[发明专利]一种用于3D打印的金属增韧陶瓷基复合材料

说明书

技术领域

本发明属于3D打印制造领域，涉及3D打印材料,具体涉及一种用于3D打印的金属增韧陶瓷基复合材料。

背景技术

“3D打印”是通俗的叫法，学术名称为“快速原型制造”（RapidPrototyping&Manufacturing），是一种采用材料累加的成型原理。快速原型制造系统就像是一台“立体打印机”，不需要传统的刀具、机床、夹具，便可快速而精密地制造出任意复杂形状的新产品样件。3D打印技术是一种由信息技术、新材料技术与高端制造技术多学科融合发展的先进制造技术，不但克服了传统减材制造造成的损耗，而且使产品制造更智能化，更精准，更高效。尤其是涉及到复杂形状的高端制造，3D打印技术显示出巨大的优越性。

用于3D打印的原材料较为特殊，必须能够液化、粉末化或者丝化，在打印完成后又能重新结合起来，并具有合格的物理、化学性质。目前，3D打印的耗材非常有限，主要是石膏、无机粉料、光敏树脂、塑料、金属粉、陶瓷粉等。石膏、无机粉料、光敏树脂、塑料、金属等用于3D打印时，由其自身凝固、固化、冷却等可形成性能稳定的制品。而陶瓷粉用于3D打印时，因粉末成分、夹杂物、氧化、熔化温度、烧结温度等多种因素影响，导致制品中夹杂物含量高、致密性差、结构不均匀、晶体组织均匀差、内部存在孔隙等，影响制品的强度。也成为目前阻碍3D打印技术在陶瓷制品制造领域应用的主要因素。

陶瓷具有高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点，但抗拉强度较低，塑性和韧性很差。尤其是陶瓷粉通过3D打印制造陶瓷制品时，因结构不均匀、晶体组织均匀差等使陶瓷制品的塑性和韧性降低。

根据已有报道，晶须和金属对陶瓷具有增韧性，中国发明专利CN103011872A公开了一种氮化硅增韧陶瓷的制备方法，该发明利用β-Si3N4与SiC晶须通过烧结获取具有韧性的陶瓷；中国发明专利CN101973777A公开了一种金属增韧碳化硅基复合陶瓷及制备方法，该方法是将熔融的铝合金液倒入放置预制体的模具内浸渗，冷却后与模具分离，然后将铸块重新熔化除去多余的铝合金得到复合陶瓷，通过反应烧结和压力浸渗的方法制得生坯后通过压力浸渗工艺，利用金属改善陶瓷韧性。

上述均是在制备陶瓷制品时加入了晶须或者金属对陶瓷进行增韧。而3D打印所用的原料为陶瓷微球，晶须、金属等增韧材料难以直接通过与陶瓷微球混合达到增韧性。尤其是金属与陶瓷物性不匹配，导致在3D打印时陶瓷对金属不浸润，难以实现增韧目的。

发明内容

针对陶瓷粉通过3D打印制造陶瓷制品时，因结构不均匀、晶体组织均匀差等使陶瓷制品的塑性和韧性降低的缺陷，本发明提出一种用于3D打印的金属增韧陶瓷基复合材料。该金属增韧陶瓷基复合材料的特征是由金属纤维缠绕镶嵌在陶瓷微球表面形成的金属增韧陶瓷复合微球，不但满足3D打印所需球形的特征，而且，金属纤维呈网状在陶瓷微球表面分布，打印烧结后的陶瓷制品中金属以网状分布，从而实现增韧。

一种用于3D打印的金属增韧陶瓷基复合材料，是通过如下技术方案实现的：

一种用于3D打印的金属增韧陶瓷基复合材料，其特征是：金属纤维缠绕镶嵌在陶瓷微球表面，由如下重量份原料制备而成：

陶瓷微球80-90份，

金属纤维5-10份，

界面改性剂1-1.5份，

活性剂0.1-0.5份，

粘接剂3-5份；

其中，所述的陶瓷微球为氮化钛陶瓷、氧化铝陶瓷、碳化硅陶瓷、碳化硼陶瓷、氧化硅陶瓷中的一种或几种，微球的球度大于90，粒径过50目筛；

所述的金属纤维为长径比大于20、直径小于50微米的不锈钢纤维、铝纤维、镍纤维、铜纤维、锌纤维、锡纤维、银纤维、钛纤维中的至少一种；

所述的界面改性剂为水玻璃，其硅酸钠含量为30-40%，水含量为60-70%，模数为2-2.5，用于提高金属纤维在陶瓷微球表面的湿润效果；

所述的活性剂为十二烷基磺酸钠、六偏磷酸钠、聚丙烯酰胺、三聚磷酸钠中的至少一种；

所述的粘接剂为石蜡、微晶蜡、聚乙烯蜡、聚丙烯蜡中的至少一种；

所述的用于3D打印的金属增韧陶瓷基复合材料，是由如下方法制备而成：

1）将80-90重量份的陶瓷微球与1-1.5重量份的界面改性剂加入高速分散机，设定高速分散机的温度为90-100℃，真空压力0.1-0.3MPa，以5000-10000rpm的转速高速分散10-20min，得到界面侵蚀改性的陶瓷微球；