[發(fā)明專(zhuān)利]一種低熱膨脹高模量的陶瓷熱學(xué)超材料制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011205576.3
• 申請(qǐng)日: 2020-11-02
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112277123B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-03-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 梅輝;譚源福;成來(lái)飛
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): B28B1/00
• 分類(lèi)號(hào): B28B1/00;B28B11/00;B28B11/22;B28B11/24;B33Y10/00;B33Y40/00;B33Y40/20;B33Y50/02;B33Y70/10;B33Y80/00;C04B35/10;C04B35/48;C04B38/00;C04B41/87
• 代理公司: 西北工業(yè)大學(xué)專(zhuān)利中心 61204
• 代理人: 王鮮凱

本發(fā)明涉及一種低熱膨脹高模量的陶瓷熱學(xué)超材料制備方法，利用三維設(shè)計(jì)軟件SOLIDWORKS設(shè)計(jì)不同陣列單元、極小曲面、負(fù)泊松比的結(jié)構(gòu)，采用3D打印，打印漿料為陶瓷光敏樹(shù)脂，獲得打印胚體；對(duì)燒結(jié)過(guò)的陶瓷材料進(jìn)行化學(xué)氣相沉積，沉積次數(shù)為1次和2次；沉積一次SiC基體后的試樣再通過(guò)裂解工藝引入SiC晶須。超材料的結(jié)構(gòu)制造的難點(diǎn)在于大規(guī)模微結(jié)構(gòu)的制造和精度控制，而3D打印具備成型速度快、精度高、以及復(fù)雜型面構(gòu)件易成型的優(yōu)點(diǎn)，3D打印技術(shù)為超材料的加工提供了一種全新的、靈活的方案。本發(fā)明中涉及到的打印參數(shù)、燒結(jié)工藝、沉積工藝等均經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)優(yōu)化，可以有效保證結(jié)構(gòu)的打印速度，避免燒結(jié)后發(fā)生變形，確保沉積引入碳化硅的含量。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于增材制造技術(shù)，涉及一種低熱膨脹高模量的陶瓷熱學(xué)超材料制備方法，特別涉及三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有限元模擬，熱學(xué)性質(zhì)與力學(xué)性質(zhì)測(cè)試。

背景技術(shù)

固體材料通常會(huì)隨溫度變化產(chǎn)生膨脹或收縮行為，然而材料的熱脹冷縮會(huì)降低精密部件的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全可靠性，甚至破壞材料的功能特性。在光學(xué)儀器、微電子器件、航空航天等高技術(shù)領(lǐng)域，迫切需要形狀和尺寸不隨溫度變化的結(jié)構(gòu)，以保證其構(gòu)件具有高的尺寸穩(wěn)定性、精密性和長(zhǎng)的使用壽命。經(jīng)過(guò)不斷研究，盡管科學(xué)家們陸續(xù)報(bào)道了各種低熱膨脹材料以及負(fù)熱膨脹材料，比如鎢酸鋯(ZrW₂O₈)系列負(fù)熱膨脹材料、鋰霞石(LiAlSiO₄)、磷酸鋯鈉(NaZr₂P₃O₁₂)等，但是由于反常熱膨脹材料的熱力學(xué)性質(zhì)研究相對(duì)較少，從而給合成制備熱膨脹系數(shù)可調(diào)材料帶來(lái)困難。中國(guó)專(zhuān)利CN105272199A中公開(kāi)了一種利用溶膠凝膠法結(jié)合SPS燒結(jié)方法低溫?zé)Y(jié)制備納米負(fù)膨脹陶瓷LiAlSiO₄的方法，提供了一種低成本，速度快，可以大規(guī)模生產(chǎn)的技術(shù)手段。但是對(duì)于后續(xù)利用LiAlSiO4制備復(fù)雜型面構(gòu)件的可能并未描述，其在1000℃以上的熱膨脹系數(shù)也并未測(cè)試。

超材料制造的難點(diǎn)在于大規(guī)模微結(jié)構(gòu)的制造和精度控制，以及超材料微結(jié)構(gòu)對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝的特殊要求。目前超材料加工手段主要包括激光直寫(xiě)、電子束曝光、離子束曝光、紫外曝光等微納米加工技術(shù)。2011年，康奈爾大學(xué)烏力·韋斯勒領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)提出了一種制造三維超材料的新方法，即利用化學(xué)方法讓嵌段共聚物自我組裝成納米結(jié)構(gòu)。2016年，Science報(bào)道了光固化陶瓷聚合物前驅(qū)體材料的3D打印技術(shù)成功制備了蜂窩、微晶格等網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)SiOC陶瓷制品。近年來(lái)，增材制造或3D打印技術(shù)作為一種數(shù)字化、直接化的制造技術(shù)，從形狀來(lái)說(shuō)可以實(shí)現(xiàn)“所想即所得”，從材料來(lái)說(shuō)可以實(shí)現(xiàn)材料的數(shù)字化復(fù)合或組合，從尺度來(lái)說(shuō)可實(shí)現(xiàn)從納米級(jí)到米級(jí)結(jié)構(gòu)的制造，從而為超材料的加工實(shí)現(xiàn)提供了一種全新的、靈活的方案。中國(guó)專(zhuān)利CN110931985A公開(kāi)了一種柔性電磁波吸波超材料薄膜的制備方法，可在總體質(zhì)量較輕的前提下，實(shí)現(xiàn)時(shí)序維的寬頻帶高效吸波屏蔽。該專(zhuān)利講述了一種吸波超材料的制備方法，但是目前還并未出現(xiàn)任何熱學(xué)超材料的制備與研究。通過(guò)人工設(shè)計(jì)而實(shí)現(xiàn)熱導(dǎo)系數(shù)非均勻分布的材料或結(jié)構(gòu)被稱(chēng)為熱學(xué)超材料。中國(guó)專(zhuān)利CN209959779U介紹了一種具有負(fù)泊松比特性的二維周期材料，用來(lái)作為緩沖材料應(yīng)用在受力變形方面，為具有負(fù)膨脹系數(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了基本思路。中國(guó)專(zhuān)利CN 209955314U描述了一種具有負(fù)泊松比的三維拉脹超材料結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并且可以在各個(gè)方向上都保持負(fù)泊松比的特性，證實(shí)了立體三維超結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可能性，為三維熱學(xué)超材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了支持。光固化3D打印技術(shù)是目前世界上研究最深入、技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的快速成型方法。該技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是成型精度高，在所有快速成型方法中精度是最高的，最大誤差不超過(guò)0.1mm。成型過(guò)程穩(wěn)定平滑，所制備的陶瓷胚體表面光滑，加工質(zhì)量高，可打印形狀復(fù)雜的陶瓷零件。目前，在光敏樹(shù)脂中加入陶瓷粉(陶瓷前驅(qū)體)的含量高達(dá)50-80％。3D打印技術(shù)和超材料技術(shù)都被看作是新興的顛覆性技術(shù)，兩者的融合創(chuàng)新應(yīng)用無(wú)疑具有不可預(yù)估的價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容

要解決的技術(shù)問(wèn)題