粉体颗粒级配方法和氧化锆粉体流延浆料及其制备方法与流程

本发明涉及一种粉体颗粒级配方法和一种高装载量的氧化锆粉体流延浆料及其制备方法，属于材料加工技术领域。

背景技术：

陶瓷粉体的流延工艺是一种很重要的成型手段，应用广泛，特别是在电子陶瓷和功能陶瓷领域有很多应用。氧化锆薄片状或多层陶瓷制品主要采用流延成型，有机载体含量越低，装载量越高，烧结后的强度也越高。然而，影响装载量的因素很多，有机载体含量过低会导致工艺性能受到影响，特别是在后续工艺操作中产生应力开裂等缺陷，反而降低烧成制品的强度。

因此，需要从氧化锆粉体自身的特性方面进行研究，在保证工艺性能的前提下尽可能提高装载量，以提高流延成型工艺氧化锆陶瓷制品的强度。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种粉体颗粒级配方法和一种氧化锆粉体流延浆料及其制备方法，通过粉体颗粒级配提高氧化锆粉体流延浆料的装载量，进而提高流延成型工艺氧化锆陶瓷制品的强度，从而突破现有技术中因提高氧化锆流延浆料装载量遇到工艺性能下降的技术瓶颈。

本发明提供了一种粉体颗粒级配方法，包括：基本粉体粒径d的颗粒按接近立方晶系中面心立方的堆积方式，在基本粉体粒径d的基础上，级配一定量的粒度小于等于面心立方四面体和/或八面体最大间隙粒径的颗粒，使其填充在四面体和/或八面体间隙中。

根据本发明的一个具体但非限制性的实施方案，级配的颗粒粒径及其体积或重量份数为：

基本粉体粒径d100份，

四面体间隙填充粒径d4≤0.225d≤2.3份，

八面体间隙填充粒径d8≤0.414d≤7.1份。

根据本发明的一个具体但非限制性的实施方案，所述的粉体颗粒级配方法用于氧化锆粉体、氧化硅粉体或氧化铝粉体的颗粒级配。

根据本发明的一个具体但非限制性的实施方案，用于氧化锆粉体的颗粒级配，所述粉体粒径d，d4，d8在适合流延的粉体粒度范围0.2～1.0um之内。

根据本发明的一个具体但非限制性的实施方案，级配的颗粒粒径及其体积或重量份数为：

基本粉体粒径d100份，

四面体间隙填充粒径d4＝0.225d2.3份，

八面体间隙填充粒径d8＝0.414d7.1份；

其中，所述粉体粒径d，d4，d8在适合流延的粉体粒度范围0.2～1.0um之内。

另一方面，本发明提供了一种高装载量的氧化锆粉体流延浆料，其特征在于，所述的氧化锆粉体经过如上述的粉体颗粒级配方法级配。

根据本发明的一个具体但非限制性的实施方案，所述的氧化锆粉体流延浆料，其主要组分及其重量份数为：

其中，所述粉体粒径d，d4，d8在0.2～1.0um范围之内。

根据本发明的一个具体但非限制性的实施方案，其中，溶剂是甲苯或乙醇中至少一种；分散剂是三乙醇胺；粘合剂是聚乙烯醇缩丁醛；塑化剂是邻苯二甲酸丁苄酯；润滑剂是聚乙二醇。

根据本发明的一个具体但非限制性的实施方案，所述的氧化锆粉体流延浆料，其主要组分及其重量份数为：

其中，所述粉体粒径d，d4，d8在0.2～1.0um范围之内。

另一方面，本发明还提供了一种高装载量的氧化锆粉体流延浆料的制备方法，所述的氧化锆粉体经过如上述的粉体颗粒级配方法级配。

本发明的有益效果主要体现在：

1.本发明根据晶体学立方晶系中面心立方的堆积方式，提出粉体颗粒级配方法，在其四面体和八面体间隙中嵌入粒度小于等于最大间隙粒径的颗粒，在不增加堆积体体积的情况下增大了堆积密度，进而在后续的氧化锆流延工艺中，在保证工艺性能的前提下，提高了氧化锆流延浆料的装载量。

2.本发明的氧化锆粉体流延浆料及其制备方法，利用颗粒级配可获得高装载量的氧化锆流延片，烧成后的陶瓷致密度和强度均有提高，突破了现有技术中因提高氧化锆流延浆料装载量遇到工艺性能下降的技术瓶颈。

附图说明

图1是粉体最密堆积的面心立方体模型。

图2是粉体最密堆积的面心立方体示意图。

图3是一个抽象的面心立方体示意图。

图4是图3中的一个正四面体abcd。

图5是图4中底面dbc的俯视图。

图6是图3中的一个正八面体dbcefg。

图7是图6中面bcef的俯视图。

图8是图3面心立方体中面aijk的俯视图。

具体实施方式

下文提供了具体的实施方式进一步说明本发明，但本发明不仅仅限于以下的实施方式。

本发明根据晶体学立方晶系中面心立方的堆积方式，提出一种粉体颗粒级配方法。

基本的粉体粒径d，在各种堆积中的最紧密堆积状态下，接近立方晶系中面心立方的堆积方式，图1和图2接近面心立方堆积的实际状态，图3是一个抽象的面心立方体示意图。如图3所示，在其四面体和八面体间隙中嵌入粒度小于等于最大间隙粒径的颗粒，可以在不增加堆积体体积的情况下增大堆积密度。

依据晶体学中关于面心立方点阵结构的立体几何关系，可以推导出四面体和八面体间隙中可填充的最大颗粒粒径。

假设点阵颗粒与相邻颗粒是刚性球接触。四面体间隙是顶点颗粒与该顶点相邻三面的面心颗粒组成，如图3中的abcd组成一个四面体，这四个颗粒之间都是刚性球接触，在这个正四面体的中心存在间隙，在该间隙中放入一填充颗粒，能放入的最大填充颗粒即能与四个颗粒刚性球接触。

图4是图3中的一个正四面体abcd，在该正四面体中放入一填充颗粒，使该填充颗粒与四个顶点颗粒刚性球接触，其中o为填充颗粒的球心，填充颗粒的半径为r4，粉体颗粒的粒径为d，则ao＝od＝1/2d+r4；

图5是图4中底面dbc的俯视图，等边三角形dbc的边长dc＝d，

如图4，ao1是a点经过球心o的延长线，垂直于bcd面，在直角三角形ao1d中，

则

如图4，在直角三角形oo1d中，

根据(oo1)²+(do1)²＝(od)²，oo1＝ao1-ao，设ao＝od＝l

则

则

则d4＝2r4＝0.225d。

由此，按照面心立方的堆积方式，计算出四面体间隙中填充的最大颗粒粒径为0.225d。

接下来，首先推导八面体间隙中填充的最大颗粒粒径。

八面体间隙是由六个面心颗粒组成的八面体，每个颗粒与相邻颗粒是刚性球接触，而与相对颗粒不是刚性球接触，如图3中的dbcefg组成一个八面体，在这个正八面体的中心存在间隙，在该间隙中放入一填充颗粒，能放入的最大填充颗粒即能与六个颗粒刚性球接触。

图6是图3中的一个正八面体dbcefg，在该正八面体中放入一填充颗粒，使该填充颗粒与六个顶点颗粒刚性球接触，其中o为填充颗粒的球心，填充颗粒的半径为r8，粉体颗粒的粒径为d，则de＝d；

图7是图6中面bcef的俯视图，正方形bcef的边长ef＝d，球心o到ef中点h的距离oh＝d/2，eh＝d/2，

如图6，在直角三角形deh中，(dh)²＝(de)²-(eh)²＝d²-(d/2)²＝3/4d²

则

如图6，在直角三角形doh中，

则

则d8＝0.414d。

由此，按照面心立方的堆积方式，计算出八面体间隙中填充的最大颗粒粒径为0.414d。

下面计算四面体间隙和八面体间隙可填充的最大体积数。设基本粉体粒径d的粉体体积为v，则

四面体间隙可填充的最大体积v4max＝四面体间隙最大填充颗粒体积/面心立方的堆积体积·v；

八面体间隙可填充的最大体积v8max＝八面体间隙最大填充颗粒体积/面心立方的堆积体积·v；

单个面心立方体内四面体间隙个数为8，八面体间隙个数为4，则

四面体间隙最大填充颗粒体积＝8×(4/3)π(d4/2)³＝8(1/6)π(0.225d)³＝0.0477d³,

八面体间隙最大填充颗粒体积＝4×(4/3)π(d8/2)³＝4(1/6)π(0.414d)³＝0.149d³,

如图3所示，面心立方体的边长为a，面心立方体体积＝a³，根据面心立方体的堆积密度为0.74，则面心立方的堆积体积＝0.74a³，

图8是图3面心立方体中面aijk的俯视图，(ai)²+(ji)²＝(aj)²，aj＝2d，2a²＝(2d)²，则

则四面体间隙可填充的最大体积v4max＝四面体间隙最大填充颗粒体积/面心立方的堆积体积·v＝0.0477d³/2.09d³·v＝0.023v，

八面体间隙可填充的最大体积v8max＝八面体间隙最大填充颗粒体积/面心立方的堆积体积·v＝0.149d³/2.09d³·v＝0.071v。

由此，计算出四面体间隙可填充的最大体积为0.023v；八面体间隙可填充的最大体积为0.071v。

在氧化锆粉体的实际应用中，例如在实际流延浆料体系中，氧化锆粉体颗粒在浆料体系的随机碰撞有一定的几率形成上述面心立方的最紧密堆积，只要颗粒级配满足上述四面体和八面体间隙填充的法则，就会起到保证流延工艺性能前提下增大流延装载量的效果。

本发明因此提出一种粉体颗粒级配方法，包括：基本粉体粒径d的颗粒按接近立方晶系中面心立方的堆积方式，在基本粉体粒径d的基础上，级配一定量的粒度小于等于面心立方四面体和/或八面体最大间隙粒径的颗粒，使其填充在四面体和/或八面体间隙中。通过级配，在不增加堆积体体积的情况下增大了粉体的堆积密度。

具体地，级配的颗粒粒径及其体积或重量份数为：

基本粉体粒径d100份，

四面体间隙填充粒径d4≤0.225d≤2.3份，

八面体间隙填充粒径d8≤0.414d≤7.1份。

因基本粉体和填充粉体是同一种粉体，所以用体积份数和重量份数表示均可。

本发明的粉体颗粒级配方法除了适用于氧化锆粉体以外，其他一些球状粉体如氧化硅粉体、氧化铝粉体等均适用。

通常适合流延的氧化锆粉体粒径d在0.2～1.0um，比表面积在6～16m²/g，因此，上述粉体粒径d，d4，d8还应在适合流延的粉体粒度范围0.2～1.0um之内。

经过级配的氧化锆粉体，以100重量份的基本粉体计，加入30-60重量份的溶剂，加入0.1-2重量份的分散剂、4-9重量份的粘合剂、2-3重量份的塑化剂和2-3重量份的润滑剂，通过球磨方法制成高装载量的氧化锆流延浆料。

其中，溶剂、分散剂、粘合剂、塑化剂和润滑剂可使用流延工艺中常用的物质，如溶剂可以是甲苯、乙醇等；分散剂可以是三乙醇胺等；粘合剂可以是聚乙烯醇缩丁醛等；塑化剂可以是邻苯二甲酸丁苄酯等；润滑剂可以是聚乙二醇等。

实验证明，经过级配的流延片烧成瓷片与未经级配的流延片烧成瓷片相比，相对密度提高1.5％以上，断裂强度提高5％以上。因此，通过本发明的粉体颗粒级配方法，可以获得的更高装载量的氧化锆流延片，烧成后的陶瓷致密度和强度更高。

下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。

上文及下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

上文及下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例1

用下述粉体级配方法制备高装载量的氧化锆流延浆料：

基本氧化锆粉体粒径d为0.5um的级配，依据上述粉体级配方法计算d8＝0.207um，加入量为基本粉体的7.1％；d4＝0.113um，不在适合流延的粉体范围0.2～1.0um，不加。所以该体系最佳的粉体级配是粒径d为0.5um的粉体分数100份，粒径d8为0.207um的粉体分数7.1份。将该级配的粉体取代100份粒径d为0.5um的粉体制作流延浆料。

流延浆料制备方法为：取100重量份的粒径为0.5um的氧化锆粉体以及7.1重量份的粒径为0.207um的氧化锆粉体，加入40重量份的溶剂甲苯、乙醇各半，加入0.5重量份的分散剂三乙醇胺、8重量份的粘合剂聚乙烯醇缩丁醛、3重量份的塑化剂邻苯二甲酸丁苄酯和3重量份的润滑剂聚乙二醇，通过球磨方法制成流延浆料。

对比未经级配的100重量份的粒径为0.5um的氧化锆粉体，加入上述同样分量的溶剂、分散剂、粘合剂、塑化剂和润滑剂，通过球磨方法制成流延浆料。

将上述流延浆料在流延机上做成流延片，将氧传感器流延片置于程控烧结炉中进行脱出有机物和烧结，烧结之前先排胶，此时升温速度控制在0.2℃/min，温度区间在200℃～800℃，烧结温度设定在1500℃。

将经过级配的流延片烧成瓷片和未经级配的流延片烧成瓷片进行致密度和断裂强度对比。未经级配的瓷片密度为5.7g/cm³，强度为1200mpa；经过级配的瓷片密度为5.8g/cm³，强度为1265mpa；经过级配的瓷片相对密度提高了1.8％，强度提高了5％以上。

实施例2

用下述粉体级配方法制备高装载量的氧化锆流延浆料：

基本氧化锆粉体粒径d为0.6um的级配，依据上述粉体级配方法计算d8＝0.248um，加入量为基本粉体的7.1％；d4＝0.135um，不在适合流延的粉体范围0.2～1.0um，不加。所以该体系最佳的粉体级配是粒径d为0.6um的粉体分数100份，粒径d8为0.248um的粉体分数7.1份。将该级配的粉体取代100份粒径d为0.6um的粉体制作流延浆料。

流延浆料制备方法为：取100重量份的粒径为0.6um的氧化锆粉体以及7.1重量份的粒径为0.248um的氧化锆粉体，加入40重量份的溶剂甲苯、乙醇各半，加入0.5重量份的分散剂三乙醇胺、8重量份的粘合剂聚乙烯醇缩丁醛、3重量份的塑化剂邻苯二甲酸丁苄酯和3重量份的润滑剂聚乙二醇，通过球磨方法制成流延浆料。

对比未经级配的100重量份的粒径为0.6um的氧化锆粉体，加入上述同样分量的溶剂、分散剂、粘合剂、塑化剂和润滑剂，通过球磨方法制成流延浆料。

烧成工艺同实施例1。将经过级配的流延片烧成瓷片和未经级配的流延片烧成瓷片进行致密度和断裂强度对比。未经级配的瓷片密度为5.6g/cm³，强度为1180mpa；经过级配的瓷片密度为5.7g/cm³，强度为1240mpa；经过级配的瓷片相对密度提高了1.8％，强度提高了5％。

实施例3

用下述粉体级配方法制备高装载量的氧化锆流延浆料：

基本氧化锆粉体粒径d为1.0um的级配，依据上述粉体级配方法计算d8＝0.414um，加入量为7.1％；d4＝0.225um，加入量为2.3％。所以该体系最佳的粉体级配是粒径d为1.0um的粉体分数100份，粒径d8为0.414um的粉体分数7.1份，粒径d为0.225um的粉体分数2.3份。将该级配的粉体取代100份粒径d为1.0um的粉体制作流延浆料。

流延浆料制备方法为：取100重量份的粒径为1.0um的氧化锆粉体以及7.1重量份的粒径为0.414um的氧化锆粉体和2.3重量份的粒径为0.225um的氧化锆粉体，加入40重量份的溶剂甲苯、乙醇各半，加入0.5重量份的分散剂三乙醇胺、8重量份的粘合剂聚乙烯醇缩丁醛、3重量份的塑化剂邻苯二甲酸丁苄酯和3重量份的润滑剂聚乙二醇，通过球磨方法制成流延浆料。

对比未经级配的100重量份的粒径为1.0um的氧化锆粉体，加入上述同样分量的溶剂、分散剂、粘合剂、塑化剂和润滑剂，通过球磨方法制成流延浆料。

烧成工艺同实施例1。将经过级配的流延片烧成瓷片和未经级配的流延片烧成瓷片进行致密度和断裂强度对比。未经级配的瓷片密度为5.58g/cm³，强度为1150mpa；经过级配的瓷片密度为5.69g/cm³，强度为1242mpa；经过级配的瓷片相对密度提高了2％，强度提高了8％。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变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。