本发明专利技术涉及一种凝胶注模成型制备二硼化锆及其复相超高温陶瓷材料的方法。其特征在于：首先，将高分子的有机单体和交联剂溶解到去离子水中制备成单体预混液；接着，在预混液中加入分散剂和陶瓷粉体（硼化锆或其复合陶瓷粉体等）后进行球磨；其次，将球磨后的陶瓷浆料进行真空除气，并加入引发剂和催化剂；再次，将除气后的浆料倒入合适的模具进行成型；最后，将脱模后的坯体样品放入恒温干燥箱中进行干燥即可。本发明专利技术适合于成型制备不同形状的硼化锆及其复相超高温陶瓷材料，成型的陶瓷坯体样品的性能相当于或者优于干压或其他传统陶瓷成型方法制备的陶瓷坯体的性能。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种陶瓷材料的成型方法，具体地说就是一种凝胶注模成 型制备二硼化锆及其复相超高温陶瓷材料的方法。
技术介绍
高性能陶瓷材料(如氧化铝、氧化锆、氮化硅、碳化硅和硼化锆硼化钛 等) 一般都具有高强度、高硬度、耐高温和耐腐蚀等一系列优异的机械性能 和良好的化学稳定性，从而在现代科技与工业领域(如航空航天、化工、信 息电子、生命科学和国防工业等)中的应用越来越多。随着高性能陶瓷材料 应用领域的不断拓展和现代科技的发展，各行业对所使用陶瓷材料部件的形 状、尺寸以及精度都提出了更高的要求，主要体现在大尺寸、高精度和复杂 形状陶瓷部件等。然而，传统的陶瓷成型方法在满足这些要求上存在着较大 的问题，如干压、等静压等容易在成型坯体中引入气孔、裂纹、分层和密度 不均匀等缺陷，导致产品的可靠性降低；注浆成型存在成型周期长、干燥收 缩大、素坯强度低、素坯密度分布不均匀、成品率低以及烧成变形大，尺寸 精度低等缺点，不利于复杂样品的制备；注射成型工艺有机物含量高，脱粘 时间长且容易形成缺陷，同时成本较高。因此， 一种可靠的成型高性能陶瓷 部件的工艺成为促进其应用的关键。为了解决这些问题，1991年美国橡树岭实验室的Janney和Omatete等提 出了凝胶注模(Gelcasting)成型方法(见美国专利NO: 5028362)。其基本 原理是在高固相含量(一般大于50volX)、低粘度的稳定陶瓷浆料中，加入 有机单体和交联剂，当再加入少量引发剂和催化剂并浇注后，桨料中的有机 单体在一定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 使陶瓷粉体原位固化成型，得到均匀、高强度和近净尺寸的陶瓷坯体。然后 进行干燥、脱粘、烧结即可得到所需要的陶瓷部件。超高温陶瓷(UHTCs)材料是一类具有较高熔点(> 3000°C)以及其他 优良高温性能的过渡金属的硼化物和碳化物陶瓷材料。二硼化锆作为超高温 陶瓷材料中的一种，它具有高熔点，高的杨氏模量( 500GPa)、硬度( 23GPa)、电导(1.0xl()7S/m)、热导率(> 60W《nvK)")和良好的抗化学侵蚀 和抗氧化能力以及较低的密度(6.09g/cm3)。这些优异的综合性能使得以ZrB2 作为主相的复相UHTCs陶瓷材料在航空航天等高温材料应用中有很大的吸 引力，例如航天飞行器的机翼前缘，可重复使用的再进入大气层飞行器的热 防护系统，超音速飞行器以及火箭推进系统的高温部件等。另外，它们目前 已经在高温电极材料和坩锅材料等中得到了初步的应用。然而， 一方面，由于ZrB2基UHTCs材料的使用环境一般要求其具有较 为复杂的形状，另一方面，材料本身的高硬度导致烧结后材料加工的高耗时 和高成本，从而阻碍了其应用，而凝胶注模成型方法最大的优点就是可以直 接制备具有复杂形状的大尺寸陶瓷构件，大大降低后期的加工费用，为材料 的广泛应用提供了可能。目前，凝胶注模成型方法已经在多种陶瓷体系中成功实现。如A1203、 Zr02等氧化物体系，SiC， TiC， B4C等碳化物体系，Si3N4、 A14N3等氮化物 体系以及一些生物陶瓷(羟基磷灰石)和电子陶瓷领域等等。经过文献调研，目前关于用凝胶注模成型方法制备ZrB2及其复相超高温 陶瓷材料鲜有报道，因此，具有重要的现实意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种ZrB2及其复相基超高温陶瓷材料的凝胶注 模成型方法，亦即提供一种湿法成型制备具有复杂形状的ZrB2及其复相超高 温陶瓷材料的工艺，解决传统陶瓷成型方法存在的缺点，降低其后期加工成 本和提高材料的可靠性，促进其应用。为了实现上述目的，本专利技术所述的凝胶注模成型制备二硼化锆及其复相 超高温陶瓷材料的方法，是按照如下步骤实现的(1)首先配制单体预混液， 将高分子有机单体和交联剂溶解到去离子水中并充分搅拌直至完全溶解;(2) 在配好的预混液中加入分散剂和ZrB2单相或ZrB2基复相陶瓷粉体，同时不断搅拌，然后进行球磨使之充分混和分散均匀；(3)将球磨后的陶瓷浆料进行真空除气，接着加入引发剂和催化剂，或只加入引发剂，不加入催化剂，然后反复真空除气，在整个过程中要一直搅拌浆料；(4)将除气后的浆料倒 入模具进行成型；(5)脱模后，将坯体样品放入可程序控制温度和湿度的恒 温干燥箱中进行干燥即可。ZrB2及其复相陶瓷粉体中ZrB2的质量百分含量为100% 50%，最常见 的复合粉体为ZrB2 — SiC或ZrB2—TiC。所述的高分子有机单体为丙稀酰胺(AM)、甲基丙稀酰胺(MAM)、乙 烯基吡咯酮(NVP)或甲基聚乙二醇单甲基丙稀酯(MPEGMA);所述的交 联剂为N,N，-亚甲基双丙稀酰胺(MBAM)或聚二甲基丙烯酸乙二醇酯(PEGDMA);所述的引发剂为过硫酸铵(APS)，所述的催化剂为四甲基乙 二胺(TEMED);所述的预混液中有机单体和交联剂的质量为预混液总质量的12wt% 20wt%，其中单体和交联剂的质量比为2: 1 6: 1;所述的引发剂的加入量 为预混液质量的0.05 0.2wt。/^，所述的催化剂的加入量为预混液质量的 0.02 0.1wt%;所述的预混液中加入的分散剂为水溶性的分散剂，如聚丙烯酸胺(PAA)、 聚乙烯亚胺(PEI)、四甲基氢氧化铵(TMAH)和SD-07等等；所述的陶瓷粉体制成浆料时球磨24h 48h，其中研磨介质球质量与陶瓷 粉体质量的比例为0.5 2: 1;所述的球磨后的陶瓷浆料进行真空除气的时间为10min 30min，即用真 空泵抽去浆料中的气体，真空度要求达到在10 20Torr (1000Pa 3000Pa) 之间，在整个除气过程中要求不停的搅拌浆料；当加入引发剂，而不加入催化剂的时候，使用恒温水浴60 8(TC保温 30min 2h后即可固化成型；所述的浆料在加入引发剂后要反复真空除气3min 5min，且除气的过程 要不断的搅拌浆料；所述的模具的材质可以为多种，如铝合金、玻璃、聚氯乙稀(PVC)或 聚乙烯(PE)等；所述的程序控制温度和湿度的干燥就是在可控制湿度和温度的恒温干燥箱里面分两步干燥，第一步湿度在95 100%11.&(相对湿度)，温度在40°C 50°C ，恒温恒湿干燥12 24h;第二步湿度在80 90%R.H.，温度在60 80°C ， 恒温恒湿干燥12 24h。然后室温条件下自然风干燥1 2天。由此可见，凝胶注模成型制备ZrB2及其复相超高温陶瓷的工艺，首先根 据不同的陶瓷粉体，挑选合适的有机单体体系和分散剂，从而得到高固相含 量、低粘度的稳定浆料。另外，本方法为水基凝胶注模成型工艺，故单体和 交联剂必须为水溶性的，且单体和交联剂的加入不会降低浆料的流动性。本专利技术的技术关键首先，制备高固相含量、低粘度的稳定陶瓷浆料，是本专利技术能否成功实 现的关键步骤。其次，对浆料的真空除气是否完全，是决定成型坯体性能的 主要因素。最后，脱模后对坯体的程序干燥，是防止坯体样品产生开裂等缺 陷的关键工艺。综上所述，本专利技术的优点为(1) 适合于成型制备不同形状的ZrB2单相或复相超高温陶瓷材料如 ZrB2-SiC、 ZrB2-TiC等等；(2) 成型的陶瓷坯体缺陷少，成分密度分布均匀，不易变形，本文档来自技高网...
【技术保护点】
二硼化锆及其复相超高温陶瓷材料的凝胶注模成型方法，其特征在于具体步骤是采取下述两种方法中任一种：方法Ａ：（ａ）首先配制单体预混液，将高分子的有机单体和交联剂溶解到去离子水中并充分搅拌直至完全溶解；（ｂ）在配好的预混液 中加入分散剂和ＺｒＢ↓［２］单相或ＺｒＢ↓［２］基复相陶瓷粉体，同时不断搅拌，然后进行球磨使之充分混和分散均匀；（ｃ）将球磨后的陶瓷浆料进行真空除气，接着加入引发剂和催化剂，然后反复真空除气；（ｄ）将除气后的浆料倒入模具进行 成型；（ｅ）脱模后，将坯体样品放入可控制温度和湿度的恒温干燥箱中进行干燥；方法Ｂ：（ａ）首先配制单体预混液，将高分子的有机单体和交联剂溶解到去离子水中并充分搅拌直至完全溶解；（ｂ）在配好的预混液中加入分散剂和 ＺｒＢ↓［２］单相或ＺｒＢ↓［２］基复相陶瓷粉体，同时不断搅拌，然后进行球磨使之充分混和分散均匀；（ｃ）将球磨后的陶瓷浆料进行真空除气，接着加入引发剂，然后反复真空除气；（ｄ）将除气后的浆料倒入模具进行成型；（ｅ）脱 模后，将坯体样品放入可控制温度和湿度的恒温干燥箱中进行干燥；方法Ａ和Ｂ中，所述的预混液中有机单体和交联剂的质量百分数为预混液总质量的１２％～２０％；方法Ａ和Ｂ中，所述的引发剂的加入质量百分数为预混液的０．０５％～０．２％； 方法Ａ中，所述的催化剂的加入质量百分数为预混液的０．０２％～０．１％；方法Ａ和Ｂ中所述的ＺｒＢ↓［２］基复相陶瓷材料中ＺｒＢ↓［２］的体积百分含量为５０％～１００％；方法Ｂ中只加入引发剂的浆料成型是使用恒温水浴保温实现 的。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张辉，闫永杰，黄政仁，刘学建，江东亮，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]
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