[發明專利]一種陶瓷彈簧成型裝置與陶瓷彈簧的制備方法

有效

• 申請號: 201310710651.5
• 申請日: 2013-12-20
• 公開（公告）號: CN103707390A
• 公開（公告）日: 2014-04-09
• 發明（設計）人: 姚榮遷;符長平;楊麗觀;馮祖德
• 申請（專利權）人: 廈門大學
• 主分類號: B28B1/24
• 分類號: B28B1/24;C04B35/565;C04B35/622
• 代理公司: 廈門南強之路專利事務所(普通合伙) 35200
• 代理人: 馬應森

技術領域

本發明涉及一種陶瓷彈簧，尤其是涉及一種陶瓷彈簧成型裝置與陶瓷彈簧的制備方法。

背景技術

彈簧作為最常用的機械基礎零件之一，用以控制機件的運動、緩和沖擊或震動、貯蓄能量、測量力的大小等，廣泛應用于各種機械設備中。目前，制造彈簧的主要材料為優質碳素鋼、合金鋼、有色金屬合金等，但隨著科學技術的發展，眾多的高新科技領域對彈簧的使用性能要求日趨苛刻，金屬彈簧已無法滿足新能源、國防、化工、航天航空等領域的使用要求。諸多器件設計中要求彈簧零件能夠在高溫、強酸、強堿以及磨損性較大的極端環境下穩定使用。普通金屬彈簧的使用溫度不超過200℃，特種耐熱彈簧鋼的使用溫度也僅在500℃左右，而耐600℃以上彈簧則都要采用昂貴的鎳基合金制作而成。

金屬彈簧的上述局限性迫使人們尋求使用非金屬材料包括高分子材料、陶瓷材料以及復合材料來制造彈簧。其中，陶瓷彈簧具有耐高溫、抗腐蝕、耐磨損等其它材質的彈簧所不具備的特有性能，其耐高溫能力與抗腐蝕性遠遠高于金屬彈簧。此外，在耐磨性方面，金屬材料也無法與陶瓷材料相比。然而，由于陶瓷是一種脆性材料，韌性差，過去一直無法直接制成彈簧，但隨著納米制造技術和高性能陶瓷技術的發展，一些具有較高韌性的納米級陶瓷材料如氧化鋯（ZrO₂）、氮化硅（Si₃N₄）已開發出來，使得利用陶瓷作為原料制造陶瓷彈簧成為可能。目前，美、日等材料科學發達的國家已相繼成功研制出陶瓷彈簧。

日本發條株式會社（NHK）利用高韌性陶瓷材料，上世紀末最先報道了以部分穩定氧化鋯（PSZ）為基質的陶瓷彈簧，本世紀初又開發出了以Si₃N₄為基質的陶瓷彈簧，其最高使用溫度分別達到800℃和1200℃，且在氧化及還原氣氛中均可使用。作為其標志性產品，陶瓷彈簧已用于固體氧化物燃料電池發電機組中作為緩沖元件（產品在2005年愛知世博會上展出）。另外阿克羅斯公司開發了兼有高強度、高模量和輕質量特性的C/C復合材料彈簧，并正式提供產品，從常溫至2000℃高溫仍可維持588MPa的強度，在高溫下具有優良的彈簧特性，但是由于C/C復合材料在溫度超過400℃時抗氧化性能顯著下降，因此C/C復合材料彈簧在高溫氧化性氣氛下使用會受到限制。

國內南京工業大學郭露村等（中國專利CN1472448A）發明了一種以納米陶瓷彈簧的生產方法。以納米級氧化鋯（ZrO₂）為原料配制料漿；將配制好的料漿真空脫氣后注入彈簧模具中成型，固化后脫模、干燥，得到彈簧坯體；將干燥后的彈簧坯體加熱并保溫，進行排膠；將排膠后的坯體進行浸漿；將浸漿致密后的彈簧坯體加熱并保溫進行無壓燒結，得到成品。但是該方法難以獲得高密度坯體，同時在彈簧坯體干燥和燒結過程中體積會收縮，會使制品的形狀及尺寸發生變化，從而影響到其使用性能。南京工業大學陳涵等（中國專利CN102757221A）發明了一種螺旋形陶瓷彈簧的制造方法，采用了等靜壓成型或等靜壓致密化的方法，其主要步驟如下：（1）原料配制；（2）成型；（3）素燒；（4）加工；（5）高溫燒結；（6）磨邊拋光：將燒結后的陶瓷彈簧上下端面磨平，對簧絲表面進行拋光，得到成品。該課題組已經制備出了直徑為1.0～5.5mm、彈簧剛度為0.4～10N/mm的多種規格的螺旋形陶瓷彈簧，但這種制造方法在成型過程中容易形成缺陷（氣孔、雜質、晶粒異常長大導致粉化等），同時高溫燒結過程中容易發生變形，難以控制尺寸準確性，影響其使用性能。

陶瓷材料有著許多其它材料無法比擬的耐高溫、抗腐蝕、耐磨損等特性。因此陶瓷彈簧被普遍認為比較有潛力能在金屬彈簧無法承受的惡劣環境中正常工作。但由于其制備技術難度極大、制造工藝復雜、并且成本昂貴，陶瓷彈簧仍未能實現規模化商業應用。先驅體轉化法是陶瓷材料制備領域具有哲學意義的一次變革，也是近年來占據統治地位的一種制備方法，它以有機金屬聚合物為先驅體，利用其可溶可熔等特性成型后，經高溫熱分解處理使之從有機物變為無機陶瓷材料。自1975年日本東北大學矢島圣使（Yajima）教授等人開創先驅體轉化法制備連續碳化硅纖維技術以來，該技術以其優異的實用性和可設計性而成為當今連續纖維制備領域的研究熱點。