[发明专利]低毒凝胶体系注凝成型熔融石英陶瓷的方法

说明书

技术领域：

本发明涉及的是一种非金属材料领域的方法，具体涉及一种低毒凝胶体系注凝成型熔融石英陶瓷的方法。

背景技术：

熔融石英陶瓷又称石英陶瓷，石英陶瓷由于具有低的线膨胀系数（0.54×10^-6/℃）,低的热传导率(2.09W/m·K)，优良的热震稳定性，较大的电阻率（常温电阻10¹⁵Ω），较低的介电常数和介电损耗（介电常数：3.1~3.4，损耗角正切：0.0004）等优良性能，且其强度在从室温加热到1100℃时不降反而升高33%左右。所以，其制品被作为工业陶瓷材料、耐火材料广泛应用于宇宙飞船、导弹、原子能、电子、冶金、建材、化工等领域。

石英陶瓷坩埚是作为太阳能行业不可替代的关键耗材，由于石英坩埚要求纯度高且不能有过多方石英晶体析出，条件要求苛刻，目前全球仅有法国维苏威公司、美国赛瑞丹公司和日本东芝陶瓷公司能生产，且都用的传统注浆成型，国内仅有中材高新能生产，也是全球第四家能生产石英陶瓷坩埚的公司。石英陶瓷在炼钢厂作为浸入式水口的首选材料，目前国内仅有维苏威与武钢合资厂能批量生产。作为浮法玻璃窑用陶瓷托辊也是不可替代材料，目前仅有山东工业陶瓷设计研究院能批量生产。而石英陶瓷及其增强体作透波材料，已广泛用于导弹天线罩、飞机雷达罩等，如美国的麻雀、潘兴、爱国者等各型号导弹。在美国，石英陶瓷的用量仅次于氧化铝陶瓷。但目前主要应用于石英陶瓷的注浆成型存在成型周期长达数十小时、干燥收缩大、生坯强度低、生坯密度分布不均匀、成品率低以及烧成变形大、尺寸精度低等缺点,不利于复杂形状样品的制备。烧结后的陶瓷硬度大脆性高，一般难以加工，这极大的限制了其在工业领域的应用，如能对生坯进行机械加工将有效解决这一难题。

注凝成型技术是20世纪90年代才发展起来的新型陶瓷胶态成型技术，是美国橡树岭国家实验室M.A，Janney教授等人首先发明的。其思路是将低粘度高固相体积分数的浓悬浮体，在催化剂和引发剂的作用下，使浓悬浮体中的有机单体交联聚合成三维网状结构，从而使浓悬浮体原位固化成型。此工艺设备简单，凝胶固化时间快，成型效率高，生坯强度高，收缩小，生坯适合进行机械加工，易近净尺寸制造各种复杂形状的零部件，是一种实用性强，应用前景广泛的成型工艺。

高燕、谢志鹏等用丙烯酰胺（AM）作为凝胶单体制备了熔融石英陶瓷，并研究了烧结助剂对陶瓷性能的影响。催文亮等研究了丙烯酰胺体系注凝成型熔融石英陶瓷的影响因素。胡一晨等研究了丙烯酰胺体系注凝成型熔融石英陶瓷的凝胶固化过程及影响因素。Yu Zhang等人用2-甲基丙烯酸羟乙酯作为凝胶单体制备了熔融石英陶瓷，所用单体浓度为预混液体积的8~30%，生坯四点弯曲强度为4MPa左右。但工业领域不愿意采用注凝成型方法的一大原因就是研究比较成熟的丙烯酰胺（AM）体系中的丙烯酰胺单体具有较强神经毒性，属二级致癌物质。

发明内容：

本发明的目的旨在改进现有技术的不足而提供一种低毒凝胶体系注凝成型熔融石英陶瓷的方法。本发明所优选的单体毒性较低，且注凝成型的生坯强度高，完全可用于生坯的后期加工，适合注凝成型熔融石英陶瓷。所制的陶瓷致密度较高，气孔率低，强度高。

本发明的技术方案为：先将石英粉料、去离子水、分散剂、研磨球加入尼龙罐中，然后置于行星磨上球磨，球磨后的浆料用Brookfield R/S型同轴旋转流变仪测定其流变性能，根据浆料流变性能的好坏选择最佳制浆工艺。在最佳制浆工艺条件下制备出了质量固含量高达82%，剪切速率100s^-1时粘度为0.4Pa·s的高固相低粘度注凝浆料。浆料在加入引发剂并真空脱泡后注入磨具内固化成型，湿生坯经脱模、干燥、浸渍后烧结得到熔融石英陶瓷。

本发明的具体技术方案为：一种低毒凝胶体系注凝成型熔融石英陶瓷的方法，其具体步骤如下：

A、以熔融石英粉和预混液的总质量为基准，称取占上述总质量75%~85%的熔融石英粉，15%~25%的预混液；再加入分散剂及研磨球，经球磨处理制得适合注凝的浆料；其中所述的预混液为去离子水、低毒单体和交联剂的混合溶液；

B、将步骤A制得的浆料加入引发剂后进行真空除泡，然后注入不锈钢磨具内加热固化；

C、固化后的生坯经脱模、烘干、浸渍、并烧结，得到熔融石英陶瓷。