一种制备功能陶瓷材料的方法技术

本发明专利技术公开了一种制备功能陶瓷材料的方法，包括：①配置好含有有机单体、交联剂、引发剂、分散剂和陶瓷粉料的悬浮液；②加入催化剂，将浆料注入到环状金属模具中原位固化，即得到大尺寸陶瓷的湿坯；③将坯体脱模后，放入网状夹具中，再将夹具放入恒温恒湿箱中干燥，若干天后放入烘箱中干燥；④将干燥好的坯体在一定升温制度下排胶，并在高温烧结成瓷。本发明专利技术制备出大尺寸高性能铌锌酸铅－锆钛酸铅压电陶瓷、钛酸锶钡系热释电陶瓷、铌锰酸铅－锑锰酸铅－锆钛酸铅系热释电陶瓷。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及制备功能陶瓷材料的方法，该方法采用水基凝胶注模成型 和网状夹具干燥法制备大尺寸高性能功能陶瓷材料。
技术介绍
大尺寸功能陶瓷的工程化制备技术是近年来众多研究者关注的技术难 关，由于尺寸的原因，这类制品在制备工艺过程中的各个环节都具有比小 尺寸制品高得多的难度，主要是成型坯体整体的均匀性难以实现；成型 坯体强度低，在随后的工艺过程中不易保证其不受破坏(变形或开裂)；从 粉体状态到最终制品的过程中各个工艺环节难以实现平稳、 一致的演化等 等。基于此，近年来出现的凝胶注模成型技术(gel-casting)被应用在大尺 寸陶瓷的制备工艺中，gel-casting工艺是美国橡树国家实验室于上个世纪90 年代末专利技术的一种新颖的陶瓷净尺寸成型技术(参见A.C.Yoimg, O.O.Omatete， M.A.Janney, P.A.Menchhofer, Gelcasting of alumina, J. Am.Ceram.Soc.74(3)(1991)612-618)。该工艺将传统注浆工艺和聚合物化学 结合起来，利用有机单体原位聚合固定陶瓷粉末，浆料充模过程和混合物 固化过程分开进行。其基本原理是在高固相含量、低粘度的陶瓷浆料中， 掺入低浓度的有机单体(如丙烯酰胺AM、甲基丙烯酰胺MAM、乙烯基吡 咯酮NVP、甲基聚乙二醇单甲基丙烯酯MPEGMA等等)和交联剂(如亚 甲基双丙烯酰胺MBAM)，当加入少量的引发剂(如过硫酸铵)和催化剂 (如N,N,N,N-四甲基乙二胺)并浇铸后，桨料中的有机单体在一定的温度 条件下发生原位聚合反应，形成坚固的三维网状结构，从而使悬浮体原位 固化成型，得到均匀、高强度、准净尺寸的陶瓷坯体。然后进行脱模、干 燥、去除有机物、烧结，即可制得所需的陶瓷零件。Gel-casting工艺显著优点是浆料固相含量高，其成型坯体整体均匀性比模压法好。但用Gel-casting 制备大尺寸功能陶瓷时，由于含水率相对于模压法高，尺寸很大，在干燥 过程中，各个部位的干燥速率不等，很容易导致陶瓷体变形弯曲和开裂， 若为了保持均匀性，而减慢干燥速率，则干燥时间会长至一个月甚至两个 月。通过大量文献检索，未发现用凝胶注模成型技术结合网状夹具干燥法 制备大尺寸功能陶瓷的报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供，该方法可以保 证大尺寸坯体干燥过程的均匀性，减短干燥时间，防止坯体的变形和开裂。本专利技术提供的制备功能陶瓷材料的方法，步骤包括(1) 、将功能陶瓷粉体与预混液混合形成混合液，粉体体积占总混合液体积的40 60vol%，预混液为丙烯酰胺和亚甲基双丙烯酰胺与去离子水 的混合物，预混液的浓度为15 20wt%，丙烯酰胺和亚甲基双丙烯酰胺的质量比为16 24: 1;(2) 、在上述混合液中加入分散剂和引发剂，分散剂为浓度为8 18wt %的聚甲基丙烯酸铵溶液，加入量为混合液中陶瓷粉体质量的0.4 1.2wt %，引发剂为浓度3 6wtX的过硫酸铵溶液，加入量为混合液中预混液质 量的0.4 0.6wt%;(3) 、采用行星球磨机球磨2 4小时,获得陶瓷浆料；(4) 将陶瓷浆料放入超声清洗器中超声除泡3 5分钟，加入催化剂， 催化剂为N,N，N，N-四甲基乙二胺，加入量为混合液中预混液质量的0.2 0.3wt%，再将浆料注入模具中，该模具为表面粘有金属环的玻璃板；(5) 、将模具放置在空气中24 48小时后，将湿坯脱模，放入网状夹 具中，再将夹具放置在恒温恒湿箱中干燥后取出，干燥过程中控制湿度由 95%到65%，控制温度由10。C到3(TC;(6) 、将干燥好的坯体在600。C 70(TC下排胶，排胶速率小于20℃/ 小时，再高温烧结成瓷。本专利技术利用水基凝胶注模成型技术制备大尺寸高性能功能陶瓷，在此 基础上利用一种网状夹具干燥坯体，并置于恒温恒湿箱中，保证大尺寸坯 体干燥过程的均匀性，减短了干燥时间，防止了坯体的变形和开裂，从而 制备出大尺寸、均匀性好的高性能功能陶瓷。采用本专利技术方法可以制备出 大尺寸高性能铌锌酸铅一锆钛酸铅压电陶瓷、钛酸锶钡系热释电陶瓷、铌 锰酸铅一锑锰酸铅一锆钛酸铅系热释电陶瓷等。附图说明图1为凝胶注模成型工艺流程2为铌锌酸铅一锆钛酸铅的SEM图；图3为铌锰酸铅一锑锰酸铅一锆钛酸铅的SEM图；图4为钛酸锶钡陶瓷的SEM图；图5为钛酸锶钡陶瓷的介温曲线。具体实施方式本专利技术采用下底可以脱落的模具以便于大尺寸陶瓷湿坯的脱模，并采 用网状夹具干燥，因为在制备大尺寸陶瓷的过程中，干燥过程是一个技术 难题，由于陶瓷的尺寸较大，表面环境的温湿度差异导致陶瓷很容易变形 和开裂，网状夹具不仅保证了陶瓷上下表面环境的均一性，而且夹具的压 力能防止陶瓷的变形，从而得到大尺寸、均匀的坯体。本专利技术方法的流程图如图1所示，下面通过具体实例，进一步说明本专利技术的特点和效果 实例l:水基凝胶注模成型结合网状夹具干燥法制备大尺寸0.15(PbZn1/3Nb2/3O3)+0.85 压电陶瓷。 具体工艺为-(1) 按化学式，用固相合成法制备PZN-PZT粉体；(2) 将500g粉体与65.8ml预混液、25g分散剂和1.75g引发剂混合球磨2小时，制备出固相含量为50volX、粘度为90mPa.s的浆料；(3) 倒出浆料，加入催化剂0.8g，倒入(D21cm的环状模具中，模具 为表面粘有金属环的玻璃板，以便于脱模；(4) 将模具放置在空气中24小时后脱模，放入网状夹具，其中网状 夹具为两个边长为25cm的正方形钢丝网，四边用钢条固定，再在钢条的四 个角钻四个螺丝孔将两个钢网夹在一起；将夹具放入恒温恒湿箱，在湿度 95。％、温度l(TC中放置三天，然后调整至湿度80%、温度25。C中放置两天， 再调整至湿度65%、温度30'C中放置三天；(5) 将干燥好的坯体在70(TC下排胶，排胶速率为16°C/h;并在1230°C 烧结成瓷。烧结后陶瓷的尺寸为0)16cm，密度为7.4g/cm3。为了测试大尺寸陶瓷 的均匀性，将陶瓷切割成32个小样(面积为1.5cmxl.5cm)，涂上银电极， 分别测试其介电常数和介电损耗，结果如表一表一<table>table see original document page 6</column></row><table><table>table see original document page 7</column></row><table>由以上图表可算出该陶瓷片的平均介电常数为808，介电损耗为0.5 %，介电常数均匀性为5.6%。其SEM图如图2所示。实例2:水基凝胶注模成型结合网状夹具干燥法制备大尺寸Pbo.2(Zr95Ti5)0.803热释电陶瓷。按化学式，用固相合成法配制粉体，烧结温度为124(TC，其他同实例1，烧结后陶瓷的尺 寸为015.8cm，密度为7.51g/cm3，采用同样的方法测试其介电常数为251， 介电损耗为4%，热释电系数为7.5x10—4C/m2°C(30°C)，介电常数均匀性为 4.8%，其SEM图如图3所示。实例3:水基凝胶注模成型结合网状夹具干燥法制备大尺本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备功能陶瓷材料的方法，步骤包括：（１）、将功能陶瓷粉体与预混液混合形成混合液，粉体体积占总混合液体积的４０～６０ｖｏｌ％，预混液为丙烯酰胺和亚甲基双丙烯酰胺与去离子水的混合物，预混液的浓度为１５～２０ｗｔ％，丙烯酰胺和亚甲基双 丙烯酰胺的质量比为１６～２４∶１；（２）、在上述混合液中加入分散剂和引发剂，分散剂为浓度为８～１８ｗｔ％的聚甲基丙烯酸铵溶液，加入量为混合液中陶瓷粉体质量的０．４～１．２ｗｔ％，引发剂为浓度３～６ｗｔ％的过硫酸铵溶液，加入量为混合液 中预混液质量的０．４～０．６ｗｔ％；（３）、采用行星球磨机球磨２～４小时，获得陶瓷浆料；（４）将陶瓷浆料放入超声清洗器中超声除泡３～５分钟，加入催化剂，催化剂为Ｎ，Ｎ，Ｎ，Ｎ－四甲基乙二胺，加入量为混合液中预混液质量的０．２ ～０．３ｗｔ％，再将浆料注入模具中，该模具为表面粘有金属环的玻璃板；（５）、将模具放置在空气中２４～４８小时后，将湿坯脱模，放入网状夹具中，再将夹具放置在恒温恒湿箱中干燥后取出，干燥过程中控制湿度由９５％到６５％，控制温度由１０℃到 ３０℃；（６）、将干燥好的坯体在６００℃～７００℃下排胶，排胶速率小于２０℃／小时，再高温烧结成瓷。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：谢甜甜，姜胜林，曾亦可，张海波，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]