一种大尺寸塞隆陶瓷制品的成形方法技术

本发明专利技术涉及一种大尺寸塞隆陶瓷制品的成形方法。所述方法包括如下步骤：(1)将陶瓷粉末加入二氧化硅溶胶中，并且研磨均匀以得到粒径一致的陶瓷浆料；(2)将所述陶瓷浆料脱气后注入模具中，然后进行低温冷冻；(3)将经所述低温冷冻的模具脱模，从而得到陶瓷制品生坯；(4)将所述陶瓷制品生坯干燥，优选的是，所述干燥在常压下进行；(5)通过高温烧结，得到所述大尺寸塞隆陶瓷制品；其中所述陶瓷浆料中氮元素、硅元素和铝元素的摩尔比满足Si∶Al∶N＝(6-x)∶x∶(8-x)，其中，x为1.7至4。采用本发明专利技术的方法具有工艺简单、周期短、成本低、重复性好等优点，并且可以得到结构复杂的大尺寸塞隆陶瓷材料制品。

Forming method of large-size Theron ceramic product

The invention relates to a method for forming a large-size Theron ceramic product. The method comprises the following steps: (1) the ceramic powder adding silica sol, and grinding to obtain uniform particle size of ceramic slurry consistency; (2) the ceramic slurry is injected into the mold after degassing, then freezing; (3) by the frozen mold, so as to get green ceramic products; (4) the ceramic body drying, preferably the drying under normal pressure; (5) through high temperature sintering, the large size of Theron ceramic products; the molar ratio of the ceramic slurry in nitrogen, silicon and aluminum elements meet: Al: Si N = (6-x): X: (8-x), where x is 1.7 to 4. The method of the invention has the advantages of simple process, short cycle, low cost, good repeatability, etc., and large size Theron ceramic material products with complex structure can be obtained.

【技术实现步骤摘要】
一种大尺寸塞隆陶瓷制品的成形方法
本专利技术涉及一种陶瓷制品的成形方法，更具体地说，本专利技术涉及大尺寸塞隆陶瓷制品的成形方法。
技术介绍
赛隆是由硅(Si)、铝(AI)，氧(O)、氮(N)组成的化合物，其化学式为Si6-zAIzOzN8-z，式中Z为O原子置换N原子数，正常压力下式中O＜Z≤4.2。它是Si3N4中的Si和N被AI或(Al+M)(M为金属离子)及0置换所形成的一大类固溶体的总称。大尺寸塞隆陶瓷是一种宽范围的固溶体材料，通过调整固溶体的组分比例，按预定的性能进行成分设计而满足各种使用要求，形成了一个材料体系。大尺寸塞隆陶瓷具有优良的耐腐蚀性、耐热冲击性、高温强度、电绝缘强度、化学稳定性等性能，是一种优异的高性能陶瓷材料制品，在耐高温、耐腐蚀、机械制造、航空航天等高
得到了广泛的应用。大尺寸塞隆陶瓷可采用干压、等静压、注浆、注凝等多种工艺方法成形。其中，干压和等静压成形工艺简便，但只能成形厚度小、形状简单的制品，难以应用于大尺寸或较复杂形状制品的成形；注浆成形可制备复杂形状的大尺寸塞隆陶瓷制品，但其往往需要一周甚至更长的成形、干燥时间，对环境温度和湿度的要求也较为苛刻，且坯体强度低，烧结过程中形变显著；注凝成形是在注浆工艺中引入适量的有机凝胶发展而来的，可制备大尺寸、复杂形状的大尺寸塞隆陶瓷制品，坯体强度很高，但烧结前需要较长时间的排胶，有机物的裂解和排出过程容易引入杂质以及气孔、微裂纹等缺陷，同时工艺过程中所使用的有机单体对人体有害。上述成形工艺的不足影响了大尺寸塞隆陶瓷性能的稳定性，在制备大尺寸、复杂形状大尺寸塞隆陶瓷方面工艺重复性差，成品率低，限制了大尺寸塞隆陶瓷制品的进一步推广应用。现有技术已经提供了一种低温冷冻、真空干燥的成形工艺(简称为冷冻干燥成形工艺)，利用有机添加剂在低温下凝固的性质实现浆料的固化，浆料在低温冷冻后成为固态，升温到介质熔点以上后凝固的有机添加剂会融化，使固化的浆料重新获得流动性或触变性，因此，干燥过程必须及时在负压或真空条件下进行，需要使用专门的干燥设备，并且需要控制温度使崁烯能够挥发，同时又不能融化和再结晶。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术不足，提供了一种无有机添加剂、无需特殊成形设备、常温常压干燥状态下制备各种尺寸和形状的大尺寸塞隆陶瓷材料制品的方法，实现了近净成形，降低了大尺寸塞隆陶瓷的研制和生产成本。本专利技术提供了一种大尺寸塞隆陶瓷制品的成形方法，所述方法包括以下步骤：1.一种大尺寸塞隆陶瓷制品的成形方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)将陶瓷粉末加入二氧化硅溶胶中，并且研磨均匀以得到粒径一致的陶瓷浆料；(2)将所述陶瓷浆料脱气后注入模具中，然后进行低温冷冻；(3)将经所述低温冷冻的模具脱模，从而得到陶瓷制品生坯；(4)将所述陶瓷制品生坯干燥，优选的是，所述干燥在常压下进行；(5)通过高温烧结，得到所述大尺寸塞隆陶瓷制品；其中，所述陶瓷粉末包括氮化铝粉末和烧结助剂，并且所述陶瓷浆料中氮元素、硅元素和铝元素的摩尔比满足Si∶Al∶N＝(6-x)∶x∶(8-x)，其中，x为1.7至4。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述陶瓷粉末还包括氮化硅粉末和/或二氧化硅粉末。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述陶瓷浆料中的固相体积分数为40重量％至60重量％。4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述低温冷冻是在液氮中静置30分钟至90分钟。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第五步陶瓷生坯的干燥条件为常温或80至120℃，干燥时间为12至36小时。本专利技术与现有技术相比的有益效果：(1)本专利技术通过在硅溶胶上使用冷冻凝胶技术，利用硅溶胶在低温下冷冻可凝胶固化的性质，不需要添加任何有机物，且硅溶胶的冷冻凝胶过程是不可逆的，一旦冷冻，坯体就已经成形，升温后不会融化，不会融化和变形，干燥时只要具备水分挥发的条件即可，因此其干燥过程在常压下完成，也不需要严格控制干燥温度；(2)本专利技术采用冷冻凝胶工艺制备大尺寸塞隆陶瓷材料制品及其制品，工艺简单、周期短，成本低，操作方便；(3)本专利技术可实现近净成形，降低了大尺寸塞隆陶瓷的研制和生产成本；(4)本专利技术成形的坯体强度高，均匀性好，可用于制备大尺寸、复杂形状的大尺寸塞隆陶瓷制品；(5)本专利技术的工艺过程中不需要添加任何有机物质，不需要排胶，不会对环境造成污染；(6)本专利技术可按照预定的性能进行成分设计，通过调整陶瓷浆料中各原料的比例制备出满足不同使用要求的大尺寸塞隆陶瓷材料制品及其制品；(7)本专利技术对于相关结构、功能陶瓷材料制品的成形工艺研究均有借鉴意义。具体实施方式在本专利技术所述的方法中，首先将陶瓷粉末加入二氧化硅溶胶中，球磨均匀得到陶瓷浆料。陶瓷粉末包括氮化铝粉末和烧结助剂；烧结助剂可选用氧化钇或/和氧化镱。烧结助剂的添加量为本领域公知技术，一般为原料(去除二氧化硅溶胶中水分)中的质量分数为10至15％，具体可根据工程实际进行选择。陶瓷浆料中氮元素、硅元素和铝元素比例满足Si∶Al∶N＝(6-x)∶x∶(8-x)，x为2至4，二氧化硅溶胶的固相体积含量一般为10至25％，在满足上式比例范围的情况下，可以根据选取的二氧化硅溶胶和氮化铝粉末的量，在陶瓷粉末中加入氮化硅粉末和/或二氧化硅粉末。氮化硅粉末粒径为0.40至1.00微米，纯度为99.9％，其中α相含量不小于93％；氮化铝粉末粒径为0.50至6.00微米，纯度为98.5％；二氧化硅粉末粒径为0.50至20.00微米，纯度为98％。研磨的时候，可以通过球磨机进行，研磨时间一般为10至60分钟，以陶瓷粉末在二氧化硅溶胶中分散均匀为准。制备得到的陶瓷浆料中的固相体积分数为35至70％。在注入模具之前，将陶瓷浆料脱气5至15分钟，再注入模具，具体时间选择为本领域公知技术，在实际中可自行选择。在液氮中静置30至90分钟，使浆料完全冷冻为固体，具体时间应根据制品大小，通过试验来确定。本专利技术不需要添加任何有机物，利用的是硅溶胶在低温下冷冻可凝胶固化的性质，而且硅溶胶本身就是目标产物的一种原材料。硅溶胶的冷冻凝胶过程是不可逆的，一旦冷冻，坯体就已经成形，升温后不会融化，不会融化和变形，干燥时只要具备水分挥发的条件即可，其干燥过程在常压下完成，不需要真空条件，也不需要严格控制干燥温度。低温冷冻温度为≤-40℃，一般可采用液氮或其他冷冻形式。本专利技术原理：本专利技术利用冷冻凝胶将陶瓷浆料低温冷冻后凝胶固化，其冷冻固化时间仅需几分钟到几十分钟，再次升温到冰点以上后所得陶瓷坯体仍将保持冷冻时的形状和尺寸，不会融化，因此，其干燥过程简单，没有真空或压力条件的限制，不需要冷冻干燥机等设备，本专利技术具有显著的技术和成本优势。液氮中冷冻30至90分钟后，在室温下静置，当模具恢复到0℃以上后脱模，得到陶瓷湿坯。操作过程中应保持模具平稳，避免强烈振动，避免液氮与浆料直接接触。根据上述描述，本专利技术陶瓷生坯可在常压下干燥，干燥温度没有严格的限制，可以在常温下干燥，也可以根据需要在1至100℃中任选温度，干燥时间为2至48小时，根据干燥温度和陶瓷生坯的干燥程度进行选择。干燥过程中可通过升温加快干燥速率，升温速率不应超过2℃/分钟，最高温度不本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大尺寸塞隆陶瓷制品的成形方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)将陶瓷粉末加入二氧化硅溶胶中，并且研磨均匀以得到粒径一致的陶瓷浆料；(2)将所述陶瓷浆料脱气后注入模具中，然后进行低温冷冻；(3)将经所述低温冷冻的模具脱模，从而得到陶瓷制品生坯；(4)将所述陶瓷制品生坯干燥，优选的是，所述干燥在常压下进行；(5)通过高温烧结，得到所述大尺寸塞隆陶瓷制品；其中，所述陶瓷粉末包括氮化铝粉末和烧结助剂，并且所述陶瓷浆料中氮元素、硅元素和铝元素的摩尔比满足Si∶A1∶N＝(6‑x)∶x∶(8‑x)，其中，x为1.7至4。

【技术特征摘要】
1.一种大尺寸塞隆陶瓷制品的成形方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)将陶瓷粉末加入二氧化硅溶胶中，并且研磨均匀以得到粒径一致的陶瓷浆料；(2)将所述陶瓷浆料脱气后注入模具中，然后进行低温冷冻；(3)将经所述低温冷冻的模具脱模，从而得到陶瓷制品生坯；(4)将所述陶瓷制品生坯干燥，优选的是，所述干燥在常压下进行；(5)通过高温烧结，得到所述大尺寸塞隆陶瓷制品；其中，所述陶瓷粉末包括氮化铝粉末和烧结助剂，并且所述陶瓷浆料中氮元素、硅元素和铝元素的摩尔比满足Si∶...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭世峰，梁垠，卢忠远，鲁戈舞，
申请(专利权)人：航天特种材料及工艺技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11