[發明專利]一種熱膨脹可調的陶瓷材料構件的制備方法及其產品

有效

• 申請號: 202010788090.0
• 申請日: 2020-08-07
• 公開（公告）號: CN111848183B
• 公開（公告）日: 2021-05-18
• 發明（設計）人: 何汝杰;張可強;方岱寧;張路;張學勤
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: C04B35/622
• 分類號: C04B35/622;C04B35/10;C04B35/48;C04B35/14;C04B35/565;C04B35/584;C04B35/582;B33Y70/10;B33Y10/00
• 代理公司: 北京盛詢知識產權代理有限公司 11901
• 代理人: 張海青

本發明公開了一種熱膨脹可調的陶瓷材料構件的制備方法及其產品，所述方法包括以下步驟：陶瓷漿料制備、功能梯度過渡層制備及光固化3D打印。本發明以耐高溫、具有正熱膨脹系數的兩種陶瓷材料為原料，并設計了具有熱膨脹可調的多陶瓷結構，實現二維等腰三角結構和三維正四棱錐結構的陶瓷材料構件的高度方向的負膨脹、零膨脹和大幅值正膨脹的超常設計；使用陶瓷材料3D打印技術制備多陶瓷結構，應用功能梯度過渡層釋放熱失配應力以解決多相陶瓷之間的熱失配問題。本發明制備得到的陶瓷材料構件具有熱膨脹可調節的特性、可在高溫條件下服役。

技術領域

本發明屬于3D打印成型技術領域，具體涉及一種熱膨脹可調的陶瓷材料構件的制備方法及其產品。

背景技術

熱膨脹是固體材料在環境溫度下的一種重要的固有物理行為。在大多數情況下，幾乎所有自然固體，包括金屬，聚合物和陶瓷，都表現出正的熱膨脹行為。但是，隨著航空航天，核能和高溫精密設備等尖端技術產業的飛速發展，對大跨度溫度變化下的材料或結構的形狀精度提出了更高的要求。這些應用的快速發展迫切需要構件具有不受熱膨脹破壞的穩定性和可靠性。因此，為了滿足這一要求，亟需開發具有熱膨脹可調節的、在高溫條件下服役的材料及其構件，包括正熱膨脹，零熱膨脹甚至負熱膨脹。但是具有可調節熱膨脹的自然材料非常罕見，即使有極少數已發現低膨脹的材料，都無法實現零熱膨脹和負熱膨脹。此外，材料的熱膨脹系數值是固定的，無法調節，這極大地限制了其在工程領域的應用。

發明內容

有鑒于此，本發明旨在提供一種熱膨脹可調的陶瓷材料構件的制備方法及其產品，以解決現有技術存在的上述問題。

為了解決上述技術問題，本發明提供如下技術方案。

本發明的技術方案之一，一種熱膨脹可調的陶瓷材料構件的制備方法，包括以下步驟：

(1)A陶瓷漿料制備：取A陶瓷粉體、分散劑、光敏樹脂、光引發劑、燒結助劑按照比例混合，A陶瓷粉體體積含量50-60vol.％，光敏樹脂體積含量40-50vol.％，A陶瓷粉體與光敏樹脂體積含量總和為100vol.％；分散劑添加量為A陶瓷粉體用量的1-3wt％，光引發劑添加量為光敏樹脂用量的1.0-2.0wt％，燒結助劑添加量為A陶瓷粉體用量的3-5wt％，球磨后即可得A陶瓷漿料；

(2)B陶瓷漿料制備：取B陶瓷粉體、分散劑、光敏樹脂、光引發劑、燒結助劑按照比例混合，其中B陶瓷粉體體積含量45-55vol.％，光敏樹脂體積含量45-55vol.％，B陶瓷粉體與光敏樹脂體積含量總和為100vol.％；分散劑添加量為B陶瓷粉體用量的1-3wt％，光引發劑添加量為光敏樹脂用量的1.0-2.0wt％，燒結助劑添加量為B陶瓷粉體用量的3-5wt％，球磨后即可得B陶瓷漿料；

(3)功能梯度過渡層制備：將A陶瓷漿料和B陶瓷漿料按照梯度比例依次混合，得功能梯度過渡層；

(4)光固化3D打印：通過光固化3D打印技術根據設計結構，先將底邊打印完成，然后將功能梯度過渡層打印完成，再將斜邊打印完成，并將打印完成的結構干燥、排脂、燒結；

步驟(4)中所述結構為二維等腰三角結構或三維正四棱錐結構。

進一步地，步驟(1)及步驟(2)中所述A陶瓷粉體和B陶瓷粉體分別選自氧化鋁、氧化鋯、氧化硅、碳化硅，氮化硅，氮化鋁中的任意一種，且二者不同。

進一步地，步驟(1)與步驟(2)中所述分散劑為KOS110，所述光敏樹脂為HDDP與TMPTA按照體積比4：1混合的混合物，所述光引發劑為TPO，所述燒結助劑為二氧化鈦、氧化鎂和氧化釔中的一種或多種。

進一步地，步驟(1)及步驟(2)中所述球磨時間為10-14h，步驟(4)中排脂溫度為500-700℃，排脂時間為2-3h，燒結溫度為1500-1700℃，燒結時間為2-3h。