一种氧化锆陶瓷手机后盖及其制备方法与流程

本发明属于陶瓷手机后盖领域，具体涉及一种氧化锆陶瓷手机后盖及其制备方法。

背景技术：

氧化锆陶瓷具有优异的力学性能，如高强度、高硬度、高韧性，抗氧化、抗腐蚀，光泽度好(温润如玉))等性能，被广泛应用于各种结构件和外观件。近年来随着5g时代的到来，由于金属材质手机外壳硬度低，且对电磁信号屏蔽严重，将逐渐被淘汰；而氧化锆陶瓷对电磁信号基本无屏蔽作用，因此得到越来越多消费者的认可和青睐。但陶瓷材料制备复杂，同样的粉体和成型工艺，不同的烧结工艺对最终制备的陶瓷产品的综合性能有着重要的影响，另外陶瓷材料力学性能离散性大，这些因素都使得氧化锆陶瓷在手机后盖领域的应用存在巨大的风险。

技术实现要素：

为克服以上现有技术中的不足或缺陷，本发明提供一种低成本制备高密度、高强度、高硬度的氧化锆陶瓷手机后盖的制备方法，通过系统研究烧结工艺对氧化锆陶瓷的性能影响规律，采用正交设计及统计学来设计实验和分析数据，获得了制备最佳性能氧化锆陶瓷材料的烧结工艺：以1℃/min的升温速率升温到1420℃，保温3h，制得的氧化锆陶瓷的综合性能达到最佳。同时，本发明还提供一种由上述方法制得的氧化锆陶瓷手机后盖，该氧化锆陶瓷手机后盖具有高密度、高强度、高硬度的优点。

本发明所采取的技术方案是：一种氧化锆陶瓷手机后盖的制备方法，包括：

(1)流延膜制备：以氧化钇稳定氧化锆粉体为原料，加入有机溶剂、分散剂、粘结剂、塑性剂，在球磨机中球磨混料均匀，经真空脱泡后，置于流延机中流延成型，制得流延膜；

(2)温等静压成型：将步骤(1)所得流延膜置于温等静压机中叠压成型，得到手机后盖素坯；

(3)排胶炉低温排胶：将步骤(2)所得素坯置于排胶炉中进行排胶，去除有机物成分；

(4)高温烧结炉中烧结：将经步骤(3)后的素坯转移到高温烧结炉中进行烧结，得到陶瓷手机后盖烧结坯；

(5)机加工：将步骤(4)所得的陶瓷手机后盖烧结坯经过后端cnc、研磨、抛光工序，得到氧化锆陶瓷手机后盖。

上述制备方法中，步骤(1)中采用流延成型制备高质量流延膜，有效减少了陶瓷材料成型中显微结构不均匀的缺陷；同时，所述有机溶剂为二甲苯、2-丁酮、无水乙醇、甲醇、甲苯、正丁醇、正丙醇、异丙醇、正己烷中一种或两种组成的混合溶剂，有机溶剂的质量分数为浆料总质量的20-30wt％；所述粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛，粘结剂的质量分数为浆料总质量的5-10wt％；所述塑性剂为邻苯二甲酸丁苄酯、邻苯二甲酸二辛酯中的至少一种，塑性剂与粘结剂的用量比为0.4-1.2；所述浆料固含量为55-65wt％。浆料真空脱泡的真空度为10-30pa，脱泡时间为2-15h。

作为上述技术方案的进一步改进，步骤(1)中的氧化钇稳定氧化锆粉体为亚微米级，粒径为0.1-0.4μm。

作为上述技术方案的进一步改进，步骤(1)中所用分散剂为byk、磷酸酯、蓖麻油中的至少一种，分散剂含量占浆料总质量的0.5-2.0wt％。

作为上述技术方案的进一步改进，所述流延膜的厚度为0.01-1.0mm。

作为上述技术方案的进一步改进，步骤(2)中温等静压成型的温度为50-90℃，得到的手机后盖素坯为平板、2.5d及3d形状，厚度为0.5-1.2mm。

作为上述技术方案的进一步改进，步骤(3)中排胶工艺为：从室温以2-3℃/min升到300℃；再从300℃以1-2℃/min升到550-650℃，保温0.5h-2h。

作为上述技术方案的进一步改进，步骤(4)中采用正交试验方法设计烧结工艺：采用三水平三因子设计，即最高烧结温度t，升温速率v，最高温度保温时间t。t：1390℃、1420℃、1450℃；v：1℃/min、2℃/min、3℃/min；t：1h、2h、3h。

采用正交设计烧结工艺，系统评估不同烧结工艺对最终陶瓷性能的影响规律，统计分析数据获得了制备最佳性能氧化锆陶瓷材料的烧结工艺：以1℃/min的升温速率升温到1420℃，保温3h，得到的氧化锆陶瓷的综合性能达到最佳，最佳综合性能为：氧化锆陶瓷材料密度为6.07-6.08g/cm³，强度为1400-1500mpa，硬度为12.2-12.5gpa。

本发明所述陶瓷材料密度的测量采用阿基米德法，陶瓷材料强度的测量采用万能试验机测试四点抗弯强度，陶瓷材料维氏硬度采用维氏硬度计测量所得。

作为上述技术方案的进一步改进，步骤(4)烧结工艺研究中，每组实验样品数量均大于20件，以确保最终产品性能测试数据的可靠性。

作为上述技术方案的进一步改进，步骤(5)的陶瓷手机后盖烧结坯经过cnc、研磨、抛光工艺得到最终形状的氧化锆陶瓷手机后盖可为平板、2.5d及3d结构，厚度为0.3-1.0mm。

相应地，本发明还提供由上述任一制备方法制得的氧化锆陶瓷手机后盖，所述氧化锆陶瓷手机后盖中陶瓷材料的密度为6.04-6.09g/cm3，强度为1200-1500mpa，维氏硬度为11.8-12.5gpa。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种氧化锆陶瓷手机后盖的制备方法，首先以氧化钇稳定氧化锆粉体为原料，加入有机溶剂、分散剂、粘结剂、塑性剂，在球磨机中球磨混料均匀，经真空脱泡后，置于流延机中流延成型，制得流延膜，其次，将所得流延膜置于温等静压机中叠压成型，得到手机后盖素坯，再次，将素坯置于排胶炉中进行排胶，去除有机物成分，再转移到高温烧结炉中进行烧结，得到陶瓷手机后盖烧结坯，最后，将所得的陶瓷手机后盖烧结坯经过后端cnc、研磨、抛光工序，得到氧化锆陶瓷手机后盖。

本制备方法有如下优点：采用流延成型制备高质量流延膜，可有效减少陶瓷材料成型中显微结构不均匀的缺陷；另外，采用正交设计烧结工艺，系统评估不同烧结工艺对最终陶瓷性能的影响规律，统计分析数据获得了制备最佳性能氧化锆陶瓷材料的烧结工艺：以1℃/min的升温速率升温到1420℃，保温3h，得到的氧化锆陶瓷的综合性能达到最佳，该最佳性能为：氧化锆陶瓷材料密度为6.07-6.08g/cm³，强度为1400-1500mpa，硬度为12.2-12.5gpa。本发明还利用上述制备方法制备了性能优异的氧化锆陶瓷手机后盖，既可满足手机领域的应用要求，进行大规模生产，也为陶瓷材料性能离散性大的特点提供了实际指导，规避陶瓷材料在实际应用中存在的风险，意义重大。

附图说明

图1为本发明的制备工艺流程图；

图2为不同烧结工艺对氧化锆陶瓷密度的影响；

图3为不同烧结工艺对氧化锆陶瓷强度的影响；

图4为不同烧结工艺对氧化锆陶瓷硬度的影响；

图5为烧结氧化锆陶瓷断面的sem图片(×2000倍)。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行具体描述，以便于所属技术领域的人员对本发明的理解。有必要在此特别指出的是，实施例只是用于对本发明做进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，所属领域技术熟练人员，根据上述发明内容对本发明所做出的非本质性的改进和调整，应仍属于本发明的保护范围。同时下述所提及的原料未详细说明的，均为市售产品；未详细提及的工艺步骤或制备方法均为本领域技术人员所知晓的工艺步骤或制备方法。

本发明提供了一种氧化锆陶瓷手机后盖及其制备方法，包括：

(1)氧化钇稳定氧化锆粉体为原料，加入有机溶剂、分散剂、粘结剂、塑性剂，在球磨机中球磨混料均匀，真空脱泡，流延机中流延成型，制备高质量的流延膜。

所述氧化锆陶瓷粉体为亚微米，粒径分布为0.1-0.4μm，分散剂为byk、磷酸酯、蓖麻油中的至少一种，分散剂含量占浆料总质量的0.5-2.0wt％；

所述有机溶剂为二甲苯、2-丁酮、无水乙醇、甲醇、甲苯、正丁醇、正丙醇、异丙醇、正己烷中一种或两种组成的混合溶剂，有机溶剂的质量分数为浆料总质量的20-30wt％；

所述粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛，粘结剂的质量分数为浆料总质量的5-10wt％；

所述塑性剂为邻苯二甲酸丁苄酯、邻苯二甲酸二辛酯中的至少一种，塑性剂与粘结剂的用量比为0.4-1.2。

所述浆料固含量为55-65wt％，浆料真空脱泡的真空度为10-30pa，脱泡时间为2-15h。流延膜的厚度为0.01-1.0mm。

(2)步骤(1)中的流延膜在温等静压机中叠压成型，得到手机后盖素坯；

温等静压的温度为50-90℃，保温压力为100-200mpa，保压1-5min。

优选地，把膜片放入温等静压机中，温度缓慢升温到设定温度，压力先从0mpa增加到50mpa，保压1min，压力继续升高到设定值，保压1-5min，成型的素坯可为平板、25d及3d形状，厚度为0.5-1.2mm。

(3)步骤(2)中得到的手机后盖陶瓷素坯置于排胶炉中进行排胶，去除有机物成分；

将温等静压成型之后的陶瓷素坯放入排胶炉中排胶，排胶温度为550-650℃，保温0.5-2h。具体的，温度从室温到300℃阶段，升温速率2-3℃/min，温度从300℃到保温温度550-650℃，升温速率为1-2℃/min，保温0.5-2h。

(4)将经步骤(3)排胶后的手机后盖陶瓷素坯转移到高温烧结炉中进行烧结，得到陶瓷手机后盖烧结坯；

具体的，将经排胶后的陶瓷素坯转移到高温烧结炉中烧结，烧结工艺采用科学的正交实验设计，采用三水平三因子设计，即最高烧结温度t，升温速率v，最高温度保温时间t。t：1390℃、1420℃、1450℃；v：1℃/min、2℃/min、3℃/min；t：1h、2h、3h。其中，每一组样品至少大于20件，烧结之后得到相应的陶瓷手机后盖烧结坯。烧结工艺对最终陶瓷材料的密度、强度、硬度影响如附图2、3、4所示，陶瓷材料的断面sem图片如附图5所示。

(5)步骤(4)中的烧结坯经过后端cnc、研磨、抛光工序，得到最终陶瓷手机后盖成品。

具体的，陶瓷烧结坯经过cnc、研磨、抛光工艺得到最终形状的手机陶瓷外壳，陶瓷手机后盖厚度为0.3-1.0mm，形状可为平板、2.5d及3d。

下面以具体实施例进一步阐述本发明：

实施例1

(1)流延膜制备：取10kg氧化钇稳定的氧化锆粉体溶于5kg甲苯和无水乙醇的混合溶剂中，甲苯和无水乙醇的质量比为3:2，加入70g的byk分散剂，先球磨5h，然后加入875g粘结剂和610g塑性剂，粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛，塑性剂为邻苯二甲酸二辛酯，球磨24h混合为均匀的浆料，再将浆料经真空脱泡，真空度为18pa，脱泡15h，流延成型制备0.3mm的流延膜。

(2)温等静压成型：缓慢加热温等静压机中的水至至80℃，将流延膜片用不锈钢模具叠层成平板、2.5d、3d形状的陶瓷手机后盖，放入升温之后的等静压机中，缓慢加压力至50mpa，保压1min，之后快速加压到120mpa，保压3min，再将陶瓷素坯与模具分离，得到陶瓷素坯。

(3)排胶炉低温排胶：陶瓷素坯放入排胶炉中，设定排胶工艺，即温度从室温到300℃，升温速率2℃/min，从300℃到650℃，升温速率1℃/min，保温时间为1h，排出陶瓷素坯中的有机物。

(4)高温烧结炉中烧结：将排完胶之后的陶瓷素坯放入烧结炉中，设定烧结温度为1450℃，升温速率为2℃/min，保温时间为3h，得到陶瓷烧结坯。

(5)机加工：将陶瓷烧结坯经过cnc加工，磨床研磨，抛光机抛光处理，得到所述的氧化锆陶瓷手机后盖成品1。

实施例2：

(1)流延膜制备：取10kg氧化钇稳定的氧化锆粉体溶于5kg甲苯和无水乙醇的混合溶剂中，甲苯和无水乙醇的质量比为3:2，加入70g的byk分散剂，先球磨5h，然后加入875g粘结剂和610g塑性剂，粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛，塑性剂为邻苯二甲酸二辛酯，球磨24h混合为均匀的浆料，之后浆料经过真空脱泡，真空度为18pa，脱泡15h，流延成型制备0.3mm的流延膜。

(2)温等静压成型：缓慢加热温等静压机中的水至至80℃，将流延膜片用不锈钢模具叠层成平板、2.5d、3d形状的陶瓷手机后盖，放入升温之后的等静压机中，缓慢加压力至50mpa，保压1min，之后快速加压到120mpa，保压3min，把陶瓷素坯从模具上分离，得到陶瓷素坯。

(3)排胶炉低温排胶：陶瓷素坯放入排胶炉中，设定排胶工艺，即温度从室温到300℃，升温速率2℃/min，从300℃到650℃，升温速率1℃/min，保温时间为1h，排出陶瓷素坯中的有机物。

(4)高温烧结炉中烧结：将排完胶之后的陶瓷素坯放入烧结炉中，设定烧结温度为1420℃，升温速率为1℃/min，保温时间为1h，得到陶瓷烧结坯。

(5)机加工：将陶瓷烧结坯经过cnc加工，磨床研磨，抛光机抛光处理，得到所述的氧化锆陶瓷手机后盖成品2。

实施例3：

(1)流延膜制备：取10kg氧化钇稳定的氧化锆粉体溶于5kg甲苯和无水乙醇的混合溶剂中，甲苯和无水乙醇的质量比为3:2，加入70g的byk分散剂，先球磨5h，然后加入875g粘结剂和610g塑性剂，粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛，塑性剂为邻苯二甲酸二辛酯，球磨24h混合为均匀的浆料，之后浆料经过真空脱泡，真空度为18pa，脱泡15h，流延成型制备0.3mm的流延膜。

(2)温等静压成型：缓慢加热温等静压机中的水至至80℃，将流延膜片用不锈钢模具叠层成平板、2.5d、3d形状的陶瓷手机后盖，放入升温之后的等静压机中，缓慢加压力至50mpa，保压1min，之后快速加压到120mpa，保压3min，把陶瓷素坯从模具上分离，得到陶瓷素坯。

(3)排胶炉低温排胶：陶瓷素坯放入排胶炉中，设定排胶工艺，即温度从室温到300℃，升温速率2℃/min，从300℃到650℃，升温速率1℃/min，保温时间为1h，排出陶瓷素坯中的有机物。

(4)高温烧结炉中烧结：将排完胶之后的陶瓷素坯放入烧结炉中，设定烧结温度为1420℃，升温速率为1℃/min，保温时间为3h，得到陶瓷烧结坯。

(5)机加工：将陶瓷烧结坯经过cnc加工，磨床研磨，抛光机抛光处理，得到所述的氧化锆陶瓷手机后盖成品3。

实施例4：

(1)流延膜制备：取10kg氧化钇稳定的氧化锆粉体溶于5kg甲苯和无水乙醇的混合溶剂中，甲苯和无水乙醇的质量比为3:2，加入70g的byk分散剂，先球磨5h，然后加入875g粘结剂和610g塑性剂，粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛，塑性剂为邻苯二甲酸二辛酯，球磨24h混合为均匀的浆料，之后浆料经过真空脱泡，真空度为18pa，脱泡15h，流延成型制备0.3mm的流延膜。

(2)温等静压成型：缓慢加热温等静压机中的水至至80℃，将流延膜片用不锈钢模具叠层成平板、2.5d、3d形状的陶瓷手机后盖，放入升温之后的等静压机中，缓慢加压力至50mpa，保压1min，之后快速加压到120mpa，保压3min，把陶瓷素坯从模具上分离，得到陶瓷素坯。

(3)排胶炉低温排胶：陶瓷素坯放入排胶炉中，设定排胶工艺，即温度从室温到300℃，升温速率2℃/min，从300℃到650℃，升温速率1℃/min，保温时间为1h，排出陶瓷素坯中的有机物。

(4)高温烧结炉中烧结：将排完胶之后的陶瓷素坯放入烧结炉中，设定烧结温度为1390℃，升温速率为1℃/min，保温时间为2h，得到陶瓷烧结坯。

(5)机加工：将陶瓷烧结坯经过cnc加工，磨床研磨，抛光机抛光处理，得到所述的氧化锆陶瓷手机后盖成品4。

实施例5：

(1)流延膜制备：取10kg氧化钇稳定的氧化锆粉体溶于5kg异丙醇和正己烷的混合溶剂中，异丙醇和正己烷的质量比为3:2，加入70g的磷酸酯分散剂，先球磨5h，然后加入875g粘结剂和610g塑性剂，粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛，塑性剂为邻苯二甲酸丁芐酯，球磨24h混合为均匀的浆料，之后浆料经过真空脱泡，真空度为20pa，脱泡15h，流延成型制备0.1mm的流延膜。

(2)温等静压成型：缓慢加热温等静压机中的水至至80℃，将流延膜片用不锈钢模具叠层成平板、2.5d、3d形状的陶瓷手机后盖，放入升温之后的等静压机中，缓慢加压力至50mpa，保压1min，之后快速加压到180mpa，保压3min，把陶瓷素坯从模具上分离，得到陶瓷素坯。

(3)排胶炉低温排胶：陶瓷素坯放入排胶炉中，设定排胶工艺，即温度从室温到300℃，升温速率3℃/min，从300℃到650℃，升温速率2℃/min，保温时间为2h，排出陶瓷素坯中的有机物。

(4)高温烧结炉中烧结：将排完胶之后的陶瓷素坯放入烧结炉中，设定烧结温度为1450℃，升温速率为2℃/min，保温时间为2h，得到陶瓷烧结坯。

(5)机加工：将陶瓷烧结坯经过cnc加工，磨床研磨，抛光机抛光处理，得到所述的氧化锆陶瓷手机后盖成品5。

实施例6：

(1)流延膜制备：取10kg氧化钇稳定的氧化锆粉体溶于5kg二甲苯中，加入70g的蓖麻油分散剂，先球磨5h，然后加入875g粘结剂和610g塑性剂，粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛，塑性剂为邻苯二甲酸丁芐酯，球磨24h混合为均匀的浆料，之后浆料经过真空脱泡，真空度为20pa，脱泡2.5h，流延成型制备1.0mm的流延膜。

(2)温等静压成型：缓慢加热温等静压机中的水至至80℃，将流延膜片用不锈钢模具叠层成平板、2.5d、3d形状的陶瓷手机后盖，放入升温之后的等静压机中，缓慢加压力至50mpa，保压1min，之后快速加压到100mpa，保压5min，把陶瓷素坯从模具上分离，得到陶瓷素坯。

(3)排胶炉低温排胶：陶瓷素坯放入排胶炉中，设定排胶工艺，即温度从室温到300℃，升温速率2℃/min，从300℃到550℃，升温速率1℃/min，保温时间为1h，排出陶瓷素坯中的有机物。

(4)高温烧结炉中烧结：将排完胶之后的陶瓷素坯放入烧结炉中，设定烧结温度为1390℃，升温速率为2℃/min，保温时间为3h，得到陶瓷烧结坯。

(5)机加工：将陶瓷烧结坯经过cnc加工，磨床研磨，抛光机抛光处理，得到所述的氧化锆陶瓷手机后盖成品6。

实施例7：

性能测试。所有烧结正交实验组完成之后，将上述实施例1-6所制得的氧化锆陶瓷手机后盖成品1-6分别进行密度、强度和硬度相关性能测试：采用阿基米德法测量陶瓷材料的密度，采用万能试验机测试四点抗弯强度，采用维氏硬度计测量维氏硬度，每组实验样品数量至少20件，经统计分析得到烧结工艺对陶瓷性能的影响规律，分析结果如下：

附图2烧结工艺对氧化锆陶瓷密度的影响，从图2以看出对密度影响最重要的是升温速率v，其次是最高烧结温度t，影响最小的是保温时间t，密度最好的烧结工艺：以2℃/min的升温速率升温到1420℃，保温2h,得到的氧化锆陶瓷密度最高，密度大于6.08g/cm³。

附图3烧结工艺对氧化锆陶瓷强度的影响，从图3可以看出对强度影响最重要的是升温速率v，其次是保温时间t，影响最小的是最高烧结温度t，强度最好的烧结工艺：以1℃/min的升温速率升温到1420℃，保温3h,得到的氧化锆陶瓷强度最好，强度为1490mpa。

附图4烧结工艺对氧化锆陶瓷维氏硬度的影响，从图4可以看出对硬度影响最重要的是保温时间t，其次是最高烧结温度t，影响最小的是升温速率v，强度最好的烧结工艺：以1℃/min的升温速率升温到1390℃，保温3h,得到的氧化锆陶瓷硬度最好，硬度为12.5gpa。

由图2-4以看出，烧结温度、升温速率及保温时间对陶瓷的最终性能是相互影响的，降低烧结温度、延长保温时间及降低升温速率均可以使陶瓷达到更好的效果和性能。综合考虑最佳烧结工艺为：以1℃/min的升温速率升温到1420℃，保温3h,得到的氧化锆陶瓷性能最好。

附图5烧结氧化锆陶瓷断面的sem照片，可以看出断面微结构比较均匀，晶粒尺寸小于0.5μm，烧结已致密。

本发明所述陶瓷材料密度采用阿基米德法测量，强度采用万能试验机测试四点抗弯强度，维氏硬度采用维氏硬度计测量。

本发明制备的氧化锆陶瓷手机后盖的陶瓷材料密度为6.05-6.08g/cm³，强度为1200-1500mpa，硬度为11.8-12.5gpa，另外通过系统的正交设计烧结实验及大量的性能数据统计分析，得到的陶瓷材料性能稳定可靠，能满足在手机陶瓷手机后盖领域的应用需求。

上述实施例为本发明的优选实施例，凡与本发明类似的工艺及所作的等效变化，均应属于本发明的保护范畴。