专利名称：凝胶注模成型大尺寸复杂形状碳化硅陶瓷素坯的干燥工艺的制作方法
技术领域：
本发明属于陶瓷干燥技术领域，具体涉及凝胶注模成型大尺寸复杂形状碳化硅陶瓷素坯的干燥工艺。
背景技术：
凝胶注模成型(gel-casting)技术是由美国橡树岭国家实验室的M. A. Jenny和
O.O. Omatete教授等人发明的继注浆成型、注射成型之后的又一种新型的近净尺寸成型工艺。采用该方法能够获得性能优异的陶瓷湿坯，但在制备大尺寸复杂结构陶瓷坯体过程中，由于坯体含水量较大(体积比一般达到30-50%)、尺寸大、形状复杂，因此增加了后期湿坯的干燥难度，往往由于干燥过快或干燥不均匀，造成干坯中存在较多缺陷，影响最终烧结体的性能。陶瓷工业的干燥方法主要经历了自然干燥、室式烘房干燥到现在各种热源的连续式干燥器、远红外干燥器、太阳能干燥器和微波干燥技术。但现有陶瓷湿坯干燥过程中，水分都是从还体表面蒸发，对于整体厚度高(100_400mm)、厚壁(10_15mm)、复杂结构湿还而言，容易在厚度方向产生较大的水分溶度梯度差，从而引起坯体各部分的不一致收缩，造成坯体内部存在应力，出现开裂、变形等缺陷。因此已有干燥工艺无法满足凝胶注模成型大尺寸复杂形状坯体的干燥要求，目前还未见此类湿坯无缺陷干燥技术方面的报道。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的陶瓷湿坯干燥工艺存在坯体容易开裂、变形等缺陷，而提供凝胶注模成型大尺寸复杂形状碳化硅陶瓷素坯的干燥工艺，采用该工艺可获得口径I. 5m量级无缺陷SiC陶瓷干坯。本发明提供凝胶注模成型大尺寸复杂形状碳化硅陶瓷素坯的干燥工艺，包括如下步骤步骤一干燥溶液配制将干燥溶液的液体与去离子水混合，然后加入增塑剂，得到不同浓度的干燥溶液，所述的干燥溶液的液体为无水乙醇；步骤二 坯体收缩将SiC湿坯放入干燥槽，在SiC湿坯和干燥槽底面之间放置一层介质，分别向干燥槽中加入步骤一得到不同浓度的干燥溶液，进行浸泡，得到收缩后的SiC坯体；步骤三干燥液去除将步骤二得到的收缩后的SiC坯体放入干燥炉内，升温、保温、降温，当炉体温度恢复至室温时，取出坯体，即完成了凝胶注模成型大尺寸复杂形状碳化硅陶瓷素坯的干燥工艺。优选的是，所述步骤一的增塑剂为丙三醇(甘油)。优选的是，所述的丙三醇的加入量为干燥溶液体积的3_5%。优选的是，所述步骤二的中的一层介质为长绒毛地毯。优选的是，所述的步骤三中升温速率设置为5-10°C /h，最高温度设置为110°C，降温速率设置为10-15°C /h。发明原理本发明的凝胶注模成型大尺寸复杂形状碳化硅陶瓷素坯的干燥工艺，是通过凝胶体有机分子的凝胶化来固定陶瓷颗粒，从而达到成型的目的，本发明采用两步干燥工艺技术，第一步采用液体干燥，第二步采用升温加热干燥工艺，本发明采用乙醇作为干燥溶液的液体，因为乙醇具有较低的沸点、较高饱和增气压及较小表面张力，当坯体在空气中干燥时，低沸点、高饱和蒸汽压能够保证坯体中剩余的干燥液在较低的温度下排出，同时较小的表面张力能够保证坯体在加热升温干燥阶段具有较小的收缩率；而且本发明的凝胶体系形成的高分子三维网状聚合物不溶于该干燥溶液，保证干燥过程不破坏其结构；当湿坯浸入该液体中时，能够形成水分的浓度梯度，促使水分子的定向移动；同时该液体能够促使高分子聚合物收缩，挤出网络中的水分子，最后加热升温排出该液体，即可达到干燥的目的。本发明的有益效果
本发明的凝胶注模成型大尺寸复杂形状碳化硅陶瓷素坯的干燥工艺，首先将干燥溶液的液体乙醇与去离子水配制成不同浓度的干燥溶液，本发明采用乙醇作为干燥溶液的液体，对人体无害，易运输和保存；然后将SiC湿坯放入干燥槽，在SiC湿坯和干燥槽底面之间放置一层介质，向干燥槽中加入不同浓度的干燥溶液进行浸泡，得到SiC坯体，将SiC坯体放入干燥炉内加热，当炉体温度恢复至室温时，取出坯体，即完成了凝胶注模成型大尺寸复杂形状碳化硅陶瓷素坯的干燥工艺，由于在干燥液中坯体基本完成收缩，因此加热过程仅完成干燥液与微量水分的蒸发，不存在坯体的收缩与尺寸变化。采用本发明的干燥工艺大大降低了大尺寸复杂形状SiC素坯的干燥难度，实现了采用凝胶注模成型工艺制备的
I.5m量级SiC陶瓷素坯的无缺陷干燥。
图I为凝胶注模成型制备的口径I. 52mSiC坯体结构的主视图；图2为凝胶注模成型制备的口径I. 52mSiC坯体结构的剖视图；图3为本发明干燥炉结构示意图；图中，I、保温层，2、加热体，3、盛坯盒，4、坯体，5、保温砖；图4为本发明实施例I干燥过程的干燥工艺曲线。
具体实施例方式本发明提供凝胶注模成型大尺寸复杂形状碳化硅陶瓷素坯的干燥工艺，包括如下步骤步骤一干燥溶液配制将干燥溶液的液体与去离子水混合，然后加入增塑剂，得到不同浓度的干燥溶液，所述的干燥溶液的液体为无水乙醇；步骤二 坯体收缩将SiC湿坯放入干燥槽，在SiC湿坯和干燥槽底面之间放置一层介质，分别向干燥槽中加入步骤一得到不同浓度的干燥溶液，进行浸泡，得到收缩后的SiC坯体；步骤三干燥液去除将步骤二得到的收缩后的SiC坯体放入干燥炉内，升温、保温、降温，当炉体温度恢复至室温时，取出坯体，即完成了凝胶注模成型大尺寸复杂形状碳化硅陶瓷素坯的干燥工艺。本发明步骤一所述的干燥溶液配制，首先要求寻找一种液体，当湿坯浸入该液体中时，能够形成水分的浓度梯度，促使水分子的定向移动；同时该液体能够促使高分子聚合物收缩，挤出网络中的水分子，最后加热升温排出该液体，即可达到干燥的目的。因此适于作为干燥溶液的液体必须满足以下三方面要求I)凝胶体系形成的高分子三维网状聚合物不溶于该干燥溶液，保证干燥过程不破坏其结构；2)对水有较好的亲和力，能够与水以任何比例互溶，当湿坯放入该溶液中时，能够促使水分的排出；3)具有较低的沸点、较高饱和增气压及较小表面张力，当坯体在空气中干燥时，低沸点、高饱和蒸汽压能够保证坯体中剩余的干燥液在较低的温度下排出 ，同时较小的表面张力能够保证坯体在加热升温干燥阶段具有较小的收缩率。比较分析了常用的有机溶剂的性质，如表I所示，通过对满足上述条件的液体各项相关物性参数进行了详细的对比分析，最终确定将乙醇作为溶剂，因为乙醇是一种常用的有机溶剂，对人体无害，容易运输、保存。同时在无水乙醇中加入部分其他溶液，配置成适合凝胶注模成型湿坯的干燥液体，实现了口径I. 5m复杂结构SiC陶瓷素坯的无缺陷干燥。表I
密度
凝固点(°C) 沸点(°C) 饱和增气压(KPa) 表面张力(mN/m)
(g/cm3)
水IO1003.4ffl40°C72. lri'40°c
乙醇 ().79-117.378.45.73 巧 40°C22.8w40°C
甲醇 0.79-97.864.813.33^；21.2 22.7 切 20°C
丙酮 0.8-95.456.553.32to40°C25.2f !20°C
异丙醇 0.79-89.582.54.32^:20°C23 咕 2(TC
丙三醇 1.26171820.4f 40°C63.4@4(TC
叔丁醇 0.7925.382.56.4fo40°C15.15to40°C优选的是，所述步骤一的增塑剂为3-5%的丙三醇(甘油)，作用是保证湿坯中的水分缓慢均匀析出，有助于坯体收缩过程中SiC颗粒之间的滑动，在液体中基本完成坯体的收缩。本发明所述的坯体收缩过程，需要在SiC湿坯和干燥槽底面之间放置一层介质，干燥槽底面用多孔铝板支撑，铝板可保证强度较低的湿坯在干燥过程中不发生变形。所述的步骤二向放置有SiC湿坯的干燥槽中加入不同浓度的干燥溶液时，随着水分不断的析出，坯体会有一定的收缩，由于湿坯重量较大，液体浮力无法完全抵消其重力，坯体局部收缩受限容易造成开裂，因此在坯体底部与支撑板之间增加一层介质，避免坯体收缩受限，优选为长绒毛地毯，降低两者之间的摩擦力，实现坯体各部分的无阻力收缩。本发明所述的步骤二 SiC湿坯采用凝胶注模成型工艺制得，具体的工艺过程参考专利CN201010276688. 8。所述的浸泡时间为20_24h。本发明所述坯体的收缩过程在干燥液中基本完成，但仍有微量水分存在，因此需将坯体放入干燥炉内进行缓慢加热，除去坯体中的残余液体。干燥炉的结构示意图如图3所示，干燥炉的外层用一层轻质保温砖作为保温层I和加热介质固定基体，在保温层I内表面设置回字形电阻丝作为加热体2，功率为30KW ;干燥炉内部设置盛坯盒3，盛坯盒3为不锈钢焊接成的2 X 2m2的区域，盛坯盒3上盖设计若干Φ 5mm的出气孔，盛坯盒3上盖和盛坯盒之间用耐高温密封胶条密封，加热干燥时需要将坯体4放入盛坯盒3，加封上盖，坯体处于相对密封的区域内，一方面保证液体缓慢均匀蒸发，另一方盛坯盒作为二次加热体，保证加热区的均温性。盛坯盒与保温层之间间隔100_，底部用保温砖5垫高，坯体底部也用保·温砖5垫高，保证坯体均匀受热。干燥炉升温时，电阻丝加热不锈钢盛坯盒，由于不锈钢导热率较高，因此盒内形成一均温区，坯体受热后液体挥发，挥发液体在密封区内不易排出，形成饱和蒸汽压，保证了坯体中的干燥液和少量水分能够均匀缓慢排除。本发明所述的步骤三中将SiC坯体放入干燥炉内的加热条件是在20°C开始升温，升温速率设置为5-10°C /h，最高温度设置为110°C，保温lh，然后开始降温，降温速率设置为10-15°C /h，所述的加热温度和坯体尺寸大小和结构复杂程度有关。下面结合附图和具体实例对本发明做进一步详细的说明。实施例ISiC微粉由山东潍坊华美精细技术有限公司提供，纯度为99. 7%，采用凝胶注模成型工艺制备SiC湿坯及配置干燥液体所用的各种化学试剂由北京化学试剂有限公司提供，实际纯度均为分析纯。将无水乙醇与去离子水混合，其浓度(体积比)分别为10%、20%、30%、40%、60%、80%和100%，配方如表2所示，然后加入体积比为4%的丙三醇(甘油)作为增塑剂，得到不同浓度的干燥溶液；表2
浓度10% 20% 30% 40% 60% 80% 100%
干燥溶液体积(L)200
去离子水(L) 172 152 132 112 72 32 O 无水乙醇(L) 20 40 60 80 120 160 192
丙三醇(L)8采用凝胶注模成型工艺制备得到Φ1.52πι轻型SiC湿坯，如图I和图2所示，将湿坯放入干燥槽，底面用多孔铝板支撑，铝板与坯体之间用长绒毛地毯隔开，铝板可保证强度较低的湿坯在干燥过程中不发生变形，长绒毛地毯可大大降低坯体收缩过程中的阻力，向干燥槽中注入10%的干燥溶液，浸泡24h后将其完全抽出，再分别注入20%、30%、40%、60%、80%和100%的干燥溶液,重复上述步骤,让湿还完全经历各干燥溶液的浸泡，当还体从100%溶度的无水乙醇中取出时，其直径为1505±0. 5mm，基本完成了收缩，得到收缩后的SiC坯体；将步骤二得到的收缩后的SiC坯体放入图3所示的干燥炉内，在初始温度为20°C时开始升温，最高温度设置为110°c，升温速率设置为8°C /h,到温度为110°C时，保温lh，然 后开始降温，降温速率设置为12°C /h，干燥时间为21h，干燥过程的干燥工艺曲线如图4所示，当炉体温度恢复至室温时，取出坯体，测量其直径仍为1505±0.5_，坯体尺寸几乎没有发生变化，用X射线无损探伤设备检测坯体未发现裂纹等缺陷的存在，即完成了凝胶注模成型大尺寸复杂形状碳化硅陶瓷素坯的干燥工艺。
权利要求
1.凝胶注模成型大尺寸复杂形状碳化硅陶瓷素坯的干燥工艺，其特征在于，包括如下步骤 步骤一干燥溶液配制将干燥溶液的液体与去离子水混合，然后加入增塑剂，得到不同浓度的干燥溶液，所述的干燥溶液的液体为无水乙醇； 步骤二 坯体收缩将SiC湿坯放入干燥槽，在SiC湿坯和干燥槽底面之间放置一层介质，分别向干燥槽中加入步骤一得到不同浓度的干燥溶液，进行浸泡，得到收缩后的SiC坯体； 步骤三干燥液去除将步骤二得到的收缩后的SiC坯体放入干燥炉内，升温、保温、降温，当炉体温度恢复至室温时，取出坯体，即完成了凝胶注模成型大尺寸复杂形状碳化硅陶瓷素坯的干燥工艺。
2.根据权利要求I所述的凝胶注模成型大尺寸复杂形状碳化硅陶瓷素坯的干燥工艺，其特征在于，所述步骤一的增塑剂为丙三醇。
3.根据权利要求2所述的凝胶注模成型大尺寸复杂形状碳化硅陶瓷素坯的干燥工艺，其特征在于，所述的丙三醇的加入量为干燥溶液体积的3-5%。
4.根据权利要求I所述的凝胶注模成型大尺寸复杂形状碳化硅陶瓷素坯的干燥工艺，其特征在于，所述步骤二的中的一层介质为长绒毛地毯。
5.根据权利要求I所述的凝胶注模成型大尺寸复杂形状碳化硅陶瓷素坯的干燥工艺，其特征在于，所述的步骤三中升温速率设置为5-10°C /h，最高温度设置为110°C，降温速率设置为 10-15。。/h。
全文摘要
凝胶注模成型大尺寸复杂形状碳化硅陶瓷素坯的干燥工艺，属于陶瓷干燥技术领域。解决现有的陶瓷湿坯干燥工艺存在坯体容易开裂、变形等缺陷。该工艺首先将干燥溶液的液体乙醇与去离子水配制成不同浓度的干燥溶液，然后将SiC湿坯放入干燥槽底面，分别向干燥槽中加入步骤一得到的干燥溶液进行浸泡，得到SiC收缩后的坯体，最后将收缩后的SiC坯体放入干燥炉内加热干燥。采用本发明的干燥工艺大大降低了大尺寸复杂形状SiC素坯的干燥难度，实现了采用凝胶注模成型工艺制备的1.5m量级SiC陶瓷素坯的无缺陷干燥。
文档编号C04B35/622GK102887711SQ201210278948
公开日2013年1月23日 申请日期2012年8月7日 优先权日2012年8月7日
发明者赵文兴, 张舸, 赵汝成 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所