CN117697925A - 一种用于制备具有柱状骨架结构的陶瓷粉体成型机及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种用于制备具有柱状骨架结构的陶瓷粉体成型机及方法，主要改善层状陶瓷材料剪切强度和解决现有构建层状陶瓷结构方法存在的工序多、效率低等问题。本发明在层状陶瓷中，构建了柱状骨架，该骨架不仅可以防止层状结构的开裂，还可以分担层状材料受到的力与冲击，改善层状陶瓷材料的剪切强度；同时，设计了制备该结构所需的装置，装置整体主要由工作台与模具构成，利用上下压头的配合推入骨架粉体的方式，可避免基体粉体的塌陷，确保结构的完整性，装置还可根据设计方案进行替换配件，以适应不同的设计结构，制备工序简单，可提高制备效率。
Description
技术领域
本发明涉及粉末冶金装置，具体涉及一种用于制备具有柱状骨架结构的陶瓷粉体成型机以及具有柱状骨架结构的陶瓷粉体的制备方法，解决现有构建层状陶瓷结构方法存在的工序多、效率低等问题、并改善层状陶瓷材料的剪切强度。
背景技术
层状陶瓷多采用普通平层结构，由于各层材料间的差异性，其界面结合强度普遍较低。这使得层状陶瓷平行于层面方向的剪切强度不足，在复杂工况下，易出现界面微观裂纹，甚至界面***等问题，进而，影响其在实际应用中的稳定性与可靠性。
近年来，主要通过改变层状陶瓷的结构来提高其剪切强度。构建层状陶瓷结构的方法主要包括：模压界面微结构、双向冷冻浸渗、流延片打孔、陶瓷3D打印、冷压激光刻蚀等方法。构建层状陶瓷结构的方法有很多，但均有其不足之处。模压界面微结构法因其界面存在凹凸结构，对层状陶瓷有一定的单层厚度限制，且需对各层分别进行压模，制备效率较低；双向冷冻浸渗法在制备三维层状陶瓷骨架过程中，需在料浆中混入有机溶剂，这会使成品中存在有机杂质；流延片打孔法将带孔界面流延片与平整基体流延片相互交叠压制，形成基体层断续结合结构，但在制备过程中，难以保证孔洞填充的均匀性，形成的界面平整性较差，且流延法会使制品存在有机残留；陶瓷3D打印法对材料流动性和固化性能的要求较高，限制了材料组分设计的多样性；冷压激光刻蚀法需对基体层分别进行冷压与激光刻蚀，再将其与界面粉体在模具中交替压制，过程较多，且成本较高。
发明内容
本发明为改善层状陶瓷材料剪切强度和解决现有构建层状陶瓷结构方法存在的工序多、效率低等问题，设计了一种用于制备具有柱状骨架结构的陶瓷粉体成型机及方法，可制备出一种新型的具有柱状骨架结构的层状陶瓷材料。
本发明是采用如下技术方案实现的：一种用于制备具有柱状骨架结构的陶瓷粉体成型机，包括其上一侧开有定位凹槽的工作台以及限位于定位凹槽内的定位底座，定位底座上方开有凹槽，底面开有多个通孔；定位底座凹槽中压入外径与定位底座凹槽内径相同的呈筒状的石墨模具；石墨模具内部放有其上开有通孔的垫块；还包括外径与石墨模具内径相同的上压头导筒，上压头导筒底部开有通孔；上压头导筒内放有一个上压头，上压头下部呈与上压头导筒通孔相配的柱状结构且通孔的深度与上压头柱状结构的长度相同；上压头导筒、定位底座、垫块上的通孔位置、数目一一对应；上压头导筒顶部连接有位于石墨模具顶部端口外的上压头盖；上压头盖开有中心孔；上压头顶部连接有伸出上压头盖的挤压手柄；工作台下方设有升降台，升降台上放有上部呈与定位底座通孔相匹配的柱状结构的下压头，下压头的柱状结构穿过定位底座的通孔中，伸入到石墨模具的内部。
本发明为实现柱状骨架结构，以圆柱状骨架、圆柱均匀分布结构为例，设计了相应的模具装置，下压头的柱状结构穿过定位底座与其结构相匹配的孔中，伸入到石墨模具的内部，与下压头匹配的垫块放入石墨模具的底部，将基体粉体和骨架粉体组成的陶瓷素坯与定位底座分隔开来，升降台置于下压头下，起到承托下压头并调节高度的作用；上压头与下压头拥有相同柱状结构，上压头导筒的底部带有与下压头相匹配通孔，通孔的深度与上压头柱状结构的长度相同，可保证上压头不能再下降时基体粉体与骨架粉体表面平齐。上压头导筒外径与石墨模具内径相同，以适应下压头结构的方位放入石墨模具中。可根据设计方案替换上压头、上压头导筒、下压头、底座和垫块等配件。
进一步的，上压头导筒顶部开有外螺纹，上压头盖中心孔内壁开有内螺纹，上压头导筒与上压头盖通过内外螺纹实现连接；上压头盖在压实粉体时便于施压，且螺旋结构便于根据设计替换上压头导筒。
上压头顶部中心通过螺纹与挤压手柄相连接；螺旋结构方便根据设计方案替换不同的上压头。
本发明所述一种用于制备具有柱状骨架结构的陶瓷粉体的方法，包括如下步骤：将定位底座推入工作台的定位凹槽内，将石墨模具紧压入定位底座的凹槽内，下压头置于升降台上，调节升降台，使下压头处于合适的高度，并将垫块放入石墨模具内，将不同层的基体粉体分层倒入石墨模具中，每倒入一层粉体，利用上压头导筒与上压头盖压实压平后，再倒入另一层粉体，所有层完成压实步骤后，将上压头导筒置于石墨模具中，通过调节下压头的高度使其柱状结构没入部分上压头导筒通孔，将骨架粉体倒入上压头导筒中，用力压动挤压手柄，通过上压头压实骨架粉体，此时，上压头导筒通孔壁与伸入其通孔中的上压头和下压头组成封闭空间，通过上下压头的下降高度配合，缓慢地将骨架粉体推入基体粉体中，上下压头的配合与下降速度的缓慢可避免基体粉体的塌陷，直到上压头不能再下降，将挤压手柄连带上压头、上压头导筒取出后，放入实心垫片并压实，利用定位底座推出剩余的模具结构，倒置，取出下压头与定位底座，将垫块轻轻拿出，换成实心垫片，完成素坯的制备。
采用本发明所述装置能够制备出具有柱状骨架结构的陶瓷素坯，通过烧结工艺就能够得到具有柱状骨架结构的陶瓷材料，其中，柱状骨架贯穿层状陶瓷结合面，可防止层状材料从界面开裂，同时，在复杂工况下，可为基体粉体分担受到的外力与冲击，改善层状陶瓷材料的剪切强度，提高层状陶瓷材料的可靠性。
本发明设计了一种用于制备具有柱状骨架结构的陶瓷粉体成型机，该成型机中模具可根据设计方案替换配件，以适应不同的设计结构，上下压头相配合推入骨架粉体的方式可保证粉体结构的完整，防止粉体塌陷。同时，本发明提出的新型具有柱状骨架的层状陶瓷结构可改善层状陶瓷的剪切强度，制备工序简单，可提高制备效率，且整个过程无需混入有机溶剂，有利于保证素坯的纯净度。
附图说明
图1为本发明所述成型机的结构示意图。
图中：1-挤压手柄、2-上压头盖、3-上压头导筒、4-上压头、5-定位底座、6-工作台、7-下压头、8-升降台、9-垫块、10-基体粉体、11-骨架粉体、12-石墨模具。
图2为图1中上压头导筒的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：
如图1所示，本发明设计的柱状骨架成型机主要包括工作台与模具，包括一侧有定位凹槽的工作台6，定位底座5沿凹槽推入工作台6，石墨模具12紧压入底座5凹槽中，其外径与定位底座5圆形凹槽内径相同；设计有所需柱状结构的下压头7穿过定位底座5与其结构相匹配的孔中，伸入到石墨模具12的内部，与下压头7匹配的垫块9放入石墨模具12的底部，将基体粉体10和骨架粉体11组成的陶瓷素坯与定位底座5分隔开来，升降台8置于下压头7下，起到承托下压头7并调节高度的作用；上压头4与下压头7拥有相同柱状结构，通过螺旋结构与挤压手柄1相连，螺旋结构方便根据设计方案替换不同的上压头4，上压头导筒3的底部带有与下压头7相匹配通孔，通孔的深度与上压头4柱状结构的长度相同，可保证上压头4不能再下降时基体粉体10与骨架粉体11表面平齐，上压头导筒3外径与石墨模具12内径相同，以适应下压头7结构的方位放入石墨模具12中，上压头4上压头导筒3上端通过螺旋结构拧入上压头盖2中，上压头盖2在压实粉体时便于施压，且螺旋结构便于根据设计替换上压头导筒3。上压头4下部柱状结构共同连接在一个底板的下表面。
升降台可有多种结构以供选择，本实施例中选用剪式升降台。
工作时，将定位底座5推入工作台6，安装石墨模具12，下压头7置于升降台8上，旋转升降台8的旋钮，使下压头7处于合适的高度，并放入垫块9，将不同层的基体粉体10分层倒入石墨模具12中，每倒入一层粉体，利用上压头导筒3与上压头盖2压实后，再倒入另一层粉体，所有层完成压实后，将上压头导筒3与上压头盖2置于石墨模具12中，通过调节下压头7的高度使其柱状结构没入部分上压头导筒3通孔，将骨架粉体11倒入上压头导筒3中，用力压动挤压手柄1，压实骨架粉体11，此时，上压头导筒3通孔壁与伸入其通孔中的上压头4和下压头7组成封闭空间，通过上下压头的下降高度配合，缓慢地将骨架粉体11推入基体粉体10中，上下压头的配合与下降速度的缓慢可避免基体粉体10的塌陷，直到上压头4不能再下降，将挤压手柄1连带上压头2、上压头导筒3取出后，放入实心垫片并压实，利用定位底座5推出剩余的模具结构，倒置，取出下压头7与定位底座5，将垫块9轻轻拿出，换成实心垫片，完成素坯的制备。
上述实例中，柱状结构虽是以圆柱状、且圆柱结构均匀分布为例进行说明，但柱状结构的横截面不限于圆形，也可根据设计更改为椭圆、多边形等其他结构，柱状结构的分布也不限于均匀分布，也可根据材料功能区的要求不同，设计为不同的分布形式。
Claims (5)
1.一种用于制备具有柱状骨架结构的陶瓷粉体成型机，其特征在于：包括其上一侧开有定位凹槽的工作台（6）以及限位于定位凹槽内的定位底座（5），定位底座（5）上方开有凹槽，底面开有多个通孔；定位底座（5）凹槽中压入外径与定位底座（5）凹槽内径相同的呈筒状的石墨模具（12）；石墨模具（12）内部放有其上开有通孔的垫块（9）；还包括外径与石墨模具（12）内径相同的上压头导筒（3），上压头导筒（3）底部开有通孔；上压头导筒（3）内放有一个上压头（4），上压头（4）下部呈与上压头导筒（3）通孔相配的柱状结构且通孔的深度与上压头（4）柱状结构的长度相同；上压头导筒（3）、定位底座（5）、垫块（9）上的通孔位置、数目一一对应；上压头导筒（3）顶部连接有位于石墨模具（12）顶部端口外的上压头盖（2）；上压头盖（2）开有中心孔；上压头（4）顶部连接有伸出上压头盖（2）的挤压手柄（1）；工作台（6）下方设有升降台（8），升降台（8）上放有上部呈与定位底座（5）通孔相匹配的柱状结构的下压头（7），下压头（7）的柱状结构穿过定位底座（5）的通孔中，伸入到石墨模具（12）的内部。
2.如权利要求1所述的一种用于制备具有柱状骨架结构的陶瓷粉体成型机，其特征在于：上压头导筒（3）顶部开有外螺纹，上压头盖（2）中心孔内壁开有内螺纹，这两部分通过内外螺纹实现连接。
3.如权利要求2所述的一种用于制备具有柱状骨架结构的陶瓷粉体成型机，其特征在于：上压头（4）顶部中心通过螺纹与挤压手柄（1）相连接。
4.如权利要求1-3任一项所述的一种用于制备具有柱状骨架结构的陶瓷粉体成型机，其特征在于：柱状结构的横截面可采用圆形或椭圆形或多边形；柱状结构的分布可以采用均匀分布，也可采用非均匀分布形式。
5.一种用于制备具有柱状骨架结构的陶瓷粉体的方法，其特征在于，包括如下步骤：将定位底座（5）推入工作台（6）的定位凹槽内，将石墨模具（12）紧压入定位底座（5）的凹槽内，下压头（7）置于升降台（8）上，调节升降台（8），使下压头（7）处于合适的高度，并将垫块（9）放入石墨模具（12）内，将不同层的基体粉体（10）分层倒入石墨模具（12）中，每倒入一层粉体，利用上压头导筒（3）与上压头盖（2）压实压平后，再倒入另一层粉体，所有层完成压实步骤后，将上压头导筒（3）置于石墨模具（12）中，通过调节下压头（7）的高度使其柱状结构没入部分上压头导筒（3）通孔，将骨架粉体（11）倒入上压头导筒（3）中，用力压动挤压手柄（1），通过上压头（4）压实骨架粉体（11），此时，上压头导筒（3）通孔壁与伸入其通孔中的上压头（4）和下压头（7）组成封闭空间，通过上下压头的下降高度配合，缓慢地将骨架粉体（11）推入基体粉体（10）中，上下压头的配合与下降速度的缓慢可避免基体粉体（10）的塌陷，直到上压头（4）不能再下降，将挤压手柄（1）连带上压头（2）、上压头导筒（3）取出后，放入实心垫片并压实，利用定位底座（5）推出剩余的模具结构，倒置，取出下压头（7）与定位底座（5），将垫块（9）轻轻拿出，换成实心垫片，完成素坯的制备。
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