中压在一对内压头6上，随后将一对陶瓷叠片3套入外模1中并压在一对金属叠片4上，最后将外压头2套入外模1中并压在一对陶瓷叠片3上。
实施例一(一 )高压烧结组合模具的预制备(1)将上海东洋炭素有限责任公司提供高性能石墨材料加工成附设热电偶插入通孔的尺寸为05OmmX03OmmX40mm的外模 1、尺寸为030mmX05mmX 8mm 的内模5以及尺寸为030mmX 20mm的外压头2 ；将型号为GH3030的Ni基超高温合金加工成尺寸为01OmmX5mm的金属叠片4。(2)采用等离子活化烧结方法将球磨混料后质量配比为80 15 5的SiC、AlN 和Lu2O3粉体分别在升温速率300°C /min、烧结温度1600°C、烧结压力40MPa、烧结保温时间 5min和真空度12 的烧结条件下烧结成尺寸为03Omm><5mm和05mm><6mm的圆片， 再经过磨平加工后分别用作陶瓷叠片3和内压头6。( 二)纳米陶瓷的高压快速烧结方法(1)将0. 5g的德国Evonik Degussa公司生产的平均粒径为20 30nm的P25纳米TiA陶瓷粉末(含质量比为20%的金红石相TiA和80%的锐钛矿相TiO2)装入图1所示的模腔7中，并按图1所示组装好高压烧结组合模具。(2)将上述装有纳米TW2陶瓷粉末的高压烧结组合模具置于等离子活化烧结 (PAS)炉中进行烧结加热速率100°C /min、烧结压力lOOOMPa、烧结温度500°C，烧结保温时间lOmin，待保温结束后解除压力，随等离子活化烧结炉冷却至室温，即可获得陶瓷晶粒平均粒径小于IOOnm的块体TW2陶瓷。实施例二(一 )高压烧结组合模具的预制备(1)将上海东洋炭素有限责任公司提供高性能石墨材料加工成附设热电偶插入通孔的尺寸为040mmX 020mmX 40mm的外模 1、尺寸为020mmX 06mmX 8mm 的内模5以及尺寸为020mmX 20mm的外压头2 ；将型号为GH3030的Ni基超高温合金加工成尺寸为01OmmX5mm的金属叠片4。(2)采用热压烧结方法(设备采用High-Multi-5000型多功能炉)将球磨混料后质量配比为80 15 5的SiC、AlN和Lu2O3粉体分别在烧结温度1850°C、保温时间60min、 压力为40ΜΙ^和氮气气氛下烧结成尺寸为02Ommx5mm和06mmx6mm的圆片，再经过磨平加工后分别用作陶瓷叠片3和内压头6。( 二)纳米陶瓷的高压快速烧结方法(1)将0. 5g的德国Evonik Degussa公司生产的平均粒径为20 30nm的P25纳米TiA陶瓷粉末(含质量比为20%的金红石相TiA和80%的锐钛矿相TiO2)装入图1所示的模腔7中，并按图1所示组装好高压烧结组合模具。(2)将上述装有纳米TW2陶瓷粉末的高压烧结组合模具置于等离子活化烧结 (PAS)炉中进行烧结加热速率300°C /min、烧结压力500MP、烧结温度600°C，烧结保温时间5min，待保温结束后解除压力，等离子活化烧结炉冷却至室温，即可获得陶瓷晶粒平均粒径小于IOOnm的块体TiA陶瓷。实施例三(一 )高压烧结组合模具的预制备(1)将上海东洋炭素有限责任公司提供高性能石墨材料加工成附设热电偶插入通孔的尺寸为050mmX 030mmX 40mm的外模 1、尺寸为030mmX 010mmX 8mm 的内模5以及尺寸为030mmX 20mm的外压头2 ；将型号为ECY768的Co基超高温合金加工成尺寸为020mmX 5mm的金属叠片4。(2)采用放电等离子烧结(SPS)方法将球磨混料后质量配比为80 15 5的 SiC、AlN和Lu2O3粉体分别在升温速率300°C /min、烧结温度1600°C、烧结压力40MPa、 烧结保温时间5min和真空度121 的烧结条件下烧结成尺寸为03Omm><5mm和 01Ommx6mm的圆片，再经过磨平加工后分别用作陶瓷叠片3和内压头6。( 二)纳米陶瓷的高压快速烧结方法(1)将0.5g杭州万景新材料有限公司生产、平均粒径为20 30nm以及纯度 ^ 99. 9%纳米MgO陶瓷粉末装入图1所示的模腔7中，并按图1所示组装好高压烧结组合模具。(2)将上述装有纳米MgO陶瓷粉末的高压烧结组合模具置于放电等离子烧结 (SPS)炉中进行烧结加热速率200°C /min、烧结压力200MPa、烧结温度800°C，烧结保温时间3min，待保温结束后解除压力，随放电等离子烧结炉冷却至室温，即可获得陶瓷晶粒平均粒径小于IOOnm的块体MgO陶瓷。实施例四(一)高压烧结组合模具的预制备(截面积约比为4 1)(1)将上海东洋炭素有限责任公司提供高性能石墨材料加工成附设热电偶插入通孔的尺寸为040mmX 020mmX 40mm的外模 1、尺寸为020mmX 01 OmmX 8mm 的内模5以及尺寸为02OmmX20mm的外压头2 ；将Nb基超高温合金 (Nb-18Si-15ff-10Mo)加工成尺寸为020mmX 5mm的金属叠片4。(2)采用等离子活化烧结方法将球磨混料后质量配比为80 15 5的SiC、AlN 和Lu2O3粉体分别在升温速率300°C /min、烧结温度1600°C、烧结压力40MPa、烧结保温时间 5min和真空度12 的烧结条件下烧结成尺寸为020mmχ5mm和01 Ommx6mm的圆片，再经过磨平加工后分别用作陶瓷叠片3和内压头6。( 二)纳米陶瓷的高压快速烧结方法(1)将0. 5g的市售平均粒径为30 50nm的高纯纳米BaTiO3陶瓷粉末装入图1 所示的模腔7中，并按图1所示组装好高压烧结组合模具。(2)将上述装有纳米BaTiO3陶瓷粉末的高压烧结组合模具置于放电等离子烧结炉中进行烧结加热速率200°C /min、烧结压力lOOMPa、烧结温度750°C，烧结保温时间3min， 待保温结束后解除压力，随放电等离子烧结炉冷却至室温，即可获得陶瓷晶粒平均粒径小于IOOnm的块体BaTiO3陶瓷。本发明并不局限于上述的具体实施方案，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、 指导性的、而不是限制性的，如高压烧结组合模具的各部件尺寸也可采用可用于等离子设备烧结的其它尺寸，超高温合金也可采用其他的Ni、Co和Nb基，甚至Ti基等超高温合金， 纳米陶瓷也包括其他单相或复合陶瓷，用作陶瓷叠片的碳化硅陶瓷也包括采用其他烧结助剂和烧结工艺制备的高强高导电的碳化硅陶瓷。
权利要求
1.一种高压烧结组合模具，其特征在于该模具的组合状态为，包括中空圆柱体状的外模(1)，所述外模(1)的侧面设置有热电偶插入的通孔(8)，设置在外模(1)中空腔体中的中空圆柱体状的内模(5)，内模(5)的侧面设置有热电偶插入的盲孔(9)，所述外模⑴ 和内模(5)为紧配合且使得外模⑴侧面的热电偶插入通孔⑶和内模(5)侧面的热电偶插入盲孔(9)的中心线重合，半插入内模(5)中空腔体上下两端的一对圆柱体状的内压头 (6)，所述一对内压头(6)插入内模(5)中的圆形面和内模(5)的中空腔体形成模腔(7)，设置在一对内压头(6)外的一对圆柱体状的金属叠片G)，设置在一对金属叠片(4)外的圆柱体状的陶瓷叠片(3)，设置在一对陶瓷叠片( 外的圆柱体状的外压头(2)，所述陶瓷叠片 (3)和外压头( 和外模(1)紧配合。
2.根据权利要求1所述的组合模具，其特征在于所述外模(1)侧面设置的热电偶插入通孔(8)位于侧面上下居中位置。
3.根据权利要求1所述的组合模具，其特征在于所述内模(5)侧面设置的热电偶插入盲孔(9)位于侧面上下居中位置。
4.根据权利要求2或3所述的组合模具，其特征在于所述外压头( 与内压头(6)的截面积之比为4 1 36 1。
5.根据权利要求2或3所述的组合模具，其特征在于所述外模(1)、内模( 和外压头(2)材质为石墨，金属叠片(4)材质为超高温合金，陶瓷叠片(3)和内压头(6)材质为碳化硅陶瓷。
6.根据权利要求5所述的组合模具，其特征在于所述超高温合金为耐温等级为 IOOO0C以上的Ni基、Co基、Nb基或者Ti基合金。
7.根据权利要求5所述的组合模具，其特征在于所述碳化硅陶瓷为采用AlN和Lu2O3 为烧结助剂的加压烧结而成的的碳化硅陶瓷。
8.一种制备纳米陶瓷的高压快速烧结方法，其特征在于包括如下步骤步骤1 将纳米陶瓷粉末装入权利要求1所述高压烧结组合模具的模腔(7)中，然后将高压烧结组合模具组装；步骤2 将装有纳米陶瓷粉末的高压烧结组合模具置于等离子烧结炉中进行烧结 加热速率100-300°C /min，烧结压力lOO-lOOOMPa，烧结温度500-800 °C，烧结保温时间 3-lOmin，保温结束后解除压力，随等离子烧结炉冷却至室温即可。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于步骤1所述的纳米陶瓷粉末的平均粒径小于等于50nm。
全文摘要
一种高压烧结组合模具，包括中空圆柱体状的外模，外模的侧面设有热电偶插入的通孔，设在外模中空腔体中的中空圆柱体状的内模，内模的侧面设有热电偶插入的盲孔，外模和内模为紧配合且使得外模侧面的热电偶插入通孔和内模侧面的热电偶插入盲孔的中心线重合，半插入内模中空腔体上下两端的一对圆柱体状的内压头，插入的内压头和内模的中空腔体形成模腔，设在一对内压头外的一对圆柱体状的金属叠片，设在一对金属叠片外的圆柱体状的陶瓷叠片，设在一对陶瓷叠片外的圆柱体状的外压头，陶瓷叠片和外压头和外模紧配合；一种采用上述模具制备纳米陶瓷的高压快速烧结方法，采用本发明模具和烧结方法，可实现纳米陶瓷材料的快速且低温的致密化烧结。
文档编号C04B35/64GK102390079SQ201110287859
公开日2012年3月28日 申请日期2011年9月26日 优先权日2011年9月26日
发明者乔冠军, 刘桂武, 史忠旗, 杨建锋, 王红洁, 王继平, 简文政, 金海云 申请人:西安交通大学