[发明专利]含金属硅粉的氮化硅陶瓷材料凝胶注模成型方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氮化硅陶瓷成型方法，具体涉及一种含金属硅粉的氮化硅陶瓷材料的凝胶注模成型方法，该方法可用于无压烧结及反应烧结制备氮化硅陶瓷。

背景技术

凝胶注模成型(Gelcasting)是美国橡树岭国家重点实验室(Oak Ridge NationalLaboratory)于八十年代末首创的胶态成型工艺。主要原理是利用有机单体水溶液为介质制备高固相含量、低粘度的陶瓷浆料。浆料注模后，在引发剂和催化剂作用下，浆料中的有机单体水溶液交联聚合成三维网络聚合物凝胶，从而使浆料原位凝固成形状复杂且显微结构均匀的坯体。

凝胶注模成型技术是传统的注浆工艺与有机化学高聚合理论的完美结合，它通过引入一种新的定型机制，发展了注浆工艺。其基本原理是在高固相(体积分数不小于50％)、低粘度(小于1Pa·s)的陶瓷浆料中，掺入低浓度的有机单体。当加入引发剂并浇注后，浆料中的有机单体在一定条件下发生原位聚合反应(如选择的是丙烯酸胺凝胶体系，加入催化剂MBAM后就能在常温下凝胶固化；不加MBAM，则需加热到30-90℃时浆料才能凝胶)，与陶瓷颗粒共同结合形成坚固的三维网状结构，将大部分水封于网络中而使浆料立即原位凝固，从而使陶瓷坯体原位定型。然后进行脱模、干燥、去除有机物、烧结，即可获得所需陶瓷零件，其工艺过程如附图1所示。凝胶注模成型与热压铸或注射成型相比，主要差别在于，后两种工艺中作为粘结剂的有机聚合物或蜡被有机单体取代，然后利用有机单体原位聚合来实现定型。

凝胶注模成型可分为水溶性凝胶注模成型和非水溶性凝胶注模成型，前者适用于大多数陶瓷成型场合，后者主要适用于那些与水发生反应的系统的成型。该技术首先发明的是有机溶剂的非水凝胶注模成型(Nonaqueous gelcasting)，随后作为一种改进，又发明了用于水溶剂的水凝胶注模成型(aqueous gelcasting)，并广泛应用于各种陶瓷中，能用于水凝胶注模成型工艺中的有机单体体系应满足以下性能：(1)单体和交联剂必须是水溶的，前者在水中溶解的最大质量分数至少20％，而后者至少2％。如果它们在水中的溶解度过低，有机单体就不是溶液聚合，而是溶液沉淀聚合。这样就不能成型出密度均匀的坯体，并且还会影响坯体的强度。(2)单体和交联剂的稀溶液形成的凝胶应具有一定的强度，这样才能起到原位定型作用，并能保证有足够的脱模强度。(3)不影响浆料的流动性，若单体和交联剂会降低浆料的流动性，那么高固相、低粘度的陶瓷浆料就难以制备。

凝胶注模成型的关键工艺在于：

(1)低粘度、高固相含量料浆的制备。低粘度、高均匀性、高稳定性及高固相含量浆料的制备是胶态成型高质量坯体的关键。而这一目标主要是通过控制粉体在介质中的胶体特性、浆料的Ph值以及分散剂来获得的。

(2)料浆凝胶化的控制。引发剂、催化剂和温度条件的变化可以改变陶瓷料浆凝胶化规律，掌握这一规律可以有效而准确的控制料浆的凝胶化时间。

(3)坯体的干燥及排胶。湿度、温度和通风条件对湿凝胶坯体的干燥脱水和变形收缩至关重要。同时还要针对不同的零件采用不同的干燥脱水技术。对坯体的排胶过程要考虑有机物在不同温度下的分解速度及完全烧除的最高温度来制定合理的烧除工艺。

以丙烯酰胺单体为凝胶注模体系是在陶瓷悬浮液中加少量丙烯酰胺有机单体，利用催化剂及引发剂，使悬浮体中的有机单体聚合胶联形成三维网络骨架(聚丙烯酰胺)，陶瓷颗粒固定其中，并与聚合物凝胶通过吸附作用，使液态浆料转变成具有一定强度和柔韧性的坯体。

聚丙烯酰胺长链构成网络结构包括两种机制，即长链分子之间的亚胺化交联作用及交联剂与长链分子的桥接交联作用。长链分子可以通过氨基之间的结合(亚胺化反应)连接形成网络结构。交联剂分子因具有两个碳碳双键，可以通过桥接作用使聚丙烯酰胺长链相互连接起来，形成网络结构。

丙烯酰胺为单体的凝胶体系的凝胶注模成型技术成功地制备出内部致密无缺陷强度很高的而且可机加工的涡轮转子和叶片等复杂形状的陶瓷部件。如中国专利CP：00124982.8采用凝胶注模成型技术制备了平均强度为248±42Mpa，孔隙率小于5％Al2O3陶瓷。

该成型工艺的显著点在于近净尺寸成型，即成型出的部件能尽量接近最终制品的形状和尺寸的要求。用于该工艺的料浆固相含量高、粘度低，因而其生坯的强度高，可再加工为形状复杂、尺寸精确的零件，真正实现陶瓷零件的近尺寸精密成型。这对烧结后难以加工的脆性陶瓷材料来说，无疑是一种理想的成型工艺。但普通陶瓷烧结收缩率普遍大于10％，甚至15％，难以真正实现凝胶注模成型近净尺寸成型的作用。