[發明專利]一種基于3D打印技術的纖維增強陶瓷薄壁件的成型方法

在審

• 申請號: 201711359966.4
• 申請日: 2017-12-15
• 公開（公告）號: CN108069706A
• 公開（公告）日: 2018-05-25
• 發明（設計）人: 崔雨瀟;林彬
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: C04B35/14
• 分類號: C04B35/14;C04B35/486;C04B35/111;C04B35/583;C04B35/587;C04B35/80;C04B35/82;C04B35/622;C04B35/634;B28B1/00;B33Y10/00;B33Y70/00;B33Y80/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 杜文茹

一種基于3D打印技術的纖維增強陶瓷薄壁件的成型方法：預先將陶瓷粉體、纖維材料和助燒劑混合，得到纖維增強陶瓷材料；采用聚乙烯醇為粘結劑，加入適量潤濕分散劑和消泡劑，與纖維增強陶瓷材料混合，獲得纖維增強陶瓷泥料；采用3D打印技術，將上述泥料由打印頭擠出，并且打印頭按照薄壁件截面數據運動，利用陶瓷泥料本身的塑性和稠度實現其堆積成型，獲得陶瓷坯體；經過脫脂和燒結，獲得纖維增強陶瓷薄壁件。本發明所采用的3D打印技術避免了光固化或加熱等復雜裝置，工藝大幅簡化，并且可以實現具有復雜曲面外形的纖維增強陶瓷薄壁件的快速制造，并且所制備的纖維增強陶瓷材料具有高均勻性、高強度和高韌性等優點。

技術領域

本發明涉及一種纖維增強陶瓷薄壁件的成型方法。特別是涉及一種基于3D打印技術的纖維增強陶瓷薄壁件的成型方法。

背景技術

陶瓷材料由于其高強度、高硬度、高耐磨性和耐腐蝕性等優異的性能，在空天、武器裝備等尖端領域得到了廣泛應用。然而由于其脆性較大，難以承受劇烈的機械沖擊和熱沖擊，因而制約了陶瓷在上述領域的應用。通過向陶瓷基體中添加纖維，增強陶瓷的強度和韌性，受到了研究人員的廣泛關注。目前，空天、武器裝備上應用的陶瓷薄壁件關鍵部件多采用長纖維編織體增強陶瓷制備。纖維編織體制備工藝復雜，并且編織體完成后需要反復浸漬和固化成型，生產周期長，成本極高。短纖維增強陶瓷無需復雜的纖維編織工藝，可望改善長纖維編織體增強陶瓷的上述不足。另一方面，上述關鍵部件外形多為不規則曲面，常規方法制備的陶瓷工件還需要進行磨削修形，去除表面大量余量，對陶瓷材料造成了很大的浪費。

3D打印技術又稱增材制造技術，是上世紀80年代后期發展起來的一項先進制造技術，可以實現快速成型，縮短產品的設計和生產周期，降低研制成本。陶瓷材料的直接成型技術是3D打印技術的研究熱點和重要發展方向。熔融沉積或光固化成型可以將增強纖維和陶瓷泥料進行打印并制備成陶瓷坯體，但是需要額外的光固化或者加熱裝置，工藝較為復雜。此外，對于工程陶瓷而言，其特定的陶瓷粉體屬于瘠性材料，粘度、塑性和分散性較差，導致其無法直接用于3D打印。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，提供一種無需額外光固化或者加熱工藝的基于3D打印技術的纖維增強陶瓷薄壁件的成型方法。

本發明所采用的技術方案是：一種基于3D打印技術的纖維增強陶瓷薄壁件的成型方法，包括如下步驟：

1)將陶瓷粉體材料和增強纖維材料按質量比為5-9：1混合，然后在球磨機中攪拌混合均勻，得到纖維增強陶瓷材料；

2)配制聚乙烯醇溶液，并向聚乙烯醇溶液中加入潤濕分散劑和消泡劑，然后將獲得的纖維增強陶瓷材料以及助燒劑加入所述的溶液中，在分散機中混合均勻，獲得纖維增強陶瓷泥料；

3)使用三維建模軟件設計薄壁件的3D模型，并將薄壁件3D模型轉換為分層路徑文件，導入3D打印機；

4)將獲得的纖維增強陶瓷泥料供給打印頭，氣泵通入壓縮氣體，提供均勻壓強，打印頭將陶瓷泥料均勻擠出；

5)打印頭根據分層路徑文件按照薄壁件3D模型當前層的輪廓數據進行平面二維運動；

6)完成薄壁件3D模型當前層的輪廓數據后，打印頭上升一個分層的厚度；

7)重復步驟4)至步驟6)，直至薄壁件坯體完成；

8)將打印完成的薄壁件坯體置于烘箱內，保持溫度在40-60℃，保溫4-6小時；

9)將步驟8)獲得的薄壁件坯體進行脫脂和燒結，獲得纖維增強陶瓷薄壁件。

步驟1)中所述的陶瓷粉體的粒徑為1-2μm；增強纖維材料的直徑為2-4μm，長度為50-80μm。

步驟2)中所述的配制聚乙烯醇溶液的質量分數為1％。