脉冲磁场中强磁-弱磁梯度材料注浆成型制备方法技术

本发明专利技术公开了一种脉冲磁场中强磁－弱磁梯度材料注浆成型的制备方法。其步骤为：１）准备石膏模具；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，并在球磨机中搅拌制成均匀弥散的浆液；３）在磁场强度为０．１～５．０Ｔ，磁场梯度为０．１～５０Ｔ／ｍ的脉冲磁场中浇注成型；４）烘干，烧结成型。本发明专利技术方法的优点是：通过改变脉冲磁场强度和磁场梯度，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。利用成熟的传统工艺陶瓷注浆成型、粉末冶金方法使生产梯度功能材料的手续极大简化、成本大大降低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种脉冲磁场中强磁-弱磁梯度材料注浆成型制备方法。
技术介绍
随着科学技术的飞速发展，对材料的性能要求越来越高，特别是在极限环境下(超高温、超低温、超高压、超音速和极高真空等)工作的零件更要求有特殊的性能。梯度功能材料(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。传统的陶瓷、金属直接接合体极易因界面热应力剥离而失效，组成热应力缓和型功能梯度材料为解决此问题开辟了途径。功能梯度材料是航空器、航天飞机的发动机入口等一些高温差部位的理想材料，其主要特征是组分结构和物性参数连续变化。迄今为止，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)、自蔓延反应合成、等离子喷涂、电铸法、电镀法、激光烧结和离心铸造等。粉末冶金法是将金属、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。PVD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。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。自蔓延热反应法是将构成化合物的元素粉末与金属粉末按梯度组分充填，以冷等静压成型，放入反应容器，在一端点火。由于反应时体积发生变化，因此反应容器应以一定方式(静水压或气压)加压，以保证成品致密。等离子喷涂法用等离子喷涂机吹出带有金属、陶瓷的混合粉末和等离子体喷射在试验用基体材料上。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。电铸金属或合金的厚度可为50微米至十几厘米。电镀法即通常所说的直流电镀，是通过电解的方法在固体表面获得金属(或合金)沉积层的一种电化学过程。利用该工艺方法制备出功能梯度材料是通过改变各镀槽间的镀液组成或镀液流速和电流密度等来连续改变镀层的组成，从而获得梯度镀层。这些制备方法各有自己的特点与适用场合，但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。这些制备方法要求复杂的工艺或设备，大多需要在制备过程中持续地改变原料成分或工艺参数。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。而由于金属铸造、陶瓷成型等传统生产技术，制备的都是组织与性能基本均匀的产品，复合材料中的强化相通常也是均匀分布的。因此，这些较传统和成熟的生产工艺，不能直接用来制备组分结构和物性参数连续变化的功能梯度材料。各种金属与陶瓷材料，根据磁学性能可分为铁磁性、亚铁磁性、顺磁性、反铁磁性和抗磁性等。其中，铁磁性与亚铁磁性属于强磁性，材料在磁场中发生强烈吸引(亚铁磁性物质需要较强磁场)。顺磁性、反铁磁性和抗磁性属于弱磁性，施加的磁场及其强度对它们影响很小。Fe、Ni、Co等过渡金属属于铁磁性物质，在居里温度以下具有强磁性。绝大多数陶瓷，如Al2O3、ZrO2、SiC、AlN、Si3N4、B4C、SiO2、TiC等，都是弱磁性物质，对磁场基本上没有敏感性。目前，许多重要的功能梯度材料，包括已证明具有良好的热应力缓释效果，正在试验用于火箭燃烧室内壁、核反应堆以及发动机入口等高温差部位的ZrO2/Ni、ZrO2/NiCr、ZrO2/Co、ZrO2/钢、Al2O3/Ni、MgO/Ni、SiC/α相不锈钢，以及FeN系列的梯度薄膜等，组元材料的磁性差异均很大。这一特点，为人们利用组元的不同磁性能制备梯度材料提供了重要的基础。利用金属和陶瓷组元之间磁性能的差异，本小组在2003年在静磁场中采用注浆成型的方法成功制备出了梯度材料。该技术已经授权专利技术专利。几年来，我们小组在原来的实验基础上不断改进，并取得突破性进展。目前，我们成功地在脉冲磁场中利用注浆成型法制备出了梯度材料。本专利技术是将铁磁性的金属与弱磁性的陶瓷组成的浆料，在脉冲磁场中采用注浆成型法固结成形，然后烧结制备强磁-弱磁梯度材料。与静磁场下制备梯度材料相比，利用脉冲磁场更容易实现大的磁场强度和磁场梯度，并且在脉冲磁场下粒子受到磁力的强化与松弛的反复作用，更容易制备出各种梯度的强磁-弱磁梯度材料。本方法的突出优点就是利用成熟的传统工艺陶瓷注浆成型、粉末冶金方法生产梯度功能材料，通过调整脉冲磁场强度、磁场梯度、浆料组成、粘度和其它制备工艺参数，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，成本大大降低。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种脉冲磁场中强磁-弱磁梯度材料注浆成型制备方法。它的步骤为1)石膏模具准备α—石膏和β—石膏与15～25℃的水混合，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)浆料制备将颗粒尺寸为0.1～100μm的强磁性不锈铁粉、镍粉或钴粉，与颗粒尺寸为0.1～100μm的ZrO2、SiC、AlN、Si3N4、B4C、SiO2、TiC、Y2O3、Al2O3中的一种或几种按0.1～10∶1的重量比混合，加入溶剂、分散剂、粘接剂，在球磨机中球磨1～10h，超声波弥散化处理1～15min，得到弥散浆料，浆料的湿度为20％～50％，温度为30～60℃，粘度为1～100mPa·s，调节pH值为5～12；3)脉冲磁场中浇注成型将浆料充入石膏模中，模具外施加脉冲磁场，磁场强度为0.1～5.0T，磁场梯度为0.1～50T/m，磁化时间为3～30min；4)烧结固化后去模，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800～1800℃之间，随炉冷却至100～400℃取出。所述的脉冲磁场是利用电容器瞬间放电产生的脉冲电流通过线圈产生的磁场。溶剂为水、二元酯、高沸点汽油或长链乙醇。分散剂为聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯吡咯烷酮、水玻璃、烧碱、三聚磷酸钠中的一种或几种。粘接剂为聚乙烯醇缩丁醛、三甲基丙烷三丙烯酸盐、丙烯酰胺或1，6乙二醇二乙烯酸盐的一种或几种。分散剂含量为浆料质量分数的0.1％～1.8％；粘接剂为浆料质量分数的1～4％；本专利技术的优点是 1)通过施加脉冲磁场，改变磁场强度和磁场梯度，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)与静磁场下制备功能梯度材料相比，脉冲磁场下粒子受到磁力的强化与松弛的反复作用，更容易制备出各种梯度的强磁-弱磁梯度材料。3)利用成熟的传统工艺陶瓷注浆成型、粉末冶金方法使生产梯度功能材料的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种脉冲磁场中强磁－弱磁梯度材料注浆成型制备方法，其特征在于它的步骤为：１）石膏模具准备α－石膏和β－石膏与１５～２５℃的水混合，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２ ０～３０％的环境中保存；２）浆料制备将颗粒尺寸为０．１～１００μｍ的强磁性不锈铁粉、镍粉或钴粉，与颗粒尺寸为０．１～１００μｍ的ＺｒＯ↓［２］、ＳｉＣ、ＡｌＮ、Ｓｉ↓［３］Ｎ↓［４］、Ｂ↓［４］Ｃ、ＳｉＯ↓［２］、ＴｉＣ、Ｙ ↓［２］Ｏ↓［３］、Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］中的一种或几种按０．１～１０∶１的重量比混合，加入溶剂、分散剂、粘接剂，在球磨机中球磨１～１０ｈ，超声波弥散化处理１～１５ｍｉｎ，得到弥散浆料，浆料的湿度为２０％～５０％，温度为３０～６０℃，粘度为１～１００ｍＰａ.ｓ，调节ｐＨ值为５～１２；３）脉冲磁场中浇注成型将浆料充入石膏模中，模具外施加脉冲磁场，磁场强度为０．１～５．０Ｔ，磁场梯度为０．１～５０Ｔ／ｍ，磁化时间为３～３０ｍｉｎ；４）烧结固化后去模 ，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８００～１８００℃之间，随炉冷却至１００～４００℃取出。...

【技术特征摘要】
1.一种脉冲磁场中强磁-弱磁梯度材料注浆成型制备方法，其特征在于它的步骤为1)石膏模具准备α-石膏和β-石膏与15～25℃的水混合，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)浆料制备将颗粒尺寸为0.1～100μm的强磁性不锈铁粉、镍粉或钴粉，与颗粒尺寸为0.1～100μm的ZrO2、SiC、AlN、Si3N4、B4C、SiO2、TiC、Y2O3、Al2O3中的一种或几种按0.1～10∶1的重量比混合，加入溶剂、分散剂、粘接剂，在球磨机中球磨1～10h，超声波弥散化处理1～15min，得到弥散浆料，浆料的湿度为20％～50％，温度为30～60℃，粘度为1～100mPa·s，调节pH值为5～12；3)脉冲磁场中浇注成型将浆料充入石膏模中，模具外施加脉冲磁场，磁场强度为0.1～5.0T，磁场梯度为0.1～50T/m，磁化时间为3～30min；4)烧结固化后去模，并在35～60℃下缓慢烘干，得到的生坯在石墨或...

【专利技术属性】
技术研发人员：严密，彭晓领，罗伟，马天宇，
申请(专利权)人：浙江大学，横店集团东磁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]