一種基于3D打印技術的纖維增強陶瓷基復合材料成形方法及裝置制造方法及圖紙

一種基于3D打印技術的纖維增強陶瓷基復合材料成形方法。采用3D打印技術、纖維增強復合材料技術實現了陶瓷漿料的3D打印及成形。首先在打印開始前，配制好含催化劑、樹脂、單體、交聯劑的陶瓷漿料和一定濃度的引發劑，分別供給到主、副兩個打印頭中，并打開紫外光源。打印時，主、副打印頭按截面數據運動，陶瓷漿料和增強纖維從主打印頭擠出，同時，引發劑從副打印頭噴出，覆蓋到陶瓷漿料表面，陶瓷漿料在紫外光照射和引發劑的雙重作用下凝固成形，由此完成打印，得到陶瓷坯體，再經過脫脂、燒結得到陶瓷零件。使用該方法可以得到具有良好韌性、高強度、高精度的陶瓷基復合材料零件，可實現具有復雜結構的纖維增強陶瓷基復合材料零件的快速制造。

Fiber reinforced ceramic matrix composite forming method and device based on 3D printing technology

Fiber reinforced ceramic matrix composite forming method based on 3D printing technology. 3D printing and forming of ceramic slurry were realized by using 3D printing technology and fiber reinforced composite technology. Firstly, the ceramic slurry containing catalyst, resin, monomer, crosslinking agent and a certain amount of initiator are prepared before the printing process, and then they are respectively supplied to the main and secondary two printing heads, and the ultraviolet light source is opened. When printing, the print head movement by the section data of ceramic slurry and fiber extrusion, at the same time, from the main printing head from the print head from the initiator side, covering the surface of ceramic slurry and ceramic slurry under UV irradiation and coagulation initiated under the dual role of forming agent, printing by the ceramic body then, the ceramic parts obtained by degreasing and sintering. With this method, ceramic matrix composite parts with good toughness, high strength and high precision can be obtained, and the rapid manufacture of fiber reinforced ceramic matrix composite parts with complex structure can be realized.

【技術實現步驟摘要】
一種基于3D打印技術的纖維增強陶瓷基復合材料成形方法及裝置
本專利技術屬于3D打印技術和陶瓷燒結
，具體涉及一種基于3D打印技術的纖維增強陶瓷基復合材料成形方法及裝置。
技術介紹
3D打印技術是20世紀80年代后期發展起來的一項先進制造技術，可以直接根據產品設計數據，快速制造出新產品的樣件、模具或模型，大大縮短產品加工周期，降低了研制的成本，對促進企業產品創新、提高產品競爭力有積極的推動作用?，F代陶瓷由于其優越的光、電、熱、磁、力學性能以及耐高溫、抗腐蝕、耐輻射、高強度、高模量、高硬度、密度小、熱膨脹系數小等特性而得到廣泛應用。目前，陶瓷材料的直接成型已經成為快速成型技術的研究熱點和重要發展方向之一?，F有制備纖維增強陶瓷基復合材料的方法有化學氣相沉積法、先驅體轉化法、熔融金屬直接氧化法。但上述方法只能制成二維零件或是必須制造纖維預制體。纖維坯體的制備往往比較困難。目前較為先進的樹脂基長纖維增強復合材料零件制造的方式多采用復合材料纖維鋪放技術，即按零件結構所確定的鋪層方向和鋪層厚度要求，采用多自由度的鋪放頭將多組纖維預浸紗束或窄帶自動鋪放在模具表面。所以，采用纖維預制體進行纖維增強陶瓷復合材料的制造工藝存在纖維敷設困難、成形方法單一、不能精確成形，且需要預先處理完成的纖維預浸料以及模具成本極高的等問題，無法實現復雜結構陶瓷復合材料零件的制備。在已有的技術中，連續纖維增強復合材料3D打印技術可以很好的彌補上述不足，該方法將增強纖維和加熱熔融的熱塑性樹脂混合成的復合絲材打印成形，打印過程可以精確地控制增強纖維在復合材料零件中纖維的取向，能夠實現具有特定機械、電和熱性能的具有復雜結構復合材料零件的快速制造，且無需預先定制模具以及預先處理過的纖維預浸帶，從而大大地減少了制造成本和生產周期。但目前該方法主要以普通熱塑性樹脂為原材料進行打印，未考慮采用陶瓷漿料進行打印從而直接制成陶瓷坯體零件的制造方法。
技術實現思路
本專利技術的目的在于克服上述不足，提供一種基于3D打印技術的纖維增強陶瓷基復合材料成形方法及裝置，可以得到具有良好的韌性、高強度的纖維增強陶瓷零件，且不需要設計、制造模具，從而大大地減少了成本和制造時間。為了達到上述目的，一種基于3D打印技術的纖維增強陶瓷基復合材料成形方法，包括以下步驟：步驟一，在計算機上設計3D模型并轉換成分層路徑文件導入3D打印機；步驟二，制備假塑性陶瓷漿料，并供給到漿料入口B；步驟三，制備引發劑；步驟四，打開紫外光光源；步驟五，連續增強纖維持續供給到主打印頭；同時，陶瓷漿料通過漿料入口B供給到主打印頭；壓縮氣體從A入口通入，提供均勻壓強；步驟六，當進行零件3D打印工作時，程序控制二維運動平臺，帶動打印頭在工作臺上按照當前層模型的截面數據運動；步驟七，主打印頭噴嘴處的陶瓷漿料包裹住連續纖維并在壓縮氣體的壓力作用下從噴嘴出口被擠出；步驟八，引發劑從引發劑噴頭口噴射出，以霧狀形態噴灑到打印出的陶瓷漿料上，陶瓷漿料在紫外光照射和引發劑的雙重作用下凝固，由此打印出當前截面；步驟九，當完成模型當前一層的截面后，升降裝置將帶著工作臺一起下降一個分層厚度；步驟十，重復步驟五至步驟九，直至零件完成；步驟十一，將打印完成的零件置于紫外光下照射2～3h，使其完全固化；步驟十二，對固化后的零件進行脫脂和高溫燒結，即完成基于3D打印技術的纖維增強陶瓷基復合材料的成形。所述步驟二中，陶瓷漿料的制備方法如下：第一步，將質量比為24：1：7：(40～60)的丙烯酰胺、N,N-亞甲基雙丙烯酰胺、聚丙烯酸鈉和光固化樹脂混合后，加入樹丁醇或乙二醇溶劑中，攪拌均勻，配制成濃度為40～60％的樹脂基預混液；第二步，按待打印的零件要求配制陶瓷粉料；第三步，將四甲基乙二胺與去離子水混合攪拌均勻，配置成濃度為60～75％的催化劑；第四步，將粉料加入到預混液中，并加入催化劑，充分攪拌、分散，制得粘度為1～5Pa.s的陶瓷漿料；第五步，加入質量分數0～2％作為增稠劑的黃原膠，得到陶瓷漿料。所述第二步中，陶瓷粉料采用2μm、5μm、40μm、100μm的陶瓷粉末根據零件性能所需，按不同比例混合而成。所述第二步中，陶瓷粉末采用氧化鋁、氧化硅或碳化硅粉末，并加入質量分數1～5％的燒結助劑。所述燒結助劑采用氧化鎂或氧化釔。所述步驟三中，引發劑的制備方法如下，將過硫酸銨與去離子水混合攪拌均勻，配置成濃度為65～80％的引發劑；所述步驟五中，連續增強纖維包括玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、聚芳酰胺纖維和智能纖維中一種或多種復合在一起的纖維束。所述步驟十二中，氧化鋁和氧化硅陶瓷采用常壓或熱壓燒結，碳化硅陶瓷采用反應燒結、滲碳處理或進行化學氣相滲透處理。一種基于3D打印技術的纖維增強陶瓷基復合材料成形的裝置，包括置于工作臺上的零件支撐，零件支撐上放置有打印樣件，打印樣件上方并排設置有引發劑噴頭和紫外光發射頭，引發劑噴頭和紫外光發射頭間設置有纖維/陶瓷漿料噴頭和粘流態陶瓷漿料，連續增強纖維通過纖維/陶瓷漿料噴頭和粘流態陶瓷漿料間供給打印樣件。所述紫外光發射頭連接紫外光光源。與現有技術相比，本專利技術以連續增強纖維和陶瓷漿料為原料，先打印出高固相含量樹脂基陶瓷漿料，隨即噴射引發劑并施加紫外光照使得漿料快速凝固成形的陶瓷成形方法，實現了纖維增強陶瓷基復合材料的3D打印成型，本專利技術在3D打印方式上加以創新，打印材料的塑形方法采用雙組分固化，通過在打印過程中噴射引發劑并加以紫外光照射，樹脂基陶瓷漿料得以快速固化成型，并且在打印時加入連續增強纖維，使得打印的陶瓷零件坯體有纖維增強的特性；在打印完成后通過進一步紫外光照射的后處理過程，陶瓷零件坯體形狀能夠良好保持；最后通過脫脂，高溫燒結后制得的陶瓷零件具有良好韌性、高強度和高精度。除此之外，該方法適用于不同成分的陶瓷材料的3D打印，具有多樣性，使用該方法容易得到具有定制化力學性能的陶瓷零件，可實現具有復雜結構的纖維增強陶瓷基復合材料零件的快速制造。本專利技術的裝置的連續增強纖維通過打印頭內的通道向噴嘴處供應，均勻壓強的壓縮氣體從打印頭上方通入，陶瓷漿料包裹住連續纖維在壓縮氣體的推動從下方噴嘴中擠出，紫外光源在打印工作開始前開啟，以保證陶瓷漿料中的樹脂成分從噴頭擠出后在光照下快速凝聚成型，本裝置的引發劑噴頭、紫外光發射頭與陶瓷漿料打印頭并排，并排方向與打印方向一致，引發劑噴頭在左，紫外光發射頭在右，陶瓷漿料從噴嘴擠出后能夠立即被引發劑噴頭噴射出的高濃度引發劑覆蓋，同時，在右側紫外光照射下，光明樹脂固化。陶瓷漿料即在引發劑和紫外光作用下雙組分固化，形成當前打印形狀。附圖說明圖1為本專利技術所采用裝置的示意圖。具體實施方式下面結合附圖和實施例對本專利技術做進一步說明。參見圖1，一種基于3D打印技術的纖維增強陶瓷基復合材料成形的裝置，包括置于工作臺上的零件支撐7，零件支撐7上放置有打印樣件1，打印樣件1上方并排設置有引發劑噴頭2和紫外光發射頭6，引發劑噴頭2和紫外光發射頭6間設置有纖維/陶瓷漿料噴頭3和粘流態陶瓷漿料4，連續增強纖維5通過纖維/陶瓷漿料噴頭3和粘流態陶瓷漿料4間供給打印樣件1，紫外光發射頭6連接紫外光光源9。實施例1：1)、在計算機上設計3D模型并轉換成分層路徑文件導入3D打印機；2)、將質量比為24：1：7：4本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于3D打印技術的纖維增強陶瓷基復合材料成形方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟一，在計算機上設計3D模型并轉換成分層路徑文件導入3D打印機；步驟二，制備假塑性陶瓷漿料，并供給到漿料入口B；步驟三，制備引發劑；步驟四，打開紫外光光源；步驟五，連續增強纖維持續供給到主打印頭；同時，陶瓷漿料通過漿料入口B供給到主打印頭；壓縮氣體從A入口通入，提供均勻壓強；步驟六，當進行零件3D打印工作時，程序控制二維運動平臺，帶動打印頭在工作臺上按照當前層模型的截面數據運動；步驟七，主打印頭噴嘴處的陶瓷漿料包裹住連續纖維并在壓縮氣體的壓力作用下從噴嘴出口被擠出；步驟八，引發劑從引發劑噴頭口噴射出，以霧狀形態噴灑到打印出的陶瓷漿料上，陶瓷漿料在紫外光照射和引發劑的雙重作用下凝固，由此打印出當前截面；步驟九，當完成模型當前一層的截面后，升降裝置將帶著工作臺一起下降一個分層厚度；步驟十，重復步驟五至步驟九，直至零件完成；步驟十一，將打印完成的零件置于紫外光下照射2～3h，使其完全固化；步驟十二，對固化后的零件進行脫脂和高溫燒結，即完成基于3D打印技術的纖維增強陶瓷基復合材料的成形。

【技術特征摘要】
1.一種基于3D打印技術的纖維增強陶瓷基復合材料成形方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟一，在計算機上設計3D模型并轉換成分層路徑文件導入3D打印機；步驟二，制備假塑性陶瓷漿料，并供給到漿料入口B；步驟三，制備引發劑；步驟四，打開紫外光光源；步驟五，連續增強纖維持續供給到主打印頭；同時，陶瓷漿料通過漿料入口B供給到主打印頭；壓縮氣體從A入口通入，提供均勻壓強；步驟六，當進行零件3D打印工作時，程序控制二維運動平臺，帶動打印頭在工作臺上按照當前層模型的截面數據運動；步驟七，主打印頭噴嘴處的陶瓷漿料包裹住連續纖維并在壓縮氣體的壓力作用下從噴嘴出口被擠出；步驟八，引發劑從引發劑噴頭口噴射出，以霧狀形態噴灑到打印出的陶瓷漿料上，陶瓷漿料在紫外光照射和引發劑的雙重作用下凝固，由此打印出當前截面；步驟九，當完成模型當前一層的截面后，升降裝置將帶著工作臺一起下降一個分層厚度；步驟十，重復步驟五至步驟九，直至零件完成；步驟十一，將打印完成的零件置于紫外光下照射2～3h，使其完全固化；步驟十二，對固化后的零件進行脫脂和高溫燒結，即完成基于3D打印技術的纖維增強陶瓷基復合材料的成形。2.根據權利要求1所述的一種基于3D打印技術的纖維增強陶瓷基復合材料成形方法，其特征在于，所述步驟二中，陶瓷漿料的制備方法如下：第一步，將質量比為24：1：7：(40～60)的丙烯酰胺、N,N-亞甲基雙丙烯酰胺、聚丙烯酸鈉和光固化樹脂混合后，加入樹丁醇或乙二醇溶劑中，攪拌均勻，配制成濃度為40～60％的樹脂基預混液；第二步，按待打印的零件要求配制陶瓷粉料；第三步，將四甲基乙二胺與去離子水混合攪拌均勻，配置成濃度為60～75％的催化劑；第四步，將粉料加入到預混液中，并加入催化劑，充分攪拌、分散，制得粘度為1～5Pa.s的陶瓷漿料；第五步，加入質量分數0～2％作為增稠劑的黃原膠，得到陶瓷漿料。3.根據權利要求2所述的一種...

【專利技術屬性】
技術研發人員：魯中良，夏園林，曹繼偉，盧秉恒，李滌塵，
申請(專利權)人：西安交通大學，
類型：發明
國別省市：陜西,61