一种基于介质阻挡放电排胶处理的陶瓷室温超快烧结方法

1.本发明涉及陶瓷材料制备技术领域，尤其涉及一种基于介质阻挡放电排胶处理的陶瓷室温超快烧结方法。


背景技术：

2.陶瓷材料是一种应用范围极广的非金属材料，可用于电子器械、生物医疗、航空航天等科技尖端领域。
3.排胶是陶瓷生产工艺中的关键环节，对成型陶瓷的性能有着显著影响，但传统的加热排胶工艺具有高耗时、高耗能、高污染等缺点，因此设计新型的快速、低能耗的排胶工艺具有重要现实意义。
4.陶瓷材料的制造通过需要长时间的高温才能将原本较为松散的生坯烧结至完全致密。这也就意味着传统的陶瓷制造工艺需要大量的能耗以及较长的时间。为了降低陶瓷烧结过程中的能耗，各种新型烧结工艺，如微波烧结、放电等离子体烧结、热压烧结等，被提出并投入实际应用。
5.闪烧技术是2010年出现的一种新型的电场辅助烧结工艺，即通过陶瓷生坯两端施加适当的交流或直流电压使得陶瓷生坯能够在短短数秒至数分钟内高度致密化，同时大幅降低陶瓷烧结所需的炉温。如此短的烧结时间和相对较低的炉温就意味着闪烧技术所需的能耗与传统烧结工艺相比，极大地降低了。但是在闪烧过程中时常会出现陶瓷晶粒过度生长，晶粒尺寸过大，从而影响了陶瓷材料的使用性能。因此抑制闪烧过程中的晶粒生长对于闪烧技术的进一步推广应用有着重要意义。


技术实现要素：

6.本发明旨在至少克服上述现有技术的缺点与不足其中之一，提供一种基于介质阻挡放电排胶处理的陶瓷室温超快烧结方法。本发明目的基于以下技术方案实现：
7.本发明提供了一种基于介质阻挡放电排胶处理的陶瓷室温超快烧结方法，包括以下步骤：
8.s1、制备陶瓷生坯，陶瓷生坯(1)含有粘结剂；
9.s2、将两片电极板-板竖直对置，上介质板紧贴上电极、下介质板紧贴下电极，将陶瓷生坯置于下介质板中心，调节两电极间距，两电极接电源；
10.s3、设置电源频率，以一定的升压速率升高电压值至目标电压峰峰值，放电趋于稳定后再维持一段时间，然后降压切断电源，完成排胶处理过程；
11.s4、将排胶处理后的陶瓷生坯两端喷涂上电极，并用导线在两端缠绕，通过导线与高压电源相连；
12.s5、接通高压电源，通过调整烧制电压及电流，进行陶瓷的室温超快烧结。
13.优选地，步骤s1中，所述陶瓷生坯的形状包括圆柱体、长方体或狗骨头形状。
14.优选地，步骤s1中，粘接剂包括聚乙烯醇、和/或聚乙烯醇缩丁醛酯。
15.优选地，步骤s2中，上介质板与陶瓷生坯上表面间距为1-5mm。
16.优选地，步骤s3中，所述电源频率为6-14khz。
17.优选地，步骤s3中所述升压速率为1-4kv/s。
18.优选地，步骤s3中所述目标电压峰峰值为15-40kv，维持时间为5-60min。
19.优选地，步骤s4中所述处理后的陶瓷生坯两端喷涂上电极为采用喷金或者涂抹导电银浆的方法，缠绕在电极上的导线可使用铂丝等熔点较高的金属导线。
20.优选地，步骤s4中所述陶瓷生坯悬空设置或置于绝缘陶瓷板上。
21.优选地，步骤s5具体包括以下步骤：接通高压电源，升高电压的幅值，直至流经陶瓷生坯的电流突然增大、陶瓷生坯两端的电压陡降，维持一段时间后切断高压电源，得到超快烧结后的陶瓷。
22.优选地，所述高压电源为交流电源或直流电源，所述升高电压的升压速率为0.1-1kv/s，电流密度范围在10-150ma/mm2。
23.本发明可至少取得如下有益效果其中之一：
24.本发明中介质阻挡放电产生的热能使反应器升温，有利于粘接剂的分解，产生的等离子体中的高能活性粒子可与粘接剂相互作用，促进粘接剂的分解，能节约时间、减少能耗；介质阻挡放电排胶增加了陶瓷生坯中的氧缺陷浓度，在陶瓷后续的表面调控与烧结等方面具有一定优势，即在后续的超快烧结工艺中电压更低，更容易进入烧结。本发明超快烧结方法，能够实现在室温下进行陶瓷闪烧，大幅降低了陶瓷烧结所需的环境温度，减少了大量的能耗；所述陶瓷烧结工艺流程简单，与一般闪烧工艺相比，不需要额外的加热装置。
附图说明
25.图1为基于气体放电的陶瓷生坯处理方法的装置结构示意图。
26.图2为陶瓷室温超快烧结方法的装置结构示意图；
27.图3为未排胶处理的陶瓷生坯、排胶处理10min和30min后的陶瓷生坯的的傅里叶红外光谱图；
28.图4为传统方式排胶、排胶处理后陶瓷生坯与未排胶处理陶瓷生坯的电子顺磁共振(epr)图；dbd指经过介质阻挡放电处理的样品；no dbd指未经过介质阻挡放电处理的样品；
29.附图标记说明：1-陶瓷生坯，2-电源，3-电极，4-上介质板，5-下介质板，6-高压电源，7-固定支架，8-导线。
具体实施方式
30.下面将结合本发明的实施例中的附图，对本发明的实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.如图1～2所示，本发明的优选实施例，提供了一种基于介质阻挡放电排胶处理的陶瓷室温超快烧结方法，包括以下步骤：
32.s1、制备陶瓷生坯1，陶瓷生坯1含有粘结剂；
33.s2、将两片电极3板-板竖直对置，上介质板4紧贴上电极3、下介质板5紧贴下电极3，将陶瓷生坯1置于下介质板5中心，调节两电极3的间距，两电极3接电源2；
34.s3、设置电源频率，以一定的升压速率升高电压值至目标电压峰峰值，放电趋于稳定后再维持一段时间，然后降压切断电源2，完成处理过程；
35.s4、将处理后的陶瓷生坯1两端喷涂上电极，并用导线8在两端缠绕，通过导线8与高压电源6相连；
36.s5、接通高压电源6，通过调整烧制电压及电流，进行陶瓷的室温超快烧结。
37.步骤s1中，粘接剂包括聚乙烯醇、和/或聚乙烯醇缩丁醛酯。陶瓷生坯1的形状包括圆柱体、长方体或狗骨头形状等规则形状。
38.步骤s2中上介质板4与陶瓷生坯1上表面的间距为1-5mm。
39.步骤s3中，电源频率为6-14khz，升压速率为1-4kv/s，目标电压峰峰值为15-40kv，维持时间为5-60min。
40.步骤s4中，排胶处理后的陶瓷生坯1两端喷涂上电极为采用喷金或者涂抹导电银浆的方法，缠绕在电极上的导线8可使用铂丝等熔点较高的金属导线。具体地，铂丝熔点较高，可耐受高温，是较优选择。在条件允许的情况下，一般也可用铜丝等导电性好的金属丝代替，并不仅仅局限于此。
41.步骤s5具体包括以下步骤：接通高压电源6，升高电压的幅值，直至流经陶瓷生坯1的电流突然增大、陶瓷生坯1两端的电压陡降，维持一段时间后切断电源，得到超快烧结后的陶瓷。其中，高压电源6为交流电源或直流电源，升高电压的升压速率为0.1-1kv/s，电流密度范围在10-150ma/mm2。
42.以下是具体实施例。
43.以下实施例中提到的氧化锌陶瓷生坯的制备方法如下：选取氧化锌粉体，按其质量10％加入质量分数为5％的聚乙烯醇溶液，研磨直至通过80目筛网进行造粒。称取造粒后的氧化锌，以100mpa压强压制厚1mm，直径20mm的圆片生坯，保压时间为5min，制得。
44.实施例1
45.本发明提供的基于气体放电的陶瓷生坯排胶处理装置的结构如图1所示，装置包括电源2、两片电极3、上介质板4和下介质板5。其中，电源2采用等离子体高频交流电源ctp-2000k，电极3为圆形铜电极，上介质板4和下介质板5采用耐高温绝缘介质板，例如99％纯度氧化铝陶瓷介质板。具体的连接方式如下：两片电极3板-板竖直对置，上介质板4和下介质板5分别紧贴上下电极3，在下介质板5上表面居中放置陶瓷生坯1。将电源2的两输出端分别接至两电极3，电源2的接地端接地。通过调压器来调节升压速率。
46.本发明提供的室温超快烧结装置的结构如图2所示，装置包括高压电源6和固定支架7，其中：陶瓷生坯1的两端分别通过导线8与高压电源6连接，导线8固定在固定支架7上使得陶瓷生坯1能够悬空。也可以将固定支架7替换成绝缘陶瓷板，两端连接导线8后将陶瓷生坯1置于绝缘陶瓷板上。
47.实施例2
48.采用实施例1中的装置对氧化锌陶瓷生坯1进行排胶处理和室温烧结。陶瓷生坯1的形状呈狗骨头形，制备陶瓷生坯1所用粘接剂可为聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛酯。
49.步骤1.将陶瓷生坯1置于下介质板5上方，调节上介质板4与陶瓷生坯1上表面的间
隙为1mm，将上介质板4、下介质板5分别紧贴上下电极3，将两电极3分别接至等离子体高频交流电源2两端，保持电源2为断开状态，调压器输出端接等离子体高频交流电源2输入端，调压器接市电。
50.步骤2.打开电源2，设置电源频率为12khz，转动调压器旋钮，升压速率3kv/s升压至预设电压峰峰值为25kv，1min后放电趋于均匀、稳定，再维持20min，调压器降至零位，切断电源2。dbd处理后的陶瓷生坯1的电子顺磁共振(epr)情况如图4。
51.步骤3.将排胶处理后的氧化锌陶瓷生坯1进行室温超快烧结试验。陶瓷生坯1两端缠绕上导线8，导线8与高压电源6相连，将导线8固定在支架7上使陶瓷生坯1悬空。高压电源6采用交流电源，接通高压电源6，之后以0.5kv/s的速率升高电压，电流密度范围在10-150ma/mm2，直到陶瓷生坯1两端的电压突然下降、通过的电流突然上升，增大电流至600ma，维持1min后断开电源，完成烧结。结果发现，处理后的陶瓷生坯1室温超快烧结的起始始烧电压为1.3kv，烧结过程中未出现电弧。
52.对比例1
53.将氧化锌陶瓷生坯1直接进行步骤3的室温超快烧结试验，不进行步骤1、2的处理，实验参数同实施例1。未排胶处理的陶瓷生坯1室温超快烧结的起始烧结电压为2.6kv，且烧结过程中出现了电弧，导致陶瓷表面有部分被电弧灼烧痕迹。
54.实施例2和对比例1对比发现，经过处理后的陶瓷生坯相较于未排胶处理的陶瓷生坯，其室温烧结起始电压降低了一半，且不会出现电弧等难于控制的问题。说明放电处理增加了陶瓷生坯中的氧缺陷浓度，在陶瓷后续的表面调控与烧结等方面具有一定优势。
55.将陶瓷生坯和实施例1采用介质阻挡放电处理后10min和30min后的样品的傅里叶红外光谱如图3，可见透过率明显增大处波数分别在3200-3600cm-1
、1400-1600cm-1
、600-1000cm-1
，这与聚乙烯醇红外光谱的主要峰位吻合，说明本发明确实有效地实现了粘接剂聚乙烯醇的分解与逸出。
56.对比例2
57.制备的氧化锌陶瓷生坯置于ksl-1750x马弗炉中进行传统排胶，即从室温以2k/min升温速率升至450℃，保温2h，再自然散热至室温。
58.将未排胶处理的陶瓷生坯1、传统排胶(对比例2)、以及实施例1试样的电子顺磁共振(epr)情况如图4。对比发现，dbd排胶后样品在g＝1.96处强度增大，这对应于zn
2+
附近的未成对电子，这意味着大气压下等离子体作用使得样品中的氧缺陷增多。而且相对传统排胶的方式，大大缩短的排胶时长，即单位体积陶瓷生坯能耗降至传统工艺的10％以下。
59.另外，对实施例2进行陶瓷致密度和粒径检测，发现瓷致密度高达95％，不出现裂纹等缺陷，并且平均晶粒粒径为0.8μm，能控制在1μm以下。
60.最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。