凝胶注模成型大尺寸陶瓷坯体的干燥工装及方法

摘要

本发明提供了一种凝胶注模成型大尺寸陶瓷坯体的干燥工装，包括上、下面板和外框，上、下面板和外框可组装成空腔体，陶瓷坯体置于空腔体内并与上、下面板和外框之间存在均匀的间隙，在上、下面板和所述外框上均匀固定有若干弹簧滚动装置，所有弹簧滚动装置共同作用对陶瓷坯体施加均匀的弹性约束。本发明还提供一种凝胶注模成型大尺寸陶瓷坯体的干燥方法，通过在干燥过程中对坯体施加均匀的弹性约束，在坯体干燥收缩过程中出现不均匀、坯体结构不对称时，自动在坯体畸变的反方向向坯体施加一定的力，使坯体向畸变的反方向变形，保证坯体收缩均匀，防止畸变，增加了陶瓷坯体的成品率。

说明书

技术领域

本发明涉及陶瓷干燥技术领域，具体涉及凝胶注模成型大尺寸陶瓷坯体的干燥工装及方法。

背景技术

凝胶注模成型技术是目前最先进的陶瓷成型技术之一，已经成熟的应用于SiO₂、SiC、Si₃N₄、Al₂O₃等陶瓷零部件的近净尺寸成型制备。常见的凝胶注模成型工艺是将单体、交联剂、陶瓷粉末和其他添加剂加入到水中，制得陶瓷浆料；然后再一定的条件下单体和交联剂发生化学反应生成三维立体网状的高分子结构，形成胶体，陶瓷粉末被胶体包裹，从而使浆料从流体变成胶态，得到所需形状的素坯。此时的素坯含有一定量的水，需要通过一定的干燥工艺去除素坯中的水分，才可得到干燥的素坯。

干燥过程是凝胶注模成型工艺中非常关键的一步。干燥的过程是坯体逐步失去水分的过程，在这个过程中坯体中的聚合物会带动陶瓷颗粒一起收缩。正是因为收缩的存在，当收缩不均匀或受到约束时，坯体在干燥过程中极易产生裂纹和不均匀变形(畸变)。公告号为CN 107932706B的专利公开了一种防止镜坯因约束干燥而开裂的技术，很好的解决了因约束而使镜坯开裂的问题。

在收缩的过程中，由于干燥条件不均匀、支撑约束、坯体结构等因素的影响，坯体各个部位的变形会不一致，即在干燥过程中坯体会产生某一方向收缩不均匀、翘曲等畸变。过大的畸变会使干燥后坯体尺寸超出要求范围，导致坯体不合格甚至报废。对于大尺寸的凝胶注模坯体，畸变情况尤为严重，会大幅降低坯体成品率。

因此，如何防止凝胶注模成型大尺寸陶瓷坯体在干燥收缩过程中产生畸变成为一项很有意义和价值的研究。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的上述缺陷，提供一种凝胶注模成型大尺寸陶瓷坯体的干燥工装及方法，通过在干燥过程中对坯体施加均匀的弹性约束，使坯体均匀地收缩，从而减小坯体的畸变。

本发明的目的可通过以下的技术措施来实现：

本发明提供了一种凝胶注模成型大尺寸陶瓷坯体的干燥工装，包括上、下面板和外框，所述上、下面板和所述外框可组装成空腔体，所述陶瓷坯体置于所述空腔体内并与上、下面板和所述外框之间存在均匀的间隙；

在所述上、下面板和所述外框上均匀固定有若干弹簧滚动装置，所有所述弹簧滚动装置共同作用对所述陶瓷坯体施加均匀的弹性约束，且在干燥完成后所述陶瓷坯体仍承受均匀的弹性约束。

进一步地，所述弹簧滚动装置包括弹簧和万向球，所述弹簧的一端固定连接于所述上、下面板或所述外框上，另一端安装有所述万向球，所述万向球与所述陶瓷坯体的外表面接触；

所有所述下面板上的所述弹簧滚动装置中弹簧的初始压缩量相同，且干燥完成后的仍有压缩量；

所有所述外框上的所述弹簧滚动装置中弹簧的初始压缩量相同，且干燥完成后的仍有压缩量；

所有所述上面板上的所述弹簧滚动装置中弹簧的初始压缩量相同，且干燥完成后的仍有压缩量。

进一步地，所述弹簧滚动装置的数量、所述弹簧长度和劲度系数根据所述陶瓷坯体的尺寸、结构和强度进行设计。

进一步地，还包括在所述上、下面板或者所述外框上至少设有1个通道，用于保证在液体干燥过程中，干燥液通过所述通道流入并填满所述空腔体内的空隙位置；

或者还包括在所述上、下面板或者所述外框上至少设有1个通孔，用于在恒温恒湿环境干燥过程中，蒸发气体排出。

进一步地，所述陶瓷坯体的尺寸为：Φ2000mm×200mm，带有轻量化结构，整个干燥过程中线收缩率为1％；

所述上、下面板均为铝板，尺寸为Φ2300mm×50mm；所述外框为外圆Φ2300mm、壁厚50mm、高度为400mm的铝圆环；所述上、下面板和所述外框组装成空腔圆柱体；

所述上、下面板上的所述弹簧滚动装置的数量均为50个，位置均匀分布且避开所述陶瓷坯体的轻量化结构；所述外框上的所述弹簧滚动装置的数量为50个，分为上下两排各25个，位置均匀分布；

所述外框上的所述弹簧滚动装置中的所述弹簧的初始压缩量不小于20mm，所述上面板上的所述弹簧滚动装置中的所述弹簧的初始压缩量不小于12mm。

本发明还提供一种凝胶注模成型大尺寸陶瓷坯体的干燥方法，采用上述的凝胶注模成型大尺寸陶瓷坯体的干燥工装，包括以下步骤：

步骤1、根据所述陶瓷素坯的尺寸、结构和强度设计上、下面板和外框的尺寸、材质，以及弹簧滚动装置的数量、位置分布；

步骤2、在所述下面板上固定安装一定数量的相同参数的弹簧滚动装置，位置均匀分布且避开所述陶瓷素坯的轻量化结构；

步骤3、将所述陶瓷坯体置于所述下面板上的所述弹簧滚动装置上，保证所述陶瓷坯体的中心与所述下面板的中心在俯视方向重合；

步骤4、将所述外框固定安装于所述下面板上，保证所述外框的中轴线经过所述下面板的中心；

步骤5、在所述外框的内侧固定安装一定数量的相同参数的弹簧滚动装置，位置均匀分布；

步骤6、在所述下面板上固定安装与所述下面板相同数量的、参数相同的弹簧滚动装置，位置均匀分布且避开所述陶瓷素坯的轻量化结构，将所述上面板盖到所述外框上固定完成组装，保证所述上、下面板的中心在俯视方向重合；

步骤7、将组装后的整体置于设定干燥环境中对所述陶瓷坯体进行干燥。

进一步地，所述弹簧滚动装置包括弹簧和万向球，所述弹簧的一端固定连接于所述上、下面板或所述外框上，另一端安装有所述万向球，所述万向球与所述陶瓷坯体的外表面接触；

所述步骤3中，所有所述下面板上的所述弹簧滚动装置中弹簧的初始压缩量相同，且干燥完成后的仍有压缩量；

所述步骤5中，所有所述外框上的所述弹簧滚动装置中弹簧的初始压缩量相同，且干燥完成后的仍有压缩量；

所述步骤6中，所有所述上面板上的所述弹簧滚动装置中弹簧的初始压缩量相同，且干燥完成后的仍有压缩量。

进一步地，所述步骤7中，整个干燥过程中单个所述弹簧通过所述万向球对所述陶瓷坯体施加的力根据所述陶瓷坯体的强度确定，不超过200N。

进一步地，在所述步骤7前，还包括在所述上、下面板或者所述外框上至少设有1个通道，用于保证在液体干燥过程中，干燥液通过所述通道流入并填满所述空腔体内的空隙位置；

或者还包括在所述上、下面板或者所述外框上至少设有1个通孔，用于在恒温恒湿环境干燥过程中，蒸发气体排出。

进一步地，所述陶瓷坯体的尺寸为：Φ2000mm×200mm，带有轻量化结构，整个干燥过程中线收缩率为1％；

所述步骤1中，设计所述上、下面板均为铝板，尺寸为Φ2300mm×50mm；所述外框为外圆Φ2300mm、壁厚50mm、高度为400mm的铝圆环；所述上、下面板和所述外框组装成空腔圆柱体；所述上、下面板上的所述弹簧滚动装置的数量均为50个，位置均匀分布且避开所述陶瓷坯体的轻量化结构；所述外框上的所述弹簧滚动装置的数量为50个，分为上下两排各25个，位置均匀分布；

所述步骤3中，将所述陶瓷坯体置于所述下面板上的所述弹簧滚动装置上后，所述弹簧加所述万向球的高度为100mm；

所述步骤5中，所述外框上的所述弹簧滚动装置中的所述弹簧的初始压缩量不小于20mm；

所述步骤6中，所述上面板上的所述弹簧滚动装置中的所述弹簧的初始压缩量不小于12mm。

本发明的凝胶注模成型大尺寸陶瓷坯体的干燥工装及方法，在坯体的外表面设有均匀分布的弹簧滚动装置，在相同的弹簧滚动装置作用下，对还未干燥的凝胶注模坯体的周向和上下方向各自施加一定的力，同一方向上的弹簧滚动装置中弹簧的压缩量相同，即同一方向上的弹簧滚动装置施加的力相同，使坯体在均匀的弹性约束下干燥。在坯体干燥收缩过程中，当其他条件，如干燥不均匀、坯体结构不对称等因素，导致坯体收缩不均匀、发生畸形变形时，工装上的弹簧受力状态因坯体畸变而压缩量不相同，此时弹簧会自动在坯体畸变的反方向向坯体施加一定的力，使坯体向畸变的反方向变形，保证坯体收缩均匀，防止畸变，增加凝胶注模成型大尺寸陶瓷坯体的成品率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明的凝胶注模成型大尺寸陶瓷坯体的干燥工装的结构示意图；

图2是本发明的凝胶注模成型大尺寸陶瓷坯体的干燥工装中弹簧滚动装置的结构示意图；

附图标记说明：1-陶瓷坯体；2-下面板；3-上面板；4-外框；5-弹簧滚动装置；51-弹簧；52-万向球。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对本发明的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺序。然而，亦可利用其它具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。

本发明提供了一种凝胶注模成型大尺寸陶瓷坯体的干燥工装，如图1所示，包括上3、下面板2和外框，所述上3、下面板2和所述外框4可组装成空腔体，所述陶瓷坯体1置于所述空腔体内并与上3、下面板2和所述外框4之间存在均匀的间隙；

在所述上3、下面板2和所述外框4上均匀固定有若干弹簧滚动装置5，所有所述弹簧滚动装置5共同作用对所述陶瓷坯体1施加均匀的弹性约束，且在干燥完成后所述陶瓷坯体1仍承受均匀的弹性约束。

在一些实施例中，所述弹簧滚动装置5包括弹簧51和万向球52，所述弹簧51的一端固定连接于所述上3、下面板2或所述外框4上，另一端安装有所述万向球52，所述万向球52与所述陶瓷坯体1的外表面接触。并且，所有所述下面板2上的所述弹簧滚动装置5中弹簧51的初始压缩量相同，且干燥完成后的仍有压缩量；所有所述外框上4的所述弹簧滚动装置5中弹簧51的初始压缩量相同，且干燥完成后的仍有压缩量；所有所述上面板3上的所述弹簧滚动装置5中弹簧51的初始压缩量相同，且干燥完成后的仍有压缩量。

其中，所述弹簧滚动装置5的数量、所述弹簧51长度和劲度系数可根据所述陶瓷坯体1的尺寸、结构和强度进行设计。

在一些实施例中，在采用干燥液进行干燥的方式时，在所述上3、下面板2或者所述外框4上至少设有1个通道(图中未示出)，用于保证在液体干燥过程中，干燥液通过所述通道流入并填满所述空腔圆柱体内的空隙位置。或者采用恒温恒湿环境进行干燥的方式时，在所述上3、下面板2或者所述外框4上至少设有1个通孔(图中未示出)，用于在恒温恒湿环境干燥过程中，蒸发气体排出。

具体地，当陶瓷坯体1的尺寸为：Φ2000mm×200mm，带有轻量化结构，整个干燥过程中线收缩率为1％时，参数设计如下：

所述上3、下面板2均为铝板，尺寸为Φ2300mm×50mm；所述外框4为外圆Φ2300mm、壁厚50mm、高度为400mm的铝圆环；所述上3、下面板4和所述外框4组装成空腔圆柱体；所述上3、下面板2上的所述弹簧滚动装置5的数量均为50个，位置均匀分布且避开所述陶瓷坯体1的轻量化结构；所述外框4上的所述弹簧滚动装置5的数量为50个，分为上下两排各25个，位置均匀分布；所述外框4上的所述弹簧滚动装置5中的所述弹簧51的初始压缩量不小于20mm，所述上面板上3的所述弹簧滚动装置5中的所述弹簧51的初始压缩量不小于12mm。

本发明还提供了一种凝胶注模成型大尺寸陶瓷坯体的干燥方法，采用上述的凝胶注模成型大尺寸陶瓷坯体的干燥工装，包括以下步骤：

步骤1、根据所述陶瓷素坯1的尺寸、结构和强度设计上3、下面板2和外框4的尺寸、材质，以及弹簧滚动装置5的数量、位置分布；

步骤2、在所述下面板2上固定安装一定数量的相同参数的弹簧滚动装置5，位置均匀分布且避开所述陶瓷素坯1的轻量化结构；

步骤3、将所述陶瓷坯体1置于所述下面板2上的所述弹簧滚动装置5上，保证所述陶瓷坯体1中心与所述下面板2的中心在俯视方向重合；

步骤4、将所述外框4固定安装于所述下面板2上，保证所述外框4的中轴线经过所述下面板2的中心；

步骤5、在所述外框4的内侧固定安装一定数量的相同参数的弹簧滚动装置5，位置均匀分布；

步骤6、在所述上面板2上固定安装与所述下面板3相同数量的、参数相同的弹簧滚动装置5，位置均匀分布且避开所述陶瓷素坯1的轻量化结构，将所述上面板3盖到所述外框4上固定完成组装，保证所述上3、下面板2的中心在俯视方向重合；

步骤7、将组装后的整体置于设定干燥环境中对所述陶瓷坯体1进行干燥。

在一些实施例中，所述弹簧滚动装置5包括弹簧51和万向球52，所述弹簧251的一端固定连接于所述上3、下面板4或所述外框4上，另一端安装有所述万向球52，所述万向球52与所述陶瓷坯体1的外表面接触。并且，所述步骤3中，所有所述下面板2上的所述弹簧滚动装置5中弹簧51的初始压缩量相同，且干燥完成后的仍有压缩量；所述步骤5中，所有所述外框4上的所述弹簧滚动装置5中弹簧51的初始压缩量相同，且干燥完成后的仍有压缩量；所述步骤6中，所有所述上面板2上的所述弹簧滚动装置5中弹簧51的初始压缩量相同，且干燥完成后的仍有压缩量。

并且，所述步骤8中，整个干燥过程中单个所述弹簧51通过所述万向球52对所述陶瓷坯体1施加的力根据所述陶瓷坯体的强度确定，一般不超过200N。在所述步骤7前，还包括在所述上3、下面板2或者所述外框4上至少设有1个通道，用于保证在液体干燥过程中，干燥液通过所述通道流入并填满所述空腔体内的空隙位置；或者还包括在所述上3、下面板2或者所述外框4上至少设有1个通孔，用于在恒温恒湿环境干燥过程中，蒸发气体排出。

均匀干燥收缩的原理：在一定均匀弹簧力的约束下对凝胶注模坯体进行干燥，当坯体在干燥收缩过程中，出现变形不均匀时，例如水平方向某一方向收缩量小于其他方向时，即此方向的弹簧压缩量大于其他方向，其对坯体的力会大于其他方向，此方向素坯后续的收缩量会增大，直到其收缩量与其他方向相同，各方向弹簧对素坯施加的力再度平衡。当坯体向上或向下翘曲时，对翘曲处施力的弹簧会作用于坯体，向翘曲的反方向变形，直到坯体回到原来位置，上下弹簧的对坯体施加的力再度平衡。以保证在整个干燥收缩过程中，坯体的畸变及时被“纠正”回来，从而实现均匀收缩，保证收缩后的尺寸准确。

实施例

凝胶注模成型大尺寸陶瓷坯体的干燥方法如下：

其中，陶瓷坯体的尺寸为：Φ2000mm×200mm，带有轻量化结构，整个干燥过程中线收缩率为1％。

步骤1、根据所述陶瓷素坯1的尺寸、结构和强度设计上3、下面板2和外框4的尺寸、材质，以及弹簧滚动装置5的数量、位置分布。具体地，设计所述上、下面板均为铝板，尺寸为Φ2300mm×50mm；所述外框为外圆Φ2300mm、壁厚50mm、高度为400mm的铝圆环；所述上3、下面板2和所述外框4组装成空腔圆柱体；所述上、下面板上的所述弹簧滚动装置的数量均为50个，位置均匀分布且避开所述陶瓷坯体的轻量化结构；所述外框上的所述弹簧滚动装置的数量为50个，分为上下两排各25个，位置均匀分布。

步骤2、在所述下面板2上固定安装50的相同参数的弹簧滚动装置5，位置均匀分布且避开所述陶瓷素坯1的轻量化结构。

步骤3、将所述陶瓷坯体1置于所述下面板2上的所述弹簧滚动装置5上，保证所述陶瓷坯体1中心与所述下面板2的中心在俯视方向重合。其中，将所述陶瓷坯体1置于所述下面板2上的所述弹簧滚动装置5上后，所述弹簧51加所述万向球52的高度为100mm左右。

步骤4、将所述外框4固定安装于所述下面板2上，保证所述外框4的中轴线经过所述下面板2的中心。此时，外框4和坯体1之间有等宽的100mm缝隙。

步骤5、在所述外框4的内侧固定安装上下两排各25个的相同参数的弹簧滚动装置5，位置均匀分布。并且，控制所述外框4上的所述弹簧滚动装置5中的所述弹簧51的初始压缩量不小于20mm。

步骤6、在所述上面板2上固定安装50个参数相同的弹簧滚动装置5，位置均匀分布且避开所述陶瓷素坯1的轻量化结构，将所述上面板3盖到所述外框4上固定完成组装，保证所述上3、下面板2的中心在俯视方向重合。其中，控制所述上面板3上的所述弹簧滚动装置5中的所述弹簧51的初始压缩量不小于12mm。

步骤7、在所述上3、下面板3或者所述外框4上各设有1个通道；

步骤8、将组装后的整体吊入干燥液中，对所述陶瓷坯体1进行干燥，具体干燥工艺参照授权公告号为CN102887711B，名称为凝胶注模成型大尺寸复杂形状碳化硅陶瓷素坯的干燥工艺说明书介绍的方法进行干燥。整个干燥过程中单个所述弹簧51通过所述万向球52对所述陶瓷坯体1施加的力根据所述陶瓷坯体的强度确定，不超过200N。

本发明的凝胶注模成型大尺寸陶瓷坯体的干燥工装及方法，在坯体的外表面设有均匀分布的弹簧滚动装置，在相同的弹簧滚动装置作用下，对还未干燥的凝胶注模坯体的周向和上下方向各自施加一定的力，同一方向上的弹簧滚动装置中弹簧的压缩量相同，即同一方向上的弹簧滚动装置施加的力相同，使坯体在均匀的弹性约束下干燥。在坯体干燥收缩过程中，当其他条件，如干燥不均匀、坯体结构不对称等因素，导致坯体收缩不均匀、发生畸形变形时，工装上的弹簧受力状态因坯体畸变而压缩量不相同，此时弹簧会自动在坯体畸变的反方向向坯体施加一定的力，使坯体向畸变的反方向变形，保证坯体收缩均匀，防止畸变，增加凝胶注模成型大尺寸陶瓷坯体的成品率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。