[發(fā)明專利]一種連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料的制備方法及專用設(shè)備

有效

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• 申請日: 2020-07-06
• 公開（公告）號: CN111747765B
• 公開（公告）日: 2022-03-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張凱;閆志隆;劉婷婷;廖文和;熊志偉;鄒志永;陳丹;王新禹;張玲
• 申請（專利權(quán)）人: 南京理工大學(xué)
• 主分類號: B33Y30/00
• 分類號: B33Y30/00
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司 32252
• 代理人: 蔣廈

本發(fā)明涉及一種連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料的制備方法及專用設(shè)備，包括底座、機(jī)架、光固化成型系統(tǒng)、纖維鋪絲系統(tǒng)和控制單元；所述的光固化成型系統(tǒng)包括光源、液槽、Z軸運動機(jī)構(gòu)、成型臺和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；所述的纖維鋪絲系統(tǒng)包括噴頭、噴頭安裝機(jī)構(gòu)、自動進(jìn)絲機(jī)構(gòu)和超聲清洗槽。本發(fā)明通過成型臺旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將高精度的光固化打印技術(shù)和FDM打印技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)纖維對陶瓷材料的增韌目標(biāo)，增加了成型自由度，解決了陶瓷材料塑性低韌性差的明顯不足、纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料無法制造具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)外形和高精度的零件的不足之處。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及多材料復(fù)合成型技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料的制備方法及專用設(shè)備。

背景技術(shù)

陶瓷材料由于其獨特的高硬度、耐高溫、抗氧化等優(yōu)良性能，在航空航天、電子設(shè)備生物科學(xué)等其他領(lǐng)域有極其廣泛的應(yīng)用，但陶瓷自身存在塑性韌性差，抗拉強(qiáng)度低的致命不足導(dǎo)致它在廣泛使用的過程中也受到了很多的限制。纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料融合纖維材料沿纖維軸方向高強(qiáng)度、模量的優(yōu)點，是一種滿足硬度高、耐高溫、密度小等要求的理想材料。

在傳統(tǒng)制造過程中，纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料大多數(shù)采用連續(xù)纖維，先利用編織工藝編織纖維預(yù)制體，再使用化學(xué)方法生成陶瓷基復(fù)合材料。通過這種方法制造的零件以纖維為主體，而非陶瓷材料為主要部分，在很大程度上決定了這種制造方法對于需要滿足復(fù)雜形狀、高精度要求的某些零件是無法適用的。而在增材制造領(lǐng)域中，纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料的制造亦存在上述不足，雖然3D打印方法很多，但是對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)外形、精度要求高的纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料零件的成型工藝及專用設(shè)備尚未開發(fā)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種利用旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將光固化打印技術(shù)和纖維鋪絲結(jié)合實現(xiàn)連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝，在以陶瓷材料為主體的前提下，將碳纖維當(dāng)作“鋼筋”加入陶瓷“水泥”中，從而達(dá)到連續(xù)纖維對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)外形、精度要求高陶瓷基材料的增韌目標(biāo)。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是：

一種制備連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料的設(shè)備，包括底座、機(jī)架、光固化成型系統(tǒng)、纖維鋪絲系統(tǒng)和控制單元；所述的光固化成型系統(tǒng)包括光源、液槽、Z軸運動機(jī)構(gòu)、成型臺和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；所述的纖維鋪絲系統(tǒng)包括噴頭、噴頭安裝機(jī)構(gòu)、自動進(jìn)絲機(jī)構(gòu)和超聲清洗槽；所述的機(jī)架安裝在底座后部，所述的液槽設(shè)于底座前部，所述的光源設(shè)于液槽正下方；在所述機(jī)架的前側(cè)下部安裝Z軸運動機(jī)構(gòu)，在所述機(jī)架的前側(cè)上部安裝噴頭安裝機(jī)構(gòu)，所述的Z軸運動機(jī)構(gòu)通過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)連接所述的成型臺；所述的噴頭安裝機(jī)構(gòu)安裝固定噴頭，所述的噴頭連接自動進(jìn)絲機(jī)構(gòu)；所述的超聲清洗槽通過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安裝于機(jī)架一側(cè)；所述的控制單元通過線路連接光固化成型系統(tǒng)和纖維鋪絲系統(tǒng)，對二者進(jìn)行控制。

進(jìn)一步的，所述的底座上設(shè)有空心凹槽，液槽嵌于空心凹槽內(nèi)采用透明材質(zhì)，使正下方的光源可照射液槽。

進(jìn)一步的，所述的噴頭內(nèi)具有加熱機(jī)構(gòu)，對的噴頭內(nèi)的纖維進(jìn)行加熱。

一種連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

1)用三維造型軟件生成零件的三維實體模型，并將其轉(zhuǎn)為STL文件；在分層軟件中對三維實體模型的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括：單層厚度、光源強(qiáng)度、曝光時間以及纖維鋪置的層第數(shù)和纖維圖案，最后對其進(jìn)行切片分層；

2)將準(zhǔn)備好的陶瓷漿料適當(dāng)搖勻后放入液槽中，在超聲清洗槽中放入適量無水乙醇；

3)開始打印，控制單元通過Z軸運動機(jī)構(gòu)控制成型臺復(fù)位；

4)控制單元控制成型臺下降，停止下降時成型臺底面與液槽底部之間距離為設(shè)置好的單層厚度；

5)控制單元打開光源，使光透過液槽對液槽中的陶瓷漿料進(jìn)行首層曝光一定時間，使其固化成型，之后將成型臺抬升一定高度使?jié){料固化層與液槽底部分離；