[發(fā)明專利]含金屬硅粉的氮化硅陶瓷材料凝膠注模成型方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910245086.3
• 申請日: 2009-12-25
• 公開（公告）號: CN101747054A
• 公開（公告）日: 2010-06-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 梁輝;李曉雷;季會明;龐學(xué)滿;李強(qiáng)
• 申請（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號: C04B35/622
• 分類號: C04B35/622;C04B35/64;C04B35/584
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 曹玉平

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種氮化硅陶瓷成型方法，具體涉及一種含金屬硅粉的氮化硅陶瓷材料的凝膠注模成型方法，該方法可用于無壓燒結(jié)及反應(yīng)燒結(jié)制備氮化硅陶瓷。

背景技術(shù)

凝膠注模成型(Gelcasting)是美國橡樹嶺國家重點實驗室(Oak?Ridge?NationalLaboratory)于八十年代末首創(chuàng)的膠態(tài)成型工藝。主要原理是利用有機(jī)單體水溶液為介質(zhì)制備高固相含量、低粘度的陶瓷漿料。漿料注模后，在引發(fā)劑和催化劑作用下，漿料中的有機(jī)單體水溶液交聯(lián)聚合成三維網(wǎng)絡(luò)聚合物凝膠，從而使?jié){料原位凝固成形狀復(fù)雜且顯微結(jié)構(gòu)均勻的坯體。

凝膠注模成型技術(shù)是傳統(tǒng)的注漿工藝與有機(jī)化學(xué)高聚合理論的完美結(jié)合，它通過引入一種新的定型機(jī)制，發(fā)展了注漿工藝。其基本原理是在高固相(體積分?jǐn)?shù)不小于50％)、低粘度(小于1Pa·s)的陶瓷漿料中，摻入低濃度的有機(jī)單體。當(dāng)加入引發(fā)劑并澆注后，漿料中的有機(jī)單體在一定條件下發(fā)生原位聚合反應(yīng)(如選擇的是丙烯酸胺凝膠體系，加入催化劑MBAM后就能在常溫下凝膠固化；不加MBAM，則需加熱到30-90℃時漿料才能凝膠)，與陶瓷顆粒共同結(jié)合形成堅固的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將大部分水封于網(wǎng)絡(luò)中而使?jié){料立即原位凝固，從而使陶瓷坯體原位定型。然后進(jìn)行脫模、干燥、去除有機(jī)物、燒結(jié)，即可獲得所需陶瓷零件，其工藝過程如附圖1所示。凝膠注模成型與熱壓鑄或注射成型相比，主要差別在于，后兩種工藝中作為粘結(jié)劑的有機(jī)聚合物或蠟被有機(jī)單體取代，然后利用有機(jī)單體原位聚合來實現(xiàn)定型。

凝膠注模成型可分為水溶性凝膠注模成型和非水溶性凝膠注模成型，前者適用于大多數(shù)陶瓷成型場合，后者主要適用于那些與水發(fā)生反應(yīng)的系統(tǒng)的成型。該技術(shù)首先發(fā)明的是有機(jī)溶劑的非水凝膠注模成型(Nonaqueous?gelcasting)，隨后作為一種改進(jìn)，又發(fā)明了用于水溶劑的水凝膠注模成型(aqueous?gelcasting)，并廣泛應(yīng)用于各種陶瓷中，能用于水凝膠注模成型工藝中的有機(jī)單體體系應(yīng)滿足以下性能：(1)單體和交聯(lián)劑必須是水溶的，前者在水中溶解的最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)至少20％，而后者至少2％。如果它們在水中的溶解度過低，有機(jī)單體就不是溶液聚合，而是溶液沉淀聚合。這樣就不能成型出密度均勻的坯體，并且還會影響坯體的強(qiáng)度。(2)單體和交聯(lián)劑的稀溶液形成的凝膠應(yīng)具有一定的強(qiáng)度，這樣才能起到原位定型作用，并能保證有足夠的脫模強(qiáng)度。(3)不影響漿料的流動性，若單體和交聯(lián)劑會降低漿料的流動性，那么高固相、低粘度的陶瓷漿料就難以制備。

凝膠注模成型的關(guān)鍵工藝在于：

(1)低粘度、高固相含量料漿的制備。低粘度、高均勻性、高穩(wěn)定性及高固相含量漿料的制備是膠態(tài)成型高質(zhì)量坯體的關(guān)鍵。而這一目標(biāo)主要是通過控制粉體在介質(zhì)中的膠體特性、漿料的Ph值以及分散劑來獲得的。

(2)料漿凝膠化的控制。引發(fā)劑、催化劑和溫度條件的變化可以改變陶瓷料漿凝膠化規(guī)律，掌握這一規(guī)律可以有效而準(zhǔn)確的控制料漿的凝膠化時間。

(3)坯體的干燥及排膠。濕度、溫度和通風(fēng)條件對濕凝膠坯體的干燥脫水和變形收縮至關(guān)重要。同時還要針對不同的零件采用不同的干燥脫水技術(shù)。對坯體的排膠過程要考慮有機(jī)物在不同溫度下的分解速度及完全燒除的最高溫度來制定合理的燒除工藝。

以丙烯酰胺單體為凝膠注模體系是在陶瓷懸浮液中加少量丙烯酰胺有機(jī)單體，利用催化劑及引發(fā)劑，使懸浮體中的有機(jī)單體聚合膠聯(lián)形成三維網(wǎng)絡(luò)骨架(聚丙烯酰胺)，陶瓷顆粒固定其中，并與聚合物凝膠通過吸附作用，使液態(tài)漿料轉(zhuǎn)變成具有一定強(qiáng)度和柔韌性的坯體。

聚丙烯酰胺長鏈構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括兩種機(jī)制，即長鏈分子之間的亞胺化交聯(lián)作用及交聯(lián)劑與長鏈分子的橋接交聯(lián)作用。長鏈分子可以通過氨基之間的結(jié)合(亞胺化反應(yīng))連接形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。交聯(lián)劑分子因具有兩個碳碳雙鍵，可以通過橋接作用使聚丙烯酰胺長鏈相互連接起來，形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

丙烯酰胺為單體的凝膠體系的凝膠注模成型技術(shù)成功地制備出內(nèi)部致密無缺陷強(qiáng)度很高的而且可機(jī)加工的渦輪轉(zhuǎn)子和葉片等復(fù)雜形狀的陶瓷部件。如中國專利CP：00124982.8采用凝膠注模成型技術(shù)制備了平均強(qiáng)度為248±42Mpa，孔隙率小于5％Al2O3陶瓷。

該成型工藝的顯著點在于近凈尺寸成型，即成型出的部件能盡量接近最終制品的形狀和尺寸的要求。用于該工藝的料漿固相含量高、粘度低，因而其生坯的強(qiáng)度高，可再加工為形狀復(fù)雜、尺寸精確的零件，真正實現(xiàn)陶瓷零件的近尺寸精密成型。這對燒結(jié)后難以加工的脆性陶瓷材料來說，無疑是一種理想的成型工藝。但普通陶瓷燒結(jié)收縮率普遍大于10％，甚至15％，難以真正實現(xiàn)凝膠注模成型近凈尺寸成型的作用。