一种利用电场辅助的陶瓷材料烧结炉及其控制方法技术

本发明专利技术提供了一种利用电场辅助的陶瓷材料烧结炉及其控制方法，包括管式炉、夹持装置、电场施加模块和数据观测与记录模块；所述夹持装置包括两个管体，两个所述管体两端密封，且通过对应的支撑装置分别设置在管式炉的两端内；两个管体相对的一端分别设置有电极；其中一个电极、数据观测与记录模块、电场施加模块和另一个电极依次通过导线串联。是在传统的管式炉的两端内部设置了带有导电件的管体。在烧结过程中，施加外部电场会极大地促进陶瓷材料的烧结致密化进程，从而实现陶瓷材料的低温闪烧，即在低温下几十秒的时间内实现陶瓷材料的致密化。最终降低陶瓷烧结温度，缩短陶瓷烧结时间，大大的节省了能源损耗。

【技术实现步骤摘要】
一种利用电场辅助的陶瓷材料烧结炉及其控制方法
本专利技术属于陶瓷烧结制备
，涉及烧结炉，具体涉及一种利用电场辅助的陶瓷材料烧结炉及其控制方法。
技术介绍
烧结炉是一种在高温下，使陶瓷生坯固体颗粒产生相互键联，晶粒长大，气孔减少，总体积收缩，密度增加，最后成为具有某种显微结构的致密多晶烧结体的炉具。目前，采用常规的烧结炉来烧结制备陶瓷材料时，往往利用外部热源，如电阻丝等，通过热对流的方式来加热，然而这些方式需要高温条件和长时间的保温处理，这种烧结炉能耗大，烧结陶瓷材料成本高。
技术实现思路
针对现有的技术存在的不足之处，本专利技术的目的在于，提供一种利用电场辅助的陶瓷材料烧结炉及其控制方法，解决了常规陶瓷烧结炉烧结温度高、烧结时间长的高能耗问题。为了解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案予以实现：一种利用电场辅助的陶瓷材料烧结炉，包括管式炉、夹持装置、电场施加模块和数据观测与记录模块；所述夹持装置包括两个管体，两个所述管体两端密封，且通过对应的支撑装置分别设置在管式炉的两端内；两个管体相对的一端分别设置有电极；其中一个电极、数据观测与记录模块、电场施加模块和另一个电极依次通过导线串联。进一步的，所述两段管体的相近端分别设有一凸出部和与该凸出部相匹配的凹陷部，所述凸出部与凹陷部的相对面上分别设有电极。进一步的，所述导线穿过管体与对应的电极连接。进一步的，所述管体为包括第一管段和第二管段的台阶状管体，其中，所述第一管段的管径小于第二管段；第一管段与支撑装置相连接且其上套装有弹簧；所述弹簧的两端分别顶在支撑装置以及第二管段上。进一步的，所述支撑装置包括支撑架和滑轮，所述支撑架设置在管体的下方，并与所述的弹簧接触；所述滑轮安装在支撑架底部，且滑轮上设有锁扣。进一步的，所述数据观测与记录模块和夹持装置之间串联有一个外加电路保护模块。本专利技术还保护一种利用电场辅助的陶瓷材料烧结炉的控制方法，该方法采用如上所述的利用电场辅助的陶瓷材料烧结炉。该方法包括以下步骤：步骤1：在待加工的样品两侧涂覆铂浆；步骤2：将待加工样品置入管式炉的炉腔内，并在代加工样品两侧分别连接电极，利用导线依次串联其中一个电极、数据观测与记录模块、电场施加模块和另一个电极；步骤3：设置炉体的最终温度为500～1400℃，升温速率为1～20℃/min，设置保温时间为2s～30min；步骤4：设置施加的电压为1320V，最大极限电流为100mA；步骤5：启动管式炉并启动电场施加模块；步骤6：通过数据观测与记录模块观察电流变化情况，当电流出现设定的极限电流值时，在该状态下保温；保温结束后关闭管式炉和电场施加模块。进一步的，步骤3设置炉体最高温度为584℃、750℃、800℃和1400℃。与现有技术相比，本专利技术存在以下优点：(Ⅰ)本专利技术的利用电场辅助的陶瓷材料烧结炉，是在传统的管式炉的两端内部设置了带有导电件的管体。在使用时，将待加工样品夹持在两个管体的导电件之间，然后设置烧结温度、电压和电流参数，启动电场施加模块后，为样品两端施加了一定的直流或者交流电场，通过该外加电场来进行辅助烧结，同时通过数据观测与记录模块实时监控烧结过程中的电流电压变化。在烧结过程中，施加外部电场会极大地促进陶瓷材料的烧结致密化进程，从而实现陶瓷材料的低温闪烧，即在低温下几十秒的时间内实现陶瓷材料的致密化。最终降低陶瓷烧结温度，缩短陶瓷烧结时间，大大的节省了能源损耗。(Ⅱ)所述两段管体的相近端分别设有一凸出部和与该凸出部相匹配的凹陷部，该设计使得待加工样品的摆放更加容易，夹持更加稳定，同时也保证了整个电路的连通。(Ⅲ)所述支撑架下设有滑轮，且滑轮上设有锁扣，使得装卸样品时操作人员轻松移动支撑架，在装卸完成后，锁扣能够锁住滑轮使支撑架不发生移动。附图说明图1为本专利技术的利用电场辅助的陶瓷材料烧结炉的结构示意图。图2为样品夹持装置的氧化铝陶瓷管的侧视图。图3为样品夹持装置的氧化铝陶瓷管的主视图。图4为1000V电压下所烧结制备PZT陶瓷的SEM照片。图5为1400V电压下所烧结制备Al2O3陶瓷的SEM照片。图6为1400V电压下所烧结制备KNN陶瓷的SEM照片。图7为1320V电压下所烧结制备ZrO2陶瓷的SEM照片。图中各标号的含义是：1-管式炉、2-夹持装置、3-电场施加模块、4-数据观测与记录模块、5-支撑装置、6-电极、7-导线、8-弹簧、9-外加电路保护模块；21-管体、22-凸出部、23-凹陷部、51-支撑架、52-滑轮。具体实施方式以下给出本专利技术的具体实施方式，需要说明的是本专利技术并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本专利技术的保护范围。需要说明的是，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”通常是指以相应附图的图面为基准定义的。遵从上述技术方案，如图1到图3所示，一种利用电场辅助的陶瓷材料烧结炉，包括管式炉1、夹持装置2、电场施加模块3和数据观测与记录模块4；所述夹持装置2包括两个管体21，两个所述管体21两端密封，且通过对应的支撑装置5分别设置在管式炉1的两端内；两个管体21相对的一端分别设置有电极6；其中一个电极6、数据观测与记录模块4、电场施加模块3和另一个电极6依次通过导线7串联。本专利技术的利用电场辅助的陶瓷材料烧结炉，是在传统的管式炉1的两端内部设置了带有导电件的管体21。在使用时，将待加工样品夹持在两个管体21的导电件之间，然后设置烧结温度、电压和电流参数，启动电场施加模块3后，为样品两端施加了一定的直流或者交流电场，通过该外加电场来进行辅助烧结，同时通过数据观测与记录模块4实时监控烧结过程中的电流电压变化。在烧结过程中，施加外部电场会极大地促进陶瓷材料的烧结致密化进程，从而实现陶瓷材料的低温闪烧，即在低温下几十秒的时间内实现陶瓷材料的致密化。最终降低陶瓷烧结温度，缩短陶瓷烧结时间，大大的节省了能源损耗。具体的，所述的电场施加模块3可以采用一电压和电流可控的直流或交流电源，以精确的控制输出电压及电流，电压范围可在0-2000V，电流范围可在0-2000mA。具体的，所述数据观测与记录模块4为一可精确测量电路内电流电压等参数变化的万用表，可观测烧结过程中的电流电压变化。所述数据观测与记录模块通过对这些数据变化的检测，可实现对烧结炉内样品上实际施加电场大小的监控，通过对电流变化速率和变化程度的观测，可以看出是否有快速烧结致密化行为的发生，并对烧结程度做出判断。具体的，所述两段管体21的相近端分别设有一凸出部22和与该凸出部22相匹配的凹陷部23，所述凸出部22与凹陷部23的相对面上分别设有电极6。使用时，将样品放置在凹陷部23内，然后将凸出部22伸入凹陷部23顶住样品。凸出部22与凹陷部23的设计使得待加工样品的摆放更加容易，同时也保证了整个电路的连通。优选的，所述导线7穿过管体21与对应的电极6连接；管体21的中空部分既节省材料又方便导线7穿过管体21连接电极6。更优选的，电极和导线分别采用铂片和铂丝，能耐炉腔内高温且抗氧化能力强。优选的，所述管体21为包括第一管段和第二管段的台阶状管体，其中，所述第一管段的管径小于第二管段；第一管段与支撑装置5相连接且其上套装有弹簧8；所述弹簧8的两端分别顶在支撑装置5以及第二管段上。通本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用电场辅助的陶瓷材料烧结炉，包括管式炉(1)，其特征在于，还包括夹持装置(2)、电场施加模块(3)和数据观测与记录模块(4)；所述夹持装置(2)包括两个管体(21)，两个所述管体(21)两端密封，且通过对应的支撑装置(5)分别设置在管式炉(1)的两端内；两个管体(21)相对的一端分别设置有电极(6)；其中一个电极(6)、数据观测与记录模块(4)、电场施加模块(3)和另一个电极(6)依次通过导线(7)串联。

【技术特征摘要】
1.一种利用电场辅助的陶瓷材料烧结炉，包括管式炉(1)，其特征在于，还包括夹持装置(2)、电场施加模块(3)和数据观测与记录模块(4)；所述夹持装置(2)包括两个管体(21)，两个所述管体(21)两端密封，且通过对应的支撑装置(5)分别设置在管式炉(1)的两端内；两个管体(21)相对的一端分别设置有电极(6)；其中一个电极(6)、数据观测与记录模块(4)、电场施加模块(3)和另一个电极(6)依次通过导线(7)串联。2.如权利要求1所述的利用电场辅助的陶瓷材料烧结炉，其特征在于，所述两段管体(21)的相近端分别设有一凸出部(22)和与该凸出部(22)相匹配的凹陷部(23)，所述凸出部(22)与凹陷部(23)的相对面上分别设有电极(6)。3.如权利要求1所述的利用电场辅助的陶瓷材料烧结炉，其特征在于，所述导线(7)穿过管体(21)与对应的电极(6)连接。4.如权利要求1所述的利用电场辅助的陶瓷材料烧结炉，其特征在于，所述管体(21)为包括第一管段和第二管段的台阶状管体，其中，所述第一管段的管径小于第二管段；第一管段与支撑装置(5)相连接且其上套装有弹簧(8)；所述弹簧(8)的两端分别顶在支撑装置(5)以及第二管段上。5.如权利要求1所述的利用电场辅助的陶瓷材料烧结炉，其特征在于，所述支撑装置(5)包括支撑架(51)和滑轮(52)，所述支撑架(51)设置在管体(21)的下方，并与...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏兴华，贾勇杰，韩晨曦，吴亚娟，白鸽，王振军，胡钰玮，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61