[发明专利]一种高致密度复杂形状陶瓷制品的热压烧结方法

说明书

技术领域

本发明属于陶瓷材料制备成型方法技术领域，特别涉及一种高致密度复杂形状陶瓷制品的热压烧结方法。

背景技术

热压烧结工艺是陶瓷或粉末冶金行业常用的烧结工艺之一，其基本流程是，首先将需要烧结的陶瓷粉料倒入钢制模具中，以一定的压力使之形成一个约35%～40%理论密度的陶瓷坯体，然后将该坯体装入事先准备好的高强度石墨模具中，并将其放入热压烧结炉内，通过高强石墨压头，一边加热一边加压，在高温、高压下实现陶瓷粉体的高致密度烧结，实际生产中也常将陶瓷粉体直接装入石墨模具进行烧结，图1是SiC陶瓷热压烧结示意图。与普通烧结相比，热压烧结的优点：①存在明显的晶界滑移传质和挤压蠕变传质，烧结速率加快，烧成时间减少；②可降低烧结温度，减小晶粒长大；③最终产品的密度和力学性能高。表1是不同方法烧结的SiC陶瓷性能对比，由此可知热压烧结是制备高致密度碳化硅陶瓷的最有效途径。

但众所周知，热压烧结工艺也有明显的缺点，受工艺方法的影响通常只能烧结形状简单制品，如板状类、四方形块状类、圆柱状类型的陶瓷产品，因而其应用范围也受到严重制约。随着科学技术的快速发展，各行业对高致密度、复杂形状陶瓷制品的需求越来越多，采用冷等静压成型+机械加工或凝胶注模等成型技术和无压烧结工艺虽然可以得到复杂形状的陶瓷部件，但在很多情况下无法满足对陶瓷部件高致密度的要求，而且复杂形状陶瓷部件的无压烧结需要缓慢和精细的控温技术，长时间的高温烧结会促使晶粒长大，降低陶瓷零件的力学性能。如果采用热等静压后处理技术提高无压烧结坯体的密度则会大大增加制造成本。

本发明的目的在于提供一种高致密、复杂形状陶瓷制品的热压生产方法，通过本发明的热压烧结陶瓷工艺技术，可以克服上述传统热压只能制造简单板状类的陶瓷产品的现状，可生产出具有复杂结构、高致密度的陶瓷产品。

发明内容

本发明利用BN陶瓷等模具材料在高温下不和目标陶瓷发生化学反应的特性，通过调整模具材料的配方使模具材料和目标陶瓷材料在高温高压下实现同步收缩，确保目标陶瓷的复杂形状得以保留，这是本发明的技术要点。该发明摒弃了传统的钢制模具成型陶瓷坯体的工艺，通过本发明，可制备高致密度、复杂形状的陶瓷制品。

针对现有技术不足，本发明提供了一种高致密度复杂形状陶瓷制品的热压烧结方法。

一种高致密度复杂形状陶瓷制品的热压烧结方法，首先将模具材料通过凝胶成型工艺制备成所需的具有特定形状的模具，然后将需要烧结的目标陶瓷粉体采用凝胶成型技术制备成含有固相成分的浆料，注入上述模具内形成复合热压坯体；所得复合热压坯体通过热压烧结后去除残留的模具材料，最终获得具有特定的结构、密度、性能的目标陶瓷制品。

所述模具材料在烧结条件下不与目标陶瓷材料发生反应、且能够通过机械或化学方法加工去除。

所述模具材料为BN、BN与SiC的复合材料、BN与Al₂O₃的复合材料、BN与Si₃N₄的复合材料、BN与其他陶瓷的复合材料、石墨或石墨与陶瓷的复合材料。

所述将模具材料通过凝胶成型工艺制备成所需的具有特定形状的模具的具体方法为：将选定的模具材料粉体通过凝胶成型工艺制备成浆料；根据要烧结的陶瓷零件的形状和尺寸，考虑加工余量和热压方向的收缩率，采用机械加工或3D打印技术制备型芯与零件形状匹配的塑料或金属模具；所述塑料或金属模具内腔尺寸应和热压模具内套尺寸相配合；将已配制的模具材料浆料注入已加工的塑料或金属模具内，加热到60℃～80℃，恒温一定时间直到其凝胶固化成型，取出模芯获得所需的具有特定形状，由模具材料制备的模具；

或采用冷等静压方法先制备模具材料坯体，再通过数控机床将其加工成所需形状的模具。

所述目标陶瓷粉体为SiC、Si₃N₄、AlN、AlON、氧化铝或氧化锆等的陶瓷粉体材料或复合粉体材料。

所述复合热压坯体整体热压烧结后，通过喷砂工艺去除残留的模具材料，最终获得具有特定结构、密度、性能的目标陶瓷制品。

本发明的技术特征在于：

a.选择与需要烧结的目标陶瓷材料在高温下不发生化学反应的模具材料，该模具材料烧结后应易于通过机械或化学方法去除，可选用BN、BN与SiC的复合材料、BN与Al₂O₃的复合材料、BN与Si₃N₄的复合材料、石墨或石墨与陶瓷的复合材料等作为模具材料。