一种制备注凝成型熔融石英陶瓷的工艺方法技术

本发明专利技术公开了一种制备注凝成型熔融石英陶瓷的工艺方法。本发明专利技术以新的功能化熔融石英粉末为原料，在不需要额外添加烧结助剂的情况下，经过料浆制备、注凝固化、烧结成型等步骤，制备得到熔融石英陶瓷。所得熔融石英陶瓷具有理想的致密度和机械强度，所得陶瓷的体积密度达到了1.96g/cm

Process for preparing condensed fused silica ceramic by making remarks

The invention discloses a process method for preparing condensed fused silica ceramics. The invention relates to a functionalized fused silica powder as raw materials, without the need for additional sintering conditions, through slurry preparation, gel curing, sintering and other steps, preparation of fused silica ceramics. The fused silica ceramics have ideal density and mechanical strength, and the volume density of the ceramics is up to 1.96g/cm

【技术实现步骤摘要】
一种制备注凝成型熔融石英陶瓷的工艺方法
本专利技术涉及熔融石英陶瓷制备
，更具体地，涉及一种制备注凝成型熔融石英陶瓷的工艺方法。
技术介绍
熔融石英陶瓷，具有热膨胀系数小、热稳定性好、电绝缘性好、耐化学侵蚀性好等众多优良的特性已广泛应用到各个领域，但形状复杂、尺寸要求精确的产品，其生产成本高、可靠性和生产重现性差、商业化生产的主要因素。研究表明，理想的解决办法是采用净尺寸成型工艺生产，而注凝成型就是这样一种接近净尺寸成型技术。注凝成型技术将传统的陶瓷工艺和有机聚合物化学结合，将高分子单体聚合的方法灵活的引入到陶瓷成型工艺，由于其工艺简单无需贵重设备、含脂量低，所制备的生柸可加工性能好，能真正实现近尺寸成型，但与其它结构陶瓷相比，注凝成型所得熔融石英陶瓷存在体积密度低和力学性能差的缺陷，这是由于烧结过程中有机单体的缺失，造成成型坯体体积密度低，气孔大所致，现有工艺研究表明，引入烧结助剂可以有效改进熔融石英陶瓷坯体致密度低的问题，其中最常用的烧结助剂为氮化硅，当前引入烧结助剂氮化硅的方式主要为机械添加氮化硅粉末，但是机械添加氮化硅在大工业生产中存在混合不均匀、以及烧结温度高易导致熔融石英晶化。因此，研究能在保证熔融石英陶致密度以及强度的情况下，同时防止熔融石英烧结成型过程析晶一直是本领域研究人员关注的重点。授权公告号为CN103342547B的专利技术专利，公开了一种制备高致密度熔融石英陶瓷的方法，先用盐酸作为正硅酸乙酯水解催化剂产生硅溶胶，然后加入超分散好的熔融石英粉末，通过搅拌实现表面同质溶胶的均匀包覆，包覆好的熔融石英陶瓷粉末经压制烧结后得到了致密度提高的熔融石英陶瓷，但是包覆过程中使用的催化剂盐酸，会引入难以清除的微量杂质氯，且通过搅拌实现溶胶对粉末均匀包覆，存在一定的局限性，难以适应工业化大生产要求。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是针对现有制备熔融石英陶瓷技术不足，提供一种制备注凝成型熔融石英陶瓷的工艺方法。本专利技术的目的通过以下技术方案予以实现：提供一种制备注凝成型熔融石英陶瓷的工艺方法，包括以下步骤：S1.制备功能化熔融石英粉末：S2.料浆制备：取S1所得功能化熔融石英粉末，再将有机单体、交联剂、分散剂柠檬酸铵、引发剂和去离子水在搅拌下超声震荡制得料浆；S3.注凝固化：常温下将S2所得料浆注入模具，进行固化，脱模得到熔融石英陶瓷生柸；S4.烧结成型：将S3所得熔融石英陶瓷生柸，放入微波反应炉进行程序升温烧结成型；其中，S1所述功能化熔融石英粉末的制备包括以下步骤：S1-1.将熔融石英颗粒球磨成粉末得熔融石英粉；S1-2.配制一定浓度的糖溶液做为碳源，与步骤S1-1所得熔融石英粉以一定物质的量配比混合均匀，烘干；S1-3.将步骤S1-2所得混合物置于高温气氛炉中，在氮气保护下，进行糖热分解；S1-4.将步骤S1-3糖热分解所得粉末在真空条件下，通入氮气，进行碳热氮化还原反应；S1-5.将步骤S1-4碳热氮化还原反应所得粉末加热处理，得到所述功能化熔融石英粉。优选地，S1-2所述糖溶液可以为蔗糖溶液或者果糖溶液；所述糖溶液的浓度为0.35mol/L，素数糖溶液与熔融石英粉的摩尔配比为1:3，所述烘干温度为70～100℃，烘干时间为20～36h。更优选地，S1-2所述温度为80℃，烘干时间为36h。优选地，S1-2所述真空干燥箱温度控制程序设置为，以10℃/min的升温速率至600～900℃，后保温0.5～1h。更优选地，所述真空干燥箱温度控制程序设置为10℃/min的升温速率至700℃，后保温1h。优选地，S1-4所述烘氮气流速为不小于5L/min，所述碳热氮化还原反应采用微波炉作为反应容器，所述微波反应炉温度控制程序设置为，以10℃/min的升温速率至900～1100℃，后保温0.5～1.5h。更优选地，所S1-4所述烘氮气述流速为5L/min，，所述微波反应炉温度控制程序设置为，以10℃/min的升温速率至1050℃，后保温1.5h。优选地，S1-5所述高温处理温度为600℃，时间为2h。优选地，S2所述有机单体为N-羟甲基丙烯酰胺；交联剂为N,N’-亚甲基丙烯酰胺；分散剂为柠檬酸铵；引发剂为过硫酸铵；其中，N-羟甲基丙烯酰胺、N,N’-亚甲基丙烯酰胺、柠檬酸铵、过硫酸铵、四甲基乙二胺的用量分别为所述功能化熔融石英粉末质量的5%、0.05%、1.2%、0.5%、0.2%。优选地，S2所述几种组分的加入方式为：首先将交联剂与有机单体制备凝胶体系预混液，再加入分散剂、步骤S1所得熔融石英粉末，然后在进行超声搅拌的过程中，依次加入引发剂，搅拌150s，最后加入催化剂。优选地，S3所述固化条件为100℃下保温6h。优选地，所述微波反应炉加热程序设置600℃以下加热速率为2～5℃/min，至所需温度后保温3h。本专利技术同时提供所述制备注凝成型熔融石英陶瓷的工艺方法，制备得到的致密度提高以及力学性能增强的熔融石英陶瓷。本专利技术的有益效果：本专利技术创造性地利用热分解后的糖作为碳源，在氮气的氛围中，通过碳热氮化还原反应以熔融石英粉制备得到一种新的烧结助剂—功能化熔融石英粉。本专利技术以所述功能化熔融石英粉作为原料应用于熔融陶瓷制备成型，与机械加入氮化硅或者其它助剂相比，其可在基体中分布更加均匀，能获得致密度更好的熔融石英陶瓷，由于在功能化处理的过程中消耗粉末中的微量氧元素，可以在一定程度上抑制方石英的产生，同时运用蔗糖热分解后的碳做为碳源降低了氮还原反应温度，不仅获得了意想不到的技术效果，而且实现了低能耗和经济环保。应用所得功能化的熔融石英粉末经过料浆制备、注凝脱模、烧结成型步骤所得的熔融石英陶瓷致密度得到了显著提高，并且机械强度也得到了提升，所得陶瓷的致密度和室温抗弯折强度得到了提高，所得到的熔融石英陶瓷体积密度为1.96g/cm3、抗折强度达到了43.5MPa。本专利技术工艺方法操作简单稳定、节能高效且所用原料廉价易得环境友好，适合工业化生产。附图说明图1SiO2-C-N体系反应自由焓△G随温度变化曲线图。图2SiO2-C-N体系反应产物X射线衍射分析。图3蔗糖TG-DSC分析图。图4本专利技术蔗糖热分解后得到的SiO2/C复合粉末的电镜扫描图。图5经HF处理后蔗糖热分解后得到的SiO2/C复合粉末的电镜扫描图。图6本专利技术氮化反应后所得粉末的X射线衍射分析结果。图7本专利技术氮化反应后所得粉末的傅里叶红外光谱仪图。图8本专利技术产物的能谱分析图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例进一步详细说明本专利技术。除非特别说明，本专利技术实施例使用的各种原料均可以通过常规市购得到，或根据本领域的常规方法制备得到，所用设备为实验常用设备。除非另有定义或说明，本文中所使用的所有专业与科学用语与本领域技术熟练人员所熟悉的意义相同。实施例1在石英陶瓷成型中机械加入一定量的氮化硅粉末能有效改进熔融石英陶瓷致密性，其基本原理主要是氮化硅在烧结过程中，会被氧气氧化，生成液相的二氧化硅从而填充基体的孔隙，达到致密化，同时由于氮元素可以降低熔融石英粉末的氧含量，从而可以在一定程度下抑制熔融石英粉末析晶。基于以上理论基础，本专利技术创造性地改变机械加入的方式，以熔融石英粉末为主要原料，让其原位自生预处理引进氮元素，其存在的化合物形式可能是氮化硅或者氧氮硅本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备注凝成型熔融石英陶瓷的工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：S1. 制备功能化熔融石英粉末：S2. 料浆制备：取S1所得功能化熔融石英粉末，再将有机单体、交联剂、分散剂柠檬酸铵、引发剂和去离子水在搅拌下超声震荡制得料浆；S3. 注凝固化：常温下将S2所得料浆注入模具，进行固化，脱模得到熔融石英陶瓷生柸；S4. 烧结成型：将S3所得熔融石英陶瓷生柸，放入微波反应炉进行程序升温烧结成型；其中，S1所述功能化熔融石英粉末的制备包括以下步骤：S1‑1.将熔融石英颗粒球磨成粉末得熔融石英粉；S1‑2.配制一定浓度的糖溶液做为碳源，与步骤S1‑1所得熔融石英粉以一定物质的量配比混合均匀，烘干；S1‑3.将步骤S1‑2所得混合物置于高温气氛炉中，在氮气保护下，进行糖热分解；S1‑4.将步骤S1‑3糖热分解所得粉末在真空条件下，通入氮气，进行碳热氮化还原反应；S1‑5.将步骤S1‑4碳热氮化还原反应所得粉末加热处理，得到所述功能化熔融石英粉。

【技术特征摘要】
1.一种制备注凝成型熔融石英陶瓷的工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.制备功能化熔融石英粉末：S2.料浆制备：取S1所得功能化熔融石英粉末，再将有机单体、交联剂、分散剂柠檬酸铵、引发剂和去离子水在搅拌下超声震荡制得料浆；S3.注凝固化：常温下将S2所得料浆注入模具，进行固化，脱模得到熔融石英陶瓷生柸；S4.烧结成型：将S3所得熔融石英陶瓷生柸，放入微波反应炉进行程序升温烧结成型；其中，S1所述功能化熔融石英粉末的制备包括以下步骤：S1-1.将熔融石英颗粒球磨成粉末得熔融石英粉；S1-2.配制一定浓度的糖溶液做为碳源，与步骤S1-1所得熔融石英粉以一定物质的量配比混合均匀，烘干；S1-3.将步骤S1-2所得混合物置于高温气氛炉中，在氮气保护下，进行糖热分解；S1-4.将步骤S1-3糖热分解所得粉末在真空条件下，通入氮气，进行碳热氮化还原反应；S1-5.将步骤S1-4碳热氮化还原反应所得粉末加热处理，得到所述功能化熔融石英粉。2.根据权利要求1所述制备注凝成型熔融石英陶瓷的工艺方法，其特征在于，步骤S2所述有机单体为N-羟甲基丙烯酰胺、交联剂为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、分散剂为柠檬酸铵、引发剂为过硫酸铵。3.根据权利要求2所述制备注凝成型熔融石英陶瓷的工艺方法，其特征在于，所述N-羟甲基丙烯酰胺、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、柠檬酸铵、过硫酸铵、四甲基乙二胺的用量分别为S1-4所得熔融石英粉末质量的5%、0.05%、1.2%、0.5%0...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯清麟，侯熠徽，贺思慧，张浩益，田靓，
申请(专利权)人：湖南工业大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43