一种陶瓷空心浮力球及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种陶瓷空心浮力球及其制造方法，包括如下步骤：步骤一，成型半球壳素坯(生坯)，对半球壳素坯进行后处理，经第一次烧结得到半球壳烧结体；步骤二，对半球壳的边口进行精密机械加工，以使两个半球壳的边口相互靠近时能够完全接触；步骤三，将精密机械加工后的半球壳进行热等静压处理；步骤四，对热等静压处理后的半球壳的边口进行研磨抛光后，将两个半球壳的边口对接合并成一个球体并抽真空，两个半球壳吸合在一起形成一个空心球体；步骤五，空心球体经第二次烧结合封，出炉后得到完整空心浮力球，对封口接缝处进行包覆处理以减小此处的应力集中。

【技术实现步骤摘要】
一种陶瓷空心浮力球及其制造方法
本专利技术涉及一种空心浮力球，特别涉及一种陶瓷空心浮力球及其制造方法，属于陶瓷、浮力材料及海洋

技术介绍
世界各国对海洋的探测越来越深，美国早已研制出万米级的潜水器，日本和中国也正在研制，相应地对浮力材料的耐压能力以及其他性能要求越来越高，但提高浮力材料的强度，往往意味着增加壁厚，质量体积比(以下简称密度)也要随之减小，提供的净浮力降低。对于深海装备，最重要的通用性材料有两类，一是耐压性足够好的结构材料，二是能提供足够大的净浮力的材料。浮力材料对保证深潜器浮力、使潜水器在海水中实现均衡、增大深潜器有效载荷、减小其外型尺寸等具有重要的作用。深海浮力材料可分为两种，一种是玻璃、陶瓷微珠(直径为0.05～1mm的空心球)掺杂环氧树脂制成的可机加工型的固体浮力材料；另一种是直径为50～500mm的大尺寸的玻璃和陶瓷材质空心浮力球。对于玻璃空心球，随着使用深度的增加，相应地玻璃壁厚就要增加，以提高耐压强度，但是整球的质量体积比就变大了，净浮力就变小了；德国Nautilus公司生产的10000m深海使用的玻璃浮力球的密度在0.6g/cm3左右。早在1964年，一家名为COORSPORCELAIN的公司便已具备制造10英寸(254mm)、使用深度达20000英尺(6097m)的99.9％氧化铝无缝空心球的能力。但是由于每个球之间性能相差太大，将其应用于载人潜水器上有风险，最后由于缺少市场，这家公司在1960年代末停止了陶瓷空心球业务。20世纪90年代后期，为研制新的11000m级无人深潜器“海神”号，美国伍兹霍尔海洋研究所(WHOI)不满足于仅使用微球泡沫复合材料作为浮力材料，开始向DeepSeaPower&Light(DSPL)公司和Arvada陶瓷定制技术(CTC)有限公司定制99.9％氧化铝无缝空心球。其中在“海神”号上的得以应用的是来自DSPL的3.6英寸(92mm)无缝陶瓷空心球，而CTC生产的无缝陶瓷空心球为10英寸，不过两者均使用的是旋转注浆成型技术。其中92mm陶瓷空心球的设计壁厚为1.5mm，其理论极限抗压强度和弹性屈服强度可达到设计工作压力安全系数2倍以上，此时陶瓷空心球密度仅为0.34g/cm3。国内在浮力材料方面的研究起步较晚，最初海洋开发多采用金属浮筒提供浮力，其提供的净浮力小，而且形状固定，只能用于浅海或水面，从20世纪80年代初开始，以哈尔滨船舶工程学院、中国海洋大学为主的一些高校和科研院所，都将主要的研究方向放在可机加工型的固体浮力材料上，对高质量的玻璃、陶瓷浮球等的研究较少，尚不能研制出满足深海要求的陶瓷空心浮力球。关于陶瓷空心球，可检索到的中国专利大部分属于将陶瓷，主要为氧化铝(Al2O3)熔融后，采用空气喷吹，得到空心陶瓷微球，比如中国专利201010120320.2、201110145627.2等，此方法制备的陶瓷微球可用来和环氧树脂复合制备可加工的固体浮力材料，万米级(耐压100MPa)密度基本都在0.6g/cm3以上。此外，还有中国专利96248613.2、200610017765.1、201110437012.7、201210013921.2，采用一些可烧失的材料(有聚苯乙烯、锯木屑、炭黑加面粉等)做模板球，用滚球或浆料粘附等工艺在模板球表面包裹一层陶瓷粉体，煅烧排除模板球后进行烧结来制备空心球，材料以氧化铝、氧化锆等氧化物陶瓷为主，此方法制备的空心球尽管壁厚均匀、密度可控，但球尺寸有限(40mm以下)，且材料限定在氧化物陶瓷，由于此方面的限制，上述专利实施例中，耐压强度150MPa条件下，密度最低仅能达到0.54g/cm3。到目前为止，还没有公开文献和专利报道国内外有采用陶瓷中强度质量比最高的Si3N4材料制备陶瓷空心浮力球的研究，更没有采用两个半球壳合封制备陶瓷空心浮力球的报道。
技术实现思路
本专利技术的目的就是解决上述现有技术未能解决的问题，提供一种耐压好、材料本体密度低的陶瓷空心浮力球及其制造方法，即一种采用强度质量比高的陶瓷材料制备的空心浮力球，直径范围为50～500mm的大球，其适用于全海深条件，耐压强度高，密度可调范围大。本专利技术第一方面，公开了一种空心浮力球的制造方法，包括如下步骤：步骤一，制造半球壳素坯，对半球壳素坯进行后处理，再经第一次烧结得到半球壳；步骤二，对半球壳的边口进行精密机械加工，以使两个半球壳的边口相互靠近时能够完全接触；步骤三，将精密机械加工后的半球壳进行热等静压处理；步骤四，对热等静压处理后的半球壳的边口进行研磨抛光后，将两个半球壳的边口对接合并成一个空心球体并抽真空，两个半球壳吸合在一起形成一个完整空心球体；步骤五，完整空心球体经第二次烧结后合封，得到完整空心浮力球，对合封口接缝处进行包覆处理以减小此处的应力集中。进一步地，还包括检测步骤：将完整空心浮力球直接投入压力桶内进行破坏性测试，测试压力大于145MPa，没有发生内爆的为初步合格品；在初步合格品中按1％取样投入压力桶内进行疲劳寿命检查，115MPa保压10h后，再循环500次，每次保压60s，没有发生内爆为批合格品。进一步地，步骤一中，采用3D打印工艺制造半球壳素坯。更进一步地，3D打印工艺选用选择性激光烧结工艺(SLS)、光固化工艺(SLA或DLP)、粉末粘结成型工艺(3DP)之中的一种。或者，采用传统陶瓷成形工艺制造半球壳素坯，传统陶瓷成形工艺选自注浆成型、凝胶注模、粉末压制之中的一种。对半球壳素坯进行后处理包括如下步骤：对半球壳素坯先进行第一次冷等静压，然后在200～600℃的空气气氛中加热，最后进行第二次冷等静压。第一次烧结是指：将半球壳素坯置于1～10MPa的N2气氛中，在1700～1900℃的温度范围内保温时间1～2h进行烧结。进一步地，步骤二中，精密机械加工是指：采用带金刚石砂轮的磨床磨平边口。进一步地，步骤三中，热等静压处理工艺参数为：最高温度1600～1800℃，保温时间1～2h，N2或Ar气氛压力100～200MPa。进一步地，步骤四中，研磨抛光是指：先粗磨边口，再细磨边口，以使两个半球壳能够真空合封为标准。进一步地，步骤五中，第二次烧结是指：利用液相烧结的原理，将真空合封的两个半球壳两端加压后，置于常压的N2气氛中，在温度1450～1700℃下保温1h，使得两个半球壳边口之间液相扩散连接，进行烧结合封。包覆处理采用纤维增强复合材料工艺。本专利技术的第二方面，公开了上述方法制备的Si3N4陶瓷浮力空心球。Si3N4陶瓷浮力空心球，其整球密度根据不同尺寸、壁厚设计可控，在耐压强度大于145MPa的条件下，其材料密度在3.16～3.30g/cm3范围内，外径尺寸可调范围大，50mm以上直径的空心球均可制造。公称直径为50mm球的整球密度最低可达0.30g/cm3，公称直径为500mm的球的整球密度最低可达0.15g/cm3；公称直径为100mm的球的整球密度为0.30g/cm3、0.35g/cm3或0.40g/cm3，对应的内爆压力分别为200MPa、300MPa、400MPa。本专利技术的有益效果是：Si3N4材料制备得到陶瓷空心浮力球，强度质量比高。以下将结合附图对本专利技术的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种陶瓷空心浮力球的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，制造半球壳素坯，对所述半球壳素坯进行后处理，再经第一次烧结得到半球壳；步骤二，对所述半球壳的边口进行精密机械加工，以使两个所述半球壳的边口相互靠近时能够完全接触；步骤三，将精密机械加工后的所述半球壳进行热等静压处理；步骤四，对热等静压处理后的所述半球壳的边口进行研磨抛光后，将两个所述半球壳的边口对接合并成一个空心球体并抽真空，两个所述半球壳吸合在一起形成一个完整空心球体；步骤五，所述完整空心球体经第二次烧结后合封，得到完整空心浮力球，对合封口接缝处进行包覆处理以减小此处的应力集中。

【技术特征摘要】
1.一种陶瓷空心浮力球的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，制造半球壳素坯，对所述半球壳素坯进行后处理，再经第一次烧结得到半球壳；步骤二，对所述半球壳的边口进行精密机械加工，以使两个所述半球壳的边口相互靠近时能够完全接触；步骤三，将精密机械加工后的所述半球壳进行热等静压处理；步骤四，对热等静压处理后的所述半球壳的边口进行研磨抛光后，将两个所述半球壳的边口对接合并成一个空心球体并抽真空，两个所述半球壳吸合在一起形成一个完整空心球体；步骤五，所述完整空心球体经第二次烧结后合封，得到完整空心浮力球，对合封口接缝处进行包覆处理以减小此处的应力集中。2.根据权利要求1所述的一种空心浮力球的制造方法，其特征在于，还包括检测步骤：将所述完整空心浮力球直接投入压力桶内进行破坏性测试，测试压力大于145MPa，没有发生内爆的为初步合格品；在所述初步合格品中按1％取样投入所述压力桶内进行疲劳寿命检查，115MPa保压10h后，再循环500次，每次保压60s，没有发生内爆为批合格品。3.根据权利要求1所述的一种空心浮力球的制造方法，其特征在于，采用3D打印工艺制造所述半球壳素坯。4.根据权利要求3所述的一种空心浮力球的制造方法，其特征在于，所述3D打印工艺选用选择性激光烧结工艺、光固化工艺、粉末粘结成型工艺中的一种。5.根据权利要求1所述的一种空心浮力球的制造方法，其特征在于，采用传统陶瓷成形工艺制造所述半球壳素坯，所述传统陶瓷成形工艺选自注浆成型、凝胶注模、粉末压制之中的一种。6.根据权利要求1所述的一种空心浮力球的制造方法，其特征在于，对所述半球壳素坯进行后处理包括如下步骤：对所述半球壳素坯先进行第一次冷等静压，然后在200～600℃的空气气氛中...

【专利技术属性】
技术研发人员：张培志，何成贵，吴芬，韩伟月，郭方全，祁海，
申请(专利权)人：上海材料研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31