一种层状陶瓷曲面板的制备方法
技术领域
本发明涉及陶瓷材料制备技术领域，具体讲是一种层状陶瓷曲面板的制备方法。
背景技术
陶瓷材料具有高强度、高硬度、低密度的特性，国防、化工、机械等领域有着广泛的应用。然而陶瓷作为一种脆性材料脆性，其韧性较差，在高速冲击、交变应力等作用下容易发生灾难性断裂。层状复合陶瓷利用不同材料的交替叠层，增大裂纹扩展所需的能量，可以大幅材料韧性和断裂功，降低缺陷敏感性，从而改善陶瓷的脆性。层状复合陶瓷材料的制备可分为一体成型法和预制片叠层法两种。一体成型法直接通过层压、注浆等方法制备层状结构的陶瓷生坯，往往生产效率较低，不利于批量化生产。预制片叠层法则是先制备预制的陶瓷生坯预制片，然后将预制片按设计干压叠层、烧结。常见预制片制备方法中，流延成型相比于其它工艺，如凝胶注模、轧辊等，有着工艺简单，生产效率高的优点。专利CN110156486A提出了一种利用流延成型结合热压烧结制备层状陶瓷的方法，其陶瓷层结构可灵活设计，产品致密度高。但由于工艺所限，陶瓷生坯预制片只能是平面薄层，因而目前该方法局限于平板陶瓷的制备。由陶瓷生坯预制片制备层状陶瓷曲面板主要有两方面的困难。一方面，通过几何分析可知，对于裁切为平面的、形状一致的陶瓷生坯预制片，其叠层后不可能完全贴合所需要的曲面，平面预制片弯曲后必然会出现褶皱。这就带来了生坯片在压制过程中部分区域材料褶皱重叠的现象，进而影响导致曲面板各处受压不均匀。另一方面，平面的预制片叠层各处厚度相等，则弯曲后，曲面各处沿曲面法向方向的高度也相等。由于压制的压力方向一般是垂直于平面的，对于曲面上法向与压力方向不平行的点处，压力方向上的高度h'将大于曲面法向的高度h，如图1 a所示。而压缩量的绝对值正比于材料的高度，因此法向等高的曲面板压制过程中板上各处的压缩量不一致，大大加剧了曲面板各处受力不均的情况。生坯若在垂直方向高度一致，则不存在这一问题，如图1 b所示。曲面曲率越大，上述两个问题越显著。而预制片内的粉体处于粘结状态，粉体颗粒间紧密堆积，流动性较差，不能通过粉体的流动来实现生坯片的变形以贴合曲面并转变为垂直等高。
发明内容
针对层状陶瓷曲面板成型困难的问题，本发明利用粘结剂在加热状态下流动性的提高，通过裁切“V”型开口减少褶皱重叠，加热压制成型促进粉体的流动，使生坯由法向等高转变为垂直等高，并愈合剪裁的切口。
本发明所要解决的技术问题是，克服以上现有技术的缺点：提供一种层状陶瓷曲面板的制备方法，包括以下具体步骤：
1）制备陶瓷生坯片，厚度为0.1-5mm；
2）根据所制备的层状陶瓷曲面板的平面展开图对各层陶瓷生坯片进行裁切，裁切的陶瓷生坯片保证装模时边缘距离模具内壁具有间隙；
3）将裁切好的陶瓷生坯片叠层，并在模压时易产生材料褶皱重叠的区域切割“V”形开口，装入钢模，在30-380℃、50-500 kgf/cm2压力下压制成型，并保温0.5-5h；
4）以0.1-5℃/min的速度升温至450-850℃，保温2-3h，对生坯进行脱蜡处理；
5）以10-20℃/min的速度升温至1450-2350℃，保温0.5-2h，烧结压力0-40MPa，烧结气氛为氩气、氮气或者真空，随炉冷却至室温。
步骤1）中对陶瓷生坯片的制备方法无特殊限定，采用本领域技术人员所熟知的制备工艺即可，具体的，如流延成型、凝胶注模、轧制等；
步骤1）中陶瓷生坯片中粘结剂为聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯酸酯、羟丙基甲基纤维素、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或几种，粘结剂含量为5wt%-30wt%；
步骤2）中裁切的陶瓷生坯片保证装模时边缘距离模具内壁具有0.1-10mm的间隙。
本发明的有益效果是：
1、在陶瓷生坯片上局部褶皱重叠严重区域切割“V”形开口，在压制复杂曲面板时，开口两边可正好闭合，大大减少了压制过程中材料在局部褶皱重叠的情况；
2、当温度高于有机粘结剂的玻璃化温度而低于分解温度时，粘结剂的流动性会较常温下大幅度提高，在一定压力下可以实现流延片小幅度的塑性变形、流动。利用这一特性，在合适的温度和压力上压制复杂曲面板时，“V”形开口两边的材料可通过流动变形自我愈合，不会影响最终产品的性能。
3、流延片与模具间预留的间隙为材料流动提供了空间，合适的温度则提高了材料流动能力，加热压制过程中，二者的共同作用可以产生小幅度的塑性变形和流动能，促进流延片贴合模具曲面，生坯整体由法向等高转变为垂直等高，减少了材料的内部应力；
4、陶瓷生坯片裁切时只需要一种规格，无需按顺序叠层，便于大批量生产。
附图说明
图1为本发明现有技术中曲面板的受压结构示意图。
其中，图1a体现压力方向上的高度h'大于曲面法向的高度h，图1b体现压力方向上的高度相同。
具体实施方式
下面用具体实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明不仅局限于以下具体实施例。
实施例
按照以下步骤制备致密碳化硅曲面板：
1）陶瓷原料粉选用碳化硅粉、氮化硅粉、石墨粉，按94：4：2的比例混合，取混合后粉体100份，粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛20份，塑化剂为环氧大豆油6份，分散剂为鲱鱼油3份，溶剂为无水乙醇120份、三氯乙烯80份。将以上组分混合球磨得到陶瓷料浆；
2）利用流延成型工艺由陶瓷料浆制备陶瓷生坯片，流延层厚度为0.1 mm；
3）根据所制备的层状陶瓷曲面板的平面展开图对各层陶瓷生坯片进行裁切；在易褶皱重叠处设计“V”形开口；而易褶皱重叠处可通过预压制来确定。
4）将裁切好的流延片叠层，装入钢模，在180℃、500 kgf/cm2压力下压制成型；
5）以5℃/min的速度升温至850℃，保温2h，对生坯进行脱蜡处理；
6）以10℃/min的速度升温至1950℃，保温1h，烧结压力5MPa ,烧结气氛为真空，随炉冷却至室温；
得到致密碳化硅多曲面板，密度>3.15g/cm3，无明显变形、开裂，裁切时的“V”形开口处完全愈合。
以上仅是本发明的特征实施范例，对本发明保护范围不构成任何限制。凡采用同等交换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。
