一种自蔓延热爆炸烧结制备陶瓷块体的装置

本发明涉及一种自蔓延热爆炸烧结制备陶瓷块体的装置，属于陶瓷制备。

背景技术：

1、自蔓延高温合成技术的主要原理是利用外部热源引发局部具有高放热量的化学反应，该反应放出来的热量又引发附近区域的化学反应，继而形成一个反应波前沿向未反应区域推进，直至所有反应物反应完成。与传统材料制备技术相比，自蔓延高温合成技术具有以下优点：一、合成工艺以及所需设备简单，并易于大规模生产；二、能源消耗低，在引发反应后便不再需要外部能量供给；三、生产效率高，反应时间在几秒到几分钟之间；四、产物纯度高，反应转换率接近100％；五、反应过程中放出大量热量，体系温度较高，具有很高的活性，更容易烧结。利用自蔓延高温合成技术能够制备碳化物、氮化物、硼化物、氧化物等许多材料，目前常用于制粉、熔铸、焊接、烧结以及涂层等技术领域。

2、爆炸烧结又叫爆炸压实、爆炸固结，是利用炸药爆轰所产生的能量，以激波的形式直接作用于待烧结样品，或驱动飞片作用于待烧结样品，使待烧结样品受到冲击波作用进而致密化的工艺方法。相比于传统的烧结方法，爆炸烧结具有以下优点：一、产生压力大，最高可达100gpa，可以烧结出近乎密实的材料；二、作用时间短，一般在几十微秒左右，对待烧结样品本身性质影响较小；三、装置简单，易于扩大生产规模。爆炸烧结被广泛应用于纳米结构材料、非晶材料、超硬材料和难烧结粉末材料等领域。

3、在陶瓷材料的制备中，自蔓延高温合成技术是一种常见的工艺。但传统的自蔓延高温合成技术在制备陶瓷材料时，因其反应时间短且无外加压力，产物往往呈多孔、疏松状，致密度仅有50％～60％，难以得到致密的陶瓷块体。因此在自蔓延高温合成过程中引入外加压力以促进致密化的方法则能够解决这些缺点，因此将加压速率快、压力峰值高的爆炸烧结与自蔓延高温合成结合，是提高陶瓷材料致密度的有效方法。

4、但是现有技术中，将自蔓延高温合成与爆炸烧结结合起来所形成的装置，其存在的问题在于，只对待烧结样品的水平方向做了限制，如使用钢环对陶瓷初坯进行环向约束，并在周围环绕多层石膏板作为支撑，在顶部铺设氧化锆板作为隔热材料，因此现有技术中的装置无法避免待烧结样品的竖直方向在自蔓延反应过程中的膨胀，影响陶瓷块体的致密度；另外，由于现有的这种结合的装置结构复杂，导致冲击波传播情况复杂，因此在调整陶瓷块体制备参数时，需要考虑的影响因素较为复杂。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种自蔓延热爆炸烧结制备陶瓷块体的装置，所述装置能够在水平和竖直方向上将待烧结样品(即陶瓷初坯)约束限制起来，避免了待烧结样品在自蔓延反应中的膨胀，有利于提高致密度，且对待烧结样品全方位的约束，避免了样品的位移，有利于爆炸烧结后对样品的回收；所述装置结构简单，便于对陶瓷块体制备时参数的调整。

2、为实现本发明的目的，提供以下技术方案。

3、一种自蔓延热爆炸烧结制备陶瓷块体的装置，包括爆轰驱动飞片装置和陶瓷块体限位装置；

4、所述爆轰驱动飞片装置间隔设置在所述陶瓷块体限位装置之上，所述爆轰驱动飞片装置包括炸药和飞片，炸药被引爆后驱动飞片冲击所述陶瓷块体回收装置；

5、所述陶瓷块体限位装置包括顶盖、约束部件和底座；在所述底座的上端面设置凸起，凸起的上端面用于放置陶瓷初坯；

6、所述顶盖具有能与底座上的凸起侧面紧密配合的凹槽，所述凹槽的槽口处设置向外伸出的外沿，凹槽的深度大于凸起上的初坯的厚度，且小于陶瓷初坯和所述凸起的总厚度；

7、所述约束部件同轴套装在顶盖外部，所述约束部件通过其内部的台阶面与所述外沿上端面抵触实现对顶盖的限位；所述约束部件与底座可拆卸连接；

8、所述顶盖的侧面设置通孔作为用于放置铝热剂的点火孔，所述约束部件的侧面设置与点火孔相通的用于放置点火线的通槽，点火线与铝热剂接触。

9、进一步地，当所述顶盖已经罩住凸起上的陶瓷初坯，且约束部件已经同轴套装在顶盖外部并与底座连接时，顶盖的顶部高于约束部件的顶部。

10、进一步地，所述爆轰驱动飞片装置还包括支架，所述支架具有中心通孔，飞片边缘与所述支架上的中心通孔粘接，飞片上放置炸药。

11、进一步地，所述爆轰驱动飞片装置还包括设置在支架与约束部件之间的多个支撑柱。

12、进一步地，所述支架和约束部件上均设置有用于固定支撑柱的定位孔。

13、进一步地，在所述顶盖的侧面设置多个通孔作为排气孔。

14、进一步地，所述底座上与约束部件对接的部分设置多个连接通孔，所述约束部件的底部设置与底座上连接通孔对应的螺纹孔，通过螺栓使所述约束部件与所述底座相连接。

15、进一步地，所述自蔓延热爆炸烧结制备陶瓷块体的装置还包括点火延时起爆装置，所述点火延时起爆装置用于控制对陶瓷块体自蔓延反应的点火时刻、控制炸药的起爆时刻，以及控制点火和起爆之间的时间间隔。

16、进一步地，所述点火延时起爆装置包括延时控制器以及分别与延时控制器电连接的点火装置和起爆控制器；所述点火装置用于控制对陶瓷块体自蔓延反应的点火，所述延时控制器在点火装置完成点火后，延时设定时间，向起爆控制器发送起爆信号，所述起爆控制器依据接收到的起爆信号控制炸药的起爆。

17、有益效果

18、1.本发明提供了一种自蔓延热爆炸烧结制备陶瓷块体的装置，所述装置通过顶盖、约束部件和底座的设置，实现了对初坯的全方位限制，因此，所述初坯在自蔓延过程中不会发生水平方向或竖直方向的膨胀，为获得高致密度的陶瓷块体提供了基础。同时顶盖呈凹槽状，所述凹槽的深度大于初坯的厚度，且小于初坯和所述凸起的总厚度，如此当炸药爆炸驱动飞片向顶盖冲击时，顶盖有向下位移的空间，以压实自蔓延反应后的初坯，获得高致密度的陶瓷块体。另外，本发明所述陶瓷块体回收装置的设置，控制了自蔓延火焰方向，使所述爆轰驱动飞片装置隔绝火焰，避免炸药的早炸，提高了安全性，同时还有利于在爆炸烧结后对制得的陶瓷块体的整体回收。

19、本发明所述自蔓延热爆炸烧结制备陶瓷块体的装置结构简单，便于对陶瓷块体制备时参数的调整，通过对炸药用量、炸药类型、顶盖与飞片之间的间隔、顶盖壁厚、飞片厚度的调整，就能够调整制备陶瓷块体的工艺参数。

20、2.本发明提供了一种自蔓延热爆炸烧结制备陶瓷块体的装置，当所述顶盖已经罩住凸起上的陶瓷初坯，且约束部件已经同轴套装在顶盖外部并与底座连接时，顶盖的顶部高于约束部件的顶部，如此被飞片冲击后，飞片只作用于顶盖，如此能够更好地获得高致密度的陶瓷块体。

21、3.本发明提供了一种自蔓延热爆炸烧结制备陶瓷块体的装置，在所述顶盖中设置多个排气孔，以排出自蔓延反应时产生的气体，避免了在后续的烧结过程中产生气孔(气孔会导致陶瓷块体的致密度降低)，提高陶瓷块体的致密度。

22、4.本发明提供了一种自蔓延热爆炸烧结制备陶瓷块体的装置，通过螺栓使所述约束部件与所述底座相连，便于所述装置的安装和拆卸。

23、5.本发明提供了一种自蔓延热爆炸烧结制备陶瓷块体的装置，其还包括点火延时起爆装置，所述点火延时起爆装置可以保证正好在初坯自蔓延反应结束时，对其进行冲击压实，使陶瓷块体的制备操作方便。