專利名稱：通過螯合反應實現(xiàn)延遲固化的陶瓷膠態(tài)成型方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過鰲合反應實現(xiàn)延遲固化的陶瓷膠態(tài)成型方法，屬材料制備技術(shù)領(lǐng)域。
高技術(shù)陶瓷材料，如氧化鋁、氧化鋯、氮化硅、氮化鋁、碳化硅等因具有高強度、高硬度、耐高溫、耐磨損和抗腐蝕等一系列優(yōu)良的力學性能和化學穩(wěn)定性；因此在現(xiàn)代科學技術(shù)與工業(yè)領(lǐng)域(如航天、化工、信息電子、生命科學等方面)應用的愈來愈多。這些材料多作為一種結(jié)構(gòu)部件使用，具有各種不同形狀，并要求尺寸精確，達到近凈尺寸成型。傳統(tǒng)的成型制造工藝如干壓成型很難制備復雜形狀的陶瓷部件，而普通注漿成型只限于薄壁陶瓷件，對于厚壁陶瓷成型體內(nèi)部存在密度梯度，燒結(jié)時容易產(chǎn)生缺陷和開裂。因此，高技術(shù)陶瓷部件的精密成型制造成為一個關(guān)鍵技術(shù)。
本發(fā)明目的提出一種通過鰲合反應實現(xiàn)延遲固化的陶瓷膠態(tài)成型方法，其基本原理是應用褐藻酸鈉與鈣鹽中的鈣離子化學鍵合形成凝膠大分子將陶瓷懸浮體轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)陶瓷坯體。而上述凝膠反應可通過加入鈣離子鰲合劑與鈣鹽的鰲合反應來調(diào)控。當鰲合反應進行完全時，褐藻酸鈉很難與鈣離子發(fā)生凝膠反應，而當這種鰲合反應被某些酸性物質(zhì)破壞時，鰲合的鈣離子被釋放再與褐藻酸鈉水溶液的陶瓷懸浮體原位固化成所需形狀的陶瓷坯體。
本發(fā)明提出的通過鰲合反應實現(xiàn)固化可控的陶瓷膠態(tài)注模成型，包括以下各步驟1)配制褐藻酸鈉溶液，室溫下將固體粉末狀褐藻酸鈉加入水中，攪拌至褐藻酸鈉完全溶解為止。配制溶液比例為褐藻酸鈉∶水=0．5～2∶100(以質(zhì)量計)。
2)在上述配制好的褐藻酸鈉溶液中加入陶瓷粉料、鈣鹽和鰲合劑，同時攪拌均勻混合。鈣鹽主要包括碳酸鈣、磷酸鈣及磷酸氫鈣。鰲合劑包括檸檬酸三鈉和六偏磷酸鈉。褐藻酸鈉水溶液與陶瓷粉末的體積比為55～120∶100。褐藻酸鈉水溶液與鰲合劑和鈣鹽的質(zhì)量比為100∶0．1～0．4∶0．1～0．3。
3)將第二步驟得到的混合料懸浮體倒入球磨罐進行球磨，球磨時間為48～72小時。球磨過程中一方面陶瓷粉料逐漸均勻地分散在溶液中；另一方面，鰲合劑與鈣鹽中鈣離子發(fā)生鰲合反應，避免鈣離子與褐藻酸鈉反應形成凝膠而使懸浮體粘度增大。
4)球磨后的陶瓷懸浮體具有較好流動性，在室溫下進行真空除泡10～30分鐘，真空度為600～750mmHg。
5)在除泡后的陶瓷懸浮體中加入酸性較強的物質(zhì)如己二酸或鹽酸，通過攪拌使其均勻分散。酸與褐藻酸鈉溶液的比例為0．5～1．0(g)∶100(ml)。
6)加入酸后的陶瓷懸浮體立即注入非孔模具中。模具材料可用金屬、塑料、硬橡膠、玻璃等任何一種。注模后，模具中懸浮體內(nèi)的酸將逐步從鰲合物中把鈣離子置換出來，這些鈣離子與褐藻酸鈉發(fā)生化學反應形成凝膠大分子，把懸浮體中陶瓷顆粒和水分子都固定住，使模具中陶瓷懸浮體原位固化成陶瓷坯體。大約30～60分鐘后，陶瓷坯體具有足夠強度，進行脫模，即可得到所需形狀的陶瓷部件。
本發(fā)明提出的方法具有如下優(yōu)點1)適合不同種類的陶瓷懸浮體的成型；2)可成型各種復雜形狀和大小的陶瓷部件；3)成型的陶瓷坯體表面光潔、尺寸精度高；4)成型所用的褐藻酸鈉離分子，鰲合劑和鈣鹽等均無毒性，對環(huán)境無污染，且用量少，價格低廉，便于工業(yè)化生產(chǎn)。
下面介紹
具體實施例方式實施例1高純氧化鋁陶瓷部件的成型氧化鋁為美國公司生產(chǎn)的高純(99．97％)陶瓷粉，平均粒徑為0．5μm。褐藻酸鈉由上?；瘜W試劑分裝廠生產(chǎn)。磷酸氫鈣為北京蓋利精細化學品有限公司分析純試劑。六偏磷酸鈉系由北京化學試劑公司生產(chǎn)的分析純試劑。乙二酸由北京紅星化工廠生產(chǎn)的分析純試劑。
在200毫升水中加入2克褐藻酸鈉高分子攪拌到完全溶解，然后加入800克氧化鋁陶瓷超細粉，0．5g六偏磷酸鈉為鰲合劑和1克的磷酸氫鈣為鈣鹽固化劑?；旌锨蚰?0小時，制得固相體積分數(shù)約為50％陶瓷懸浮體，然后于真空條件下除去懸浮體中可能存在的氣泡，加入1．5克的乙二酸完全均勻分散在陶瓷懸浮體內(nèi)，隨后將上述陶瓷懸浮體注入金屬模具。大約半小時后，模腔內(nèi)陶瓷懸浮體凝固形成固態(tài)坯體，并達到一定強度，此時可將已固化的陶瓷部件從模具中取出。
實驗例2國產(chǎn)工業(yè)氧化鋁陶瓷部件的成型氧化鋁為河南鑫源鋁業(yè)有限公司生產(chǎn)的工業(yè)粉，平均粒約為2．8μm，褐藻酸鈉、磷酸氫鈣、乙二酸試劑同上，但鰲合劑改為檸檬酸三鈉。
于240毫升水中加入2．4克褐藻酸鈉高分子攪拌到溶解后，加入950克上述國產(chǎn)工業(yè)化鋁粉，1．2克磷酸氫鈣為鈣鹽固化劑，1．5克的檸檬酸三鈉為鰲合劑。通過球磨機球磨72小時，得到固相體積分數(shù)為52％陶瓷懸浮體，然后進行真空除泡。再加入1．8克的乙二酸并均勻分散在懸浮體中，隨后將上述陶瓷懸浮體注入塑料模具中，約40分鐘后模具內(nèi)懸浮體固化為陶瓷坯體并可脫模取出。
實驗例3氮化硅陶瓷部件的成型氮化硅粉為德國STACK公司生產(chǎn)，平均粒徑約為0．8um，使用褐藻酸鈉凝膠高分子，鰲合劑檸檬酸三鈉。均同上，但鈣鹽系用磷酸鈉。
300毫升水中加入克褐藻酸鈉高分子，待攪拌完全溶解后，加入1000克氮化硅陶瓷粉，2克檸檬酸三鈉和1．5克磷酸鈣。通過球磨60小時制得流動性良好的陶瓷懸浮體，經(jīng)真空除泡后，再加入2克乙二酸與懸浮體均勻混合后將懸浮體注入一玻璃模具內(nèi)，約50分鐘后懸浮體完全固化并達到較高強度，即可從模具內(nèi)取出，得到表面光潔，形狀完好的氮化硅陶瓷坯體。
實驗例4碳化硅陶瓷部件的成型碳化硅粉由山東維場華美磨料磨具廠生產(chǎn)，平均粒徑為1．48μm，海藻酸鈉高分子和六偏磷酸鈉同上。但鈣鹽采用碳酸鈣。
250毫升水中加入2．5克褐藻酸鈉高分子，攪拌至溶解。加入800克碳化硅粉，0．6克六偏磷酸鈉和0．8克的碳酸鈣。將上述混合料球磨72小時，得到粘度較低易于流動的陶瓷懸浮體，真空除泡20分鐘后加入1克乙二酸，再將懸浮體注入金屬模具，靜止放置35分鐘后懸浮體固化成坯體，此時即可脫模。
實驗例5氧化鋯陶瓷部件成型氧化鋯(ZrO2)陶瓷粉料由北京方大高技術(shù)陶瓷公司生產(chǎn)，平均粒徑為0．8um，鰲合劑六偏磷酸三鈉，凝膠大分子褐藻酸鈉同上，鈣鹽采用磷酸氫鈣。
150毫升水中加入1．5克褐藻酸鈉高分子，攪拌至溶解，然后加入氧化鋯粉850克，0．4克六偏磷酸鈉和0．6克磷酸氫鈣。上述混合物經(jīng)球磨54小時后，真空除泡15分鐘，以便除去在球磨過程中陶瓷懸浮體內(nèi)中產(chǎn)生的一些氣泡。然后加入乙二酸約1．2克用于消除鰲合反應，釋放鈣離子。隨即將陶瓷懸浮體注入塑料模具內(nèi)，靜止放置40分鐘。模具內(nèi)懸浮體轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢◤姸鹊奶沾膳黧w，并可脫模。所得坯體的尺寸形狀完好。
權(quán)利要求
1.一種通過鰲合反應實現(xiàn)固化可控的陶瓷膠態(tài)注模成型，其特征在于，該方法包括以下各步驟(1)配制褐藻酸鈉溶液室溫下將固體粉末狀褐藻酸鈉加入水中，攪拌至褐藻酸鈉完全溶解為止，配制的溶液，其質(zhì)量比為褐藻酸鈉∶水=0．5～2∶100；(2)在上述配制好的褐藻酸鈉溶液中加入陶瓷粉料、鈣鹽和鰲合劑，同時攪拌均勻混合，其中鈣鹽為碳酸鈣、磷酸鈣或磷酸氫鈣中的任何一種，鰲合劑為檸檬酸三鈉或六偏磷酸鈉，褐藻酸鈉水溶液與陶瓷粉末的體積比為55～120∶100，褐藻酸鈉水溶液與鰲合劑和鈣鹽的質(zhì)量比為100∶0．1～0．4∶0．1～0．3；(3)將上述第二步驟得到的混合料懸浮體倒入球磨罐進行球磨，球磨時間為48～72小時；(4)球磨后的陶瓷懸浮體具有較好流動性，在室溫下進行真空除泡10～30分鐘，真空度為600～750mmHg；(5)在除泡后的陶瓷懸浮體中加入己二酸或鹽酸，通過攪拌使其均勻分散，酸與褐藻酸鈉溶液的比例為0．5～1．0(g)∶100(ml)；(6)加入酸后的陶瓷懸浮體立即注入非孔模具中，30～60分鐘后，陶瓷坯體具有足夠強度，進行脫模，即為本發(fā)明的陶瓷部件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種通過螯合反應實現(xiàn)固化可控的陶瓷膠態(tài)注模成型,首先配制褐藻酸鈉溶液,然后在其中加入陶瓷粉料、鈣鹽和螯合劑,將混合料懸浮體進行球磨,球磨后的陶瓷懸浮體在室溫下進行真空除泡,除泡后加入酸性較強的物質(zhì)如己二酸或鹽酸,加入酸后的陶瓷懸浮體立即注入非孔模具中,冷卻脫模,即可得到所需形狀的陶瓷部件。本發(fā)明適合不同種類的陶瓷懸浮體的成型,成型的陶瓷坯體表面光潔、尺寸精度高。
文檔編號C04B35/63GK1291602SQ00124980
公開日2001年4月18日 申請日期2000年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月29日
發(fā)明者謝志鵬, 黃勇, 楊金龍, 賈玉 申請人:清華大學