静磁场中功能梯度材料凝胶注模制备方法技术

本发明专利技术公开了静磁场中功能梯度材料凝胶注模的制备方法。其步骤为：１）浇注模具准备；２）将陶瓷粉末和强磁性的金属粉末按一定比例与水或非水溶剂混合后，在球磨机中搅拌制成均匀弥散的浆料；３）在磁场强度为０．１～５．０特斯拉的静磁场中浇注、固化；４）烘干、烧结成型。本发明专利技术方法的优点是：可以制备出成分连续变化的各种厚度的梯度材料；利用成熟的陶瓷凝胶注模法成形工艺使生产功能梯度材料的手续简化、成本降低、性能提高。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种。
技术介绍
陶瓷材料因其独特的性能已广泛地应用于电子、机械、国防等工业领域。但陶瓷材料烧结后很难进行机加工，故人们一直在寻求复杂形状陶瓷元件的净尺寸成型方法，这已成为保证陶瓷元件质量和使所研制的材料获得实际应用的关键环节。陶瓷材料的成型方法，一般可分为干法和湿法两大类。相比而言，湿法成型工艺设备简单、成型坯体组分均匀、缺陷少、易于成型复杂形状零件等优点，实用性较强，但传统的湿法成型技术都存在一些问题，如注浆成型是靠石膏模吸水来实现的，造成坯体中形成密度梯度分布和不均匀变形，并且坯体强度低，易于损坏。热压铸或注射成型需加入质量分数高达20％的蜡或有机物，造成脱脂过程繁琐，结合剂的融化或蒸发使坯体的强度降低，易形成缺陷甚至倒塌。这些问题提高了陶瓷材料的生产成本，降低了其质量的稳定性。90年代初，美国橡树岭国家实验室专利技术了一种全新的陶瓷材料湿法成型技术——凝胶注模成型技术，主要生产工艺过程为陶资原料与介质的混合→成型(凝固)→排除介质→干燥→烧结。凝胶注模成型是一种实用性很强的技术，它具有以下几个显著特点(1)可适用于各种陶瓷材料，成型各种复杂形状和尺寸的陶瓷零件。(2)由于定型过程和注模操作是完全分离的，定型是靠浆料中有机单体原位聚合形成交链网状结构的凝胶体来实现的。所以成型坯体组分均匀、密度均匀、缺陷少。(3)浆料的凝固定型时间较短且可控。根据聚合温度和催化剂的加入量不同，凝固定型时间一般可控在5～60min。(4)该工艺所用模具为无孔模具，且对模具无特殊要求，可以是金属、玻璃或塑料等。(5)坯体中有机物含量较小，其质量分数一般为3％～5％。但强度较高，一般在10MPa以上。可对坯体进行机加工(车、磨、刨、铣、钻孔、锯等)，从而取消或减少烧结后的加工。(6)这是一种净尺寸成型技术。由于坯体的组分和密度均匀，因而在干燥和烧结过程中不会变形，烧结体可保持成型时的形状和尺寸比例。(7)所用陶瓷料为高固相(体积分数不小于50％)、低粘度(小于1Pa·s)。浆料的固相含量是影响成型坯体的密度、强度及均匀性的因素，粘度的大小关系到所成坯体形状的好坏及浆料的排气效果。功能梯度材料(FGM)是针对高温、热循环和大温度落差的条件下，能反复地正常工作而开发的一类新型材料，如此苛刻的使用环境要求材料具有优异的抗热冲击和热疲劳性能。目前，功能梯度材料主要制备方法有粉末成型、物理气相沉积法(PVD)、化学气相沉积法(CVD)、等离子喷涂、电铸法、电镀法等。粉末成型法是将金属、陶瓷等颗粒状原料和晶须等组成梯度积层结构，经压实、烧结而制成功能梯度材料。耐热陶瓷用于高温端，金属材料或塑料用于低温端。为了强化金属组成相或提高陶瓷相韧性，可以掺入晶须。化学气相沉积法是将卤化物气体进行加热分解，使金属或半金属沉积在衬底表面上，或者将生成的碳化物、氯化物等混合气体送入反应管，使加热生成的化合物沉积在衬底上。电铸法是在母型表面上用金属盐溶液经电沉积处理析出一层金属或合金.然后剥离得到与设型表面凸凹相反的制品。物理气相沉积法是使加热蒸发的金属沉积在衬底上进行涂层的方法，在金属、半金属中送入氧、氮和碳化氢等反应气体后，合成氧化物、氯化物和碳化物等陶瓷，并沉积在衬底上。物理气相沉积法有真空镀膜、溅射和离子镀敷等。真空镀膜是单纯地加热金属使其蒸发沉积；溅射法是通过电子或离子打击，使溅射出来的金属沉积在衬底上；离子镀敷是通过金属蒸气离子化，得到粘结性好而且致密的沉积物。电铸金属或合金的厚度可为50微米至十几厘米。但是这些制备方法均存在着重要的局限性。如粉末成型难以实现材料组分连续均匀变化；气相沉积难以得到大厚度材料；自蔓延燃烧致密度较低；等离子喷涂的各涂层间存在成分突变的界面；等等。这些方法要求复杂的工艺或设备，缺少简便的制备方法，是限制功能梯度材料进一步发展的重要原因。因此，如果能将成熟的金属或陶瓷材料成型手段，用来制备功能梯度材料，无疑具有重要的意义和广阔的发展前景。本专利技术是将铁磁性的金属粉末(Fe、Ni、Co等过渡金属)与弱磁性的陶瓷粉末(Al2O3、ZrO2、SiC、AlN、Si3N4)组成的浆料，在静磁场中采用凝胶注模固结成形，然后通过烧结来制备功能梯度材料。其突出的优点就是利用成熟的工艺陶瓷凝胶注模方法生产功能梯度材料，通过调整磁场强度、浆料组成、粘度及其它制备工艺参数，可以在很大的厚度范围内方便地制备出成分连续变化且可控的梯度材料。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种。它的步骤为 1)浇注模具准备采用α石膏与β石膏混合型石膏配制，与15～25℃的纯净自来水混合，搅拌3～8分钟后浇注，由石膏浆凝固、硬化制得的石膏模具经干燥后，在温度25～38℃、相对湿度20～30％的环境中保存；2)浆料制备采用颗粒尺寸为0.1～100μm的强磁性不锈铁粉或镍粉、钴粉，与颗粒尺寸为0.1～100μm的ZrO2、SiC、AlN、Si3N4、B4C、SiO2、TiC、Al2O3中的一种或几种陶瓷粉末按0.1～10∶1的比例组成混合粉末，此混合粉末与溶剂混合成浆料；当溶剂为水时，将混合粉末分散于混合溶液中，混合后固体含量体积分数为45～70％，调节pH值为5～12，在球磨机中搅拌1～10h，采用超声波进行弥散化处理制得浆料，浆料的湿度为20％～50％，温度为30～60℃，粘度为1～100mPa·s，在浆料中加入占有机单体量0.3～3％的引发剂过硫酸铵APB及占有机单体量0.5～5‰的催化剂四甲基乙二胺EMED；当为非水溶剂时，加入粘接剂，粘接剂为浆料质量分数的10～50％，将浆料在球磨机中搅拌1～10h，制成均匀弥散的浆液，并用超声波进行弥散化处理，此时浆料中溶剂体积分数为浆料的50～80％，浆料的湿度为20％～50％，温度为30～60℃，在浆料中加入引发剂，引发剂为浆料体积分数的0.2～5％；3)磁场中浇注成型搅拌均匀后充入模具中，模具外施加静磁场，磁场强度为0.1～5.0特斯拉，磁化时间为3～60min；4)烘干、烧结固化5～60min，去模，并在35～60℃下缓慢烘干，得到的生坯在石墨或氮气的保护环境中烧结成型，烧结温度在600～1400℃之间，随后随炉冷却至100～300℃取出。本专利技术方法的优点是1)通过施加静磁场，改变磁场强度，可以在很大成分范围内制备出各种厚度的梯度材料，成分连续变化且可控。2)利用成熟的传统工艺陶瓷凝胶注方法使生产功能梯度材料的手续简化、成本降低。附图说明图1是浆料刚刚注入时模型示意图，图中1为浆料，2为石膏模具，3为钕铁硼永磁体，4为永磁体产生的磁场；图2是磁化后浆料模型示意图，图中5为陶瓷浆料，6为铁磁性浆料。具体实施例方式上述的功能梯度材料制备方法是将强磁性的金属(不锈铁、镍粉、钴粉中的一种)与陶瓷(ZrO2、SiC、AlN、Si3N4、B4C、SiO2、TiC、Al2O3中的一种或几种)混合粉末与溶剂组成浆料，浇入模具内腔且在磁场中成形。浆料受静磁引力的作用，分别在模内向两端聚积，形成成分梯度。获得的坯料经聚合、烧结后制成功能梯度材料。此种功能梯度材料是超耐热材料，具有优异的抗热冲击和热疲劳性能。本专利技术采用水溶剂的具体步骤如下1)模具的准备本方法对模具无苛刻要求，可采用石膏、钢铁、塑料等作为模具本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种静磁场中功能梯度材料凝胶注模制备方法，其特征在于它的步骤为：１）浇注模具准备采用α石膏与β石膏混合型石膏配制，与１５～２５℃的纯净自来水混合，搅拌３～８分钟后浇注，由石膏浆凝固、硬化制得的石膏模具经干燥后，在温度２５～３８℃、相 对湿度２０～３０％的环境中保存；２）浆料制备采用颗粒尺寸为０．１～１００μｍ的强磁性不锈铁粉或镍粉、钴粉，与颗粒尺寸为０．１～１００μｍ的ＺｒＯ↓［２］、ＳｉＣ、ＡｌＮ、Ｓｉ↓［３］Ｎ↓［４］、Ｂ↓［４］Ｃ、ＳｉＯ↓［２］、ＴｉＣ、 Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］中的一种或几种陶瓷粉末按０．１～１０∶１的比例组成混合粉末，此混合粉末与溶剂混合成浆料；当溶剂为水时，将混合粉末分散于混合溶液中，混合后固体含量体积分数为４５～７０％，调节ｐＨ值为５～１２，在球磨机中搅拌１～１０ｈ ，采用超声波进行弥散化处理制得浆料，浆料的湿度为２０％～５０％，温度为３０～６０℃，粘度为１～１００ｍＰａ.ｓ，在浆料中加入占有机单体量０．３～３％的引发剂过硫酸铵ＡＰＢ及占有机单体量０．５～５‰的催化剂四甲基乙二胺ＥＭＥＤ；当为非水溶 剂时，加入粘接剂，粘接剂为浆料质量分数的１０～５０％，将浆料在球磨机中搅拌１～１０ｈ，制成均匀弥散的浆液，并用超声波进行弥散化处理，此时浆料中溶剂体积分数为浆料的５０～８０％，浆料的湿度为２０％～５０％，温度为３０～６０℃，在浆料中加入引发剂，引发剂为浆料体积分数的０．２～５％；３）磁场中浇注成型搅拌均匀后充入模具中，模具外施加静磁场，磁场强度为０．１～５．０特斯拉，磁化时间为３～６０ｍｉｎ；４）烘干、烧结固化５～６０ｍｉｎ，去模，并在３５～６０℃下缓慢烘干， 得到的生坯在石墨或氮气的保护环境中烧结成型，烧结温度在６００～１４００℃之间，随后随炉冷却至１００～３００℃取出。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：严密，于濂清，杨德仁，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]