本發(fā)明屬于增材制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種3D打印陶瓷坯體的排膠和燒結(jié)工藝。

背景技術(shù)：

由于陶瓷材料具有耐腐蝕、耐高溫、環(huán)境友好、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，在節(jié)能減排功能器件領(lǐng)域具有十分廣泛的應(yīng)用，也是目前節(jié)能減排領(lǐng)域普遍采用的材料。然而，由于陶瓷材料本身的高溫、脆性等特點(diǎn)，傳統(tǒng)成型方法很難制備形狀復(fù)雜、薄壁中空的陶瓷器件。3D打印具有制造周期短、適合單件個(gè)性化制造、一次成型、節(jié)省原料等特點(diǎn)，因此，在制造大型陶瓷薄壁件、蜂窩狀復(fù)雜陶瓷結(jié)構(gòu)、鈦合金等難加工、易熱成形零件方面具有較大優(yōu)勢(shì)。3D打印技術(shù)是指通過(guò)連續(xù)的物理層疊加，逐層增加材料來(lái)生成三維實(shí)體的技術(shù)。與傳統(tǒng)制造業(yè)的去除材料加工方式不同，3D打印遵循的是加法原則，即實(shí)物為層層粉末疊加而成，所以也稱(chēng)為增材技術(shù)。傳統(tǒng)的陶瓷制作工藝是一項(xiàng)繁雜的過(guò)程，從最初的原料加工到最后的燒成需要幾十道工序，環(huán)環(huán)相扣，缺一不可。而陶瓷的3D打印技術(shù)可以大大節(jié)省時(shí)間，使工藝簡(jiǎn)單化，并節(jié)省了大量的勞動(dòng)力成本和原料、能源消耗。

傳統(tǒng)陶瓷原料按照工藝特性一般可分為塑性、瘠性、溶劑性和功能性原料四大類(lèi)，其中，塑性原料在生產(chǎn)中主要起塑化和結(jié)合作用，是陶瓷成型的關(guān)鍵，賦予坯料可塑性和注漿成型性能，保證干坯強(qiáng)度及燒成后的機(jī)械強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性等，包括高嶺土、膨潤(rùn)土、瓷土、木節(jié)土、蘇州土等，是黏土質(zhì)陶瓷的成瓷基礎(chǔ)。但是，由于粘土礦物成因復(fù)雜，組成不均，表現(xiàn)為可塑性、觸變性、結(jié)合性、收縮性、耐火度等性質(zhì)差異較大，因此，各個(gè)陶瓷產(chǎn)區(qū)的陶瓷坯料配方及工藝存在差別。由于粘土本身是一種永久粘合劑，所以在陶瓷坯料配方中，很少再添加其他粘合劑以改善配料的塑性。

然而，利用3D打印技術(shù)對(duì)陶瓷進(jìn)行成型，對(duì)泥料的性能和加工過(guò)程的要求完全不一樣。傳統(tǒng)可塑泥料需要經(jīng)過(guò)破碎、球磨、壓濾、練泥、陳腐等工藝制備而成，如果利用3D打印技術(shù)對(duì)泥料進(jìn)行成型，則在細(xì)度、流動(dòng)性、可塑性等方面具有更嚴(yán)格的要求。常用3D打印陶瓷技術(shù)所利用的原料一般為膠凝狀或者高固相體積分?jǐn)?shù)的懸浮漿料。為了使泥料具有良好的流變性能，不僅需要依靠粘土本身的粘附作用力，還必須添加大量的粘結(jié)劑和塑化劑，通過(guò)這些添加劑的改性功能使泥料具有良好的流動(dòng)性，并在顆粒之間產(chǎn)生膠結(jié)作用力，起到降低粘度、增加流動(dòng)性、提高層間結(jié)合力的作用，最終確保3D打印過(guò)程的正常進(jìn)行。常用的粘結(jié)劑有淀粉、糊精、CMC、阿拉伯樹(shù)膠、樹(shù)脂、凝膠類(lèi)等有機(jī)高分子材料。這些添加劑在燒結(jié)過(guò)程中，主要成分將被分解揮發(fā)，不會(huì)體現(xiàn)在最終的陶瓷制品中。由于在陶瓷泥料中添加了大量粘結(jié)劑，使得3D打印技術(shù)能夠成型低可塑性原料甚至瘠性原料，陶瓷原料的選擇性更為廣泛。

3D打印技術(shù)能夠成型形狀復(fù)雜、結(jié)構(gòu)精密、尺寸精確的陶瓷坯體，在后期的排膠燒結(jié)過(guò)程中，由于含有大量的粘結(jié)劑等有機(jī)高分子材料，陶瓷坯體會(huì)發(fā)生劇烈收縮和失重，如何通過(guò)排膠燒結(jié)工藝的有效設(shè)計(jì)，使陶瓷坯體在排膠過(guò)程中均勻收縮，不發(fā)生變形，保持一定的強(qiáng)度，在燒結(jié)過(guò)程中，陶瓷件能夠具有很高的表面光潔度，達(dá)到較好的致密度，強(qiáng)度優(yōu)良，具有較小的內(nèi)應(yīng)力，尺寸精確，這些都是3D打印陶瓷技術(shù)獲得應(yīng)用必須要克服的技術(shù)瓶頸，也是限制陶瓷的3D打印技術(shù)獲得應(yīng)用的主要問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種適用于3D打印陶瓷坯體的排膠和燒結(jié)工藝，實(shí)現(xiàn)了3D打印陶瓷坯體(高膠含量陶瓷坯體)的致密化，突破了陶瓷3D打印成型的技術(shù)瓶頸。

為此，本發(fā)明一方面提供了一種3D打印陶瓷坯體的排膠和燒結(jié)工藝，其特征在于，包括：

(1)將3D打印的固含量為20～95wt.％的陶瓷坯體放入坩堝中，并使用與陶瓷坯體成分相同的原料粉末對(duì)陶瓷坯體進(jìn)行包埋和填充；

(2)將放有陶瓷坯體的坩堝放入馬弗爐中，空氣氣氛下進(jìn)行分段排膠，所述分段排膠包括先以0.3～0.6℃/分鐘的升溫速率從室溫升溫至200℃，保溫2小時(shí)以下；再以0.4～0.7℃/分鐘的升溫速率從200℃升溫至500℃，保溫3小時(shí)以下；再以0.4～0.7℃/分鐘的升溫速率從500℃升溫至致密化溫度，保溫2～6小時(shí)，隨爐冷卻至室溫；

(3)以1～3℃/分鐘的升溫速率升溫至燒結(jié)溫度，燒結(jié)時(shí)間1～12小時(shí)；

其中，所述致密化溫度比所述陶瓷坯體的燒結(jié)溫度低300～1000℃。

本發(fā)明利用與陶瓷坯體成分相同的原料粉末將坯體包埋和填充。原料粉末不僅需要包裹住陶瓷坯體，而且需要填入坯體中的孔洞等中空結(jié)構(gòu)，目的是使陶瓷坯體受熱均勻、緩慢，防止溫度的驟變，避免坯體內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，減少坍塌的概率。本發(fā)明再將載有3D打印陶瓷坯體(高膠含量、固含量為20～95wt.％)的坩堝放入馬弗爐中，開(kāi)始進(jìn)行排膠過(guò)程。其中排膠工藝為：以0.3～0.6℃/min的升溫速率，升溫至200℃保溫0～2h，此階段目的是排除坯體中的自由水、結(jié)晶水等水分。再以0.4～0.7℃/min的升溫速率升溫至500℃保溫0～3h，此階段目的使坯體中的有機(jī)物分解揮發(fā)。再以0.4～0.7℃/min的升溫速率升至致密化溫度保溫2～6h，通過(guò)本過(guò)程，陶瓷坯體能夠產(chǎn)生一定的強(qiáng)度，不至于坍塌。致密化溫度一般低于該陶瓷燒結(jié)溫度300～1000℃，避免原料粉末與陶瓷坯體發(fā)生燒結(jié)過(guò)程，為原料粉末的清除提供便利。

較佳地，所述陶瓷坯體為由氧化物制備的陶瓷坯體，所述氧化物為Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂、SiO₂、尖晶石和莫來(lái)石中的至少一種。

較佳地，所述原料粉末的純度不低于分析純，顆粒尺寸低于6微米。

本發(fā)明的排膠和燒結(jié)工藝，能夠有效地處理含有大量有機(jī)粘接劑的陶瓷坯體，尤其適用于3D打印成型的陶瓷件。本排膠工藝不僅能夠有效去除陶瓷坯體中的有機(jī)物和水分，還能夠保證陶瓷坯體在排膠過(guò)程中產(chǎn)生均勻收縮，不發(fā)生變形、坍塌等現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)排膠過(guò)程之后，陶瓷坯體還具有一定的強(qiáng)度，有利于原料粉末的清除和再燒結(jié)的操作。

3D打印技術(shù)由于能夠制備異形、中空薄壁等特殊陶瓷器件，在催化反應(yīng)載體、發(fā)動(dòng)機(jī)噴管等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。通過(guò)本發(fā)明的排膠和燒結(jié)工藝，不僅能夠有效地排除坯體中的有機(jī)物，還能夠得到尺寸收縮均勻、表面質(zhì)量良好、力學(xué)性能優(yōu)良的陶瓷件，為3D打印技術(shù)在陶瓷制備中的應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

附圖說(shuō)明

圖1a為3D打印的氧化鋁陶瓷管坯體模型圖；

圖1b為舟形氧化鋁陶瓷坩堝模型圖；

圖2為陶瓷坯體埋入氧化鋁粉后的模型圖。

具體實(shí)施方式

以下通過(guò)下述實(shí)施方式進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，應(yīng)理解，下述實(shí)施方式僅用于說(shuō)明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。

根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，3D打印已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)陶瓷的成型，然而，所獲得的陶瓷坯體含有大量的有機(jī)膠，這就給排膠燒結(jié)工藝帶來(lái)了巨大的困難，也是3D打印陶瓷實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的重要技術(shù)瓶頸。

本發(fā)明采用立體光固化成型(SLA)或選擇性燒結(jié)成型(SLS)等3D打印技術(shù)進(jìn)行陶瓷坯體的打印。其中陶瓷坯體的固含量可為20％～95wt.％，優(yōu)選為50～80wt.％。作為上述3D打印陶瓷坯體的成分可以是Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂、SiO₂、尖晶石、莫來(lái)石等氧化物，可以是以上一種或多種氧化物的混合組成。

本發(fā)明是將3D打印得到的陶瓷坯體稱(chēng)重、測(cè)量尺寸、拍照，再將陶瓷坯體放入特別設(shè)計(jì)的坩堝中，并利用與陶瓷坯體成分相同的原料粉末將坯體包埋和填充。原料粉末不僅需要包裹住陶瓷坯體，而且需要填入坯體中的孔洞等中空結(jié)構(gòu)。原料粉末的純度不低于分析純，顆粒尺寸小于6微米。

將載有陶瓷坯體的坩堝放入馬弗爐中靠近熱電偶的位置，開(kāi)始進(jìn)行排膠過(guò)程。排膠工藝可為：以0.3～0.6℃/min的升溫速率，升溫至200℃保溫0～2h，排除坯體中的自由水、結(jié)晶水等水分。再以0.4～0.7℃/min的升溫速率升溫至500℃保溫0～3h，使坯體中的有機(jī)物分解揮發(fā)。再以0.4～0.7℃/min的升溫速率升至致密化溫度保溫2～6h，通過(guò)本過(guò)程，陶瓷坯體能夠產(chǎn)生一定的強(qiáng)度，不至于坍塌。致密化溫度一般低于該陶瓷燒結(jié)溫度300～1000℃，避免原料粉末與陶瓷坯體發(fā)生燒結(jié)過(guò)程，為原料粉末的清除提供便利。冷卻方式為爐冷，氣氛為大氣氣氛。通過(guò)排膠工藝，不僅清除了坯體中的水分和有機(jī)物，還使坯體獲得了均勻收縮、實(shí)現(xiàn)了一定的致密化，體積收縮為4-30％，失重20-50％。

待冷卻到室溫后，將載有陶瓷坯體的坩堝從馬弗爐中取出。用毛刷將坯體表面或/和內(nèi)部的原料粉末清理干凈，并用吹風(fēng)機(jī)對(duì)坯體進(jìn)行風(fēng)淋，確保沒(méi)有原料粉末粘連在坯體的表面。

對(duì)完成排膠工藝的陶瓷坯體進(jìn)行稱(chēng)重、測(cè)量尺寸和拍照。結(jié)合排膠前陶瓷坯體的測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算陶瓷坯體在排膠過(guò)程中的失重和尺寸收縮率。

將排膠干凈的陶瓷坯體再次放入馬弗爐中，在1～3℃/min的升溫速率下升溫至燒結(jié)溫度，保溫1～12h，氣氛為空氣，再隨爐冷卻至室溫，取出陶瓷成品。

本發(fā)明對(duì)高膠含量的陶瓷坯體進(jìn)行排膠和燒結(jié)，所得到的陶瓷件能夠保持良好的形狀、強(qiáng)度、表面光潔度和致密度，有效地推動(dòng)了3D打印技術(shù)在陶瓷成型領(lǐng)域中的應(yīng)用。對(duì)完成燒結(jié)工藝的陶瓷件進(jìn)行稱(chēng)重、測(cè)量尺寸和拍照。結(jié)合排膠前陶瓷坯體的測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算陶瓷件在燒結(jié)過(guò)程中的失重和尺寸收縮率。

下面進(jìn)一步例舉實(shí)施例以詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。同樣應(yīng)理解，以下實(shí)施例只用于對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明，不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的上述內(nèi)容作出的一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。下述示例具體的工藝參數(shù)等也僅是合適范圍中的一個(gè)示例，即本領(lǐng)域技術(shù)人員可以通過(guò)本文的說(shuō)明做合適的范圍內(nèi)選擇，而并非要限定于下文示例的具體數(shù)值。

實(shí)施例1

利用立體光固化技術(shù)打印氧化鋁陶瓷管，陶瓷坯體的固含量為60％，陶瓷管的尺寸為外徑12mm，內(nèi)徑8mm，長(zhǎng)60mm，如圖1a所示。選擇無(wú)定形的氧化鋁粉，在舟形氧化鋁坩堝(如圖1b所示)底部鋪一層氧化鋁粉，再將陶瓷管坯體放入坩堝中，在陶瓷管中填滿(mǎn)氧化鋁粉，再將陶瓷管坯體全部埋入氧化鋁粉中，如圖2所示。將舟形氧化鋁坩堝放入馬弗爐中，靠近爐子熱電偶的位置。7小時(shí)升溫至200℃，再以10小時(shí)升溫至500℃保溫1小時(shí)，再以20小時(shí)升溫至1100℃保溫4小時(shí)，最后隨爐冷卻，氣氛為空氣氣氛。冷卻到室溫后，取出坩堝，清理陶瓷管坯體上的氧化鋁粉，用毛刷將表面的粉體刷干凈，并用吹風(fēng)機(jī)進(jìn)一步將殘留的氧化鋁粉末清除完畢。再將排膠好了的氧化鋁陶瓷管坯體放入馬弗爐中燒結(jié)，以15小時(shí)升溫至1700℃保溫2小時(shí)，隨爐冷卻，空氣氣氛。冷卻至室溫后，取出氧化鋁陶瓷管，完成3D打印氧化鋁陶瓷管的排膠燒結(jié)工藝。