[发明专利]一种粉末注射成形用先驱体水溶性粘结剂及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于粉末注射成形技术领域，特别是提供了一种粉末注射成形用先驱体水溶性粘结剂的制备方法。

背景技术

颗粒增强的复合材料是目前倍受关注的复合材料之一。由于增强颗粒的加入可显著提高材料的力学性能，因此颗粒增强复合材料的研究不断深入，应用也日益广泛。

颗粒增强复合材料的制备方法较多，如搅拌铸造法、传统粉末冶金法、先驱体裂解法、粉末注射成形法等。传统的粉末冶金模压法虽然工艺简单，但模压形成的成形坯往往密度不均匀，部件的形状复杂程度也受到了很大的限制；先驱体裂解法除受部件复杂程度限制外，还存在制备周期长、成本高、尺寸精度低等缺点；注浆成形和压滤成形虽可成形复杂形状部件，但由于成形密度均匀性差及尺寸精度低等问题而限制了其应用范围。粉末注射成形技术由于具有生产效率高，可规模化制备具有复杂形状的近终形产品，在颗粒增强金属基或陶瓷基复合材料及其零件的应用中得到极大关注。

先驱体转化法是近年来受到极大关注的复合材料制备方法之一。由于先驱体具有可溶、可熔性，在一定温度下可原位生成复合材料所需的增强颗粒。这种颗粒不仅细小(可达到纳米级)，同时在复合材料中分布极为均匀，因此对提高复合材料的性能和可靠性等具有重要作用，在高性能复合材料的制备中得到广泛应用。目前用于制备高性能复合材料的先驱体种类很多，如聚碳硅烷(PCS)、聚氮硅烷(PSZ)、聚硅氧烷(PSO)等，其中以PCS为先驱体转化生成SiC增强颗粒最为常用。

采用粉末注射成形技术制备先驱体原位转化增强复合材料零件时通常要经过溶剂脱脂过程，而PCS等先驱体一般均溶于常用的三氯乙烯、正己烷、正庚烷、汽油等有机脱脂溶剂，因此传统的石蜡基多组元粘结剂无法应用在先驱体原位转化增强复合材料零件的粉末注射成形技术中。由于PCS等先驱体不溶于水，因此本发明旨在开发一种含先驱体组元的先驱体水溶性粘结剂，从而实现先驱体原位转化增强复合材料零件的粉末注射成形制备。

先驱体水溶性粘结剂是指低温下具有较好的流动性和粘度，具有注射成形所需粘结剂的特性，能够满足粉末注射成形和脱脂工艺的需要，且溶剂脱脂溶剂为蒸馏水。

发明内容

本发明的目的在于制备出一种含PCS组元的先驱体水溶性粘结剂，从而获得了采用粉末注射成形技术制备高性能SiC颗粒原位增强金属基或陶瓷基复合材料零件时所需的粘结剂，实现了高性能SiC颗粒增强金属基或陶瓷基复合材料及其零件的粉末注射成形制备。

本发明所配制的粘结剂为多聚合物组元水溶性粘结剂，以聚乙二醇(PEG)为水溶性组元，以聚乙烯醇缩丁醛(PVB)作为增塑剂，以聚碳硅烷(PCS)为增强体碳化硅的先驱体，以硬脂酸(SA)作为表面活性剂，各组元质量分数为(60～70)％PEG+(10～25)％PVB+(10～25)％PCS+(5～10)％SA。

本发明的制备工艺为：在恒温装置中，在160～180℃的温度下先将低熔点的PEG完全融化，然后加入称好的SA和PCS并不停搅拌，最后分批加入PVB并强力搅拌直至得到均匀的乳状物，待其冷却取出。最终制得相容性好的先驱体水溶性粘结剂。

先驱体选用软化点在90～120℃的PCS，以满足混合粘结剂，混炼喂料，注射生坯时对温度的要求；选用的PEG分子量在1000～6000之间，流动性好。

本发明的优点在于：

1.采用的水溶性粘结剂体系中的成分属于环境友好型的，溶脱溶剂为蒸馏水，脱脂速率快，成本低；

2.使用PCS作为粘结剂组元应用于粉末注射成形中，裂解时原位生成分布均匀的纳米SiC颗粒作为增强相，对基体材料起到颗粒增强的效果。

具体实施方式

实施例1：

原料：粘结剂各组元质量分数为63％PEG6000+15％PVB+15％PCS+7％SA。

在180℃恒温下先将低熔点的PEG6000完全融化，然后加入称好的SA和PCS并不停搅拌，最后分批加入PVB并强力搅拌直至得到均匀的乳状物，待其冷却取出。最终制得相容性好的先驱体水溶性粘结剂。将此粘结剂与添加了烧结助剂的Si₃N₄粉末以体积分数50％的装载量混合制成喂料，然后在注射温度150℃、注射压力100MPa下成形，再脱脂、烧结，得到的SiCp/Si₃N₄复合陶瓷零件相对密度达94％，尺寸精度高达±0.2％，综合力学性能好。

实施例2：

原料：粘结剂各组元质量分数为63％PEG2000+15％PVB+15％PCS+7％SA。

在180℃恒温下先将低熔点的PEG2000完全融化，然后加入称好的SA和PCS并不停搅拌，最后分批加入PVB并强力搅拌直至得到均匀的乳状物，待其冷却取出。最终制得相容性好的先驱体水溶性粘结剂。将此粘结剂与添加了烧结助剂的Si₃N₄粉末以体积分数42％的装载量混合制成喂料，然后在注射温度145℃、注射压力100MPa下成形，再脱脂、烧结，得到的SiCp/Si₃N₄复合陶瓷零件相对密度达93％，尺寸精度高达±0.2％，综合力学性能好。