[發明專利]交變磁場中金屬/陶瓷梯度材料的凝膠注模制備方法

有效

• 申請號: 201510361542.6
• 申請日: 2015-06-28
• 公開（公告）號: CN104972130B
• 公開（公告）日: 2017-10-27
• 發明（設計）人: 彭曉領;李靜;楊艷婷;徐靖才;王攀峰;金紅曉;金頂峰;洪波;王新慶;葛洪良
• 申請（專利權）人: 中國計量大學
• 主分類號: B22F3/22
• 分類號: B22F3/22
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種交變磁場中金屬/陶瓷梯度材料的凝膠注模制備方法，屬于材料制備領域。

背景技術

陶瓷材料因其獨特的高硬度、高耐磨、耐高溫、化學性質穩定等性質，廣泛地應用于電子、機械、國防等工業領域。但陶瓷材料燒結后脆性大、機械性能差，很難進行機加工。陶瓷材料的成型方法，一般可分為干法和濕法兩大類。相比而言，濕法成型工藝設備簡單、成型坯體組分均勻、缺陷少、易于成型復雜形狀零件等優點，實用性較強。但傳統的濕法成型技術都存在一些問題，如注漿成型是靠石膏模吸水來實現的，造成坯體中形成密度梯度分布和不均勻變形，并且坯體強度低，易于損壞。熱壓鑄或注射成型需加入質量份數高達20%的蠟或有機物，造成脫脂過程繁瑣，結合劑的融化或蒸發使坯體的強度降低，易形成缺陷甚至倒塌。這些問題提高了陶瓷材料的生產成本，降低了其質量的穩定性。90年代初，美國橡樹嶺國家實驗室發明了一種全新的陶瓷材料濕法成型技術—凝膠注模成型技術，主要生產工藝過程為：陶瓷原料與介質的混合→成型→排除介質→干燥→燒結。

該技術將傳統的陶瓷制作工藝結合有機單體聚合生成高分子的方法，利用有機單體聚合將陶瓷粉料懸浮體原位固化，之后經過干燥、排膠、燒結等工藝過程制備復雜形狀的近凈尺寸陶瓷部件。該技術特點為：有機單體含量低，產品尺寸精度高，坯體強度高，可進行機械加工，明顯優于其他復雜形狀陶瓷部件的成型工藝，有機添加劑燒后不含殘留雜質，在高質量、特殊形狀精密陶瓷元件生產中得到了廣泛應用。

功能梯度材料（FGM）是一類組成結構和性能在材料厚度或長度方向連續或準連續變化的非均質復合材料。如果構成梯度材料的組分一種為陶瓷，另外一種為金屬，則可以實現陶瓷和金屬單獨使用時都達不到的性能。主要制備方法有粉末成型、氣相沉積法、自蔓延反應合成、等離子噴涂、電鑄法、電鍍法、激光燒結和離心鑄造等。這些制備方法要求復雜的工藝或設備，大多需要在制備過程中持續地改變原料成分或工藝參數。缺少簡便的制備方法，是限制功能梯度材料進一步發展的重要原因。

目前，對于許多重要的功能梯度材料如：ZrO2/Ni、ZrO2/鋼、Al2O3/Ni、SiC/Fe等，金屬組元Fe、Ni、Co等過渡金屬屬于鐵磁性物質，而陶瓷組元Al2O3、ZrO2、SiC、 AlN、Si3N4等是弱磁性物質。鐵磁性物質在居里溫度以下具有強磁性，而弱磁性物質對磁場不敏感。利用二者之間磁性能的差異，我們小組先后采用靜磁場、脈沖磁場、旋轉磁場和運動磁場中采用凝膠注模法成功制備出了梯度材料，相關技術已經授權發明專利。

遺憾的是，上述幾種方法雖然能夠制備功能梯度材料，但是對樣品組元的磁性能有要求。體系的組分中必須有強磁性（鐵磁性、亞鐵磁性）組元和弱磁性（反鐵磁性、順磁性、抗磁性）組元，否則不能采用上述方法制備。因此，上述幾種方法存在很大局限性。幾年來，我們小組在原來的實驗基礎上不斷改進，并取得突破性進展。在凝膠注模成型的基礎上，利用交變磁場控制金屬組元的移動，成功制備出了成分連續的金屬/陶瓷梯度材料。

本發明的原理是：金屬材料通常具有良好的導電性，在交變磁場中會因磁場的連續變化而在材料內部產生感應電流，根據楞次定律判斷，感生電流產生的磁場應該是阻礙內部磁通的變化。因此，感生磁場與交變磁場會產生力的作用，磁力F的大小為：

其中，V是顆粒體積，M為顆粒感生磁化強度，gradH為磁場梯度。磁化強度M與輸入電流強度直接相關，電流強度越大，則感生磁化強度越大。磁場梯度與顆粒所處的位置有關：在線圈內部中央位置，磁場分布均勻，磁場梯度為零，因此顆粒受到的磁力為零；在線圈端部位置，磁場梯度最大，在該位置處，金屬顆粒受到的磁力最大。因此，金屬顆粒受到磁力的大小與電流強度、交變磁場的頻率以及金屬在磁場中的位置有關系。陶瓷材料通常電阻率很高，在交變磁場中不會有渦流產生，因此不受交變磁場影響。于是，基于金屬和陶瓷組元對交變磁場不同的相應，可以采用交變磁場控制金屬組元在復合體系內的分布，通過凝膠注模法制備金屬/陶瓷梯度材料。

本方法的突出優點就是在凝膠注模成型工藝的基礎上施加交變磁場制備梯度材料，通過調整電流強度、頻率等工藝參數，可以方便地制備出成分連續變化且可控的梯度材料，成本大大降低。

發明內容

本發明的目的是提供一種交變磁場中金屬/陶瓷梯度材料的凝膠注模制備方法。

本發明的具體步驟為：

步驟1）模具準備