[發明專利]3D打印結合反應燒結制備多孔氧化鋁陶瓷材料的方法

有效

• 申請號: 201410562321.0
• 申請日: 2014-10-21
• 公開（公告）號: CN104387105A
• 公開（公告）日: 2015-03-04
• 發明（設計）人: 曾宇平;姚冬旭
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: C04B38/00
• 分類號: C04B38/00;C04B35/10;C04B35/622
• 代理公司: 上海瀚橋專利代理事務所(普通合伙) 31261
• 代理人: 曹芳玲;鄭優麗

技術領域

本發明涉及一種多孔氧化鋁陶瓷材料的制備方法，屬于多孔陶瓷材料制備技術領域。

背景技術

多孔氧化鋁陶瓷具有輕質、高滲透率、耐化學腐蝕、耐摩擦、低膨脹系數和良好的高溫穩定性，在高溫氣、液過濾、催化劑載體、隔熱材料等領域具有廣泛的應用前景。根據不同領域的具體應用需求，可以對多孔氧化鋁陶瓷的氣孔率、氣孔尺寸進行設計，相關的制備方法也有很多報道。如以氧化鋁作為骨料、碳粉和乙基纖維素復合造孔劑制備孔隙率>50％的多孔氧化鋁陶瓷(中國專利，專利號CN101734909A)。以硝酸鋁、檸檬酸和水按照一定比例混合，150-200℃反應，高溫煅燒制備泡沫氧化鋁陶瓷(中國專利，專利號CN101717105A)。以異丙醇鋁作為前驅體，溶膠凝膠-冷凍干燥工藝制備多孔氧化鋁陶瓷，氣孔率30-97％可調，孔徑大小1-100μm可調(中國專利，專利號CN196257A)。以上的報道都是微觀結構的調控手段，沒有涉及復雜外形、尤其是內部具有復雜宏觀孔結構的制備。

三維打印技術(3DP)作為快速成型工藝的一種，可以自動、快速、直接、精確地將設計思想轉化為具有一定功能的原型或直接制造零件(模具)，有效地縮短了產品的研發周期，提高了產品設計、制造的一次成品率，降低了產品開發成本。3DP技術采用了打印技術中的噴墨方法，噴頭在不直接接觸粉末表面的情況下，有選擇地將粘結劑噴到需要的位置上，將零件的片層逐層粘結起來。該技術可以實現三維孔結構的設計制備。但常規3DP制備多孔氧化鋁的方法，是將細的氧化鋁粉體(～0.5μm)、糊精在蒸餾水中混合均勻，然后冷凍干燥獲得疏松的造粒粉體，粒徑分布50～200μm，方便3DP逐層粉體的鋪展(Melcher?R，Mater?Lett?2006；60:572-75)。但樣品在后燒結過程中收縮率約為20％，很難實現從原型設計到精確制備的操控，從而大大降低了3DP的應用價值。

因此，如何結合3DP技術制備收縮率低的多孔陶瓷材料，仍然是該領域技術人員的一個重要研究方向。

發明內容

本發明旨在克服現有采用3DP技術制備的多孔陶瓷材料收縮率高的缺陷，本發明提供了一種3D打印結合反應燒結制備多孔氧化鋁陶瓷材料的方法。

本發明提供了一種制備多孔氧化鋁陶瓷材料的方法，所述方法包括：

1)將鋁粉或鋁合金粉添加到三維打印機的送料箱中，通過三維打印機打印出多孔素坯；

2)將步驟1)制備的多孔素坯依次經過固化、脫粘、氧化、燒結工序，得到所述多孔氧化鋁陶瓷材料。

較佳地，所述鋁合金粉包括AlSi5粉體和/或AlSi12粉體。

較佳地，所述鋁粉或鋁合金粉中顆粒為10-25μm球形顆粒。

較佳地，步驟1)中，三維打印的參數為：多孔素坯的單層厚度為50-200μm，粘結劑飽和度為60-150％，粘結劑包括乙二醇、乙二醇單丁醚、以及這兩種粘結劑的混合物，干燥時間為60-120s。

較佳地，步驟2)中，固化工序的參數為：在100～120℃下，保溫24～96小時。

較佳地，步驟2)中，脫粘工序中以0.2-2℃/分鐘的升溫速度升溫至200-600℃，保溫時間為2—12小時。

較佳地，步驟2)，氧化工序中以0.2-2℃/分鐘的升溫速度升溫至550-1400℃，保溫時間為2—24小時。

較佳地，步驟2)中，燒結工序中以5-10℃/分鐘的升溫速度升溫至1550-1600℃，保溫時間為2—8小時。

本發明的有益效果：

(1)3DP可以無需模具制備形狀復雜的制品，而且制品的圍觀均勻性和孔連通性好，孔徑和孔隙率可控；

(2)反應燒結前后樣品的形狀和尺寸基本不變，有效實現從設計到最終產品的精確實現。

附圖說明

圖1示出了本發明的兩個實施方式中使用的原料粉體Al(a)和AlSi12(b)的掃描電鏡圖；

圖2示出了本發明的兩個實施方式中制備得到的Al坯體和多孔氧化鋁陶瓷的XRD圖；

圖3示出了本發明的一個實施方式中制備得到的Al坯體(a)和多孔氧化鋁陶瓷(b)的斷面掃描電鏡圖片；

圖4示出了本發明的一個實施方式中制備得到的Al坯體(灰色)和多孔氧化鋁陶瓷(白色)的實物照片。

具體實施方式

以下結合附圖和下述實施方式進一步說明本發明，應理解，附圖及下述實施方式僅用于說明本發明，而非限制本發明。