本發(fā)明專利技術涉及一種梯度多孔陶瓷基復合材料及其產品和增材制造方法，屬于增材制造技術領域，解決了現(xiàn)有技術中梯度多孔陶瓷材料及其產品難以兼顧輕量化和高強度、設計自由度差，制造效率低，工藝質量難以控制的問題。一種梯度多孔陶瓷基復合材料，包括采用3D打印成型的陶瓷基體和增強相；陶瓷基體包括n層材料成分和/或密度不同的陶瓷基體層，形成梯度結構，增強相包括W層沿3D打印堆疊方向逐層分布的二維纖維織物，每層二維纖維織物均位于相鄰陶瓷基體層內部；沿3D打印堆疊方向，n層陶瓷基體層和W層二維纖維織物逐層疊加。本發(fā)明專利技術采用3D打印成型的梯度多孔陶瓷基復合材料及其產品可兼顧優(yōu)異的寬頻透波性能、輕量化、高強度等性能，設計自由度大。
【技術實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術涉及增材制造，尤其涉及一種梯度多孔陶瓷基復合材料及其產品和增材制造方法。
技術介紹
1、梯度多孔陶瓷是一種新型的結構陶瓷，其將多孔陶瓷材料和梯度結構結合在一起，使得陶瓷具有更加優(yōu)越的力學、耐溫、寬頻透波等綜合性能。以飛行器用陶瓷天線罩為例，其作用是保護高速飛行器電子設備的正常工作，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、機械強度、輕量化、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)良性能結合在一起。梯度多孔陶瓷能夠很好的解決這個問題，可以利用具有梯度結構的多孔陶瓷材料層來使天線罩具有多種優(yōu)良性能，該結構由多層陶瓷材料層組合在一起而形成梯度結構，每層陶瓷材料層具有不同的材料成分和/或密度，因而具有不同的介電常數，以實現(xiàn)寬頻透波性能。
2、目前，制造梯度多孔陶瓷結構的傳統(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的不同區(qū)域，實施無壓燒結工藝后，可以同在一個模具的不同區(qū)域得到不同的密度。這種方法不能準確控制各區(qū)域密度和界面，成型過程中由于模具的限制，也不能制造形狀復雜的結構。
4、2)在陶瓷粉體原料中添加在燒結過程中可以揮發(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，經過燒結工藝，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構。這種方法也是比較難準確控制密度的分布區(qū)域，成型過程中由于模具的限制，也難以成型形狀復雜的結構。</p>5、3)制造不同密度的陶瓷結構，再把不同密度的結構組裝在一起形成一個完整的變密度梯度結構。這種方法雖然可以控制密度和邊界，但是制造效率低，不適用于形狀復雜的結構，各組裝部件的連接通常也是一個很困難的事情，連接處容易出現(xiàn)剝離和不牢靠等缺陷。
6、傳統(tǒng)的梯度多孔陶瓷結構的制備技術成熟度不高，工藝復雜，成本較高，無法準確控制密度的分布區(qū)域和邊界，且難以成型形狀復雜的結構，由于受到現(xiàn)有制備技術的限制，目前梯度多孔陶瓷材料及其產品尚不能很好地兼顧優(yōu)異的寬頻透波性能、輕量化、高強度、設計靈活、制造快速。因此，需要探索新的制備方法以獲得綜合性能更好的梯度多孔陶瓷材料及其產品，這對于提升高性能陶瓷在各個領域(例如：飛行器天線罩)的推廣及應用具有重要意義。
技術實現(xiàn)思路
1、鑒于上述的分析，本專利技術旨在提供一種梯度多孔陶瓷基復合材料及其產品和增材制造方法，以解決現(xiàn)有技術中梯度多孔陶瓷材料及其產品難以兼顧優(yōu)異的寬頻透波性能、輕量化和高強度、設計自由度較差，制造效率低，工藝質量難以控制的問題。
2、本專利技術的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的：
3、第一方面，本專利技術提供了一種梯度多孔陶瓷基復合材料，包括采用3d打印成型的陶瓷基體和增強相；
4、沿復合材料的梯度方向，陶瓷基體包括n層材料成分和/或密度不同的陶瓷基體層，形成梯度結構，增強相包括w層沿3d打印堆疊方向逐層分布的二維纖維織物，每層二維纖維織物均位于相鄰陶瓷基體層內部；其中，n≥2且為自然數，w≥1且為自然數；
5、沿3d打印堆疊方向，n層陶瓷基體層和w層二維纖維織物通過3d打印逐層疊加；
6、梯度方向與3d打印堆疊方向不同。
7、可選的，梯度多孔陶瓷基復合材料的結構為空心殼體或者實心體；梯度多孔陶瓷基復合材料的形狀包括但不限于平板型、半球形、球形、圓錐形、圓臺形、圓柱形、四面體、三棱錐、四棱錐中的任一種。
8、進一步地，空心殼體包括開放式或者封閉式。
9、第二方面，本專利技術提供了根據上述梯度多孔陶瓷基復合材料制成的產品，所述產品是一種天線罩，天線罩為半球形殼體，天線罩包括自外表面至內表面的n層密度不同的陶瓷基體層，形成梯度結構，即第一密度層、第二密度層……第n-1密度層、第n密度層，n≥2，以及沿與半球形殼體軸向垂直的x-y平面逐層分布的w層二維纖維織物。
10、進一步地，二維纖維織物由0.1k～0.8k的連續(xù)纖維編織而成。
11、可選的，第一密度層、第二密度層……第n-1密度層、第n密度層的密度分布包括但不限于依次減小，依次增大，先依次減小后依次增大，或者先依次增大后依次減小。
12、進一步地，二維纖維織物為圓環(huán)狀。
13、進一步地，每層圓環(huán)狀的二維纖維織物的平面尺寸比相應層二維纖維織物所在的切片的平面尺寸小0.2mm～0.3mm。
14、進一步地，天線罩沿半球形殼體軸向的上表面和下表面的不含纖維的陶瓷基體厚度不小于0.5mm。
15、第三方面，本專利技術提供了一種上述梯度多孔陶瓷基復合材料及其產品的增材制造方法，增材制造方法包括下述步驟：
16、步驟s1、準備每層陶瓷基體層所需的陶瓷原料；
17、步驟s2、建立梯度多孔陶瓷基復合材料產品的三維模型，x-y平面為梯度方向，與x-y平面垂直的z向設為逐層疊加方向，進行切片處理，其中，每一層二維纖維織物都包含在相應切片內部，每層切片包括m個梯度區(qū)，1≤m≤n，n為梯度結構的層數；
18、步驟s3、預制能夠維形的w層二維纖維織物預制件；
19、步驟s4、通過3d打印成型的方法得到梯度多孔陶瓷基復合材料產品的前驅體；
20、步驟s5、對前驅體進行脫脂燒結。
21、與現(xiàn)有技術相比，本專利技術至少可實現(xiàn)如下有益效果之一：
22、(1)本專利技術提出的梯度多孔陶瓷基復合材料及其產品，包括采用3d打印成型的陶瓷基體和增強相，陶瓷基體包括n層材料成分和/或密度不同的陶瓷基體層，增強相包括w層二維纖維織物，n層陶瓷基體層和w層二維纖維織物沿3d打印堆疊方向逐層疊加；本專利技術將“梯度多孔陶瓷基體+纖維增強相”通過增材制造的方法結合起來，可以在準備3d打印的陶瓷原料時，根據需要設計陶瓷基體層的成分(陶瓷粉體種類、陶瓷粉體粒徑、樹脂種類、陶瓷和樹脂的配比)，從而調節(jié)不同陶瓷基體層材料成分和/或密度，進而調控沿梯度方向的介電常數分布，從而獲得優(yōu)異的寬頻透波性能；同時，纖維增強相的引入可以在幾乎不增加重量的情況下，顯著提高陶瓷基體的強度，從而兼顧了輕量化和高強度；本專利技術提供的梯度多孔陶瓷基復合材料及其產品，可以將寬頻透波性能、高機械強度、輕量化、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)良性能結合在一起，以提升高性能陶瓷在各個領域(例如：航空航天)的推廣及應用。
23、(2)本專利技術提出的梯度多孔陶瓷基復合材料及其產品，由于n層陶瓷基體層和w層二維纖維織物是通過3d打印一體成型，因此每層梯度結構之間結合緊密，相比于現(xiàn)有的制備技術得到的產品(不同密度的結構組裝在一起)，本專利技術提供的復合材料及其產品的不同層的梯度結構之間結合牢靠、可靠性高。
24、(3)本專利技術提出的梯度多孔陶瓷基復合材料及其產品，由于n層陶瓷基體層和w層二維纖維織物是通過3d打印一體成型，在打印每一層切片時，準確地將陶瓷原料本文檔來自技高網
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【技術保護點】
1.一種梯度多孔陶瓷基復合材料，其特征在于，包括采用3D打印成型的陶瓷基體和增強相；
2.根據權利要求1所述的梯度多孔陶瓷基復合材料，其特征在于，所述梯度多孔陶瓷基復合材料的結構為空心殼體或者實心體；所述梯度多孔陶瓷基復合材料的形狀包括但不限于平板型、半球形、球形、圓錐形、圓臺形、圓柱形、四面體、三棱錐、四棱錐中的任一種。
3.根據權利要求2所述的梯度多孔陶瓷基復合材料，其特征在于，所述空心殼體包括開放式或者封閉式。
4.根據權利要求1-3任一項所述的梯度多孔陶瓷基復合材料制成的產品，其特征在于，所述產品是天線罩，所述天線罩為半球形殼體，天線罩包括自外表面至內表面的n層密度不同的陶瓷基體層，形成梯度結構，即第一密度層、第二密度層……第n-1密度層、第n密度層，n≥2，以及沿與半球形殼體軸向垂直的X-Y平面逐層分布的W層二維纖維織物。
5.根據權利要求4所述的梯度多孔陶瓷基復合材料制成的產品，其特征在于，所述二維纖維織物由0.1K～0.8K的連續(xù)纖維編織而成。
6.根據權利要求4所述的梯度多孔陶瓷基復合材料制成的產品，其特征在于，所述第一密度層、第二密度層……第n-1密度層、第n密度層的密度分布包括但不限于依次減小，依次增大，先依次減小后依次增大，或者先依次增大后依次減小。
7.根據權利要求4所述的梯度多孔陶瓷基復合材料制成的產品，其特征在于，所述二維纖維織物為圓環(huán)狀。
8.根據權利要求7所述的梯度多孔陶瓷基復合材料制成的產品，其特征在于，每層圓環(huán)狀的二維纖維織物的平面尺寸比相應層二維纖維織物所在的切片的平面尺寸小0.2mm～0.3mm。
9.根據權利要求4所述的梯度多孔陶瓷基復合材料制成的產品，其特征在于，所述天線罩沿半球形殼體軸向的上表面和下表面的不含纖維的陶瓷基體厚度不小于0.5mm。
10.一種權利要求1-9任一項所述梯度多孔陶瓷基復合材料及其產品的增材制造方法，其特征在于，所述增材制造方法包括下述步驟：
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【技術特征摘要】
1.一種梯度多孔陶瓷基復合材料，其特征在于，包括采用3d打印成型的陶瓷基體和增強相；
2.根據權利要求1所述的梯度多孔陶瓷基復合材料，其特征在于，所述梯度多孔陶瓷基復合材料的結構為空心殼體或者實心體；所述梯度多孔陶瓷基復合材料的形狀包括但不限于平板型、半球形、球形、圓錐形、圓臺形、圓柱形、四面體、三棱錐、四棱錐中的任一種。
3.根據權利要求2所述的梯度多孔陶瓷基復合材料，其特征在于，所述空心殼體包括開放式或者封閉式。
4.根據權利要求1-3任一項所述的梯度多孔陶瓷基復合材料制成的產品，其特征在于，所述產品是天線罩，所述天線罩為半球形殼體，天線罩包括自外表面至內表面的n層密度不同的陶瓷基體層，形成梯度結構，即第一密度層、第二密度層……第n-1密度層、第n密度層，n≥2，以及沿與半球形殼體軸向垂直的x-y平面逐層分布的w層二維纖維織物。
5.根據權利要求4所述的梯度多孔陶瓷基復合材料制成的產品，其特征在于，所述二維纖維...
【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：翟小菲，張瑋，孟凡顥，李志勇，熊亮同，錢遠宏，焦世坤，陳榮，
申請(專利權)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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