一種層狀陶瓷的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及陶瓷制備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種層狀陶瓷的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]層狀陶瓷復(fù)合材料借助仿生學(xué)的思想進(jìn)行陶瓷材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，層狀陶瓷主要由高模量和低模量?jī)煞N陶瓷材料疊層而成。目前層狀陶瓷復(fù)合材料的成型工藝主要包括:(1)預(yù)制層片疊放成型，基體層和夾層材料均為預(yù)制片，按次序依次疊放進(jìn)行壓制成形；(2)干粉分層敷放壓制成型，基體層和夾層材料均為干粉，依次敷放在模具中進(jìn)行壓制形成；(3)基片涂覆夾層材料漿液后層壓成型，基體為預(yù)制片，夾層材料為料漿，涂覆后疊放壓制。現(xiàn)有的成型工藝一般都要先經(jīng)過(guò)預(yù)壓成片狀，但是這種片狀成型工藝較為復(fù)雜而且一般要經(jīng)過(guò)熱壓燒結(jié)等，增加了制造成本。同時(shí)傳統(tǒng)的熱壓或流延方法主要用于制備毫米級(jí)厚度的層狀陶瓷材料，無(wú)法制備微米級(jí)厚度的層狀陶瓷材料。因此，急需尋找一種簡(jiǎn)便且可制備微米級(jí)厚度的層狀陶瓷材料的方法。
[0003]光固化成型技術(shù)中的DLP成型(Digital Light Process1n)，可以實(shí)現(xiàn)快速、精密制造復(fù)雜形狀的陶瓷部件，其原理如圖1所示?；贒LP的增材制造技術(shù)采用了更為先進(jìn)的數(shù)字微鏡裝置(Digital Micromirror Device，DMD)，從而使該層圖像直接投影到整個(gè)區(qū)域中，直接面成型。因此，這種方法能大大提高成型速率，其xy面的精度只取決于DMD裝置的分辨率與成型件的大小。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有的層狀陶瓷的制備方法局限在毫米級(jí)厚度，且制備過(guò)程復(fù)雜、成本高等問(wèn)題，提供一種簡(jiǎn)便且可制備微米級(jí)厚度的層狀陶瓷的方法。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案。
[0006]所述層狀陶瓷具有η層結(jié)構(gòu)，層狀陶瓷的制備方法包括以下步驟:
[0007]S1制備漿料:按以下質(zhì)量百分比稱(chēng)取各組分并混合均勻，由此分別制得用于形成層狀陶瓷中各層結(jié)構(gòu)的漿料，用于形成第η層結(jié)構(gòu)的漿料稱(chēng)為第η漿料；
[0008]第η漿料中各組分的組成如下:陶瓷粉體與樹(shù)脂的體積之和為V，所述陶瓷粉體的體積為0.2V-0.45V ;分散劑的質(zhì)量為陶瓷粉體的質(zhì)量的0.1_5%，表面活性劑的質(zhì)量為陶瓷粉體的質(zhì)量的0.1-5% ;且相鄰兩層結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的漿料的成分不同。
[0009]優(yōu)選的，所述制備漿料步驟中:首先將陶瓷粉體、分散劑和乙醇混合均勻，然后烘干得到分散粉體；接著將分散粉體、樹(shù)脂和表面活性劑混合均勻，得到初漿料；將初漿料置于負(fù)壓環(huán)境下并攪拌20-120min以除去氣泡，制得漿料。
[0010]更優(yōu)選的，以上所述球磨中所用的球磨介質(zhì)為氧化鋁或者氧化鋯，球磨介質(zhì)形狀為球狀或柱狀，球磨介質(zhì)直徑為3mm或5mm或10mm，料球比為2:1或3:1或6:1。
[0011]優(yōu)選的，所述陶瓷粉體為氧化鋯、氧化鋁和TiCN中的至少一種。更優(yōu)選的，所述陶瓷粉體的粒徑為0.1-8 μ m ;所述陶瓷粉體具有雙峰分布結(jié)構(gòu)(即陶瓷粉體粒徑分布較寬)或由兩種粒徑的粉體復(fù)配而得。
[0012]優(yōu)選的，所述樹(shù)脂為可在波長(zhǎng)為365-405nm的光下固化的樹(shù)脂。更優(yōu)選的，所述樹(shù)脂為丙烯酸樹(shù)脂。
[0013]優(yōu)選的，所述分散劑為六偏磷酸鈉、聚丙烯酸鈉、聚丙烯酸銨和PVP(聚乙烯吡咯烷酮)中的至少一種。
[0014]優(yōu)選的，所述表面活性劑為硬脂酸或偶聯(lián)劑。
[0015]S2成型:將第1漿料置于光固化面成型設(shè)備中，通過(guò)光固化面成型法使第1漿料固化，形成第一層坯體；將第2漿料置于第一層坯體上，通過(guò)光固化面成型法使第二漿料固化，形成第二層坯體；重復(fù)上述步驟使?jié){料逐層光固化，形成具有η層結(jié)構(gòu)的坯體。
[0016]優(yōu)選的，所述光固化面成型設(shè)備是數(shù)字光處理器投影儀。
[0017]優(yōu)選的，通過(guò)光固化面成型法制得坯體后，用紫外燈照射坯體10_14h，以加固坯體。
[0018]然后，坯體依次經(jīng)過(guò)干燥步驟、脫脂步驟和燒結(jié)步驟的加工，制得層狀陶瓷。
[0019]優(yōu)選的，所述干燥步驟是:將坯體置于25_60°C下干燥5_12h。
[0020]優(yōu)選的，所述脫脂步驟是:先對(duì)坯體進(jìn)行真空脫脂或氣氛保護(hù)脫脂處理，再對(duì)坯體進(jìn)行空氣脫脂處理。
[0021]采用真空排膠或氣氛保護(hù)排膠可降低坯體中有機(jī)物的裂解速率，從而減少坯體出現(xiàn)開(kāi)裂、起泡等缺陷。通過(guò)空氣排膠可除去坯體中因真空排膠或氣氛保護(hù)排膠而殘留的碳。
[0022]更優(yōu)選的，所述真空脫脂或氣氛保護(hù)脫脂的條件是:將坯體置于負(fù)壓的排膠爐內(nèi)或惰性氣體/N2保護(hù)的排膠爐內(nèi)，以1_5°C /min的速率升溫至300_650°C并保溫2_4h，且升溫過(guò)程中每隔50-150°C保溫20-60min ;接著，坯體在負(fù)壓的排膠爐內(nèi)或惰性氣體/隊(duì)保護(hù)的排膠爐內(nèi)冷卻至室溫。進(jìn)一步優(yōu)選的，所述負(fù)壓的排膠爐是指排膠爐內(nèi)的真空度大于或等于 0.09MPa。
[0023]更優(yōu)選的，所述空氣脫脂的條件是:將坯體置于空氣氣氛的排膠爐中，以5_8°C /min的速率升溫至300-1100°C并保溫0.5_3h ;然后坯體隨爐冷卻至室溫。
[0024]優(yōu)選的，所述燒結(jié)步驟的條件是:將坯體置于燒結(jié)爐中，以3-10°C /min的速率升溫至1350-1650°C并保溫l_4h，然后隨爐冷卻，制得層狀陶瓷。
[0025]更優(yōu)選的，所述燒結(jié)爐為硅鉬棒發(fā)熱體的燒結(jié)爐或石墨電極燒結(jié)爐。
[0026]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明通過(guò)優(yōu)化漿料的組分及配比，使?jié){料適用于DLP光固化面成型法制作層狀陶瓷的坯體，不僅成型效率高，還可使坯體中陶瓷顆粒分散均勻，坯體的形狀尺寸精度高；再通過(guò)控制脫脂及燒結(jié)步驟中的工藝參數(shù)，使制造過(guò)程中坯體不變形、不開(kāi)裂，可以制造出微米級(jí)厚度的層狀陶瓷，且致密均勻，表面光潔度好，精度高，性能優(yōu)異，所制備的陶瓷產(chǎn)品的可靠性高。本發(fā)明采用真空/氣氛保護(hù)脫脂與空氣脫脂相結(jié)合的二步脫脂法，不僅可顯著提高脫脂效率，使脫脂時(shí)間由現(xiàn)有方法的48-60h以上縮短至8-20h ;還可減少坯體因一步脫脂升溫速率過(guò)快或坯體中的有機(jī)物裂解速率過(guò)快而導(dǎo)致的變形、開(kāi)裂、起泡等缺陷，而真空/氣氛保護(hù)脫脂后結(jié)合空氣排膠，則可排出坯體中因真空/氣氛保護(hù)脫脂而殘留的碳。
【附圖說(shuō)明】
[0027]圖1為光固化面成型設(shè)備的工作原理示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]為了更充分的理解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步介紹和說(shuō)明。
[0029]實(shí)施例1
[0030]本實(shí)施例提供一種具有3層結(jié)構(gòu)的層狀陶瓷的制備方法，具體步驟如下:
[0031](1)制備漿料
[0032]按以下方法分別制備第1漿料、第2漿料、第3漿料:首先將陶瓷粉體、分散劑和乙醇置于行星球磨機(jī)(在其它實(shí)施方案中也可以是輥式球磨機(jī))中球磨8h，使各組分混合均勻；然后將所得混合物置于60°C下烘干，得到分散粉體。然后將分散粉體、樹(shù)脂和表面活性于球磨機(jī)中球磨16h使各組分混合均勻，得到初漿料。接著將初漿料置于負(fù)壓環(huán)境下并攪拌30min以除去氣泡，制得楽料。(球磨中所用的球磨介質(zhì)為氧化招，球磨介質(zhì)的形狀為球狀，球磨介質(zhì)直徑為3_，料球比為2:1。)
[0033]第1漿料的組成:100mL樹(shù)脂(丙烯酸樹(shù)脂)，42.9mL陶瓷粉體(206g，50wt% A1203與50wt% Zr02,粒徑為0.1-8 μ m)，1.5g分散劑(PVP)，3g表面改性劑(硬脂酸)。
[0034]第2漿料的組成:100mL樹(shù)脂(丙烯酸樹(shù)脂),42.9mL陶瓷粉體(248.6g，10wt%A1203與90wt% ZrO 2，粒徑為0.1-8 μ m)，1.8g分散劑(PVP)，3.6g表面改性劑(硬脂酸)。
[0035]第3漿料的組成:100mL樹(shù)脂(丙烯酸樹(shù)脂),42.9mL陶瓷粉體(236.8g,20wt%A1203與80wt% ZrO 2，粒徑為0.1-8 μ m)，1.7g分散劑(PVP)，3.5g表面改性劑(硬脂酸)。
[0036](2)成型
[0037]光固化面成型設(shè)備為數(shù)字光處理器投影儀(設(shè)置波長(zhǎng)為405nm)，將第1漿料置于光固化面成型設(shè)備中，通過(guò)光固化面成型法使第1漿料固化，形成厚度為50 μ m的第一層坯體；然后將第2漿料置于第一層坯體上，通過(guò)光固化面成型法使第二漿料固化，形成厚度為50 μ m的第二層坯體；接著將第3漿料置于第二層坯體上，通過(guò)光固化面成型法使第三漿料固化，形成厚度為50 μ m的第三層坯體。第一層坯體、第二層坯體與第三層坯體構(gòu)成完整的坯體。
[0038]然后將坯體表面未固化的漿料清洗干凈，并將清理后的胚體放在紫光燈下照射12h，以增加胚體的強(qiáng)度。
[0039](3)干燥
[0040]將坯體置于25°C下干燥12h。
[0041](4)脫脂
[0042]先對(duì)坯體進(jìn)行氣氛保護(hù)脫脂:將坯體置于流動(dòng)的隊(duì)或Ar的氣氛爐內(nèi)，以2°C /min的速率升溫至600°C并保溫2h，且升溫過(guò)程中每隔50°C保溫20min ;然后坯體隨排膠爐冷卻至室溫。
[0043]再對(duì)坯體進(jìn)行空氣脫脂:將坯體置于空氣氣氛的排膠爐中，以8°C /min的速率升溫至1100°C并保溫30min ;接著坯體隨爐冷卻至室溫。
[0044](5)燒結(jié)
[0045]將坯體置于空氣氣氛下燒結(jié)，以8°C /min的速率升溫至1450°C并保溫3h，制得層狀陶瓷。
[0046]本實(shí)施例所制備的層狀陶瓷的性能較佳，密度為5.2g/cm3，維氏硬度為14.lGPa，抗彎強(qiáng)度為1200MPa，斷裂韌性為11.75MPa.m1/20
[0047]實(shí)施例2
[0048]本實(shí)施例提供一種具有3層結(jié)構(gòu)的層狀陶瓷的制備方法，具體步驟如下:
[0049](1)制備漿料
[0050]按以下方法分別制備第1漿料、第2漿料、第3漿料:首先將陶瓷粉體、分散劑和乙醇置于行星球磨機(jī)中球磨8h，使各組分混合均勻；然后將所得混合物置于60°C下烘干，得到分散粉體。然后將分散粉