[發明專利]一種粉末注射成形用先驅體水溶性粘結劑及制備方法

有效

• 申請號: 201010230561.2
• 申請日: 2010-07-19
• 公開（公告）號: CN101885614A
• 公開（公告）日: 2010-11-17
• 發明（設計）人: 何新波;田常娟;梅敏;曲選輝
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: C04B35/634
• 分類號: C04B35/634
• 代理公司: 北京東方匯眾知識產權代理事務所(普通合伙) 11296
• 代理人: 朱元萍

技術領域

本發明屬于粉末注射成形技術領域，特別是提供了一種粉末注射成形用先驅體水溶性粘結劑的制備方法。

背景技術

顆粒增強的復合材料是目前倍受關注的復合材料之一。由于增強顆粒的加入可顯著提高材料的力學性能，因此顆粒增強復合材料的研究不斷深入，應用也日益廣泛。

顆粒增強復合材料的制備方法較多，如攪拌鑄造法、傳統粉末冶金法、先驅體裂解法、粉末注射成形法等。傳統的粉末冶金模壓法雖然工藝簡單，但模壓形成的成形坯往往密度不均勻，部件的形狀復雜程度也受到了很大的限制；先驅體裂解法除受部件復雜程度限制外，還存在制備周期長、成本高、尺寸精度低等缺點；注漿成形和壓濾成形雖可成形復雜形狀部件，但由于成形密度均勻性差及尺寸精度低等問題而限制了其應用范圍。粉末注射成形技術由于具有生產效率高，可規模化制備具有復雜形狀的近終形產品，在顆粒增強金屬基或陶瓷基復合材料及其零件的應用中得到極大關注。

先驅體轉化法是近年來受到極大關注的復合材料制備方法之一。由于先驅體具有可溶、可熔性，在一定溫度下可原位生成復合材料所需的增強顆粒。這種顆粒不僅細小(可達到納米級)，同時在復合材料中分布極為均勻，因此對提高復合材料的性能和可靠性等具有重要作用，在高性能復合材料的制備中得到廣泛應用。目前用于制備高性能復合材料的先驅體種類很多，如聚碳硅烷(PCS)、聚氮硅烷(PSZ)、聚硅氧烷(PSO)等，其中以PCS為先驅體轉化生成SiC增強顆粒最為常用。

采用粉末注射成形技術制備先驅體原位轉化增強復合材料零件時通常要經過溶劑脫脂過程，而PCS等先驅體一般均溶于常用的三氯乙烯、正己烷、正庚烷、汽油等有機脫脂溶劑，因此傳統的石蠟基多組元粘結劑無法應用在先驅體原位轉化增強復合材料零件的粉末注射成形技術中。由于PCS等先驅體不溶于水，因此本發明旨在開發一種含先驅體組元的先驅體水溶性粘結劑，從而實現先驅體原位轉化增強復合材料零件的粉末注射成形制備。

先驅體水溶性粘結劑是指低溫下具有較好的流動性和粘度，具有注射成形所需粘結劑的特性，能夠滿足粉末注射成形和脫脂工藝的需要，且溶劑脫脂溶劑為蒸餾水。

發明內容

本發明的目的在于制備出一種含PCS組元的先驅體水溶性粘結劑，從而獲得了采用粉末注射成形技術制備高性能SiC顆粒原位增強金屬基或陶瓷基復合材料零件時所需的粘結劑，實現了高性能SiC顆粒增強金屬基或陶瓷基復合材料及其零件的粉末注射成形制備。

本發明所配制的粘結劑為多聚合物組元水溶性粘結劑，以聚乙二醇(PEG)為水溶性組元，以聚乙烯醇縮丁醛(PVB)作為增塑劑，以聚碳硅烷(PCS)為增強體碳化硅的先驅體，以硬脂酸(SA)作為表面活性劑，各組元質量分數為(60～70)％PEG+(10～25)％PVB+(10～25)％PCS+(5～10)％SA。

本發明的制備工藝為：在恒溫裝置中，在160～180℃的溫度下先將低熔點的PEG完全融化，然后加入稱好的SA和PCS并不停攪拌，最后分批加入PVB并強力攪拌直至得到均勻的乳狀物，待其冷卻取出。最終制得相容性好的先驅體水溶性粘結劑。

先驅體選用軟化點在90～120℃的PCS，以滿足混合粘結劑，混煉喂料，注射生坯時對溫度的要求；選用的PEG分子量在1000～6000之間，流動性好。

本發明的優點在于：

1.采用的水溶性粘結劑體系中的成分屬于環境友好型的，溶脫溶劑為蒸餾水，脫脂速率快，成本低；

2.使用PCS作為粘結劑組元應用于粉末注射成形中，裂解時原位生成分布均勻的納米SiC顆粒作為增強相，對基體材料起到顆粒增強的效果。

具體實施方式

實施例1：

原料：粘結劑各組元質量分數為63％PEG6000+15％PVB+15％PCS+7％SA。

在180℃恒溫下先將低熔點的PEG6000完全融化，然后加入稱好的SA和PCS并不停攪拌，最后分批加入PVB并強力攪拌直至得到均勻的乳狀物，待其冷卻取出。最終制得相容性好的先驅體水溶性粘結劑。將此粘結劑與添加了燒結助劑的Si₃N₄粉末以體積分數50％的裝載量混合制成喂料，然后在注射溫度150℃、注射壓力100MPa下成形，再脫脂、燒結，得到的SiCp/Si₃N₄復合陶瓷零件相對密度達94％，尺寸精度高達±0.2％，綜合力學性能好。

實施例2：

原料：粘結劑各組元質量分數為63％PEG2000+15％PVB+15％PCS+7％SA。

在180℃恒溫下先將低熔點的PEG2000完全融化，然后加入稱好的SA和PCS并不停攪拌，最后分批加入PVB并強力攪拌直至得到均勻的乳狀物，待其冷卻取出。最終制得相容性好的先驅體水溶性粘結劑。將此粘結劑與添加了燒結助劑的Si₃N₄粉末以體積分數42％的裝載量混合制成喂料，然后在注射溫度145℃、注射壓力100MPa下成形，再脫脂、燒結，得到的SiCp/Si₃N₄復合陶瓷零件相對密度達93％，尺寸精度高達±0.2％，綜合力學性能好。