[发明专利]一种大尺寸陶瓷素坯的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种陶瓷素坯的成型方法，具体涉及一种大尺寸陶瓷素坯的制备方法。

背景技术

随着器件大型化、形状复杂化和高可靠性的要求，对陶瓷材料的成型技术也越来越高。相对于传统的干压或注浆成型，由美国橡树岭国家实验室开发出的注凝成型工艺，在成型大尺寸陶瓷素坯方面具有如下优点：(1)浆料在模具中原位固化成型，素坯显微结构均匀；(2)素坯强度高，可以进行机械加工；(3)是一种准净尺寸成型技术，可以大大降低陶瓷的机械加工量；(4)所需的工装设备简单；(5)与传统的湿法成型工艺(如注浆成型)非常接近，适于工业化推广等等。然而，在注凝成型的陶瓷素坯凝胶中，有近一半的体积被水分所占据，陶瓷素坯凝胶在干燥过程中易产生变形或开裂。陶瓷素坯凝胶的干燥成为了注凝成型大尺寸陶瓷应用的主要瓶颈。

近二十年来，材料学家们为解决干燥开裂问题进行了大量的探索研究。目前常用的凝胶干燥方法是长时间精确控温控湿，但是生产效率低下。美国专利US5885493通过液相干燥可以有效控制变形和收缩，但是涉及到有机物的利用和回收，且操作复杂。而冷冻干燥法对小样品比较有效，但是对于大尺寸样品，设备投入较大。

目前，该领域迫切需要一种能够简单、便捷地制备大尺寸陶瓷素坯的方法。

发明内容

本发明旨在克服现有大尺寸陶瓷素坯制备方法的不足，本发明提供了一种大尺寸陶瓷素坯的制备方法。

本发明提供了一种大尺寸陶瓷素坯的制备方法，所述方法包括：先将均匀分散有凝胶体系的、经预处理的陶瓷浆料，注入成型模具中进行原位固化得到陶瓷素坯凝胶，然后密封所述成型模具，使得所述陶瓷素坯凝胶在30-80℃下脱溶剂、收缩20小时-7天后，再进行干燥处理制得所述大尺寸陶瓷素坯。

针对现有陶瓷素坯凝胶干燥技术所存在的上述问题，本发明的目的是提供一种有效的针对大尺寸陶瓷素坯凝胶的干燥方法，其特征是在干燥之前先进行凝胶的脱溶剂收缩。事实上，与传统食品凝胶类似，注凝成型制备的陶瓷素坯凝胶也存在着脱溶剂收缩现象。由于通常实验室的样品尺寸比较小，陶瓷素坯凝胶的脱溶剂收缩现象不明显以至于长期被忽视；本发明首次提出利用脱溶剂收缩作用提高陶瓷素坯凝胶的力学性能，降低后续干燥过程中坯体的收缩，避免变形和开裂，提高干燥效率，以满足大尺寸陶瓷素坯的生产要求；

进一步说，浇注完成后对模具进行密封，放入恒温房，在特定温度下进行脱溶剂收缩。这里所述的脱溶剂收缩温度范围在30℃～80℃，脱溶剂收缩时间为1天～7天。凝胶体系中有机物链条含有许多官能团，在一定条件下这些官能团之间会发生键合反应。在不同的温度下，相互之间的键合反应速率不同，所以控制温度是脱溶剂收缩的关键。一般来说，温度越高，键和反应越迅速，脱溶剂收缩的速率越快。但是温度过高，破坏分子之间的交联体系，降低体系的稳定性，容易导致陶瓷素坯凝胶的开裂。所以脱溶剂收缩的适宜温度区间在30℃～80℃。而随着脱溶剂收缩时间的延长，体系有机物分子交联度增加，促进陶瓷素坯凝胶自发的收缩，迫使内部溶剂向外排出，陶瓷素坯凝胶的弹性模量也逐渐增强，但是随着陶瓷素坯凝胶力学性能的增强，反过来会抑制凝胶进一步的自发收缩，所以随着时间的延长，凝胶的脱溶剂收缩速率逐渐的减缓。不到一周时间后，脱溶剂收缩现象基本停止，陶瓷素坯凝胶的弹性模量增加到375KPa，力学性能显著改善。所以脱溶剂收缩的时间控制在1天～7天；所述的干燥在经过脱溶剂收缩后进行，经过不同时间的脱溶剂收缩，陶瓷素坯凝胶的力学性能也不一样，凝胶后续的干燥特性也不同。经历的脱溶剂时间越长，除了含溶剂量减少以外，陶瓷素坯凝胶的力学性能变强，干燥收缩减小。根据不同脱溶剂收缩时间后的凝胶性质，控制干燥温度范围30℃～80℃，湿度范围20％～80％，确保陶瓷素坯凝胶在快速干燥同时，保证其不开裂。

较佳地，本发明中制备的陶瓷素坯，一般长度介于300-1200mm之间，宽度介于50-600mm之间，厚度介于10-60mm之间。

较佳地，所述凝胶体系包含聚丙烯酰胺、多胺-环氧树脂和/或水溶性顺丁烯类聚合物。

较佳地，步骤1)中，制备陶瓷浆料所需的凝胶体系与溶剂之间的质量比为(0.005—0.200)：1，浆料中固含量为50—58vol％。

较佳地，所述的陶瓷浆料可为氧化物浆料、非氧化物陶瓷浆料或复合陶瓷浆料，其中所述陶瓷浆料优选氧化铝浆料、氧化锆浆料、氧化钇浆料、氮化铝浆料、氮氧化铝浆料、氮化硅浆料或碳化硅浆料。

较佳地，预处理可为除气处理。

较佳地，干燥处理的条件可为：温度30℃～80℃，湿度范围20％～80％。