本發(fā)明陶瓷干燥方法能避免產(chǎn)生裂紋和翹曲等缺陷，適用于內(nèi)部含有水凝膠的陶瓷生坯，在模型內(nèi)生成凝膠并成型的生坯，特別是大型厚壁生坯。
通過注漿、擠壓和轆轤車等濕式或半濕式成型的陶瓷生坯、特別是使用非可塑性原料的生坯，在成形或干燥時(shí)容易產(chǎn)生裂紋。一種防止成型裂紋的有效方法是使上述生坯包含水凝膠，讓濕生坯具有韌性。然而，含有水凝膠的生坯的干燥比較困難，在干燥中生坯會(huì)喪失韌性，不能防止干燥裂紋。生坯越大、壁越厚，干燥時(shí)越容易產(chǎn)生裂紋和翹曲等缺陷。
一種利用水凝膠的成型方法是使加入陶瓷粉末中的含有凝膠生成成分和水的泥漿在模具內(nèi)生成水凝膠（如美國專利Ｎｏ． ５０２８３２６），該方法能獲得接近凈成型的生坯，生成凝膠時(shí)粒子體積比（每單位體積成型生坯中的粒子數(shù)量）不變，有可能成為經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)形狀復(fù)雜的高質(zhì)量產(chǎn)品的方法。
然而，由于水分只能從生坯表面蒸發(fā)，干燥時(shí)在生坯厚度方向產(chǎn)生水分梯度，破壞粒子體積率的均一性，結(jié)果在生坯厚度方向發(fā)生由干燥收縮率差引起的應(yīng)力，容易產(chǎn)生裂紋和翹曲等缺陷。特別是當(dāng)生坯尺寸和厚度增加時(shí)，由干燥收縮率差引起的應(yīng)力增大，難以獲得高質(zhì)量燒成體。
就凝膠成型生坯的干燥方法而論，有美國專利Ｎｏ． ５０２８３２６提出的微波加熱干燥法和相同專利發(fā)明人在Ｃｅｒａｍ． Ｔｒａｎｓ． ２６１０１－０７１９９２中描述的高濕度室溫干燥法。
然而，用微波干燥法處理大型厚壁生坯時(shí)仍然容易產(chǎn)生裂紋和翹曲等缺陷，不能獲得良好的燒成體。高濕度室溫干燥法不能完全避免缺陷的生成，而且需要很長的干燥時(shí)間，不適用于生產(chǎn)大型厚壁構(gòu)件。
本發(fā)明提供解決上述問題的方法：將含水凝膠的成型生坯置于對水親合力好、沸點(diǎn)比水低、表面張力小的溶劑中進(jìn)行浸漬處理，在溶劑置換后干燥。
用對水親合力好的溶劑浸漬時(shí)，溶劑容易置換生坯中的水，使生坯粒子間的毛細(xì)管吸附電位降低，從而減少溶劑蒸發(fā)時(shí)對生坯的損害。用沸點(diǎn)比水低的溶劑置換生坯中水后，容易進(jìn)行干燥。結(jié)果能防止干燥裂紋和翹曲等缺陷，同時(shí)縮短干燥時(shí)間。
本發(fā)明適用于把陶瓷粉末與含凝膠生成成分和水的泥漿注入模型內(nèi)生成凝膠并成型、干燥收縮率較大、水凝膠耐水性較好的生坯的干燥。
在進(jìn)行溶劑置換時(shí)，最好從純有機(jī)溶劑和有機(jī)溶劑與水混合的混合溶劑中選擇水混合比不同的兩種以上溶劑，將內(nèi)部含有水凝膠的陶瓷生坯浸入按照從高至低水混合比順序排列的溶劑中。
雖然通過溶劑置換向外移動(dòng)的水和在大氣中與空氣接觸干燥時(shí)相比要少得多，但成型生坯粒子間的毛細(xì)管吸附電位作用會(huì)使生坯收縮。由于這種收縮仍然從表面開始，在生坯厚度方向難免產(chǎn)生由收縮差引起的應(yīng)力。
因此，準(zhǔn)備加水的混合溶劑，使生坯從高水混合比溶劑向低水混合比溶劑移動(dòng)，少量連續(xù)地進(jìn)行溶劑置換，分步收縮，能減小收縮應(yīng)力。
本發(fā)明的一種可取的方法是在溶劑置換時(shí)振動(dòng)部分或全部溶劑。振動(dòng)溶劑能加速大型厚壁生坯的溶劑置換過程。
本發(fā)明適用于各種陶瓷，如氧化鋁、氧化鋯、氮化硅、碳化硅和ｓｉａｌｏｎ等。本發(fā)明用陶瓷成型方法目的在于改善陶瓷生坯內(nèi)部的粘結(jié)可塑性，如果含有水凝膠，則不限定成型方法，如注漿成型、擠壓成型和轆轤車成型等均可使用。
本發(fā)明者使用的水凝膠沒有特定種類限制，例如，可使用甲基纖維素、羧基纖維素、聚乙烯醇、明膠、淀粉等。凝膠生成成分可以用美國專利Ｎｏ．５０２８３２６的水溶性丙烯酰胺和ＮＮ－亞甲基雙丙烯酰胺的水溶性單體，也可用水硬性氨基甲酸乙酯等的水溶性聚合物。
含水凝膠的陶瓷生坯應(yīng)置于對水親合力好、沸點(diǎn)比水低和表面張力小的溶劑中進(jìn)行浸漬處理。符合這些條件的溶劑包括乙醇、丙醇和丙酮等有機(jī)溶劑。這些溶劑的表面張力和沸點(diǎn)如表１所示。
表１
最好使用混合兩種以上上述有機(jī)溶劑或在上述有機(jī)溶劑中加水制備的混合溶劑。
本發(fā)明防止干燥裂紋和翹曲等缺陷生成的原理可用圖１所示干燥收縮率與時(shí)間的關(guān)系說明。在溶劑置換時(shí)，生坯粒子間毛細(xì)管吸附電位ΔＰ＝σ／ｒ，式中σ為表面張力或界面張力，ｒ?yàn)閺澮好姘霃剑?通過水和溶劑之間的界面張力起作用，引起生坯收縮。由于這種毛細(xì)管吸附電位比水和空氣接觸在大氣中干燥時(shí)小得多，因而收縮比室溫放置和加熱干燥時(shí)小。
用表面張力小的有機(jī)溶劑置換后，在室溫放置和加熱干燥時(shí)生坯粒子間的毛細(xì)管吸附電位減小，干燥收縮率降低。
上述生坯的總收縮率比室溫放置等干燥場合的干燥收縮小。因而用表面張力小的有機(jī)溶劑置換后，采用適當(dāng)?shù)母稍锓椒ǎ軠p小在生坯厚度等方向由干燥收縮差引起的應(yīng)力，從而減少大型厚壁生坯中的裂紋和翹曲等缺陷。
在純有機(jī)溶劑浸漬生坯前，用加水的上述有機(jī)溶劑進(jìn)行分級(jí)熔劑置換能進(jìn)一步減小毛細(xì)管吸附電位。如果按照從高水混合比至低水混合比順序分級(jí)進(jìn)行溶劑置換，干燥收縮率比一次置換時(shí)小。因而能進(jìn)一步減小生坯厚度等方向干燥收縮差引起的應(yīng)力，防止裂紋和翹曲等缺陷的產(chǎn)生。
多級(jí)溶劑處理以２級(jí)或３級(jí)為宜。雖然更多的分級(jí)有利于防止缺陷，但處理時(shí)間長。
在溶劑處理過程中振動(dòng)部分或全部溶劑能縮短溶劑置換需要的時(shí)間。作為攪拌方法，可在溶劑槽中安裝超聲波振動(dòng)器，也可攪拌溶劑本身或通過鼓泡攪拌。溶劑置換后在大氣中或減壓下于室溫或加熱條件下干燥。
實(shí)例１
在丙烯酰胺和ＮＮ－亞甲基雙丙烯酰胺的混合水溶液中加入平均粒度０．６微米的氧化鋁粉末和解膠劑，置于球磨機(jī)內(nèi)混合，制成含約５５體積％固體成分的泥漿。
加入聚合引發(fā)劑和催化劑脫除泡沫后，注入塑料模型中生成凝膠，制成直徑３００毫米厚度５０毫米的生坯。把含有凝膠的生坯置于乙醇中浸漬３天，溶劑置換后在室溫（約２５ °Ｃ）放置４天。然后移入６０ °Ｃ熱風(fēng)干燥器中干燥至水分幾乎完全除去。經(jīng)上述方法處理的生坯，燒成后能獲得無裂紋和翹曲缺陷的良好的燒成體。
作為本發(fā)明的比較例，不進(jìn)行溶劑置換、直接在室溫放置干燥、微波加熱和室溫加濕干燥的結(jié)果如表２所示。
由上表可知，直接室溫放置干燥和微波加熱干燥時(shí)生坯內(nèi)已經(jīng)產(chǎn)生裂紋，而且室溫放置干燥需要的時(shí)間為溶劑置換后干燥的大約兩倍。另外，室溫加濕干燥不能完全避免裂紋，而且需要的時(shí)間很長。
實(shí)例２
用與例１相同的泥漿，成型為比例１更厚的直徑３００毫米厚度６５毫米的生坯。將含有凝膠的生坯置于含４０體積％乙醇和６０體積％水的溶液中浸漬處理４天，在純乙醇中浸漬４天，然后在室溫放置６天，移入６０ °Ｃ熱風(fēng)干燥器，干燥至幾乎完全清除水分。生坯燒成后獲得無裂紋和翹曲等缺陷的優(yōu)良燒結(jié)體。相應(yīng)比較例結(jié)果表明，不進(jìn)行熔劑置換、室溫放置干燥、微波干燥、室溫加濕干燥的生坯均發(fā)生裂紋。另外，不用乙醇 ＋ 水混合溶劑進(jìn)行溶劑置換，開始就用純乙醇浸漬溶劑置換的生坯，也會(huì)產(chǎn)生裂紋。
