用于氧化铍陶瓷结构件的制备方法与流程

本发明涉及陶瓷制备，具体涉及一种用于氧化铍陶瓷结构件的制备方法。

背景技术：

1、氧化铍（beo）陶瓷具有高热导率（理论值约310w/(m·k)）、低介电常数、高绝缘性以及与半导体材料匹配的热膨胀系数等优异性能，是航天器散热片，核反应堆部件等领域的不可替代材料。

2、随着上述领域对陶瓷结构件尺寸要求的不断提高，大型氧化铍结构件容易出现烧结开裂，内外密度不均，芯部密度不达标，晶粒异常长大，热导率不达标等问题，鉴于此，构建一种高致密、细晶、高强度的氧化铍陶瓷大型结构件的制备方式来提高热导率、强度和产品尺寸具有重要意义。

技术实现思路

1、为克服现有的大型氧化铍陶瓷烧结易开裂、内外密度分布不均、晶粒尺寸大、热导率不达标的问题，本发明提供一种用于氧化铍陶瓷结构件的制备方法。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、用于氧化铍陶瓷结构件的制备方法，包含以下步骤：

4、步骤一，粉体预处理：将高纯氧化铍粉体进行煅烧粗化处理，然后加入烧结助剂、粘结剂及溶剂进行球磨，得到浆料；将浆料进行喷雾造粒，得到休止角≤30°的造粒粉体；

5、步骤二，成型：将步骤一所得造粒粉体过筛后进行粗细粉体级配，然后采用振动填粉方式装入模具，抽真空排除粉体间隙气体，再经冷等静压成型，得到氧化铍陶瓷素坯，最后进行陈化处理释放应力；

6、步骤三，常压预烧结：将步骤二所得素坯进行预烧结，预烧结温度不高于1700℃；

7、步骤四，热等静压致密化烧结及退火：将步骤三所得熟坯在惰性气体气氛中进行热等静压烧结，烧结温度不高于步骤三的预烧结温度，随后在空气气氛中进行退火处理。

8、本发明通过喷雾造粒、级配振动填粉、冷等静压成型及预烧结+热等静压烧结（hip）两步烧结，喷雾造粒改善粉体形貌、粉体级配、振动填料提高生坯均匀性、粉体抽真空排除夹杂气体，预烧+hip两步烧结实现内外高密度均匀化与细晶强化的全流程制备方法，系统提升了氧化铍大型结构件的性能与成品率。

9、在一些实施例中，步骤一中所述高纯氧化铍粉体纯度≥99.5%，平均粒径为200nm-400nm；煅烧粗化采用隧道窑，烧结温度为1500℃-1600℃，粗化后粉体粒径为700nm-800nm。

10、在一些实施例中，步骤一中所述球磨的介质为去离子水，磨球为氧化铍球，球磨后浆料粒度d50为1μm-1.2μm。

11、在一些实施例中，步骤一中所述烧结助剂为三硅酸镁；所述粘结剂为聚乙烯醇；所述溶剂还包括增塑剂，丙三醇、消泡剂、分散剂，油酸；所述浆料固含量为58%-62%。

12、在一些实施例中，步骤二中所述过筛采用40目、60目、80目、100目筛网，规格为粗细粉体级配比例为细粉占比20%-40%；所述模具为聚氨酯模具，shore a硬度为70-90。

13、在一些实施例中，步骤二中所述振动填粉的振动频率为20hz-80hz，振幅为0.5mm-2mm，在填粉过程中持续振动；所述抽真空的真空度为0.04mpa-0.06mpa，抽真空时间为6h-12h。

14、在一些实施例中，步骤二中所述冷等静压成型采用阶梯式升压和阶梯式泄压方式。

15、在一些实施例中，步骤三中所述分段升温烧结的温度制度为：0.3℃/min-0.5℃/min升温至80℃-100℃，保温一段时间；0.2℃/min-0.3℃/min升温至600℃-800℃，保温一段时间；0.15℃/min-0.2℃/min升温至1100℃-1200℃，保温一段时间；0.12℃/min-0.15℃/min升温至1400℃-1500℃，保温一段时间；0.1℃/min-0.12℃/min升温至1650℃-1700℃，保温一段时间；降温：0.1℃/min-0.15℃/min至1300℃-1400℃，0.15℃/min-0.3℃/min至1100℃-1200℃保温一段时间，0.3℃/min-0.5℃/min至600℃-800℃保温一段时间后随炉降温。

16、在一些实施例中，步骤四中所述热等静压烧结的工艺参数为：升温速率4℃/min-6℃/min至600℃-800℃，保温一段时间，3.5℃/min-4℃/min至1000℃-1100℃，3℃/min-3.5℃/min至1300℃-1350℃，2℃/min-3℃/min至1400℃-1450℃，1℃/min-2℃/min至1550℃-1650℃，保温保压一段时间；压力在1550℃前达到150mpa-200mpa并保压至保温结束；降温速率1℃/min-2℃/min至1450℃-1500℃，2℃/min-2.5℃/min至1200℃-1300℃，2.5℃/min-3℃/min至800℃-1000℃，3℃/min-4℃/min至300℃-400℃后随炉冷却；通入气体为纯度≥99.99%的ar；步骤四中所述退火处理的温度为1200℃-1400℃，升降温速率为2℃/min-4℃/min。

17、在一些实施例中，步骤三中所述预烧结的摆坯方式为：在承烧板上依次放置空心球、收缩板、空心球、氧化铍陶瓷素坯；所述空心球为氧化铝球，直径2mm-3mm，所述收缩板为氧化铝生坯。

18、本发明的有益效果是：

19、通过喷雾造粒、级配振动填粉、冷等静压成型及预烧结+热等静压烧结（hip）两步烧结，喷雾造粒改善粉体形貌、粉体级配、振动填料提高生坯均匀性、粉体抽真空排除夹杂气体，预烧+hip两步烧结实现内外高密度均匀化与细晶强化的全流程制备方法，系统提升了氧化铍大型结构件的性能与成品率。

20、粉体预处理与成型阶段：喷雾造粒获得球形度高、流动性好的粉体（休止角≤30°），结合粗细粉级配与振动填粉，显著提高生坯堆积密度与均匀性；抽真空排除气体，阶梯式冷等静压与陈化处理有效释放内应力，避免大型件成型开裂。

21、烧结阶段：常压预烧结构建闭气孔为主的微观结构，为hip创造前提条件；hip（1500℃-1700℃，150mpa-200mpa）彻底消除闭气孔，实现内外密度高度均匀（0.5%的密度差），且温度不高于预烧结温度，配合三硅酸镁助剂钉扎晶界，获得细晶高强陶瓷，退火处理进一步去除色心与缺陷。

22、综合效果：有效解决大型氧化铍陶瓷烧结开裂、内外密度不均、芯部密度不足、晶粒异常长大等问题，获得内外密度差≤0.5%、高致密(≥2.85g/cm3)、平均晶粒尺寸3μm-10μm、高热导(≥270w/(m·k))及高抗折强度(≥190mpa)的结构件，具备良好的工业可行性，适用于核反应堆慢化体、航天器散热片及核聚变装置承力绝缘结构件等领域。

1.用于氧化铍陶瓷结构件的制备方法，其特征是，包含以下步骤，

2.根据权利要求1所述的用于氧化铍陶瓷结构件的制备方法，其特征在于，步骤一中所述高纯氧化铍粉体纯度≥99.5%，平均粒径为200nm-400nm；煅烧粗化采用隧道窑，烧结温度为1500℃-1600℃，粗化后粉体粒径为700nm-800nm。

3.根据权利要求1所述的用于氧化铍陶瓷结构件的制备方法，其特征在于，步骤一中所述球磨的介质为去离子水，磨球为氧化铍球，球磨后浆料粒度d50为1μm-1.2μm。

4.根据权利要求1所述的用于氧化铍陶瓷结构件的制备方法，其特征在于，步骤一中所述烧结助剂为三硅酸镁；所述粘结剂为聚乙烯醇；所述溶剂还包括增塑剂，丙三醇、消泡剂、分散剂，油酸；所述浆料固含量为58%-62%。

5.根据权利要求1所述的用于氧化铍陶瓷结构件的制备方法，其特征在于，步骤二中所述过筛采用40目、60目、80目、100目筛网，规格为粗细粉体级配比例为细粉占比20%-40%；所述模具为聚氨酯模具，shore a硬度为70-90。

6.根据权利要求1所述的用于氧化铍陶瓷结构件的制备方法，其特征在于，步骤二中所述振动填粉的振动频率为20hz-80hz，振幅为0.5mm-2mm，在填粉过程中持续振动；所述抽真空的真空度为0.04mpa-0.06mpa，抽真空时间为6h-12h。

7.根据权利要求1所述的用于氧化铍陶瓷结构件的制备方法，其特征在于，步骤二中所述冷等静压成型采用阶梯式升压和阶梯式泄压方式。

8.根据权利要求1所述的用于氧化铍陶瓷结构件的制备方法，其特征在于，步骤三中所述分段升温烧结的温度制度为：0.3℃/min-0.5℃/min升温至80℃-100℃，保温一段时间；0.2℃/min-0.3℃/min升温至600℃-800℃，保温一段时间；0.15℃/min-0.2℃/min升温至1100℃-1200℃，保温一段时间；0.12℃/min-0.15℃/min升温至1400℃-1500℃，保温一段时间；0.1℃/min-0.12℃/min升温至1650℃-1700℃，保温一段时间；降温：0.1℃/min-0.15℃/min至1300℃-1400℃，0.15℃/min-0.3℃/min至1100℃-1200℃保温一段时间，0.3℃/min-0.5℃/min至600℃-800℃保温一段时间后随炉降温。

9.根据权利要求1所述的用于氧化铍陶瓷结构件的制备方法，其特征在于，步骤四中所述热等静压烧结的工艺参数为：升温速率4℃/min-6℃/min至600℃-800℃，保温一段时间，3.5℃/min-4℃/min至1000℃-1100℃，3℃/min-3.5℃/min至1300℃-1350℃，2℃/min-3℃/min至1400℃-1450℃，1℃/min-2℃/min至1550℃-1650℃，保温保压一段时间；压力在1550℃前达到150mpa-200mpa并保压至保温结束；降温速率1℃/min-2℃/min至1450℃-1500℃，2℃/min-2.5℃/min至1200℃-1300℃，2.5℃/min-3℃/min至800℃-1000℃，3℃/min-4℃/min至300℃-400℃后随炉冷却；通入气体为纯度≥99.99%的ar；

10.根据权利要求1-9任一项所述的用于氧化铍陶瓷结构件的制备方法，其特征在于，步骤三中所述预烧结的摆坯方式为：在承烧板（4）上依次放置空心球（2）、收缩板、空心球（2）、氧化铍陶瓷素坯；所述空心球（2）为氧化铝球，直径2mm-3mm，所述收缩板为氧化铝生坯（3）。