一種水基ZrB2膏體材料及其制備方法技術

一種水基ZrB2膏體材料及其制備方法，水基ZrB2膏體材料是由ZrB2粉末、碳粉、去離子水、聚丙烯酸類分散劑、甘油、聚乙二醇、聚乙烯醇水溶液為原料，固體粉末經機械攪拌混合，液體組分經機械攪拌或者電磁攪拌混合，混合粉末分批加入混合液體中進行球磨，球磨時漿料pH值調整在9左右，球磨24小時后取出漿料，用鹽酸調整pH值使粘度達到擠出的要求，所得膏體密封存放。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種水基陶瓷膏體，是針對擠出冷凍三維打印成形的水基ZrB2膏體和該膏體的制備工藝。
技術介紹
ZrB2是一種超高溫陶瓷(UHTCs)，具有高熔點、高硬度、高化學穩定性、高熱導和較低的密度，是航空航天、冶金、軍事等領域很多高端產品的熱門候選材料，被認為是最有應用前途的UHTCs材料。雖然ZrB2在原料制備、材料改性、制造工藝等方面取得了很大的進展，但是作為零件使用仍然受到成型工藝的制約。目前ZrB2零件的成型可以采用熱等靜壓等方法，但是只能制造實心體的簡單零件，對于帶有內部空腔的復雜零件還缺乏經濟有效的近凈成型成型工藝，從而阻礙了 ZrB2材料的應用和發展。近年來很多陶瓷材料已經能夠采用三維打印技術制造復雜零件，利用計算機三維模型的分層數據處理結合合適的固體層片制造和堆積，直接得到CAD模型的實體零件。目前有很多三維打印技術被開發用于陶瓷零件的制造，但是多數一般都需要將陶瓷粉末包覆或者混合在有機粘結劑中，成形后再進行毛坯燒結。ZrB2粉末的燒結條件極其嚴苛，大量有機粘結劑不僅造成燒結過程的環境污染，而且關鍵是使ZrB2零件很難成功燒結。冷凍三維打印成形工藝主要采用水的冷凍代替有機物的交聯作為陶瓷材料的粘結劑，水作為主要分散介質 制備ZrB2膏體，經擠出后冷凍成型零件，從而最大程度避免了有機物燒蝕的不良影響，非常適合于ZrB2零件的三維打印制造。具有可良好擠出成形性的水基ZrB2膏體成為了這種成形工藝的關鍵，單純的水和ZrB2粉末混合不能獲得粉末均勻分散并具有良好流變性的膏體，需要加入多種附加物并制訂合理的制備工藝。
技術實現思路
一種水基ZrB2膏體材料及其制備方法。本專利技術是一種水基ZrB2膏體材料及其制備方法，其水基ZrB2膏體材料,按體積百分比計，其組分為=ZrB2粉末40% 50%，碳粉I 5%，去離子水32. 5% 55. 99%，聚丙烯酸類分散劑0. 01% 0. 5%，甘油2% 8%，聚乙二醇0. 5% 2%，聚乙烯醇水溶液0. 5% 2%。水基ZrB2膏體材料的制備方法，按權利要求1所述組分備料，其步驟為 (1)首先將去離子水、聚丙烯酸類分散劑、甘油、聚乙二醇、聚乙烯醇水溶液經機械攪拌或者電磁攪拌后制得混合液體，同時將ZrB2粉末和碳粉經機械攪拌后制得混合固體粉末； (2)把上述混合液體加入球磨罐中，將上述混合固體粉末分批加入混合液體中球磨混合，每次新加粉末都是在前次加入粉末充分潤濕并形成均勻混合后進行，氨水調節PH值到9，配方組分中所有材料都混合均勻； (3)將上述混合物放在球磨機中球磨24小時，將混合漿料取出，用鹽酸調整pH值，使粘度達到擠出的要求，然后密封存放待用。本專利技術的膏體擠出性能良好，對燒結過程不良作用小，具有環境友好、制備工藝簡單易行的優點，可用于高性能復雜ZrB2零件的制造。附圖說明圖1是ZrB2溶液的4電位隨pH值的變化的曲線圖。具體實施例方式本專利技術是一種水基ZrB2膏體材料及其制備方法，其水基ZrB2膏體材料,按體積百分比計，其組分為=ZrB2粉末40% 50%，碳粉I 5%，去離子水32. 5% 55. 99%，聚丙烯酸類分散劑0. 01% 0. 5%，甘油2% 8%，聚乙二醇0. 5% 2%，聚乙烯醇水溶液0. 5% 2%。水基ZrB2膏體材料的制備方法，按權利要求1所述組分備料，其步驟為 (1)首先將去離子水、聚丙烯酸類分散劑、甘油、聚乙二醇、聚乙烯醇水溶液經機械攪拌或者電磁攪拌后制得混合液體，同時將ZrB2粉末和碳粉經機械攪拌后制得混合固體粉末； (2)把上述混合液體加入球磨罐中，將上述混合固體粉末分批加入混合液體中球磨混合，每次新加粉末都是在前次加入粉末充分潤濕并形成均勻混合后進行，氨水調節PH值到9，配方組分中所有材料都混合均勻； (3 )將上述混合物放在球磨機中球磨24小時，將混合漿料取出，用鹽酸調整pH值，使粘度達到擠出的要求，然后密封存放待用。本專利技術的水基ZrB2膏體材料，按體積百分比計，其最優組分為ZrB2粉末46%，碳粉2%，去離子水46. 3%，聚丙烯酸類分散劑0.2%，甘油4%，聚乙二醇0.5%，聚乙烯醇水溶液1%。 按優選體積配比制備IOOOml膏體為例，取去離子水463ml、聚丙烯酸類分散劑2ml、甘油40ml、聚乙二醇5ml、聚乙烯醇水溶液IOml，用機械攪拌或電磁攪拌混合20-30分鐘，制得混合液體備用；取2800克ZrB2粉末和42克碳粉，機械混合成混合粉末。把混合液體加入球磨罐中，將混合固體粉末分四批分別加入球磨罐里的混合液體中，每次新加粉末都是在前次加入粉末充分潤濕并形成流動性好的漿料后進行，并確認PH值是否接近9，否則用氨水調節。配方組分中所有材料都混合均勻后，確認調節PH值后，在球磨機中球磨24小時；將球磨后形成的漿料倒出球磨罐，用鹽酸調整PH值，使粘度達到擠出的要求，然后密封存放待用。本專利技術的解決方案是基于根據膠體化學靜電分散理論，采用“分散劑分散ZrB2粉體+pH調節粘度”的方案制定膏體配方和制備工藝。如果只有ZrB2粉體和水混合，形成膏體的固相體積含量只能達到25%左右，且容易分層沉降。因此本專利技術采用加入聚丙烯酸類化合物作為分散劑，在粉末和水的混合漿料中分散劑可以電離大量陰離子，被微粉顆粒所吸附，并在顆粒的表面形成一層溶劑化的薄膜層，形成了新的雙電層，提高了漿體的;電位，使顆粒之間的斥力能增大，從而提高了粉體的分散性和穩定性，使制備膏體的固相體積分數達到45-50%，這樣燒結后的ZrB2坯體的致密度和尺寸精度就會達到要求。由于擠出用的膏體不能太稀，否則通過擠出口后不能保持一定的形狀，三維堆積的坯體不能獲得良好的形狀；也不能太稠，否則擠出力太大甚至不能擠出。而合適的膏體粘度可以通過PH值進行調節，方便且有效。如圖1所示，ZrB2A溶液在pH值為9左右時具有最小的;電位，分散性最好，因此用該值作為使粉料均勻分散于水中的溶液PH值。而要獲得較高的粘度，只需向酸性或者堿性方向調節PH值即可。為了避免堿性溶液腐蝕擠出裝置，本專利技術向酸性方向調節PH值至7左右，也就是擠出使用的膏體基本呈中性。本專利技術在膏體中加入的其他附加物及其作用加入少量甘油和聚乙二醇增加ZrB2膏體的潤滑性和塑性，減少擠出過程中的動力消耗；加入聚乙烯醇水溶液保持ZrB2濕坯零件干燥脫水過程中的形狀，在脫水和烘烤過程中不至于失去強度；加入少量碳粉作為ZrB2粉末的助燒劑；氨水和鹽酸可改變ZrB2漿料的pH值，作為膏體粘度的調節劑使用。本專利技術的最主要特點是ZrB2膏體中固體粉末的體積含量達到了 40%以上，優化配方中達到了 48%，而液體分散介質和附加物中有機物占3%到12. 5%，優化配方中僅為5. 7%，因此膏體中的有機物很少，尤其是燒結過程中影響較大的大分子有機物更少，這樣最大程度避免了有機物燒蝕對環境和ZrB2燒結質量的不良影響。膏體中大部分液態分散介質均為水，既使粉末能夠均勻分散，又能保證三維陶瓷零件坯體的凍結成形，成本低廉，環境友好。本專利技術的另一特點是利用ZrB2粉末的水化分散機制，采用分散劑使粉末在液態介質中分散良好，用PH值調節混合漿料的粘度，低粘度下球磨獲得均勻分散的漿料，然后用pH值調高粘度得到膏體，滿足 擠出過程對本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種水基ZrB2膏體材料，按體積百分比計，其組分為：ZrB2粉末40%~50%，碳粉1~5%，去離子水?32.5%~55.99%，聚丙烯酸類分散劑?0.01%~0.5%，甘油?2%~8%，聚乙二醇?0.5%~2%，聚乙烯醇水溶液?0.5%~2%。

【技術特征摘要】
1.一種水基ZrB2膏體材料，按體積百分比計，其組分為ZrB2粉末40% 50%，碳粉 Γ5%,去離子水32. 59Γ55. 99%，聚丙烯酸類分散劑O. ΟΡ/ΓΟ. 5%，甘油2% 8%，聚乙二醇O.5% 2%，聚乙烯醇水溶液O. 5% 2%。2.根據權利要求1所述的水基ZrB2膏體材料，按體積百分比計，其最優組分為2池2粉末46%，碳粉2%，去離子水46. 3%，聚丙烯酸類分散劑0.2%，甘油4%，聚乙二醇0.5%，聚乙烯醇水溶液1%。3.水基ZrB2膏體材料的制備方法，按權利要求1...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉洪軍，李亞敏，劉佳，
申請(專利權)人：蘭州理工大學，
類型：發明
國別省市：