南航研发新型陶瓷高通量配粉系统，大幅提升新材料研发效率

南航研发新型陶瓷高通量配粉系统，大幅提升新材料研发效率

南京航空航天大学研发出一种新型陶瓷高通量配粉系统及方法，该技术采用微流控送料装置和喷粉装置，能够实现多组分陶瓷粉体的高效配制，显著提高了新材料的开发效率和质量，降低了研发成本。

背景技术

新型陶瓷及其复合材料的成分往往十分复杂，往往添加几种甚至十几种的添加剂作为其改性的成分，或者增加多种增加相来提高新型陶瓷性能。在新型陶瓷研发实验中，为摸索最佳配方，多水平配方任意组合出的试验次数呈现指数增长。现有单一变量控制的复合粉体研发存在试错周期长、工作效率低、生产成本高等问题，同时有限试验次数也难以获得统计学上可靠的实验结果。因此，设计多通道连续梯度组分变化的高通量陶瓷粉体配粉系统和方法非常重要。

此外，后续的成型和烧结工艺对新型陶瓷的粉体颗粒形状提出了要求，如短切碳纤维增强碳化硅陶瓷的增材制造、多稀土离子掺杂陶瓷的等离子喷涂等。球形是陶瓷粉体最理想的情况，因为球形具有较好的流动性且堆积密度高，有利于成型和烧结。因此，若能在高效配粉的同时获得球形复合粉体，对提高新型陶瓷的性能具有重要的意义。

技术实现思路

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种陶瓷高通量配粉系统及方法，利用微流控送料装置工艺参数高精准调控，使得多组分陶瓷粉体配粉效率大大提高，使原来花费数月的实验能够在数小时之内完成，极大地提高了新材料的开发效率和质量，显著降低了新材料的研发成本。

为实现上述目的，本发明提供了一种陶瓷高通量配粉系统，由微流控送料装置、喷粉装置和接收装置组成；所述的微流控送料装置为注射泵、蠕动泵、惰性气瓶或压缩空气中的一种或几种混合；所述的喷粉装置由浆料针筒、浆料混合导管、针头、高压电源和正负电极导线组成；所述的接收装置为导电金属接收槽，置于针头的正下方；当配置由n种不同成分粉末组成的复合粉体时，注射泵、蠕动泵、惰性气瓶和/或压缩空气的总数量为n个，浆料针筒的数量为n个，金属接收槽的数量为m个，其余装置数量为1个，n≥1且为整数，m≥1且为整数。

一种陶瓷高通量配粉方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)准备n种不同成分的陶瓷粉末，分别与聚合物、溶剂配制成n组浆料，所述的陶瓷粉末为主晶相陶瓷粉末和/或增强相，所述的聚合物为聚醚砜、壳聚糖或醋酸纤维素，所述的溶剂为n-甲基吡咯烷酮、乙酰丙酮、丙酮或二甲基乙酰胺，陶瓷粉末的质量分数为20～50％，聚合物的质量分数为40～65％，溶剂质量分数为5～15％；

(2)将配制好的n组浆料分别装入n个浆料针筒中，利用n个微流控送料装置分别推动各自浆料针筒内的浆料进入浆料混合导管，并通过控制各微流控送料装置参数来独立调节每个浆料针筒输送浆料流量，从而获得混合导管内不同组分的浆料，并形成连续状态流体进入针头，所述微流控送料装置的压力为蠕动泵的驱动压力、注射泵的驱动压力、惰性气体流量或压缩空气的气压；

(3)将高压电源正极与针头相连，电源负极与导电金属接收槽相连，导电金属接收槽中的溶液为水、甘油、乙醇中的一种或混合，打开高压电源，高压电源电压为20～25kv，在高压电场下混合浆料在喷头形成液滴并在接收槽溶液中固化得到由n种不同成分混合而成的复合陶瓷微球生坯；

(4)更换接收装置，改变微流控送料装置的压力以调节各浆料针筒内浆料的送料速率，得到m数量组分连续梯度变化的高通量混合粉末并形成复合微球生坯；

(5)将制得的复合微球生坯在空气环境下干燥24h，再放入马弗炉中烧结，烧结温度800～1300℃，烧结时间为2～6h，即得到复杂组分陶瓷微球。

所述的主晶相陶瓷粉末包括氧化物陶瓷和或非氧化陶瓷，氧化物陶瓷为稀土掺杂氧化锆、稀土氧化物、氧化硅、氧化铝、氧化镁、氧化锌、氧化钛、氧化铁、氧化银、氧化铈、氧化钙、氧化锰、氧化铪或氧化镧中的任意一种或几种混合，所述的非金属陶瓷为碳化硅、碳化锆、碳化硼或氮化硅中的任意一种或者几种混合，所述的增强相为短切碳纤维、短切氧化铝纤维、短切氧化硅纤维、短切碳化硅纤维、短切氮化硅纤维、碳纳米管、石墨烯、金刚石、碳化硅晶须或碳化硅纳米线中的任意一种或者几种混合。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：(1)本发明提供的一种陶瓷高通量配粉系统，设备结构简单、操作便捷、成本低、能够实现自动化生产；(2)本发明提供的一种陶瓷高通量配粉方法能够显著提高复杂组分粉体的研发效率，为不遗漏建立粉体“组分-工艺-结构-性能”关系的多目标的实现提供解决方案；(3)本发明提供的一种陶瓷高通量配粉方法制备的复合粉体为球形结构，具有非常高的粉体堆积密度，可避免不规则粉体形状导致的搭桥现象，有利于后续成型过程，如陶瓷增材制造、涂层喷涂等；(4)本发明提供的一种陶瓷高通量配粉方法可实现陶瓷主晶相粉体与增强相粉体均匀复合，避免出现分散不均、团聚等现象。