[发明专利]一种陶瓷基3D打印材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于复合材料领域，具体涉及一种陶瓷基3D打印材料及其制备方法。

背景技术

氧化铝陶瓷是氧化物陶瓷中应用最广泛、产量最大的陶瓷材料。氧化铝陶瓷具有优良的绝缘性、机械性能、耐高温性能和抗磨损性能，用于制造刀具、球阀、磨轮、陶瓷钉、轴承等，在陶瓷刀具、电子电力和航空航天上得到广泛应用。

单晶蓝宝石晶须(SinglecrystalsapphireWhisker，亦称单晶蓝宝石纤维)是一种具有一定长径比的单晶氧化铝晶须，具有超强机械强度、抗热冲击、比重小、抗氧化、高耐磨量和高耐腐蚀性等优异的物理性能。单晶蓝宝石晶须适合作为陶瓷、金属、塑料及橡胶的增强组元。因此，单晶蓝宝石晶须成为第三代先进复合材料的最佳选择。

3D打印技术的原理是叠层制造，逐层增加材料来生成三维实体的技术，所以又被称为增材制造技术。近年来，增材制造技术发展迅速，对制造业领域影响巨大，受到世界各国的极大关注，被誉为颠覆传统制造业的又一次工业革命，被列入我国战略性新兴产业。

3D打印主流成型技术包括选择性激光烧结（SLS）、熔融沉淀成型（FDM）、立体光固化（SLA）等。选择性激光烧结，由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard于1989年研制成功。采用激光器作能源，使用的造型材料多为粉末材料。加工时，首先将粉末预热到稍低于其熔点的温度，然后在刮平棍子的作用下将粉末铺平；激光束在计算机控制下根据分层截面信息进行有选择地烧结，一层完成后再进行下一层烧结，全部烧结完后去掉多余的粉末，则就可以得到烧结好的零件。该类成型方法有着制造工艺简单，柔性度高、材料选择范围广、材料价格便宜，成本低、材料利用率高，成型速度快等特点，2014年，GE公司研发的飞机发动机喷嘴，把20个零件做成了一个零件，材料成本大幅度减少，还节省燃油15%。目前市场上3D打印用激光烧结的陶瓷材料品种较少，主要依赖进口。

发明内容

本发明的目的在于提供一种陶瓷基3D打印材料及其制备方法，在氧化铝陶瓷中加入单晶蓝宝石晶须后，可以显著提高制品的弯曲弹性模量、抗拉强度，具有高强度、耐高温、抗氧化、耐腐蚀等多种性能，用于制备高强、高韧精细工程陶瓷，例如制备超音速飞机的喷嘴、火箭发动机中的垫圈等。

为实现以上目的，本发明的技术方案为：

一种陶瓷基3D打印材料，包括按重量计的如下组分：

氧化铝粉末100重量份

氧化铝粉末处理剂3~20重量份

分散介质100~500重量份

单晶蓝宝石晶须1~20重量份

稳定剂1~20重量份

光固化剂5~20重量份。

所述的陶瓷基3D打印材料，各组分优选重量份数如下：

氧化铝粉末100重量份

氧化铝粉末处理剂5~15重量份

分散介质100~500重量份

单晶蓝宝石晶须1~10重量份

稳定剂1~10重量份

光固化剂5~10重量份。

所述氧化铝粉末为粒径100~1000nm，纯度（wt%）>90%的市售单斜氧化铝，所述氧化铝粉末处理剂为焦磷酸钠、三聚磷酸钠或偏磷酸钠的任一种及以上；所述分散介质为去离子水和无水乙醇的任一种及两种混合。

所述单晶蓝宝石晶须为直径0.1~1微米，长度为5~100微米，密度为4g/cm3，纯度（wt%）为90-99.9%的单晶蓝宝石晶须。

所述稳定剂为Yb₂O₃、Sm₂O₃中的任一种或两者的混合物；所述光固化剂为聚合度为1~1000的环氧丙烯酸酯类聚合物或聚合度为1~1000的甲基丙烯酸聚氨酯聚合物。

一种陶瓷基3D打印材料的制备方法，a、在加热装置中，按照配方量加入去离子水和氧化铝粉末处理剂，搅拌溶解直至氧化铝粉末处理剂完全溶解；b向步骤a制得的溶液中加入氧化铝粉末，在恒温下搅拌1~4h，充分反应后，冷却，过滤，干燥，获得处理后的氧化铝粉末；c、将稳定剂、光固化剂和单晶蓝宝石晶须按照配方量加入到无水乙醇中，在常温下快速搅拌2~6h制得混合液；d、将步骤c制得的混合液在超声下震荡30~90min；然后加入步骤b处理后的氧化铝粉末，搅拌3~15h；e、将上述混合粉末干燥，筛后即可获得陶瓷基3D打印材料。

所述步骤a中所述加热温度为50~80℃，搅拌速度为350~550r/min。

所述步骤b中加热温度为80±5℃，搅拌速度为350~750r/min