[发明专利]一种光固化成型的高致密陶瓷的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及陶瓷制备技术领域，尤其涉及一种光固化成型的高致密陶瓷的制备方法。

背景技术

特种陶瓷材料由于具有高强度、高硬度、耐腐蚀、耐磨损、化学稳定性和生物相容性好等优异性能，已在能源、航空、机械、化工、电子、半导体、医学等领域得到愈来愈多的应用。由于以传统的陶瓷制造工艺制造形状复杂的精密特种陶瓷存在工艺配备复杂、制作时间长、制作成本高等问题，通过传统的陶瓷制造工艺制备特种陶瓷已无法跟上现今对特种陶瓷产品日益增长的研发和使用需求。尤其是对于高致密陶瓷，其具有硬度高、化学稳定性好、高温性能优良等优点，但这些优点同时给高致密陶瓷件的成型及加工带来了很大的困扰，特别是形状复杂的高致密陶瓷异形件，通常需要使用复杂的模具来成型，而复杂的模具增加了生产成本和周期，不适于高致密陶瓷件的小批量生产或试验性生产。虽然目前国际上已开发出多种新型陶瓷成型方法，例如注射、流延、凝胶注模、直接凝固注模成型等，但无论是这些新型方法，还是传统的注浆、干压成型等方法，都无法摆脱模具对陶瓷制造的制约。另外，对于高致密陶瓷件，除了坯体成型的问题外，传统的陶瓷制备工艺中的干燥工艺会使坯体产生较大的形变量，无法制出形状复杂精密的陶瓷异形件，排胶工艺也无法满足烧制高致密陶瓷的要求。

鉴于上述的状况，尽快研究和推广快速无模成型技术对我国较落后的陶瓷工业来说势在必行。本发明所用的3D打印技术为光固化成型技术(Stereo lithography Appearance，缩写SLA)，其原理如图1所示，通过计算机控制激光束在x-y面进行扫描，使陶瓷浆料选择性固化，形成单层截面；随后升降台下降一定的距离，刮刀扫过，在已固化层上均匀涂覆一层陶瓷浆料，再进行x-y面的扫描，形成另一层截面，并与前一层粘接在一起；如此循环，得到光固化陶瓷坯体。

发明内容

本发明针对以现有的陶瓷制备方法制造具有复杂结构的高致密陶瓷需先制出复杂的模具，导致生产成本高及生产周期长的问题，以及因坯体的形变量大难以制造形状复杂、精密的陶瓷的问题，提供一种以光固化成型的高致密陶瓷的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术解决方案：

S1制备浆料：按以下质量百分比称取各组分并混合均匀，30-80％的陶瓷粉末，15-65％的预混液，0.01-2％的光引发剂，0.04-3％的分散剂，得到浆料。

所述预混液由有机溶质与溶剂组成，所述溶剂的质量为预混液的质量的0-90％；所述有机溶质为丙烯酰胺、N–N’亚甲基双丙烯酰胺、1,6-己二醇二丙烯酸酯和三羟甲基丙烷三丙烯酸酯中的至少一种。优选的，有机溶质由丙烯酰胺与N–N’亚甲基双丙烯酰胺以质量比9-29：1复合而成。

优选的，所述溶剂的质量为预混液的质量的60-90％。

优选的，溶剂为去离子水、甘油、无水乙醇和丙酮中的至少一种。更优选的，所述溶剂由去离子水和甘油组成，且甘油的质量为预混液的质量的5-20％。

优选的，所述陶瓷粉末为氧化铝、氧化锆、锆钛酸铅、氮化硅、氮化铝、碳化硅、碳化硼、碳氮化钛、碳化钛、氧化钛和氧化硅中的至少一种。更优选的，所述陶瓷粉末的平均粒径小于或等于10μm，陶瓷粉末的纯度大于或等于99.9％。

所述光引发剂为2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮、1-羟基环己基苯基甲酮和2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮中的至少一种。

所述分散剂为柠檬酸铵、聚乙烯吡咯烷酮、六偏磷酸钠和聚丙烯酸铵中的至少一种。

优选的，所述制备浆料的具体步骤是：首先将有机溶质与溶剂混合均匀，形成预混液，然后向预混液中加入分散剂并混合均匀，接着向预混液中加入陶瓷粉末并球磨0.1-50h，得到初浆料；接着是除泡工艺：将初浆料置于负压环境下并搅拌初浆料1-120min以除去气泡，最后向初浆料中加入光引发剂并混合均匀，制得浆料。

S2成型：将浆料置于光固化成型设备中，由光固化成型法(所用波长λ≤405nm)制备出坯体。

优选的，光固化成型法制出坯体后，清洗除去坯体表面未固化的浆料。

S3：然后，坯体依次经过S31干燥步骤、S32排胶步骤和S33烧结步骤的加工，制得相对密度大于或等于90％，维氏硬度大于或等于12GPa，残余碳含量小于或等于0.5wt％的陶瓷。

优选的，所述S31干燥步骤是：将坯体置于液态干燥剂中干燥1-72h。优选的，所述液态干燥剂是分子量为200-600的聚乙二醇。