阅读说明：本技术 陶瓷材料的烧结控制方法 (Sintering control method of ceramic material ) 是由 林宗立 林致扬 陈龙怡 陈家洁 于 2019-06-03 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种陶瓷材料的烧结控制方法。此方法包含有下列步骤：S1:制备含有一致孔材料的一致孔剂；S2:混合致孔剂与一陶瓷材料并形成一生坯；S3:于一无氧环境中以一第一温度烧结生坯以形成一陶瓷粗胚；以及S4:于一含氧环境中以一第二温度烧结陶瓷粗胚以形成一陶瓷物件。其中,第一温度高于第二温度。当致孔材料为一碳基材料,第二温度介于300℃至600℃,且孔隙率可达到30％至70％。藉此方法,陶瓷物件的硬度与致密度被提高,且得以准确调控陶瓷物件的孔隙率以及孔洞的形状和尺寸。(The invention provides a sintering control method of a ceramic material. The method comprises the following steps: s1, preparing a uniform pore agent containing a uniform pore material; s2, mixing the pore-foaming agent and a ceramic material to form a green body; s3, sintering the green compact in an oxygen-free environment at a first temperature to form a ceramic blank; and S4, sintering the ceramic blank in an oxygen-containing environment at a second temperature to form a ceramic object. Wherein the first temperature is higher than the second temperature. When the pore-forming material is a carbon-based material, the second temperature is between 300 ℃ and 600 ℃, and the porosity can reach 30% to 70%. By the method, the hardness and the density of the ceramic object are improved, and the porosity of the ceramic object and the shape and the size of the hole can be accurately regulated and controlled.)

陶瓷材料的烧结控制方法

技术领域

本发明提供一种陶瓷材料的烧结控制方法，尤其是一种多阶段式烧结以控制陶瓷材料孔隙率及孔隙尺寸的方法。

背景技术

陶瓷工程是使用无机非金属材料制造物体的科学技术。近年来，陶瓷材料广泛的利用在材料工程、电子工程、化学工程以及机械工程中。由于通常陶瓷非常耐热，可以用于很多金属和高分子聚合物无法胜任的应用，例如采矿、航天、生医、精炼、食品和化学工厂、电子行业、工业输电、以及光波导传输等等。

配合不同的产业，陶瓷的规格与特性有不同的需求。在生医领域中，若要发展人骨的替代植入物，就必须拿捏植入物的孔隙率。孔隙率对植入物和周围组织之间物理和化学相互作用，具有显著影响。孔隙率增加了细胞相互作用的可用表面积，例如：影响植入物在植入部位处的机械集成、以及植入物再吸收的速率。优选植入物的孔隙率是复制天然组织。例如：在节段性(segmental)骨缺损中，高度多孔的中心部分(模拟小梁骨)被更强的和更少孔的外壳(模拟皮质骨)包围，以提供结构支撑。

然而，在陶瓷的烧结过程中，由于温度影响分子排列的变化，孔隙率会成为一个难以准确控制的因素，影响了烧结物品质的不确定性。若要准确调整孔隙率，业界普遍使用低温制程，而牺牲了陶瓷材料的机械强度。因此，业界亟需一种新的陶瓷烧结技术，可以准确的控制孔隙率及孔径尺寸，又能够以足够的高温烧出高强度与高致密度的陶瓷。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种陶瓷材料的烧结控制方法，其能克服现有技术的缺陷，提高致密性与机械强度，还可避免了高温烧结后损失的孔隙率。

为实现上述目的，本发明公开了一种陶瓷材料的烧结控制方法，其特征在于包含有下列步骤：

S1:制备含有一致孔材料的一致孔剂；

S2:混合该致孔剂与一陶瓷浆料并形成一生坯；

S3:于一无氧环境中以一第一温度烧结该生坯以形成一陶瓷粗胚；以及

S4:于一含氧环境中以一第二温度烧结该陶瓷粗胚以形成一陶瓷物件；

其中，该第二温度低于该第一温度。

其中，于步骤S1中，该致孔材料为一碳基材料、一矿石、一盐、一天然纤维或一高分子聚合物，该碳基材料为碳纤维、奈米碳管、石墨烯或膨胀石墨。

其中，于步骤S1中，该碳基材料的形状为球形、板形、不规则形、长条形或立方体。

其中，于步骤S1中，该致孔材料的尺寸为50nm至400μm。

其中，于步骤S2中，进一步包含有以下子步骤：

S21:依一预定比例混合该致孔剂与该陶瓷浆料以形成一混合原料；以及

S22:利用积层制造技术列印该混合原料以形成该生坯。

其中，于步骤S21中，该致孔剂占该混合原料的预定比例为10％至50％。

其中，于步骤S3中，进一步包含有以下子步骤：

S31:通入一安定气体至一预定环境中以形成该无氧环境；以及

S32:于该无氧环境中以第一温度烧结该生坯以形成该陶瓷粗胚。

其中，于步骤S31中，该安定气体为氮气，且于步骤S32中，该第一温度高于600℃。

其中，于步骤S4中，进一步包含有以下子步骤：

S41:通入空气至一预定环境中以形成该含氧环境；以及

S42:于该含氧环境中以该第二温度烧结该陶瓷粗胚1至10小时以形成该陶瓷物件，其中该第二温度介于300℃至600℃。

其中，于步骤S4中，该陶瓷物件的孔隙率为30％至70％。

综上所述，本发明的陶瓷材料的烧结控制方法系将致孔材料作为致孔剂混合陶瓷材料。接着利用两阶段的烧结，分别通入无氧及含氧空气，并控制其相对应的烧结温度。藉此，获得的陶瓷物件拥有高温烧结后的致密与机械强度，又避免了高温烧结后损失的孔隙率。尤其，藉由调整碳基材料的比例、形状与尺寸，可以精准调控陶瓷物件中的孔隙率以及孔洞形状，进而准确模拟和应用于各种产业需求。

附图说明

图1：绘示根据本发明一具体实施例的陶瓷材料的烧结控制方法流程图。

图2：绘示根据本发明另一具体实施例的陶瓷材料的烧结控制方法流程图。

图3：绘示根据本发明另一具体实施例的陶瓷材料的烧结控制方法流程图。

图4：绘示根据本发明另一具体实施例的陶瓷材料的烧结控制方法流程图。

图5：绘示根据本发明一具体实施例中碳基材料比例对孔隙率的影响。

具体实施方式

为了让本发明的优点，精神与特征可以更容易且明确地了解，后续将以实施例并参照所附图式进行详述与讨论。值得注意的是，这些实施例仅为本发明代表性的实施例，其中所举例的特定方法，装置，条件，材质等并非用以限定本发明或对应的实施例。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向、横向、上、下、前、后、左、右、顶、底、内、外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，本发明装置或元件前的不定冠词“一”、“一种”和“一个”对装置或元件的数量要求(即出现次数)无限制性。因此“一”应被解读为包括一或至少一，并且单数形式的装置或元件也包括复数形式，除非所述数量明显指单数形式。

请参阅图1。图1绘示根据本发明一具体实施例的陶瓷材料的烧结控制方法1的流程图。本发明陶瓷材料的烧结控制方法1包含有下列步骤：S1:制备含有一致孔材料的一致孔剂；S2:混合致孔剂与一陶瓷浆料并形成一生坯；S3:于一无氧环境中以一第一温度烧结生坯以形成一陶瓷粗胚；以及S4:于一含氧环境中以一第二温度烧结陶瓷粗胚以形成一陶瓷物件。其中，第二温度系介低于第一温度。

于步骤S1中，致孔材料系为一碳基材料、一矿石、一盐、一天然纤维或一高分子聚合物，碳基材料可以选用碳纤维、奈米碳管、石墨烯或膨胀石墨。进一步地，碳基材料可再与天然有机细粉、煤粉、石灰石、白云石、烧沸石、珍珠岩、浮石等或业界常用来形成孔洞的其余致孔材料混合以形成所述的致孔剂。

于步骤S1中，碳基材料的形状系为球形、板形、不规则形、长条形或立方体。其中，碳基材料的尺寸系为50nm至400μm；于一较佳具体实施例中，碳基材料的尺寸系为50nm至100μm。例如于一具体实施例中，碳基材料系平板型或平面薄膜的石墨烯，厚度约为100nm，长宽约为100μm。或于另一具体实施例中，碳基材料系长管型的奈米碳管，直径约为50nm，长度约为10μm。然而，碳基材料的种类、外型、尺寸不限于此，在本领域通常知识者中依现有技术可合理置换的种类、外型、尺寸，皆在此发明的范围中，于说明书中不详加赘述。

于一具体实施例中，陶瓷材料可以为高硅质硅酸盐材料、铝硅酸盐材料、精陶质材料、硅藻土质材料、刚玉和金刚砂材料、堇青石和钛酸铝材料等非金属无机材料。陶瓷材料亦包含有所谓传统陶瓷材料或新陶瓷材料。新陶瓷材料又包含有氧化铝、氧化锆、氧化镁、氧化铬、二氧化钛、碳化钨、碳化钛、碳化铬、碳化硅、碳化硼、氮化钛、氮化硅或氮化硼等成分。并且，陶瓷材料可以是陶瓷粉末或是陶瓷浆料。

请参阅图2。图2绘示根据本发明另一具体实施例的陶瓷材料的烧结控制方法1的流程图。于一具体实施例中，混合致孔剂与一陶瓷材料并形成一生坯的步骤S2，进一步包含有以下子步骤：S21:依一预定比例混合致孔剂与陶瓷浆料以形成一混合原料。S22:利用积层制造技术列印混合原料以形成生坯。其中，积层制造技术可以是喷嘴挤压成型、立体光刻成型(面曝光和雷射)、光固化成型、粘合剂喷射成型、选择性雷射烧结或熔融成型或浆料层铸成型(slurry-layer casting)等。

于一具体实施例中，致孔剂与陶瓷浆料可以先于依预定比例形成混合原料，再从积层制造成型机的喷嘴送出混合原料，形成致孔剂分布均匀的生坯。或是，致孔剂与陶瓷浆料不先混合，而是分别被喷嘴送出以形成迭层的生坯。或是，致孔剂与陶瓷浆料不先混合，而是在积层制造成型机的一混合腔室中，由积层制造成型机依照参数设定调整致孔剂与陶瓷浆料的比例，再由喷嘴送出，形成多个区域致孔剂比例不相同的生坯。其中于步骤S21中，致孔剂占混合原料的预定比例为0％至50％。于一更佳实施例中，致孔剂占该混合原料的该预定比例为0％至35％。例如，形成的生坯中，一端的致孔剂比例为0％，另一端的致孔剂比例为35％。

请参阅图3。图3绘示根据本发明另一具体实施例的陶瓷材料的烧结控制方法1的流程图。于一具体实施例中，于一无氧环境中以一第一温度烧结生坯以形成一陶瓷粗胚的步骤S3，进一步包含有以下子步骤：S31:通入一安定气体至一预定环境中以形成无氧环境。S32:于无氧环境中以第一温度烧结生坯以形成陶瓷粗胚。

于习知技术中，陶瓷的成形仅须经过一次烧结，且无须限制烧结空气环境。于本发明的此阶段中，系先将生坯进行初次烧结形成陶瓷粗坯，且须于无氧环境中进行烧结。此时烧结出的粗坯，陶瓷材料受到高温烧结产生微结构改变，材料发生收缩，孔洞减少，建立多晶结构，整体更为致密，提高材料的强度与硬度。由于环境中缺乏氧气与致孔材料进行氧化作用，因此致孔材料仍保存于粗坯当中。

其中于步骤S31中，安定气体系为氮气、氦气、氖气、氩气、氪气、氙气等安定不易反应的非氧气体。于步骤S32中，第一温度系高于600℃。于一具体实施例中，第一温度系1200℃～1800℃，此温度适合烧结大部分的陶瓷材料。第一温度需低于所使用的陶瓷材料的熔点。然而，第一温度不限于所述数字。第一温度的限制应于不破坏致孔材料、低于陶瓷材料的熔点的范围内，且较佳的第一温度应考量陶瓷材料种类的最佳烧结温度。若致孔材料系为一碳基材料，则1200℃～1800℃的第一温度不破坏碳基材料的结构，是理想的第一温度。

请参阅图4及图5。图4绘示根据本发明另一具体实施例的陶瓷材料的烧结控制方法1的流程图。图5绘示根据本发明一具体实施例中碳基材料比例对孔隙率的影响。于一具体实施例中，步骤S4进一步包含有以下子步骤：S41:通入空气至一预定环境中以形成含氧环境。S42:于含氧环境中以第二温度烧结陶瓷粗胚1至10小时以形成陶瓷物件。

步骤S3与步骤S4中所述的预定环境，可以是一烧结炉，并且，步骤S3与步骤S4是用同一个烧结炉。步骤S3中是在烧结炉中通入并充满非氧气体以形成无氧环境。步骤S4中是在烧结炉中通入空气以形成含氧环境。步骤S4中，除了通入空气，亦可通入氧气或任何含有氧气的综合气体。

于此阶段中，第二次烧结的目的系将致孔材料高温氧化成气态，例如碳基材料氧化成一氧化碳或二氧化碳。致孔材料氧化后的气体从原剩余的细微孔洞逸散，因此原本碳基材料所占据的位置将会留下新的孔洞。因为第二温度低于第一温度，于第二温度(300℃至600℃)的烧结下，对陶瓷材料的结构影响较小，不易造成材料收缩及孔洞缩小。因此，孔洞的形状与尺寸维持原碳基材料的形状与尺寸，达成调控陶瓷物件孔隙率与孔隙形状的目的。此阶段的时间不限于1至10小时，应依照陶瓷材料及碳基材料的种类，选择可完全氧化致孔材料的最短时间。

本发明的一重点在于，第一阶段是高温无氧烧结，第二阶段是低温有氧烧结。高温的目的在于制造与形成低孔隙率、致密、机械强度高的陶瓷，无氧系避免致孔材料气化。第二阶段则是利用氧气气化致孔材料，形成所需大小、形状、数量的孔洞，但保持较低温度以避免形成的孔洞再被消除。因此，第一温度需为适宜烧结该陶瓷浆料使其紧缩并维持致孔材料形状的温度，第二温度需为适宜致孔材料气化并避免陶瓷物件再大幅紧缩的温度。本说明书中具体的温度数值仅为一实施例中的参数，不应作为对本发明的限制。

其中，当致孔剂占混合原料的预定比例为0％至50％时，烧结成的陶瓷物件的孔隙率为30％至70％。如图5所示，此实验条件为致孔剂含有碳基材料，第一温度为1200℃～1800℃，第二温度为300℃～600℃，依照不同比例混合致孔剂与陶瓷材料，进行本发明的烧结方法后测量孔隙率。当致孔剂占混合原料的预定比例(porogen content)为0％至35％时，于步骤S4中的烧结成的陶瓷物件的孔隙率(porosity)为30％至60％。且经此实验图可看出，形成孔隙率的标准误差极小，代表调整致孔剂预定比例可以稳定控制孔隙率的变化。相较于习知技术中，每次烧结出的陶瓷材料的孔隙率状况不一，致密程度与机械强度难以稳定，本发明的方法可以精确控制孔隙率，产出品质一致的陶瓷物件。

此外，陶瓷材料的烧结控制方法亦可以应用于溶胶凝胶法，此时步骤S3不限于超过600℃的高温，亦可能低于600℃。

相较于习知技术，本发明的陶瓷材料的烧结控制方法系将碳基材料作为致孔剂混合陶瓷材料。接着利用两阶段的烧结，分别通入无氧及含氧空气，并控制其相对应的烧结温度。藉此，获得的陶瓷物件拥有高温烧结后的致密与机械强度，又避免了高温烧结后损失的孔隙率。尤其，藉由调整碳基材料的比例、形状与尺寸，可以精准调控陶瓷物件中的孔隙率以及孔洞形状，进而准确模拟和应用于各种产业需求。

藉由以上较佳具体实施例的详述，希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所揭露的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的专利范围的范畴内。因此，本发明所申请的专利范围的范畴应该根据上述的说明作最宽广的解释，以致使其涵盖所有可能的改变以及具相等性的安排。