專利名稱：防靜電陶瓷材料及其制備方法及該材料制得的鞭炮引線編織針的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種陶瓷材料及其制備工藝，尤其涉及一種以氧化釔穩定四方氧化鋯
為基體的陶瓷材料及其制備工藝及制備得到的鞭炮引線編織針。
背景技術：
在日常生活中，尤其是在北方干燥的冬季，"靜電"現象時有發生，這給人們的身體 和精神帶來很大危害，影響生理平衡，加速人體老化。"靜電"現象在信息產業、紡織產業、石 化橡膠等工業領域也是非常普遍的，靜電電荷的積聚不僅會干擾精密儀器的使用，影響生 產生活，嚴重時還會引發的重大安全生產事故，造成嚴重的人員傷亡。 以煙花爆竹為例，煙花爆竹制造屬于高危行業，在生產制造過程中要避免靜電和 火花。煙花爆竹引線編織是必不可少的工藝環節，目前大都采用不銹鋼編織針。在編織過 程中， 一方面引線長時間和編織針的導線槽摩擦，另一方面不銹鋼編織針反復震動，長時間 摩擦和撞擊將直接導致靜電荷聚集和火花，是一個重大的安全隱患。如果編織針采用非金 屬部件即可以避免撞擊火花的產生，但是普通的陶瓷是絕緣體，更容易產生靜電荷聚集。另 外，傳統的鞭炮引線用不銹鋼質編織針還存在摩擦力大、易變形等問題。在鞭炮引線用編織 針的生產工藝上，由于煙花爆竹引線編織針屬于異形薄壁部件，而目前的不銹鋼編織針大 多采用沖壓或者焊接等方法制造，傳統的成型方法無法制造這種異型的陶瓷編織針。
防靜材料在已公開的研究成果和專利文獻中已有報道。例如美國專利US5409968 中提出了防靜電高分子基材料；US5525135提出了 a _A1203-Zr02-Ti02體系的防靜電陶瓷 材料，提高耐磨性能。另外還有不少研究者研究了添加劑對Zr(^陶瓷的導電率的影響，例 如US5830819中采用VA族金屬氧化物；US6136232中采用鉻酸鹽或稀土氧化物作添加劑； US4110260中摻雜Si02和Ti02降低電阻率。另外在中國專利文獻中也出現了摻雜碳化鈦 的方法，或者在陶瓷基體表面涂上導電釉漿的方法。這些已經公開的防靜電陶瓷材料的電 阻率雖然已經滿足了防靜電的要求，但是制備方法復雜，成本高，有的需要熱壓或熱等靜壓 燒結。另外，這些方法制備的防靜電陶瓷材料力學性能差，制約了其應用。

發明內容
本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種防靜電、耐磨損、抗彎 性能好的防靜電陶瓷材料，還提供一種工藝簡單、成本較低、產品尺寸精確、無需后期加工 的防靜電陶瓷材料的制備方法及該陶瓷材料制得的安全性好、使用壽命長的鞭炮引線編織 針。 為解決上述技術問題，本發明提出的技術方案為一種防靜電陶瓷材料，所述防靜 電陶瓷材料包含以下質量分數的組分 氧化釔穩定四方氧化鋯 68% 80%
二氧化硅 1% 3%
氧化錫
氧化鋅
硅
1% 2. 5%和 1% 2. 5%。 碳化硅 上述的防靜電陶瓷材料中，所述各組分的晶粒尺寸均優選小于300nm。 上述的防靜電陶瓷材料中，所述氧化釔穩定四方氧化鋯中所含的穩定劑氧化億的
摩爾百分含量優選為2. 5% 3%。 作為一個總的技術構思，本發明還提供了一種防靜電陶瓷材料的制備方法，包括 以下步驟先將超細粉末態的各原料組分進行球磨混合，球磨混合完成后進行干燥，再將干 燥后的混合原料與有機粘結劑按(4 9) : 1的質量比進行熔融混煉，熔融混煉后得到的 顆粒料進行注射成型得到陶瓷坯體，將所述陶瓷坯體進行脫脂、燒結后得到防靜電陶瓷材 料；所述各原料組分包括以下質量份數的物質氧化釔穩定四方氧化鋯(Y-TZP)68 80份二氧化硅1 '2份氧化錫10 - 14份氧化鋅7 'll份硅粉1 -2. 5份和碳化硅1 '2. 5份。 上述的防靜電陶瓷材料及其制備方法中，特別添加的氧化錫(Sn02)和氧化鋅 (ZnO)為半導體氧化物，其對燒結的阻礙作用不明顯，可以顯著降低陶瓷材料的電阻率。上 述的防靜電陶瓷材料中，加入的碳化硅電阻率很低，一方面可以降低陶瓷材料的電阻率，另 一方面碳化硅在燒結過程中發生部分氧化，生成二氧化硅，二氧化硅容易和其它組分形成 玻璃相，玻璃相可以促進燒結，降低坯體氣孔率，抑制氧化錫和氧化鋅在燒結過程中的高溫 揮發。為了強化玻璃相的這一作用，本發明的制備方法中還加入了硅粉，在燒結過程中硅粉 發生部分氧化，生成二氧化硅，二氧化硅和其它組分生成玻璃相，抑制氧化錫和氧化鋅的高 溫揮發。成品中殘余的硅的電阻率遠低于基體氧化釔穩定四方氧化鋯材料，起到降低電阻 率的作用。由于碳化硅和硅對氧化物陶瓷的燒結不利，因此本發明的防靜電陶瓷材料中碳 化硅和硅的質量含量均控制在2. 5%以下。考慮到硅和碳化硅可能在燒結過程中氧化生成 二氧化硅，因此本發明的防靜電陶瓷材料成品中二氧化硅的含量相比于燒結反應前會有所 增加，而硅和碳化硅的含量會所有減少，其他反應原料的含量基本不會發生變化。
上述的制備方法中，所述熔融混煉的溫度優選為170°C 200°C ;所述脫脂時的脫 脂溫度優選為40(TC 45(TC。所述燒結時的燒結溫度優選為1300°C 1400°C。燒結氣氛 一般為非氧化氣氛，這是本領域人員所公知的，可以是將脫脂后的坯體置于碳粉中燒結或 者向燒結爐通入氮氣等惰性氣體保護。 上述的制備方法中，所述球磨混合的時間優選為6h 8h。所述熔融混煉的時間優 選為25min 30min。所述脫脂的時間優選為30h 45h ;脫脂時間過短，陶瓷坯體中有機 粘結劑分解揮發過快，容易導致陶瓷坯體出現鼓泡和開裂等缺陷。所述燒結時的保溫時間 優選為lh 2h。 上述的制備方法中，所述有機粘結劑可以為公知的普通有機粘結劑，如聚烯烴類、聚丙烯酸樹脂、石蠟和蜂蠟，但優選是由質量分數為20%的聚丙烯、65%的石蠟、10%的硬 脂酸和5%的鄰苯二甲酸二丁酯配制而成的混合物。 上述的制備方法中，所述注射成型時的溫度優選為175°C 20(TC，注射成型時的 壓力優選為躬MPa 60MPa。 上述的制備方法中，所述各原料組分均優選為超細粉末態，所述各原料組分的粒 度滿足中位徑d50 < 0. lym，超細粉末態的原料有利于降低燒結溫度，提高陶瓷制品的力 學性能。 本發明還提供一種鞭炮引線編織針，所述鞭炮引線編織針是采用上述方法制備得 到，其中注射成型時采用鞭炮引線編織針用模具進行注射成型即可。 與現有技術相比，本發明的優點在于本發明首先提出了一種防靜電陶瓷材料，其 電阻率比傳統陶瓷材料低，可以快速將表面靜電荷導出。例如普通四方多晶氧化鋯陶瓷材 料的體積電阻率室溫下高于1012Q ，m，而本發明優選的方法制備的防靜電氧化鋯陶瓷材料 的體積電阻率可低于1060 *m。而且，本發明防靜電陶瓷材料的抗彎強度等指標也大大提 高，抗彎強度在300MPa以上，優于傳統的防靜電陶瓷材料。而與本發明防靜電陶瓷材料相 對應所研發的防靜電陶瓷材料的制備方法，該方法操作簡單，成本較小，產品尺寸精確，無 需后期加工。 本發明制備的防靜電陶瓷材料特別適合于鞭炮引線編織針的應用，這樣能大大減 少靜電荷聚集，避免撞擊產生火花，大大提高鞭炮生產工藝的安全性。另外，采用本發明的 陶瓷注射成型方法可以一次性成型陶瓷編織針，制造的陶瓷編織針表面光滑，和引線間的 摩擦力小，該陶瓷編織針耐磨損性能優異，不易變形，可以大大提高陶瓷編織針的使用壽
具體實施方式

實施例1 : —種本發明的防靜電陶瓷材料，包含以下質量分數的組分 氧化釔穩定四方氧化鋯 68% 二氧化硅 2.3% 氧化錫 14% 氧化鋅 11% 硅 2. 3%和 碳化硅 2.4%。 本實施例防靜電陶瓷材料中各組分的晶粒尺寸均小于300nm，其中氧化釔穩定四 方氧化鋯中所含的穩定劑氧化億的摩爾百分含量為2. 5%。 —種上述防靜電陶瓷材料制作的鞭炮引線編織針，其制備方法具體包括以下步 驟 1、球磨混合將超細粉末態(粒度滿足中位徑(15。<0. liim)的下述各質量份數的 原料組分放入球磨機中預混，球磨介質為無水乙醇，球磨時間為6h，對球磨混合完成后得到 的漿料進行干燥，蒸發無水乙醇
氧化釔穩定四方氧化鋯 68份
5
二氧化硅 氧化錫 氧化鋅 硅粉
2份 14份 11份
2. 5份和 2. 5份； 碳化硅 2、熔融混煉在開煉機上混煉有機粘結劑和上述球磨混合后的原料粉體，有機粘 結劑與原料粉體的質量比為1 : 9，熔融混煉溫度為175tV混煉時間為25min;該有機粘結 劑是由質量分數為20 %的聚丙烯、65 %的石蠟、10 %的硬脂酸和5 %的鄰苯二甲酸二丁酯 配制而成； 3、注射成型將上述熔融混煉后得到的顆粒料在注射成型機上利用鞭炮引線編織 針用模具進行注射成型，得到鞭炮引線編織針的陶瓷坯體，成型溫度為18(TC，成型壓力為 55MPa ; 4J兌脂將注射成型后的陶瓷坯體在脫脂爐中脫脂，脫脂溫度為40(TC，總的脫脂
時間為40h ; 5、燒結將脫脂后的陶瓷坯體置于氮氣氣氛保護燒結爐中燒結，燒結溫度為
130(TC，保溫時間為2h，燒結完成后得到防靜電陶瓷材料的鞭炮引線編織針。 通過本實施例工藝制得的防靜電陶瓷材料鞭炮引線編織針的抗彎強度為
330士30MPa，表面電阻率為7. 5X107Q/口，體積電阻率為5. 8X105Q m。根據相關標準，
在摩擦或研磨過程中，表面電阻和體電阻率需分別低于108Q/ 口和106Q m，因此本發明
的鞭炮弓I線編織針可以起到防靜電效果。 實施例2 : —種本發明的防靜電陶瓷材料，包含以下質量分數的組分 氧化釔穩定四方氧化鋯 75% 二氧化硅 1.3% 氧化錫 12% 氧化鋅 9% 硅 1.3%和 碳化硅 1.4%。 本實施例防靜電陶瓷材料中各組分的晶粒尺寸均小于300nm，其中氧化釔穩定四 方氧化鋯中所含的穩定劑氧化億的摩爾百分含量為2. 8%。 —種上述防靜電陶瓷材料制作的鞭炮引線編織針，其制備方法具體包括以下步 驟 1、球磨混合將超細粉末態(粒度滿足中位徑(15。<0. liim)的下述各質量份數的
原料組分放入球磨機中預混，球磨介質為無水乙醇，球磨時間為6h，對球磨混合完成后得到
的漿料進行干燥，蒸發無水乙醇 氧化釔穩定四方氧化鋯 75份 二氧化硅 1份 氧化錫 12份 氧化鋅 9份
硅粉 1. 5份和 碳化硅 1. 5份； 2、熔融混煉在開煉機上混煉有機粘結劑和上述球磨混合后的原料粉體，有機粘 結劑與原料粉體的質量比為1 : 7，熔融混煉溫度為18(TC，混煉時間為28min;該有機粘結 劑是由質量分數為20 %的聚丙烯、65 %的石蠟、10 %的硬脂酸和5 %的鄰苯二甲酸二丁酯 配制而成； 3、注射成型將上述熔融混煉后得到的顆粒料在注射成型機上利用鞭炮引線編織 針用模具進行注射成型，得到鞭炮引線編織針的陶瓷坯體，成型溫度為185t:，成型壓力為 50MPa ; 4J兌脂將注射成型后的陶瓷坯體在脫脂爐中脫脂，脫脂溫度為45(TC，總的脫脂 時間為45h ; 5、燒結將脫脂后的陶瓷坯體置于氮氣氣氛保護燒結爐中燒結，燒結溫度為
135(TC，保溫時間為1. 5h，燒結完成后得到防靜電陶瓷材料的鞭炮引線編織針。 通過本實施例工藝制得的防靜電陶瓷材料鞭炮引線編織針的抗彎強度為
460士35MPa，表面電阻率為3. 3X107Q/ 口，體積電阻率為8X105Q m。 實施例3 : —種本發明的防靜電陶瓷材料，包含以下質量分數的組分 氧化紀穩定四方氧化鋯 79.6% 二氧化硅 1.4% 氧化錫 10% 氧化鋅 7% 硅 1%和 碳化硅 1 % 。 本實施例防靜電陶瓷材料中各組分的晶粒尺寸均小于300nm，其中氧化釔穩定四 方氧化鋯中所含的穩定劑氧化億的摩爾百分含量為3. 0%。 —種上述防靜電陶瓷材料制作的鞭炮引線編織針，其制備方法具體包括以下步 驟 1、球磨混合將超細粉末態(粒度滿足中位徑(15。<0. liim)的下述各質量份數的 原料組分放入球磨機中預混，球磨介質為無水乙醇，球磨時間為6h，對球磨混合完成后得到 的漿料進行干燥，蒸發無水乙醇氧化釔穩定四方氧化鋯79. 6份二氧化硅l份氧化錫10份氧化鋅7份娃1. 2份和碳化硅1. 2份；2、熔融混煉在開煉機上混煉有機粘結劑與上述球磨混合后的原料粉體，有機粘結劑與原料粉體的質量比為1 : 4，熔融混煉溫度為185tV混煉時間為30min;該有機粘結 劑是由質量分數為20 %的聚丙烯、65 %的石蠟、10 %的硬脂酸和5 %的鄰苯二甲酸二丁酯配制而成； 3、注射成型將上述熔融混煉后得到的顆粒料在注射成型機上用鞭炮引線編織 針用模具進行注射成型，得到鞭炮引線編織針的陶瓷坯體，成型溫度為19(TC，成型壓力為 60MPa ; 4J兌脂將注射成型后的陶瓷坯體在脫脂爐中脫脂，脫脂溫度為50(TC，總的脫脂
時間為50h ; 5、燒結將脫脂后的陶瓷坯體置于氮氣氣氛保護燒結爐中燒結，燒結溫度為 140(TC，保溫時間為lh，燒結完成后得到防靜電陶瓷材料的鞭炮引線編織針。
通過本實施例工藝制得的防靜電陶瓷材料鞭炮引線編織針的抗彎強度為 650士25MPa，表面電阻率為8. 9X108Q/ 口，體積電阻率為5. 7X106Q m。
權利要求
一種防靜電陶瓷材料，其特征在于，所述防靜電陶瓷材料包含以下質量分數的組分氧化釔穩定四方氧化鋯68％～80％二氧化硅1％～3％氧化錫 10％～14％氧化鋅 7％～11％硅 1％～2.5％和碳化硅 1％～2.5％。
2. 根據權利要求1所述的防靜電陶瓷材料，其特征在于，所述防靜電陶瓷材料中各組 分的晶粒尺寸均小于300nm。
3. 根據權利要求1或2所述的防靜電陶瓷材料，其特征在于，所述氧化釔穩定四方氧化 鋯中所含的穩定劑氧化釔的摩爾百分含量為2. 5% 3%。
4. 一種防靜電陶瓷材料的制備方法，包括以下步驟先將超細粉末態的各原料組分 進行球磨混合，球磨混合完成后進行干燥，再將干燥后的混合原料與有機粘結劑按(4 9) : 1的質量比進行熔融混煉，熔融混煉后得到的顆粒料進行注射成型得到陶瓷坯體，將 所述陶瓷坯體進行脫脂、燒結后得到防靜電陶瓷材料；所述各原料組分包含以下質量份數 的物質氧化釔穩定四方氧化鋯68 ' 80份二氧化硅1 鋪氧化錫10 ' 14份氧化鋅7 '11份硅粉1 '2. 5份和碳化硅1 '2. 5份。
5. 根據權利要求4所述的制備方法，其特征在于所述熔融混煉的溫度為170°C 200°C ;所述脫脂時的脫脂溫度為40(TC 45(rC ;所述燒結時的燒結溫度為1300°C 1400°C。
6. 根據權利要求4或5所述的制備方法，其特征在于所述球磨混合的時間為6h 8h ; 所述熔融混煉的時間為25min 30min ;所述脫脂的時間為30h 45h ;所述燒結時的保溫 時間為lh 2h。
7. 根據權利要求4或5所述的制備方法，其特征在于所述有機粘結劑是由質量分數 為20%的聚丙烯、65%的石蠟、10%的硬脂酸和5%的鄰苯二甲酸二丁酯配制而成。
8. 根據權利要求4或5所述的制備方法，其特征在于所述注射成型時的溫度為 175°C 20(TC，注射成型時的壓力為45MPa 60MPa。
9. 根據權利要求4或5所述的制備方法，其特征在于所述各原料組分的粒度滿足中 位徑d5。 < 0. 1 ii m。
10. —種用權利要求1所述防靜電陶瓷材料制得的鞭炮引線編織針，其特征在于，所述 鞭炮引線編織針是采用權利要求4 9中任一項所述方法制備得到，所述注射成型時采用 鞭炮引線編織針用模具進行注射成型。二氧化硅 氧化錫 氧化鋅 娃1% 2. 5%和 1% 2. 5%。碳化硅
全文摘要
本發明公開了一種防靜電陶瓷材料，其包含以下質量分數的組分氧化釔穩定四方氧化鋯68％～80％、二氧化硅1％～3％、氧化錫10％～14％、氧化鋅7％～11％、硅1％～2.5％和碳化硅1％～2.5％；該陶瓷材料是先將超細粉末態的各原料組分進行球磨混合，然后干燥，再將干燥后的混合原料與有機粘結劑按(4～9)∶1的質量比進行熔融混煉，熔融混煉后得到的顆粒料進行注射成型得到陶瓷坯體，再進行脫脂、燒結后得到防靜電陶瓷材料。在該方法中采用鞭炮引線編織針用模具進行注射成型，可得到鞭炮引線編織針。本發明的防靜電陶瓷材料及其鞭炮引線編織針具有防靜電、耐磨損、抗彎性能好的特點，且制備工藝簡單、成本較低，制得的陶瓷產品尺寸精確、無需后期加工。
文檔編號B28B1/00GK101786878SQ20101010187
公開日2010年7月28日 申請日期2010年1月27日 優先權日2010年1月27日
發明者劉其城, 劉鵬, 李海斌, 楊現鋒, 陳曙光 申請人:長沙理工大學