本發(fā)明涉及一種高性能陶瓷，尤其是涉及一種高性能陶瓷增材制造方法。

背景技術(shù)：

高性能陶瓷在航空航天、汽車、電子、國(guó)防等領(lǐng)域需求量巨大?？焖俪尚图夹g(shù)具有成型速度快、可打印復(fù)雜部件、個(gè)性化、成本低、成型周期短等優(yōu)點(diǎn)，針對(duì)陶瓷材料的快速成型技術(shù)已成為近年來(lái)材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。陶瓷快速成型技術(shù)已廣泛應(yīng)用于陶瓷插針、電子陶瓷器件、多孔陶瓷過(guò)濾件、陶瓷牙齒等尺寸小、形狀復(fù)雜、精度高的產(chǎn)品的成型制造。但是，陶瓷脆性大難以使用快速成型技術(shù)加工成型，成為制約其發(fā)展與應(yīng)用的一個(gè)重要因素。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出一種基于增材制造工藝的高性能陶瓷材料制備方法。該材料模型由原位環(huán)化反應(yīng)的碳材料填充高溫?zé)Y(jié)的高性能陶瓷粉末構(gòu)成，在結(jié)構(gòu)上具有陶瓷和碳材料雙連續(xù)相、空間立體結(jié)構(gòu)界面增強(qiáng)、微孔隙等特點(diǎn)。受到外力破壞時(shí)，通過(guò)裂紋偏轉(zhuǎn)、碳材料斷裂和拔出等機(jī)理吸收能量實(shí)現(xiàn)材料的高強(qiáng)與高韌，同時(shí)可以提升材料的導(dǎo)電性能。與此同時(shí)，提出了高性能功能化陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝，實(shí)現(xiàn)高性能陶瓷復(fù)合材料的可控制備。

根據(jù)空間原位碳化材料增強(qiáng)增韌的功能化陶瓷材料模型，本發(fā)明提出了在陶瓷粉末中預(yù)分散碳材料前驅(qū)體聚丙烯腈(pan)、pan碳化與陶瓷粉體燒結(jié)一體化的制備原理，提出了基于熔融沉積增材制造方法的加工方法：浸潤(rùn)原位碳化工藝。

本發(fā)明提出一種基于增材制造工藝的高性能陶瓷材料制備方法，制備步驟順序如下：第一步，陶瓷粉末/粘結(jié)劑二元體系快速成型材料制備環(huán)節(jié)；第二步，聚丙烯腈(pan)溶液制備環(huán)節(jié)；第三步，陶瓷粉末/粘結(jié)劑二元體系快速成型環(huán)節(jié)得到陶坯；第四步，陶坯脫脂與預(yù)燒結(jié)環(huán)節(jié)；第五步，預(yù)燒結(jié)后的陶坯在pan溶液中浸潤(rùn)及浸潤(rùn)后的陶坯中pan與dmso熱致相分離環(huán)節(jié)；第六步，陶坯微空隙中滯留有pan后的燒結(jié)與碳化環(huán)節(jié)。

本發(fā)明一種基于增材制造工藝的高性能陶瓷材料制備方法，在材料制備環(huán)節(jié)中首先進(jìn)行陶瓷粉末/粘結(jié)劑二元體系快速成型材料制備，基于前期研究基礎(chǔ)和碳材料與陶瓷的界面結(jié)合性考慮，本發(fā)明以球形的碳化硅(sic)作為陶瓷原料，以聚乙烯(pe)或聚乳酸(pla)作為粘結(jié)劑；以一定的陶瓷粒度、裝載量、粘結(jié)劑比例使用雙螺桿混煉擠出機(jī)和微納層疊有序共混設(shè)備制成快速成型二元體系耗材。

本發(fā)明一種基于增材制造工藝的高性能陶瓷材料制備方法，聚丙烯腈(pan)溶液制備環(huán)節(jié)的具體步驟為：按一定質(zhì)量比分別稱取pan粉末與dmso，混合后裝入試管或燒杯，將試管或燒杯垂直固定在160℃油浴中預(yù)熱，開(kāi)啟磁力攪拌或機(jī)械攪拌(用于pan濃度大于25wt％的體系)，勻速攪拌至聚合物全部溶解，得到均一透明的溶液。

本發(fā)明一種基于增材制造工藝的高性能陶瓷材料制備方法，快速成型環(huán)節(jié)的具體步驟為螺桿加熱共混擠出送料裝置掛載在三維運(yùn)動(dòng)裝置上，螺桿熔融輸送二元體系原料并擠出熔融態(tài)耗材，三維運(yùn)動(dòng)裝置通過(guò)電腦控制使螺桿擠出裝置按照一定軌跡移動(dòng)，二元體系熔融態(tài)耗材在成型平臺(tái)上沉積冷卻固化生成陶坯雛形。

本發(fā)明一種基于增材制造工藝的高性能陶瓷材料制備方法，其碳化及預(yù)燒結(jié)環(huán)節(jié)的具體步驟分為以下三步：

①脫脂與預(yù)燒結(jié)環(huán)節(jié)

按照設(shè)計(jì)的二元體系材料的脫脂路線對(duì)陶坯進(jìn)行加熱，使高聚物粘結(jié)劑分解并以氣體形式均勻逸出；再將陶坯繼續(xù)將溫度升高到2130℃(sic陶瓷的理論燒結(jié)溫度)，保溫一段時(shí)間形成預(yù)燒結(jié)件，保證試樣具有一定的強(qiáng)度，形成具有連通型微空隙結(jié)構(gòu)的陶瓷預(yù)燒結(jié)件。

②pan溶液浸潤(rùn)及熱致相分離環(huán)節(jié)

用配置好的pan溶液浸潤(rùn)預(yù)燒結(jié)過(guò)的陶坯，對(duì)pan溶液施加一定的壓力，保證其均勻地填充陶坯內(nèi)連通型微空隙。然后將pan/dmso混合溶液加熱至109℃(dmso熔點(diǎn))以上，當(dāng)溫度逐漸降低至室溫，陶坯內(nèi)混合溶液中pan與dmso冷卻分相結(jié)晶，用萃取劑萃取陶坯內(nèi)dmso晶體發(fā)生熱致相分離。溫度降低時(shí)，dmso就從陶坯內(nèi)析出，為了加快dmso的萃取，可將陶坯放入甲醇、乙醇或水等萃取劑中進(jìn)行萃取，pan就滯留在陶坯內(nèi)的微空隙中。

③燒結(jié)與碳化環(huán)節(jié)

對(duì)包含碳材料前驅(qū)體pan與陶瓷基體的預(yù)燒結(jié)件進(jìn)行碳化與燒結(jié)。在大氣氣氛中將陶坯溫度以一定的升溫速度(0.5℃/min)升至250℃并保溫兩小時(shí)，使pan樹(shù)脂氧化穩(wěn)定過(guò)程；再以一定的升溫速度(4℃/min)的速度升至800℃并保溫一個(gè)小時(shí)，使pan發(fā)生環(huán)化碳化反應(yīng)。繼續(xù)升高溫度至陶瓷粉末的燒結(jié)溫度并保溫一段時(shí)間，最終制成一種空間原位碳化材料增強(qiáng)增韌的陶瓷材料。實(shí)現(xiàn)三維碳結(jié)構(gòu)增強(qiáng)增韌增材制造陶瓷制品的制備，該加工方法可在三個(gè)維度上一定程度提高增材制造陶瓷制品的強(qiáng)度和韌性。

由于陶瓷材料自身脆性大的因素使其在工業(yè)應(yīng)用中難度較大，本發(fā)明提出了一種空間原位碳化材料增強(qiáng)增韌的功能化陶瓷材料模型，并提出了基于增材制造技術(shù)的制備工藝路線(spatialandorthotopiccarbidematerialsreinforcedceramicbasedonaddictivemanufacture，簡(jiǎn)稱socc-am)。

本發(fā)明其優(yōu)勢(shì)在于：一種基于增材制造工藝的高性能陶瓷材料是由原位環(huán)化反應(yīng)的碳材料填充高溫?zé)Y(jié)的高性能陶瓷顆粒構(gòu)成的，在結(jié)構(gòu)上具有陶瓷和碳材料雙連續(xù)相、空間立體結(jié)構(gòu)界面增強(qiáng)、微孔隙等特點(diǎn)。可實(shí)現(xiàn)三維碳結(jié)構(gòu)增強(qiáng)增韌增材制造陶瓷制品的制備，該加工方法可在三個(gè)維度上一定程度提高增材制造陶瓷制品的強(qiáng)度和韌性。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明一種基于增材制造工藝的高性能陶瓷材料制備方法的材料共混后3d打印后材料組份示意圖。

圖2是本發(fā)明一種基于增材制造工藝的高性能陶瓷材料制備方法的粘結(jié)劑脫揮陶瓷預(yù)燒結(jié)后材料組份示意圖。

圖3是本發(fā)明一種基于增材制造工藝的高性能陶瓷材料制備方法的pan/dmso溶液浸潤(rùn)預(yù)燒結(jié)陶坯材料組份示意圖。

圖4是本發(fā)明一種基于增材制造工藝的高性能陶瓷材料制備方法的熱相分離提取溶液后材料組份示意圖。

圖5是本發(fā)明一種基于增材制造工藝的高性能陶瓷材料制備方法的模型材料組份(pan原位碳化與陶瓷燒結(jié)后)示意圖。

圖中：1-陶瓷粉末顆粒；2-粘結(jié)劑；3-dmso溶劑；4-pan粉末顆粒；5-空間碳結(jié)構(gòu)。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供了一種基于增材制造工藝的高性能陶瓷材料制造方法，由陶瓷粉末/粘結(jié)劑二元體系快速成型材料制備環(huán)節(jié)、聚丙烯腈(pan)溶液制備環(huán)節(jié)、快速成型環(huán)節(jié)、脫脂與預(yù)燒結(jié)環(huán)節(jié)、pan溶液浸潤(rùn)及熱致相分離環(huán)節(jié)和燒結(jié)與碳化環(huán)節(jié)構(gòu)成。

本發(fā)明一種基于增材制造工藝的高性能陶瓷材料制造方法，以球形的碳化硅(sic)作為陶瓷原料，以聚乙烯(pe)或聚乳酸(pla)作為粘結(jié)劑；以一定的陶瓷粒度、裝載量、粘結(jié)劑比例使用雙螺桿混煉擠出機(jī)和微納層疊有序共混設(shè)備制成快速成型二元體系耗材，如圖1所示。配置聚丙烯腈(pan)溶液，按一定質(zhì)量比分別稱取pan粉末與dmso混合后裝入試管或燒杯，試管或燒杯垂直固定在160℃油浴中預(yù)熱，開(kāi)啟磁力攪拌或機(jī)械攪拌(用于pan濃度大于25wt％的體系)，勻速攪拌至聚合物全部溶解，得到均一透明的溶液。螺桿加熱共混擠出送料裝置掛載在三維運(yùn)動(dòng)裝置上，螺桿熔融輸送二元體系原料并擠出熔融態(tài)耗材，三維運(yùn)動(dòng)裝置通過(guò)電腦控制使螺桿擠出裝置按照一定軌跡移動(dòng)，二元體系熔融態(tài)耗材在成型平臺(tái)上沉積冷卻固化生成陶坯雛形。按照設(shè)計(jì)的二元體系材料的脫脂路線對(duì)陶坯進(jìn)行加熱，使高聚物粘結(jié)劑分解并以氣體形式均勻逸出。將陶坯繼續(xù)升溫到2130℃(sic陶瓷的理論燒結(jié)溫度)，保溫一段時(shí)間形成預(yù)燒結(jié)件，保證試樣具有一定的強(qiáng)度，形成具有連通型微空隙結(jié)構(gòu)的陶瓷預(yù)燒結(jié)件，如圖2所示。用配置好的pan溶液浸潤(rùn)預(yù)燒結(jié)陶坯，對(duì)pan溶液施加一定的壓力，保證其均勻地填充陶坯內(nèi)連通型微空隙，如圖3所示。然后將pan與dmso混合溶液加熱至109℃以上，當(dāng)溫度逐漸降低至室溫，溶液中pan與dmso冷卻分相結(jié)晶，用萃取劑萃取dmso晶體發(fā)生熱致相分離，陶坯的材料結(jié)構(gòu)如圖4所示。對(duì)包含碳材料前驅(qū)體pan與陶瓷基體的預(yù)燒結(jié)件進(jìn)行碳化與燒結(jié)。在大氣氣氛中將陶坯溫度以一定的升溫速度(0.5℃/min)升至250℃并保溫兩小時(shí)，使pan樹(shù)脂氧化穩(wěn)定過(guò)程；再以一定的升溫速度(4℃/min)的速度升至800℃并保溫一個(gè)小時(shí)，使pan發(fā)生環(huán)化碳化反應(yīng)。繼續(xù)升高溫度至陶瓷粉末的燒結(jié)溫度并保溫一段時(shí)間，最終制成一種空間原位碳化材料增強(qiáng)增韌的陶瓷材料，如圖5所示。實(shí)現(xiàn)三維碳結(jié)構(gòu)增強(qiáng)增韌增材制造陶瓷制品的制備，該加工方法可在三個(gè)維度上一定程度提高增材制造陶瓷制品的強(qiáng)度和韌性。

圖1-圖5中，sic、pan和燒結(jié)后得到的碳材料實(shí)際都是各自的纏繞結(jié)構(gòu)，圖中的粒徑只是示意，最終得到的模型中，sic經(jīng)燒結(jié)成為帶微空隙的空間結(jié)構(gòu)，pan與dmso對(duì)陶坯的浸潤(rùn)，pan以分子狀態(tài)分布于sic的微空隙中，經(jīng)再次燒結(jié)后pan原位轉(zhuǎn)變?yōu)樘疾牧?，碳材料以空間的交叉結(jié)構(gòu)分布于sic的微空隙中，所以最終制品具有高強(qiáng)度和高韌性。