專利名稱：一種高電壓介電陶瓷的凝膠注模成型方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種高電壓介電陶瓷的凝膠注模成型方法，該方法采用環(huán)境友好 型凝膠劑瓊脂糖，并結(jié)合凝膠注模工藝制備介電陶瓷的方法。
背景技術(shù)：
脈沖形成(介電陶瓷)技術(shù)是高壓脈沖研究中的重要課題，而脈沖形成線 又是脈沖功率設(shè)備中的關(guān)鍵元件。它的小型化對減小整體設(shè)備的體積有重要意 義。國外目前已有研究用高介陶瓷，如二氧化鈦和鈦酸鋇等代替?zhèn)鹘y(tǒng)的水介質(zhì) 來作脈沖形成線，以減小其體積但國內(nèi)這方面的研究仍處于起步階段。由于本 身要承受較高的電壓，又要兼顧高介電常數(shù)和小尺寸的要求，因此要求瓷體必 須內(nèi)部缺陷非常少，而且具有相當(dāng)高的耐電強(qiáng)度。
傳統(tǒng)的陶瓷成型方法，有干壓成型、熱壓鑄成型，注模成型等，這些陶瓷成 型技術(shù)均或多或少存在不足，不能滿足工業(yè)需求。以往研究表明得到的坯體產(chǎn) 品密度不均、易產(chǎn)生氣孔缺陷、工藝相對復(fù)雜，對模具的要求也較高，而且污 染嚴(yán)重。這就要求提出一種新的工藝方法，以解決上述問題，優(yōu)化工藝。
凝膠注模成型是一種實(shí)用性很強(qiáng)的技術(shù)。其基本原理是在高固相體積含量(體
積分?jǐn)?shù)不小于50% )、低粘度(小于lPa*s)的陶瓷漿料中，摻入低濃度的有機(jī) 單體丙烯酰胺。當(dāng)加入引發(fā)劑、催化劑并澆注后，漿料中的有機(jī)單體在一定條 件下發(fā)生原位聚合反應(yīng)，與陶瓷顆粒共同結(jié)合形成堅(jiān)固的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將大 部分水封于網(wǎng)絡(luò)中而使?jié){料立即原位凝固，從而使陶瓷坯體原位定型。然后進(jìn) 行脫模、干燥、去除有機(jī)物、燒結(jié)，即可獲得所需陶瓷零件。它具有以下幾個(gè)顯著特點(diǎn)(l)可適用于各種陶瓷材料，成型各種復(fù)雜形狀和尺寸的陶瓷零件;
(2)由于定型過程和注模操作是完全分離的，定型是靠漿料中有機(jī)單體原位聚 合形成交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的凝膠體來實(shí)現(xiàn)，所以成型坯體組分均勻、密度均勻、缺 陷少，不易出現(xiàn)密度梯度分布問題；(3)漿料的凝固定型時(shí)間較短且可控。根 據(jù)聚合溫度和催化劑的加入量不同，凝固時(shí)間一般可控在5 60min; (4)該工 藝所用模具為無孔模具， 一般要求耐堿，對模具無其它要求，可以是金屬、玻 璃或陶瓷等；(5)坯體中有機(jī)物含量較小，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為陶瓷粉料重量的 3~5%，坯體干燥脫水及脫脂去除有機(jī)物相對簡單；(6)坯體強(qiáng)度較高， 一般在 10MPa以上?？蓪ε黧w進(jìn)行各種機(jī)械加工(車、磨、包IJ、銑、鉆、鋸等)得到 形狀更復(fù)雜、尺寸更精確、表面更光潔的零件，從而取消或減少燒結(jié)后的加工， 從而真正實(shí)現(xiàn)陶瓷零件的凈尺寸精密成型，是一種近尺寸成型技術(shù)；(7)由于 坯體的組分和密度均勻，因而在干燥和燒結(jié)過程中不會(huì)變形，成型坯體表觀及 內(nèi)在質(zhì)量好，燒結(jié)體可保持成型時(shí)的形狀和尺寸比例，成品率高。這是其他陶 瓷零件成型技術(shù)所難以實(shí)現(xiàn)的；(8)所用陶瓷料為高固相(體積分?jǐn)?shù)不小于 50%)、低粘度(小于1Pa's)。漿料的固相體積含量是影響成型坯體的密度、強(qiáng) 度及均勻性的因數(shù)，粘度的大小關(guān)系到所成坯體形狀的好壞及漿料的排氣效果。 這也是應(yīng)用該技術(shù)的難點(diǎn)和能否成功的關(guān)鍵；(9)與傳統(tǒng)干法成型技術(shù)相比， 它降低了大氣孔的數(shù)量，并改善氣孔的分布，提高坯體的均勻性，從而有利于 燒結(jié)致密化和強(qiáng)度的提高。
目前，國內(nèi)外對凝膠注模成型工藝的研究大多集中在丙烯酰胺體系，工藝條 件也趨于成熟。但該凝膠注模成型體系的缺點(diǎn)非常明顯，表現(xiàn)在單體聚合過 程不易控制，易受空氣、還原劑等阻聚而使坯體產(chǎn)生起皮等缺陷。槳料的除泡也是一個(gè)難題。因?yàn)楫?dāng)引發(fā)劑、催化劑存在時(shí)，單體在真空條件下很容易發(fā)生 聚合反應(yīng)，所以通常使用的抽真空除泡方式很難進(jìn)行。另外，從環(huán)境角度看， 凝膠注模成型使用的單體具有很強(qiáng)的毒性，會(huì)造成一定的污染，不利于長期的 發(fā)展。所以在凝膠注模的基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步發(fā)展了新的低毒凝膠體和新型凝 膠工藝。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種反應(yīng)條件溫和、工藝操作簡單、無毒無污染、坯體 成型質(zhì)量高的介電陶瓷成型方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為
1) 首先確定要制備的懸浮體的固相體積含量，再稱取和鈦酸鋇粉體質(zhì)量相 當(dāng)?shù)难趸喦?，放入球磨罐中。按?jì)算好的固相體積含量量取相應(yīng)的去離子 水，再將粉體慢慢加入，邊加邊攪拌搖勻；
2) 在加入粉體的過程中，漿料粘度會(huì)慢慢變大，需要加入分散劑，它的用 量是粉體質(zhì)量的3%。 5%。。再接著加入粉體，攪拌，直至粉體加完；
3) 進(jìn)行第2)步同時(shí)再緩慢加入凝膠助劑瓊脂糖，它的用量是水的15%。
25%。，直至加完，此時(shí)鈦酸鋇粉體、分散劑、瓊脂糖和水已經(jīng)基本混合均勻；
4) 為了使上一步得到的液體充分混合，需要再球磨混合20 24h;
5) 經(jīng)過球磨得到了均勻混合，穩(wěn)定分散的陶瓷懸浮體。在室溫下將得到的 懸浮體在圓柱形金屬模具中充模，此前模具內(nèi)面己經(jīng)涂有脫模劑；
6) 將上一步得到的樣品連同模具一起放入9(TC烘箱內(nèi)，這是瓊脂糖的溶解 溫度，可以使其充分溶解。通過調(diào)節(jié)烘箱溫度和凝膠時(shí)間使水分揮發(fā)，坯體 充分凝膠直至坯體完全變干，獲得成型質(zhì)量高，強(qiáng)度大的鈦酸鋇陶瓷素坯體。所述的原料中，將鈦酸鋇替換為鈦酸鍶或者部分替換為鈦酸鍶鋇，即可制 備出鈦酸鍶或者鈦酸鍶鋇陶瓷坯體。
本發(fā)明通過凝膠注模工藝，選用了新的凝膠體系和凝膠工藝，克服了傳統(tǒng) 成型方法中的坯體表面氧化、起皮的現(xiàn)象，對環(huán)境友好無污染，工藝操作簡單 等，獲得了一種介電陶瓷的成型新方法。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例l
O 確定制備固相體積含量45%的懸浮液。先稱取鈦酸鋇粉體(理論密度 6g/cm3)和氧化鋯球各150g，將球放入球磨罐中，可以計(jì)算出所加水體積為 (150x55) /(6x45)-30.56ml;
2) 緩慢加入鈦酸鋇粉體，邊加邊攪拌，待粘度稍微增大時(shí)，加入分散劑 0.45ml，為粉體質(zhì)量的3%。，攪拌；
3) 再加入瓊脂糖0.61g，為水的質(zhì)量的20%。，攪拌，繼續(xù)加入鈦酸鋇粉體， 直至加完；
4) 將上一步得到的漿料球磨混合24h;
5) 將金屬模具內(nèi)面事先涂好脫模劑，把上一步得到的懸浮體澆注充模；
6) 把上一步得到的樣品先放入卯'C烘箱內(nèi)，保持30min，使瓊脂糖充分溶 解。再依次降低烘箱溫度至5(TC保持lh,再降溫到37t:，保持2 3h,直至 坯體完全干燥，即可得到鈦酸鋇陶瓷素坯。
實(shí)施例21) 確定制備固相體積含量50%的懸浮液。先稱取鈦酸鋇粉體(理論密度 6g/cm3)和氧化鋯球各150g，將球放入球磨罐中，可以計(jì)算出所加水體積為 150/6=25ml;
2) 緩慢加入鈦酸鋇粉體，邊加邊攪拌，待粘度稍微增大時(shí)，加入分散劑 0.45ml，為粉體質(zhì)量的3%。，攪拌；
3) 再加入瓊脂糖0.5g，為水的質(zhì)量的20%。，攪拌，繼續(xù)加入鈦酸鋇粉體， 直至加完；
4) 將上一步得到的漿料球磨混合24h;
5) 將金屬模具內(nèi)面事先涂好脫模劑，把上一步得到的懸浮體澆注充模；
6) 把上一步得到的樣品先放入90'C烘箱內(nèi)，保持30min,使瓊脂糖充分溶 解。再依次降低烘箱溫度至50'C保持lh，再降溫到37-C，保持2 3h，直至 坯體完全干燥，即可得到鈦酸鋇陶瓷素坯。
1) 確定制備固相體積含量55%的懸浮液。先稱取鈦酸鍶鋇粉體(理論密度 6g/cm3)和氧化鋯球各150g,將球放入球磨罐中，可以計(jì)算出所加水體積為
(150x45) /(6x55)=20.45ml;
2) 緩慢加入鈦酸鍶鋇粉體，邊加邊攪拌，待粘度稍微增大時(shí)，加入分散劑 0.45ml，為粉體質(zhì)量的396。，攪拌；
3) 再加入瓊脂糖0.307g，為水的質(zhì)量的15%。，攪拌，繼續(xù)加入鈦酸鍶鋇粉 體，直至加完；
4) 將上一步得到的漿料球磨混合24h;5) 將金屬模具內(nèi)面事先涂好脫模劑，把上一步得到的懸浮體澆注充模；
6) 把上一步得到的樣品先放入90'C烘箱內(nèi)，保持30min，使瓊脂糖充分溶 解。再依次降低烘箱溫度至5(TC保持lh,再降溫到37X:，保持2 3h，直至 坯體完全干燥，即可得到鈦酸鍶鋇陶瓷素坯。
實(shí)施例4
1) 確定制備固相體積含量58%的懸浮液。先稱取鈦酸鋇粉體(理論密度 6g/cm3)和氧化鋯球各150g，將球放入球磨罐中，可以計(jì)算出所加水體積為
(150x42) /(6x58)=18.10ml;
2) 緩慢加入鈦酸鋇粉體，邊加邊攪拌，待粘度稍微增大時(shí)，加入分散劑 0.45ml，為粉體質(zhì)量的3%0，攪拌；
3) 再加入瓊脂糖0.272g,為水的質(zhì)量的15%。，攪拌，繼續(xù)加入鈦酸鋇粉體， 直至加完；
4) 將上一步得到的漿料球磨混合24h;
5) 將金屬模具內(nèi)面事先涂好脫模劑，把上一步得到的懸浮體澆注充模；
6) 把上一步得到的樣品先放入9(TC烘箱內(nèi)，保持30min,使瓊脂糖充分溶 解。再依次降低烘箱溫度至5(TC保持lh，再降溫到37t:,保持2 3h，直至 坯體完全干燥，即可得到鈦酸鋇陶瓷素坯。
實(shí)施例5
1) 確定制備固相體積含量48%的懸浮液。先稱取鈦酸鍶粉體(理論密度 6g/cm3)和氧化鋯球各150g，將球放入球磨罐中，可以計(jì)算出所加水體積為(150x52) /(6x48)=27.08ml;
2) 緩慢加入鈦酸鍶粉體，邊加邊攪拌，待粘度稍微增大時(shí)，加入分散劑 0.45ml，為粉體質(zhì)量的3%。，攪拌；
3) 再加入瓊脂糖0.542g，為水的質(zhì)量的20%。，攪拌，繼續(xù)加入鈦酸鍶粉體， 直至加完；
4) 將上一步得到的漿料球磨混合24h;
5) 將金屬模具內(nèi)面事先涂好脫模劑，把上一步得到的懸浮體澆注充模；
6) 把上一步得到的樣品先放入9(TC烘箱內(nèi)，保持30min，使瓊脂糖充分溶解。 再依次降低烘箱溫度至5(TC保持lh,再降溫到37。C，保持2 3h，直至坯體完 全干燥，即可得到鈦酸鍶陶瓷素坯。
實(shí)施例6
1) 確定制備固相體積含量58%的懸浮液。先稱取鈦酸鋇粉體(理論密度 6g/cm3)和氧化鋯球各150g，將球放入球磨罐中，可以計(jì)算出所加水體積為
(150x42) /(6x58)=18.10ml;
2) 緩慢加入鈦酸鋇粉體，邊加邊攪拌，待粘度稍微增大時(shí)，加入分散劑 0.75ml,為粉體質(zhì)量的5%。，攪拌；
3) 再加入瓊脂糖0.272g,為水的質(zhì)量的15%。，攪拌，繼續(xù)加入鈦酸鋇粉體， 直至加完；
4) 將上一步得到的漿料球磨混合24h;
5) 將金屬模具內(nèi)面事先涂好脫模劑，把上一步得到的懸浮體澆注充模；
6) 把上一步得到的樣品先放入9(TC烘箱內(nèi)，保持30min,使瓊脂糖充分溶解。再依次降低烘箱溫度至50'C保持lh，再降溫到37。C,保持2 3h，直至 坯體完全干燥，即可得到鈦酸鋇陶瓷素坯。
實(shí)施例7
1) 確定制備固相體積含量55%的懸浮液。先稱取鈦酸鋇粉體(理論密度 6g/cm3)和氧化鋯球各150g，將球放入球磨罐中，可以計(jì)算出所加水體積為
(150x45) /(6x55)=20.45ml;
2) 緩慢加入鈦酸鋇粉體，邊加邊攪拌，待粘度稍微增大時(shí)，加入分散劑 0.75ml，為粉體質(zhì)量的596。，攪拌；
3) 再加入瓊脂糖0.307g，為水的質(zhì)量的15%。，攪拌，繼續(xù)加入鈦酸鋇粉體， 直至加完；
4) 將上一步得到的槳料球磨混合24h;
5) 將金屬模具內(nèi)面事先涂好脫模劑，把上一步得到的懸浮體澆注充模；
6) 把上一步得到的樣品先放入9(TC烘箱內(nèi)，保持30min，使瓊脂糖充分溶 解。再依次降低烘箱溫度至5(TC保持lh,再降溫到37nC,保持2 3h，直至 坯體完全干燥，即可得到鈦酸鋇陶瓷素坯。
實(shí)施例8
1) 確定制備固相體積含量55%的懸浮液。先稱取鈦酸鍶粉體(理論密度 6g/cm3)和氧化鋯球各150g，將球放入球磨罐中，可以計(jì)算出所加水體積為
(150x45) /(6x55)=20.45ml;
2) 緩慢加入鈦酸鍶粉體，邊加邊攪拌，待粘度稍微增大時(shí)，加入分散劑 0.75ml，為粉體質(zhì)量的5%。，攪拌；3) 再加入瓊脂糖0.307g，為水的質(zhì)量的15%。，攪拌，繼續(xù)加入鈦酸鍶粉體， 直至加完；
4) 將上一步得到的漿料球磨混合24h;
5) 將金屬模具內(nèi)面事先涂好脫模劑，把上一步得到的懸浮體澆注充模； 把上一步得到的樣品先放入9(TC烘箱內(nèi)，保持30min，使瓊脂糖充分溶解。再依 次降低烘箱溫度至5(TC保持lh,再降溫到37。C，保持2 3h,直至坯體完全干 燥，即可得到鈦酸鍶陶瓷素坯。
實(shí)施例9
1) 確定制備固相體積含量58%的懸浮液。先稱取鈦酸鍶鋇粉體(理論密度 6g/cm3)和氧化鋯球各150g，將球放入球磨罐中，可以計(jì)算出所加水體積為
(150x42) /(6x58)-18.10ml;
2) 緩慢加入鈦酸鍶鋇粉體，邊加邊攪拌，待粘度稍微增大時(shí)，加入分散劑 0.75ml，為粉體質(zhì)量的5%。，攪拌；
3) 再加入瓊脂糖0.272g，為水的質(zhì)量的15%。，攪拌，繼續(xù)加入鈦酸鍶鋇粉 體，直至加完；
4) 將上一步得到的漿料球磨混合24h;
5) 將金屬模具內(nèi)面事先涂好脫模劑，把上一步得到的懸浮體澆注充模； 把上一步得到的樣品先放入9(TC烘箱內(nèi)，保持30min，使瓊脂糖充分溶解。再依 次降低烘箱溫度至50'C保持lh,再降溫到37°C,保持2 3h，直至坯體完全干 燥，即可得到鈦酸鍶鋇陶瓷素坯。
權(quán)利要求
1、一種高電壓介電陶瓷的凝膠注模成型方法，其特征在于，凝膠注模成型方法步驟如下(1)、首先確定要制備的懸浮體的固相體積含量，再稱取和鈦酸鋇粉體質(zhì)量相當(dāng)?shù)难趸喦颍湃肭蚰ス拗?；?jì)算好的固相體積含量量取相應(yīng)的去離子水，再將粉體慢慢加入，邊加邊攪拌搖勻；(2)、在加入粉體的過程中，漿料粘度會(huì)慢慢變大，需要加入分散劑，它的用量是粉體質(zhì)量的3‰～5‰。再接著加入粉體，攪拌，直至粉體加完；(3)、進(jìn)行第(2)步同時(shí)再緩慢加入凝膠助劑瓊脂糖，它的用量是水的15‰～25‰，直至加完，此時(shí)鈦酸鋇粉體、分散劑、瓊脂糖和水已經(jīng)均勻混合；(4)、為了使液體充分混合，需要再球磨混合20～24h；(5)、經(jīng)過球磨得到了均勻混合，穩(wěn)定分散的陶瓷懸浮體；在室溫下將得到的懸浮體在圓柱形金屬模具中充模，模具內(nèi)面已經(jīng)涂有脫模劑；(6)、將第(5)步得到的樣品連同模具一起放入90℃烘箱內(nèi)，這是瓊脂糖的溶解溫度，使其充分溶解；通過調(diào)節(jié)烘箱溫度和凝膠時(shí)間使水分揮發(fā)，使坯體充分凝膠直至坯體完全變干，獲得成型質(zhì)量高，強(qiáng)度大的鈦酸鋇陶瓷素坯體。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種高電壓介電陶瓷的凝膠注模成型方法，其 特征在于所述的原料鈦酸鋇粉體經(jīng)固相法合成，粒徑有l(wèi)拜和3tim。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2中所述的一種高電壓介電陶瓷的凝膠注模成型方法， 其特征在于所述的分散劑使用聚丙烯酰胺或者四甲基氫氧化銨，用量在粉體 質(zhì)量的3%。 5%。。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種高電壓介電陶瓷的凝膠注模成型方法，其 特征在于所述的凝膠助劑瓊脂糖的凝膠強(qiáng)度不小于800g/cm 它的凝膠點(diǎn)在 37。C。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種高電壓介電陶瓷的凝膠注模成型方法，其 特征在于所述的球磨所用的球?yàn)閙m質(zhì)地堅(jiān)硬的氧化鋯球。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種高電壓介電陶瓷的凝膠注模成型方法，其 特征在于所述的鈦酸鋇粉體采用鈦酸鍶粉體或鈦酸鍶鋇粉體中的任何一種替 換。
全文摘要
本文涉及一種制備介電陶瓷的成型方法。在室溫下將鈦酸鋇粉體、分散劑、瓊脂糖，去離子水按照一定的比例球磨混合，球磨一定時(shí)間后將得到的懸浮液先做流變性實(shí)驗(yàn)，然后在室溫下進(jìn)行澆注。把澆注得到的坯體連同模具一起放置在90℃烘箱內(nèi)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于，首先它克服了傳統(tǒng)成型方法的缺陷，采用凝膠注模工藝成型，又使用新型無毒凝膠體系瓊脂糖，對環(huán)境友好無污染，在調(diào)節(jié)凝膠工藝的過程中做了很大改進(jìn)，通過改變凝膠體系各組分用量以及凝膠溫度等來控制凝膠成型時(shí)間，從而可實(shí)現(xiàn)較短時(shí)間內(nèi)的成型，減小懸浮體的沉降得到成型均勻、缺陷少的陶瓷坯體。本發(fā)明與其它路線相比，具有反應(yīng)條件溫和、工藝操作簡單、無毒無污染、坯體成行質(zhì)量高以及內(nèi)應(yīng)力和裂紋小的優(yōu)勢，使介電陶瓷在高壓領(lǐng)域的應(yīng)用前景更為廣闊。
文檔編號(hào)B28C1/08GK101544027SQ20091002215
公開日2009年9月30日 申請日期2009年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月24日
發(fā)明者斌 劉, 芳 周, 維 陳 申請人:西安易升電子有限公司