通过冷烧结方法获得的陶瓷-聚合物复合材料技术

本文描述了冷烧结的陶瓷聚合物复合材料和由无机化合物起始材料和聚合物制备它们的方法。冷烧结工艺和多种聚合物允许将各种聚合物材料掺入陶瓷中。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】通过冷烧结方法获得的陶瓷-聚合物复合材料陶瓷复合材料及方法本申请要求2016年8月26日提交的美国临时专利申请号62/379,851的优先权的权益，该申请以其全部内容并入如同在本文完整地阐述。
技术介绍
许多陶瓷和复合材料被烧结以降低孔隙率并增强材料的性能，例如强度、导电性、半透明性和导热性。烧结过程涉及施加高温，通常高于1,000℃，以致密化和改善材料的性质。然而，使用高烧结温度排除了某些类型材料的制造，并且增加了制造材料的费用。传统的陶瓷部件制造需要在通常为熔化温度的0.6-0.7倍的高温下加热压制陶瓷材料。由于许多非陶瓷材料的熔化温度低于陶瓷，因此传统烧结工艺的高温要求不允许在烧结过程期间将非陶瓷材料掺入陶瓷基体中。此外，当暴露于高温或目前在常规烧结过程中使用的其他条件时，非陶瓷材料可能降解。使用传统的烧结工艺难以制造复杂形状或接近成品形状的陶瓷部件。而且，使用传统的烧结工艺难以制造具有高尺寸公差的陶瓷部件。传统的烧结工艺的高温导致陶瓷材料的体积变化，从而难以控制烧结部件的尺寸。在传统的烧结工艺中使用高温还可能产生副产品，其需要材料处理系统以有效捕获和安全处置。使用传统的技术，难以制造具有大量晶界的陶瓷部件。此外，传统的烧结工艺的高温导致形成大晶粒并因此减少晶界数量。用于烧结陶瓷的某些低温工艺可以解决与高温烧结相关的一些挑战。例如，超低温共烧陶瓷(ULTCC)可在450℃和750℃之间烧制。参见，例如，He等人，“用于高频应用的低温烧结Li2MoO4/Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁电介质复合材料(Low-TemperatureSinteringLi2MoO4/Ni0.5Zn0.5Fe2O4Magneto-DielectricCompositesforHigh-FrequencyApplication)”，J.Am.Ceram.Soc.2014:97(8):1-5。此外，Li2MoO4的介电性能可以通过润湿水溶性Li2MoO4粉末，压缩它，并在120℃下对所得样品进行后处理来改善。参见Kahari等人，J.Am.Ceram.Soc.2015:98(3):687-689。即便如此，虽然Li2MoO4粉末的粒度小于180微米，但Kahari教导说，较小的粒度使粉末的均匀润湿变得复杂，从而导致粘土状团簇、密度不均匀、翘曲和开裂，并最终得出结论大粒度是有利的。
技术实现思路
本专利技术通过提供冷烧结的陶瓷聚合物复合材料及其制备方法解决了这些和其他挑战。该方法能够通过在低温和适度压力下发生的烧结步骤来生产多种陶瓷聚合物复合材料。因此，在一个实施方式中，本专利技术提供了一种冷烧结的陶瓷聚合物复合材料，其通过包括以下步骤的方法制备：a.将数均粒度小于约30μm的颗粒形式的至少一种无机化合物与至少一种聚合物(P1)和其中无机化合物至少部分可溶的溶剂结合以得到混合物；和b.使混合物经受不高于约5000MPa的压力和比溶剂的沸点(在1巴下测定的)高了不超过200℃的温度(T1)，以获得冷烧结的陶瓷聚合物复合材料。如果聚合物是结晶的或半结晶的，则聚合物具有熔点(Tm)，如果聚合物是无定形的，则聚合物具有玻璃化转变温度(Tg)，熔点(Tm)或玻璃化转变温度(Tg)低于T1。在一些实施方式中，尽管有这些特征，但聚合物不是聚碳酸酯、聚醚醚酮、聚醚酰亚胺、聚醚砜、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚氨酯、聚氯乙烯、聚偏二氟乙烯和磺化四氟乙烯(Nafion)。在另一个实施方式中，本专利技术提供了一种冷烧结的陶瓷聚合物复合材料，其通过包括以下步骤的方法制备：a.将数均粒度小于约30μm的颗粒形式的至少一种无机化合物与至少一种聚合物(P1)和其中无机化合物至少部分可溶的溶剂结合以得到混合物；和b.使混合物经受不高于约5000MPa的压力和比溶剂的沸点(在1巴下测定的)高了不超过200℃的温度(T1)，以获得冷烧结的陶瓷聚合物复合材料。在该实施方式中，如果聚合物是结晶的或半结晶的，则聚合物具有熔点(Tm)，如果聚合物是无定形的，则聚合物具有玻璃化转变温度(Tg)，熔点(Tm)或玻璃化转变温度(Tg)低于T1。此外，聚合物是支化聚合物。另一个实施方式是用于制备冷烧结的陶瓷聚合物复合材料的方法，其包括：a.将数均粒度小于约30μm的颗粒形式的至少一种无机化合物与至少一种聚合物(P1)和其中无机化合物至少部分可溶的溶剂结合以得到混合物；和b.使混合物经受不高于约5000MPa的压力和比溶剂的沸点(在1巴下测定的)高了不超过200℃的温度(T1)，以获得冷烧结的陶瓷聚合物复合材料。在本专利技术方法中，如果聚合物是结晶的或半结晶的，则聚合物具有熔点(Tm)，如果聚合物是无定形的，则聚合物具有玻璃化转变温度(Tg)，熔点(Tm)或玻璃化转变温度(Tg)低于T1。在一些实施方式中，聚合物不是聚碳酸酯、聚醚醚酮、聚醚酰亚胺、聚醚砜、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚氨酯、聚氯乙烯、聚偏二氟乙烯和磺化四氟乙烯(Nafion)。可替代地，根据另一个实施方式，本专利技术提供了一种用于制备冷烧结的陶瓷聚合物复合材料的方法，其包括：a.将数均粒度小于约30μm的颗粒形式的至少一种无机化合物与至少一种聚合物(P1)和其中无机化合物至少部分可溶的溶剂结合以得到混合物；和b.使混合物经受不高于约5000MPa的压力和比溶剂的沸点(在1巴下测定的)高了不超过200℃的温度(T1)，以获得冷烧结的陶瓷聚合物复合材料。在该实施方式中，如果聚合物是结晶的或半结晶的，则聚合物具有熔点(Tm)，如果聚合物是无定形的，则聚合物具有玻璃化转变温度(Tg)，熔点(Tm)或玻璃化转变温度(Tg)低于T1。此外，聚合物是支化聚合物。在各种实施方式中还考虑了冷烧结的陶瓷聚合物复合材料，其通过本文所述的任何方法制备。该方法的冷烧结步骤可导致无机化合物的致密化。因此，根据一些实施方式，冷烧结的陶瓷聚合物复合材料或冷烧结的陶瓷表现出如通过质量/几何比、阿基米德法或等效方法测定的至少70％的相对密度。相对密度可以是至少75％、80％、85％、90％或95％。具体实施方式简言之，使用阿基米德方法以使用配备有ACS-A03密度测定装置的KERNABS-N/ABJ-NM天平来确定样品的密度。首先，称量干燥的样品(例如，粒料)(W干)并在2-丙醇中进行煮沸1小时的时间。然后，将样品在已知温度下悬浮在2-丙醇中以测定液体中的表观质量(W悬)，除去，并使用用2-丙醇润湿的组织从样品表面擦去过量的液体。然后，立即在空气中称重饱和样品(W饱和)。然后，通过以下式测定密度：密度＝W干/(W饱和-W悬)*溶剂密度其中认为2-丙醇的密度在20℃下为0.786g/cm3，在21℃下为0.785g/cm3，且在22℃下为0.784g/cm3。用于测定密度的几何方法，也称为“几何(体积)方法”，涉及使用例如数字卡尺测量圆柱形样品的直径(D)和厚度(t)。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种冷烧结的陶瓷聚合物复合材料，所述复合材料通过包括下述的方法制备：/na.将数均粒度小于约30μm的颗粒形式的至少一种无机化合物与至少一种聚合物(P

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20160826 US 62/379,8511.一种冷烧结的陶瓷聚合物复合材料，所述复合材料通过包括下述的方法制备：
a.将数均粒度小于约30μm的颗粒形式的至少一种无机化合物与至少一种聚合物(P1)和溶剂结合以得到混合物，在所述溶剂中，所述无机化合物至少部分可溶；和
b.使所述混合物经受不高于约5000MPa的压力和比所述溶剂的沸点(在1巴下测定的)高了不超过200℃的温度(T1)，以获得冷烧结的陶瓷聚合物复合材料，
其中，如果所述聚合物是结晶的或半结晶的，则所述聚合物具有熔点(Tm)，如果所述聚合物是无定形的，则所述聚合物具有玻璃化转变温度(Tg)，所述熔点(Tm)或所述玻璃化转变温度(Tg)低于T1。


2.根据权利要求1所述的冷烧结的陶瓷聚合物复合材料，其中，所述聚合物不是聚碳酸酯、聚醚醚酮、聚醚酰亚胺、聚醚砜、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚氨酯、聚氯乙烯、聚偏二氟乙烯和磺化四氟乙烯(Nafion)。


3.一种冷烧结的陶瓷聚合物复合材料，所述复合材料通过包括下述的方法制备：
a.将数均粒度小于约30μm的颗粒形式的至少一种无机化合物与至少一种聚合物(P1)和溶剂结合以得到混合物，在所述溶剂中，所述无机化合物至少部分可溶；和
b.使所述混合物经受不高于约5000MPa的压力和比所述溶剂的沸点(在1巴下测定的)高了不超过200℃的温度(T1)，以获得冷烧结的陶瓷聚合物复合材料，
其中，如果所述聚合物是结晶的或半结晶的，则所述聚合物具有熔点(Tm)，如果所述聚合物是无定形的，则所述聚合物具有玻璃化转变温度(Tg)，所述熔点(Tm)或所述玻璃化转变温度(Tg)低于T1；并且
其中，所述聚合物是支化聚合物。


4.根据权利要求1-3中任一项所述的冷烧结的陶瓷聚合物复合材料，其中，T1比所述溶剂的沸点高了不超过100℃。


5.根据权利要求1-4中任一项所述的冷烧结的陶瓷聚合物复合材料，其中，所述混合物还包含至少一种聚合物(P2)，如果所述聚合物是结晶的或半结晶的，则所述聚合物具有Tm，如果所述聚合物是无定形的，则所述聚合物具有Tg，所述Tm或所述Tg大于T1。


6.根据权利要求1-5中任一项所述的冷烧结的陶瓷聚合物复合材料，其中，所述方法还包括：
c.使所述冷烧结的陶瓷聚合物复合材料经受大于Tm或Tg的温度T2。


7.根据权利要求1-6中任一项所述的冷烧结的陶瓷聚合物复合材料，其中，所述至少一种聚合物(P1)选自由以下组成的组：聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺、聚(对苯撑乙烯)、聚(3-烷基噻吩)、聚丙烯腈、聚(偏二氟乙烯)、聚酯、聚丙烯酰胺、聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、聚三氟氯乙烯、全氟烷氧基烷烃、聚芳醚酮、聚亚芳基砜、聚芳醚砜、聚亚芳基硫醚、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚酯酰亚胺、聚乙内酰脲、聚环烯、液晶聚合物、聚亚芳基硫醚、聚噁二唑苯并咪唑、聚咪唑并吡咯酮、聚吡喃酮、聚有机硅氧烷、聚酰胺、丙烯酸类、它们的共聚物以及它们的共混物。


8.根据权利要求1-6中任一项所述的冷烧结的陶瓷聚合物复合材料，其中，基于所述混合物的总重量，所述混合物中的所述无机化合物的重量百分比为约50至约99％(w/w)。


9.根据权利要求1-8中任一项所述的冷烧结的陶瓷聚合物复合材料，其中，基于所述混合物的总重量，所述混合物中的至少一种聚合物的重量百分比为约1至约50％(w/w)。


10.根据权利要求1-9中任一项所述的冷烧结的陶瓷聚合物复合材料，其中，所述溶剂包括水、醇、酯、酮、偶极非质子溶剂或它们的组合。


11.根据权利要求1-10中任一项所述的冷烧结的陶瓷聚合物复合材料，其中，基于所述溶剂的总重量，所述溶剂包含按重量计至少50％的水。


12.根据权利要求1-11中任一项所述的冷烧结的陶瓷聚合物复合材料，其中，所述溶剂还包括无机酸、有机酸、无机碱、金属盐或有机碱。


13.根据权利要求1-12中任一项所述的冷烧结的陶瓷聚合物复合材料，其中，所述方法还包括使所述冷烧结的陶瓷聚合物复合材料经受后固化或精加工步骤。


14.根据权利要求13所述的冷烧结的陶瓷聚合物复合材料，其中，所述后固化或精加工步骤是对所述冷烧结的陶瓷聚合物复合材料进行退火或机械加工。


15.根据权利要求1-14中任一项所述的冷烧结的陶瓷聚合物复合材料，其中，所述方法还包括选自注射成型、压缩成型、高压灭菌和压延中的一个或多个步骤。


16.根据权利要求1-15中任一项所述的冷烧结的陶瓷聚合物复合材料，其中，使步骤(b)在约50℃和约300℃之间的温度(T1)下进行。


17.根据权利要求16所述的冷烧结的陶瓷聚合物复合材料，其中，所述温度(T1)在约70℃和约250℃之间。


18.根据权利要求17所述的冷烧结的陶瓷聚合物复合材料，其中，所述温度(T1)在约100℃和约200℃之间。


19.根据权利要求1-18中任一项所述的冷烧结的陶瓷聚合物复合材料，其中，所述混合物还包含碳基材料和单质金属中的至少一种。


20.根据权利要求19所述的冷烧结的陶瓷聚合物复合材料，其中，所述碳基材料是选自由以下组成的组中的至少一种：石墨、纳米管、石墨烯、炭黑、富勒烯、无定形碳、沥青和焦油。


21.根据权利要求1-20中任一项所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：安妮·博尔瓦里，特奥多鲁斯·霍克斯，兰詹·达舍，托马斯·L·埃文斯，尼尔·普费芬伯格，乔纳森·博克，基耶尔·阿尔贝图斯·伦德斯，马克·约翰·阿姆斯特朗，
申请(专利权)人：沙特基础工业全球技术有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰;NL