CN108947542B

CN108947542B - 陶瓷粉末原料直接闪烧成型制备方法

Info

Publication number: CN108947542B
Application number: CN201810951243.1A
Authority: CN
Inventors: 周晖雨; 贾建平; 贾建顺
Original assignee: Shandong Jingdun New Material Technology Co ltd
Current assignee: SUZHOU SHANREN NANO TECHNOLOGY Co.,Ltd.
Priority date: 2018-08-21
Filing date: 2018-08-21
Publication date: 2021-05-14
Anticipated expiration: 2038-08-21
Also published as: CN108947542A

Abstract

本发明陶瓷粉末原料直接闪烧成型制备方法，步骤如下：（1）将原料倒进模具中，振动使其表面平整；（2）将模具放入陶瓷粉末原料直接成型闪烧设备中，施加40~50MPa压力，使陶瓷粉末原料处于加热区中间位置；（3）打开辅助加热电源（此处为感应加热电源），以100℃/min~110℃/min的速度加热至900℃~1000℃或直至发生闪光现象；（4）打开高压直流闪烧电源，在样品两侧并通以直流电，线性增加电压约200V/cm，直至发生闪光现象；（5）控制电流降至1000A以下，恒定电流；持续20～50s；（6）降温至室温，得到致密的烧结体；（7）将烧结体进行研磨抛光，得到所需产品。

Description

陶瓷粉末原料直接闪烧成型制备方法

技术领域

本发明涉及陶瓷烧结成型技术及其使用设备技术领域，具体的，其展示一种陶瓷粉末原料直接闪烧成型制备方法。

背景技术

陶瓷材料是一种重要的工业材料，不同的陶瓷具有不同的力学、电学、光学、声学、磁学等性能，因而具有丰富多彩的应用，成为现代社会不可或缺的重要材料。

陶瓷材料的制备工艺多种多样，一般采用成型-烧结-机械加工工艺流程。烧结是陶瓷材料制备工艺中最为重要的一个过程，它是觉得材料性能的重要环节。在传统的高温烧结工艺中，它需要消耗大量的能源，可能造成严重的环境问题。为了节约能源、保护环境，很多新型烧结技术被开发出来，如微波烧结、热等静压烧结、放电等离子体烧结等。

这些新技术在不同的领域都有应用，为陶瓷材料的发展做出了重要贡献。2010年Rishi Raj提出了一种新的陶瓷烧结方法，闪烧法。闪烧技术可以在几秒之内实现陶瓷的致密化过程，同时大幅降低烧结温度，因而具有效率高，能耗低的优点。在此基础上很多研究者相继提出了各种各样基于闪烧原理的烧结设备。

如专利CN 206089473 U中描述了一种应用平板加热器金属电极的电场辅助陶瓷低温快烧装置，其优点是可以在空气气氛下工作，易于测控烧结过程。CN 107202495 A提出了采用液压机金属电极的闪烧结构，可以用于压制生坯的闪烧烧结。

但现有的烧结设备，只能用于粗坯和生坯的制备，无法进行致密的烧结体的制备。

因此，有必要提供一种陶瓷粉末原料直接闪烧成型制备方法来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种陶瓷粉末原料直接闪烧成型制备方法，以陶瓷粉末为原料的直接闪烧设备设计方案，它不需要预先利用干压、冷等静压或流延法制备陶瓷生坯，因而大幅简化了陶瓷制品生产流程，采用和高温陶瓷和石墨作为模具材料可以更加精确地控制产品形状和尺寸，从而使闪烧技术具备了工业化应用的基础。

技术方案如下：

一种陶瓷粉末原料直接闪烧成型制备方法，步骤如下：

（1）将原料倒进模具中，振动使其表面平整；

（2）将模具放入陶瓷粉末原料直接成型闪烧设备中，施加40~50MPa压力，使陶瓷粉末原料处于加热区中间位置；

（3）打开辅助加热电源（此处为感应加热电源），以100℃/min~110℃/min的速度加热至900℃~1000℃或直至发生闪光现象；

（4）打开高压直流闪烧电源，在样品两侧并通以直流电，线性增加电压约200V/cm，直至发生闪光现象；

（5）控制电流降至1000A以下，恒定电流；持续20～50s；

（6）降温至室温，得到致密的烧结体；

（7）将烧结体进行研磨抛光，得到所需产品。

进一步的，步骤（1）中，原料为复合氧化锆造粒粉或混合稀土氧化物造粒粉。

进一步的，混合稀土氧化物造粒粉由为氧化镥、氧化钆、氧化铕混合而成，其中氧化镥含量为70～90mol%，氧化钆含量为10～20mol%，氧化铕含量为0～10mol%。

进一步的，复合氧化锆造粒粉的成分为氧化钇稳定氧化锆，其中氧化钇含量为3～12%mol，三氧化二铝含量为0～66 %mol。

进一步的，陶瓷粉末原料直接成型闪烧设备包括加压装置、真空室、辅助加热电源、高压直流闪烧电源、控制***、冷却***；原料置于高温陶瓷和石墨组成的模具中位于真空室内部中心，受加压***压力约束；辅助加热电源通过真空室外壁进入真空室内部加热陶瓷粉末原料；高压直流闪烧电源通过加压装置上下压头处的水冷铜电极向石墨模具施加电压；

使用时，通过辅助加热***的发热体为陶瓷粉末原料烧结提供闪烧前预加热所需温度，同时通过加压装置施加一定的压力；当温度到达设定值后，由高压直流闪烧电源施加直流电场形成闪烧，实现陶瓷材料的低温快速致密化；高压直流闪烧电源可以通过程序控制，在闪烧发生时从电压控制转入电流控制，持续一定时间后结束加热，随后冷却至室温。

进一步的，所述真空室内模具附近设有用于测量样品温度的温度检测装置，在低于1600℃，温度检测装置可选用热电偶；温度数据输入控制***，用于控制辅助加热电源以及闪烧电源的电流电压参数；使得样品实现稳定的加热烧结。

进一步的，在高于1600℃时，也可用红外测温仪代替热电偶实现温度测量。

与现有技术相比，本发明以陶瓷粉末为原料的直接闪烧设备设计方案，它不需要预先利用干压、冷等静压或流延法制备陶瓷生坯，因而大幅简化了陶瓷制品生产流程，采用和高温陶瓷和石墨作为模具材料可以更加精确地控制产品形状和尺寸，从而使闪烧技术具备了工业化应用的基础。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

实施例1：

请参阅图1，本实施例展示一种陶瓷粉末原料直接成型闪烧设备，包括加压装置1、真空室3、辅助加热电源6、高压直流闪烧电源4、控制***5、冷却***7组成。

样品粉末置于高温陶瓷和石墨组成的模具中位于真空室内部中心，受加压***压力约束。

辅助加热电源通过真空室外壁进入真空室内部加热陶瓷粉末原料。

高压直流闪烧电源通过加压装置上下压头处的水冷铜电极向石墨模具施加电压。

使用时，通过辅助加热***的发热体为陶瓷粉末原料烧结提供闪烧前预加热所需温度，同时通过加压装置施加一定的压力；当温度到达设定值后，由高压直流闪烧电源4施加直流电场形成闪烧，实现陶瓷材料的低温快速致密化；高压直流闪烧电源4可以通过程序控制，在闪烧发生时从电压控制转入电流控制，持续一定时间后结束加热，随后冷却至室温。

所述真空室3内模具附近设有用于测量样品温度的温度检测装置，在低于1600℃时，温度检测装置可选用热电偶，温度数据输入控制***，用于控制辅助加热电源以及闪烧电源的电流电压参数。使得样品实现稳定的加热烧结。

在高于1600℃时，也可用红外测温仪代替热电偶实现温度测量。

其中：本实施例的陶瓷粉末原料直接成型闪烧设备可组合而成真空***、压力***、辅助加热***和高压直流闪烧电源***及其测控和冷却***：

（1）真空***：由于模具上下压头（兼具电极功能）采用石墨材料，而处于高温状态的石墨在空气中会氧化，所以装置的加热部分需要保持在真空或惰性气体保护中。该装置的中心拟设计一套真空室，配置热屏蔽材料，上下和周围设计连接法兰，用于电极、水冷管道和压机压头的接入。真空室通过管道，用一真空泵抽真空，冷态极限真空达到10Pa以下。同时设计充气装置，可充入氮气做为惰性气体保护，也可冲入氢气形成还原性气氛。

（2）压力***：

可使用液压机、电压机、机械压机或电液伺服压机做为压力***。额定压力可选择1~250吨。保压时间大于十分钟。压机上压头通过密封波纹管法兰或其他动密封方式接入真空室内，通过99氧化铝陶瓷片与电极绝缘，下接水冷铜电极，与石墨模具一起构成压力***。

石墨模具采用高纯热等静压石墨经机械加工制成，分为上模、下模，外模用绝缘陶瓷氧化铝、氮化硼或碳化硅制作。内部型腔设计为Φ12~180mm，表面抛光。

（3）加热***

加热***由电阻加热或感应加热电源构成，通过法兰接入真空室。发热体结合保温材料包裹高温陶瓷阴模。中间***热电偶用于测量和控制温度。功率约10~200千瓦。工作温度为400~1000℃。

（4）电源***

首先选用程控直流电源进行电场控制，电源通过电极法兰接入真空室，接到上下压头设计的水冷铜电极上，与石墨电极相连，由此构建起通过陶瓷粉体的高压直流电场。

（5）此外装置还包括机柜、控制平台、水冷机等附件，用于保证***能够安全高效运行。

实施例2：

使用实施例1展示的陶瓷粉末原料直接成型闪烧设备进行平板状氧化锆陶瓷的烧结，步骤如下：

（1）将复合氧化锆造粒粉倒进模具中，振动使其表面平整；

（2）将模具放入本发明设备中，施加50MPa压力，使陶瓷粉末原料处于加热区中间位置；

（3）打开辅助加热电源（此处为感应加热电源），以100℃/min的速度加热至1000℃；

（4）打开高压直流闪烧电源，在样品两侧并通以直流电，线性增加电压约100V/cm，直至发生闪光现象，迅速转为电流控制，以100mA/mm²的电流烧结2min，降温至室温可得致密烧结体。

所述步骤（1）中复合氧化锆造粒粉的成分为氧化钇稳定氧化锆，其中氧化钇含量为3～12%mol，三氧化二铝含量为0～66 %mol 。

本实施例制备所得氧化锆陶瓷烧结体的密度利用阿基米德法测量，平均密度可达理论密度的99.5%，无微观空洞缺陷，应用三点弯曲法测量，抗弯强度大于850 MPa，应用压痕法测量断裂韧性大于7 Mpa·m^1/2，利用扫描电子显微镜观察可见平均晶粒尺寸小于1微米，其力学性能与高温烧结技术所得产品相当；该工艺结合了固相烧结和闪烧技术，所使用的固相烧结温度比热压烧结技术低400℃，且烧结总时间不超过20分钟，具有过程可控、制备高效且较为节能的优点，适于工业化生产。

实施例3：

使用实施例1展示的陶瓷粉末原料直接成型闪烧设备进行稀土氧化物透明陶瓷闪烁体的烧结，步骤如下：

（1）将混合稀土氧化物造粒粉（成分为氧化镥，氧化钆，氧化铕，其中氧化镥含量为70～90mol%，氧化钆含量为10～20mol%，氧化铕含量为0～10mol%）倒进模具中，振荡使其平整；

（2）将模具放入本发明设备中，施加40MPa压力，使陶瓷粉末原料处于加热区中间位置；

（3）打开辅助加热电源（此处为感应加热电源），以100℃/min的速度加热至900℃；

（5）控制电流降至1000A以下，恒定电流；持续20～50s；

（6）降温至室温，得到稀土氧化物透明陶瓷闪烁体致密烧结体；

（7）将烧结体进行研磨抛光，形成透明陶瓷闪烁体产品。

本实施例不仅可以提供满足高能X射线辐射探测应用的透明陶瓷闪烁体，同时制备速度快、透明度高、成本低。

以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种陶瓷粉末原料直接闪烧成型制备方法，其特征在于：

步骤如下：

（1）将原料倒进模具中，振动使其表面平整；

（3）打开辅助加热电源，辅助加热电源为感应加热电源，以100℃/min~110℃/min的速度加热至900℃~1000℃；

（4）打开高压直流闪烧电源，在样品两侧并通以直流电，线性增加电压200V/cm，直至发生闪光现象；

（5）控制电流降至1000A以下，恒定电流；持续20～50s；

（6）降温至室温，得到致密的烧结体；

（7）将烧结体进行研磨抛光，得到所需产品。

2.根据权利要求1所述的一种陶瓷粉末原料直接闪烧成型制备方法，其特征在于：步骤（1）中，原料为复合氧化锆造粒粉或混合稀土氧化物造粒粉。

3.根据权利要求2所述的一种陶瓷粉末原料直接闪烧成型制备方法，其特征在于：混合稀土氧化物造粒粉由为氧化镥、氧化钆、氧化铕混合而成，其中氧化镥含量为70～90mol%，氧化钆含量为10～20mol%，氧化铕含量为0～10mol%。

4.根据权利要求2所述的一种陶瓷粉末原料直接闪烧成型制备方法，其特征在于：复合氧化锆造粒粉的成分为氧化钇稳定氧化锆，其中氧化钇含量为3～12%mol，三氧化二铝含量为0～66 %mol。

5.根据权利要求3或4所述的一种陶瓷粉末原料直接闪烧成型制备方法，其特征在于：陶瓷粉末原料直接成型闪烧设备包括加压装置、真空室、辅助加热电源、高压直流闪烧电源、控制***、冷却***；原料置于高温陶瓷和石墨组成的模具中位于真空室内部中心，受加压***压力约束；辅助加热电源通过真空室外壁进入真空室内部加热陶瓷粉末原料；高压直流闪烧电源通过加压装置上下压头处的水冷铜电极向石墨模具施加电压；使用时，通过辅助加热***的发热体为陶瓷粉末原料烧结提供闪烧前预加热所需温度，同时通过加压装置施加一定的压力；当温度到达设定值后，由高压直流闪烧电源施加直流电场形成闪烧，实现陶瓷材料的低温快速致密化；高压直流闪烧电源通过程序控制，在闪烧发生时从电压控制转入电流控制，持续一定时间后结束加热，随后冷却至室温。

6.根据权利要求5所述的一种陶瓷粉末原料直接闪烧成型制备方法，其特征在于：所述真空室内模具附近设有用于测量样品温度的温度检测装置，在低于1600℃，温度检测装置选用热电偶；温度数据输入控制***，用于控制辅助加热电源以及闪烧电源的电流电压参数；使得样品实现稳定的加热烧结。

7.根据权利要求6所述的一种陶瓷粉末原料直接闪烧成型制备方法，其特征在于：在高于1600℃时，用红外测温仪代替热电偶实现温度测量。