【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及增材制造，尤其涉及一種梯度多孔陶瓷基復(fù)合材料的增材制造方法。
技術(shù)介紹
1、梯度多孔陶瓷是一種新型的結(jié)構(gòu)陶瓷，其將多孔陶瓷結(jié)構(gòu)和梯度材料結(jié)合在一起，使得陶瓷具有更加優(yōu)越的力學(xué)、耐溫、寬頻透波等綜合性能。以飛行器用陶瓷天線罩為例，其作用是保護(hù)高速飛行器電子設(shè)備的正常工作，這要求它不僅具有良好的氣動外形和寬頻透波性能，還要有一定的強(qiáng)度和剛度，以承受氣動載荷的作用。飛行器用陶瓷天線罩的制造難題主要是難以將良好的寬頻透波性能、機(jī)械強(qiáng)度、輕量化、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)良性能結(jié)合在一起。梯度多孔陶瓷能夠很好的解決這個問題，可以利用不同的疊層來使天線罩具有多種優(yōu)良性能，該結(jié)構(gòu)由多層陶瓷材料套疊而成，每層陶瓷材料具有不同的孔隙率和密度，因而具有不同的介電常數(shù)。
2、目前，制造梯度多孔陶瓷結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)方法主要包括以下3種：
3、1)原料采用不同粒徑的陶瓷粉體，通過物理方法使不同粒徑的陶瓷粉體分布在模具內(nèi)的不同區(qū)域，實(shí)施無壓燒結(jié)工藝后，可以同在一個結(jié)構(gòu)的不同區(qū)域得到不同的密度。這種方法不能準(zhǔn)確控制各區(qū)域密度和界面，成型過程中由于模具的限制，也不能制造形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。
4、2)在陶瓷粉體原料中添加在燒結(jié)過程中可以揮發(fā)掉的其他材料，通過物理方法使這些材料在陶瓷粉體中不均勻占位，經(jīng)過燒結(jié)工藝，添加的其他材料揮發(fā)掉之后，即得到密度不均勻的陶瓷結(jié)構(gòu)。這種方法也是比較難準(zhǔn)確控制密度的分布區(qū)域，成型過程中由于模具的限制，也難以成型形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。
5、3)制造不同密度的陶瓷結(jié)構(gòu)，再把不同密度的結(jié)構(gòu)組裝在一起
6、目前梯度陶瓷結(jié)構(gòu)的制備技術(shù)成熟度不高，工藝復(fù)雜、成本較高，無法準(zhǔn)確控制密度的分布區(qū)域，且難以成型形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，特別是對于梯度多孔陶瓷結(jié)構(gòu)，如何實(shí)現(xiàn)這種陶瓷的快速制造、精確控制陶瓷梯度結(jié)構(gòu)的密度分布和邊界，并兼顧輕量化和高強(qiáng)度，這都是很大的挑戰(zhàn)，迫切需要進(jìn)一步探索新的制備方法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、鑒于上述的分析，本專利技術(shù)旨在提供一種梯度多孔陶瓷基復(fù)合材料的增材制造方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中難以實(shí)現(xiàn)梯度多孔陶瓷結(jié)構(gòu)的快速制造，無法精確控制梯度陶瓷結(jié)構(gòu)的密度分布和邊界，以及寬頻透波、輕量化、高強(qiáng)度難以兼顧的問題。
2、本專利技術(shù)的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
3、本專利技術(shù)提供了一種梯度多孔陶瓷基復(fù)合材料產(chǎn)品的增材制造方法，增材制造方法包括下述步驟：
4、步驟s1、準(zhǔn)備沿復(fù)合材料的梯度方向形成梯度結(jié)構(gòu)的每層陶瓷基體層所需的陶瓷原料；
5、步驟s2、建立梯度多孔陶瓷基復(fù)合材料產(chǎn)品的三維模型，x-y平面為梯度方向，與x-y平面垂直的z向設(shè)為逐層疊加方向，進(jìn)行切片處理；其中，每一層二維纖維織物均包含在相應(yīng)切片內(nèi)部；每層切片從產(chǎn)品外表面至內(nèi)部，依次包括m個梯度區(qū)即第一梯度區(qū)、第二梯度區(qū)……第m-1梯度區(qū)、第m梯度區(qū)，1≤m≤n，n為梯度結(jié)構(gòu)的層數(shù)，n≥2且為自然數(shù)；
6、步驟s3、預(yù)制能夠維形的w層二維纖維織物預(yù)制件；w≥1且為自然數(shù)；
7、步驟s4：沿著z向通過3d打印逐層疊加n層陶瓷基體層和w層二維纖維織物預(yù)制件，在打印包含二維纖維織物的某一層切片時，先準(zhǔn)確鋪放相應(yīng)次序的二維纖維預(yù)制件，定位，然后在m個梯度區(qū)即第一梯度區(qū)、第二梯度區(qū)……第m-1梯度區(qū)、第m梯度區(qū)放置陶瓷原料s1、s2……sm-1、sm；得到梯度多孔陶瓷基復(fù)合材料產(chǎn)品的前驅(qū)體：
8、步驟s5、對前驅(qū)體進(jìn)行脫脂燒結(jié)。
9、進(jìn)一步地，步驟s1的主要步驟包括：按照梯度結(jié)構(gòu)的層數(shù)n、陶瓷基體層的成分、每層陶瓷基體層中各成分的含量，將每層陶瓷基體層所需的原料進(jìn)行混合，得到從產(chǎn)品外表面至內(nèi)部的第一梯度層、第二梯度層……第n-1梯度層、第n梯度層所需的的陶瓷原料s1、s2……sn-1、sn，n≥2。
10、進(jìn)一步地，步驟s1中，陶瓷基體層的成分的可設(shè)計變量包括陶瓷粉體的種類、陶瓷粉體的粒徑、樹脂的種類。
11、進(jìn)一步地，步驟s2中，每一層二維纖維織物涵蓋相應(yīng)切片中的k個相鄰的陶瓷基體層的部分區(qū)域或者全部區(qū)域，2≤k≤n。
12、進(jìn)一步地，根據(jù)上述梯度多孔陶瓷基復(fù)合材料產(chǎn)品的增材制造方法，所述產(chǎn)品為天線罩，天線罩為半球形殼體；
13、步驟s1中，根據(jù)天線罩自外表面至內(nèi)表面具有n層不同密度的梯度結(jié)構(gòu)，即第一密度層、第二密度層……第n-1密度層、第n密度層，以及n個密度層的成分和每個密度層中各成分的含量比，準(zhǔn)備每個密度層所需的陶瓷原料；
14、步驟s2中，建立天線罩的三維模型，天線罩軸向設(shè)為逐層疊加的z向，進(jìn)行切片處理；其中，每一層圓環(huán)狀的二維纖維織物都包含在相應(yīng)切片內(nèi)；每層切片從天線罩外表面至內(nèi)表面依次包括第一密度區(qū)、第二密度區(qū)……第m-1密度區(qū)、第m密度區(qū)，1≤m≤n；
15、步驟s3中，預(yù)制w個圓形的二維纖維織物，圓形的二維纖維織物的纖維排布方向以環(huán)向?yàn)橹?，通過徑向纖維將環(huán)向纖維連接形成整體的二維纖維織物，將w個圓形的二維纖維織物預(yù)成型為能夠維形的w個圓環(huán)狀的二維纖維織物預(yù)制件；
16、步驟s4中，通過選區(qū)光固化成型法或激光選區(qū)燒結(jié)成型法得到天線罩的前驅(qū)體：在打印包含二維纖維織物的某一層切片時，先準(zhǔn)確鋪放相應(yīng)次序的圓環(huán)狀的二維纖維層預(yù)制件，定位，然后在m個密度區(qū)即第一密度區(qū)、第二密度區(qū)……第m-1密度區(qū)、第m密度區(qū)鋪放或噴灑陶瓷原料s1、s2……sm-1、sm；
17、進(jìn)一步地，天線罩自外表面至內(nèi)表面的第一密度層、第二密度層……第n-1密度層、第n密度層的密度依次減小。
18、進(jìn)一步地，步驟s1中，n個密度層的成分包括一種陶瓷粉體和一種樹脂，天線罩自外表面至內(nèi)表面的第一密度層、第二密度層……第n-1密度層、第n密度層的陶瓷原料s1、s2……sn-1、sn中的陶瓷粉體與樹脂的含量比依次減小。
19、進(jìn)一步地，步驟s1中，n個密度層的成分包括n種不同粒徑的陶瓷粉體和一種樹脂，天線罩自外表面至內(nèi)表面的第一密度層、第二密度層……第n-1密度層、第n密度層的陶瓷原料s1、s2……sn-1、sn中的陶瓷粉體的粒徑依次增大。
20、進(jìn)一步地，步驟s4中，激光選區(qū)燒結(jié)成型法具體包括下述步驟：
21、步驟s411：準(zhǔn)確放置二維纖維織物預(yù)制件并定位；
22、步驟s412：在對應(yīng)切片層的m個密度區(qū)鋪放或噴灑陶瓷原料；
23、步驟s413：采用激光掃描當(dāng)前層，使m個密度區(qū)的陶瓷原料中的樹脂由點(diǎn)到線，由線到面順序熔融并冷卻凝固、或者熔融和熱固化反應(yīng)，完成當(dāng)前層的激光選區(qū)燒結(jié)；
24、步驟s414：成型打印平臺下降一層，繼續(xù)下一層的打印。
25、重復(fù)上述步驟s411至s414，或者s412至s414，直到打印完本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種梯度多孔陶瓷基復(fù)合材料產(chǎn)品的增材制造方法，其特征在于，所述增材制造方法包括下述步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的梯度多孔陶瓷基復(fù)合材料產(chǎn)品的增材制造方法，其特征在于，步驟S1的主要步驟包括：按照梯度結(jié)構(gòu)的層數(shù)n、陶瓷基體層的成分、每層陶瓷基體層中各成分的含量，將每層陶瓷基體層所需的原料進(jìn)行混合，得到從產(chǎn)品外表面至內(nèi)部的第一梯度層、第二梯度層……第n-1梯度層、第n梯度層所需的的陶瓷原料S1、S2……Sn-1、Sn，n≥2。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的梯度多孔陶瓷基復(fù)合材料產(chǎn)品的增材制造方法，其特征在于，步驟S1中，所述陶瓷基體層的成分的可設(shè)計變量包括陶瓷粉體的種類、陶瓷粉體的粒徑、樹脂的種類。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的梯度多孔陶瓷基復(fù)合材料產(chǎn)品的增材制造方法，其特征在于，步驟S2中，所述每一層二維纖維織物涵蓋相應(yīng)切片中的k個相鄰的陶瓷基體層的部分區(qū)域或者全部區(qū)域，2≤k≤n。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的梯度多孔陶瓷基復(fù)合材料產(chǎn)品的增材制造方法，其特征在于，所述產(chǎn)品為天線罩，所述天線罩為半球形殼體；
6.根據(jù)權(quán)利要求5所
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的梯度多孔陶瓷基復(fù)合材料產(chǎn)品的增材制造方法，其特征在于，步驟S1中，所述n個密度層的成分包括一種陶瓷粉體和一種樹脂，所述天線罩自外表面至內(nèi)表面的第一密度層、第二密度層……第n-1密度層、第n密度層的陶瓷原料S1、S2……Sn-1、Sn中的陶瓷粉體與樹脂的含量比依次減小。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的梯度多孔陶瓷基復(fù)合材料產(chǎn)品的增材制造方法，其特征在于，步驟S1中，所述n個密度層的成分包括n種不同粒徑的陶瓷粉體和一種樹脂，所述天線罩自外表面至內(nèi)表面的第一密度層、第二密度層……第n-1密度層、第n密度層的陶瓷原料S1、S2……Sn-1、Sn中的陶瓷粉體的粒徑依次增大。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的梯度多孔陶瓷基復(fù)合材料產(chǎn)品的增材制造方法，其特征在于，步驟S4中，所述激光選區(qū)燒結(jié)成型法具體包括下述步驟：
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的梯度多孔陶瓷基復(fù)合材料產(chǎn)品的增材制造方法，其特征在于，所述陶瓷粉體的種類包括但不限于SiC陶瓷、Si3N4陶瓷、Al2O3、SiO2、ZrO2、莫來石、鈣鋁硅酸鹽玻璃、鋰鋁硅酸鹽玻璃、鎂鋁硅酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃、石英玻璃中的一種或者幾種的組合。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種梯度多孔陶瓷基復(fù)合材料產(chǎn)品的增材制造方法，其特征在于，所述增材制造方法包括下述步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的梯度多孔陶瓷基復(fù)合材料產(chǎn)品的增材制造方法，其特征在于，步驟s1的主要步驟包括：按照梯度結(jié)構(gòu)的層數(shù)n、陶瓷基體層的成分、每層陶瓷基體層中各成分的含量，將每層陶瓷基體層所需的原料進(jìn)行混合，得到從產(chǎn)品外表面至內(nèi)部的第一梯度層、第二梯度層……第n-1梯度層、第n梯度層所需的的陶瓷原料s1、s2……sn-1、sn，n≥2。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的梯度多孔陶瓷基復(fù)合材料產(chǎn)品的增材制造方法，其特征在于，步驟s1中，所述陶瓷基體層的成分的可設(shè)計變量包括陶瓷粉體的種類、陶瓷粉體的粒徑、樹脂的種類。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的梯度多孔陶瓷基復(fù)合材料產(chǎn)品的增材制造方法，其特征在于，步驟s2中，所述每一層二維纖維織物涵蓋相應(yīng)切片中的k個相鄰的陶瓷基體層的部分區(qū)域或者全部區(qū)域，2≤k≤n。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的梯度多孔陶瓷基復(fù)合材料產(chǎn)品的增材制造方法，其特征在于，所述產(chǎn)品為天線罩，所述天線罩為半球形殼體；
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的梯度多孔陶瓷基復(fù)合材料產(chǎn)品的增材制造方法，其特征在于，所述天線罩自外表面至內(nèi)表面的第一密度層、第二...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：翟小菲，張瑋，孟凡顥，李志勇，熊亮同，錢遠(yuǎn)宏，焦世坤，陳榮，
申請(專利權(quán))人：航天增材科技北京有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：
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