[发明专利]改进的陶瓷粉体浆料及直写成型三维结构的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及3D打印成型技术领域，具体涉及改进的陶瓷粉体浆料及直写成型三维结构的制备方法。

背景技术

直写成型技术（Direct Ink Writing）是一种新型的陶瓷材料3D打印成型技术【J A Lewis. Colloidal processing of ceramics. Journal of the American Ceramic Society, 2000, 83(10): 2341-2359.】。该技术首先借助计算机辅助（CAD）设计所需的三维结构的图案，然后通过计算机自动控制安装在Z轴上的由针筒和针嘴组成的陶瓷粉体浆料输送装置，将针筒内的浆料从针嘴内挤出精确尺寸的线型流体，同时X-Y轴依照程序设定的轨迹移动，将线型流体沉积在运动平台上，得到第一层结构。完成第一层成型之后，Z轴马达带动浆料输送装置精确地向上移动到结构方案确定的高度，第二层成型将在第一层结构上进行。随后，通过逐层叠加的方式，获得用传统的成型工艺无法制备的复杂三维立体结构。

直写成型技术对陶瓷粉体浆料具有很高的流变性能要求。在直写成型过程中，为顺利地通过针嘴，陶瓷粉体浆料要求具有很好的流动性；而当其流过针嘴形成线形流体后，浆料又要求失去流动性，具有很好的成型性，从而保障成型结构的形状不发生变化。为满足这一要求，众多研究者通过改变浆料的pH，或者增加浆料的离子强度等各种方式来调节浆料的流变性能，期望能够满足直写成型的要求。Cesarano 采用具有高剪切变稀流变性能的氧化铝粉体浆料来进行直写成型【J III Cesarano, T A Baer, P Calvert. Recent developments in freeform fabrication of dense ceramics from slurry deposition. Albuquerque, NM: Sandia National Labs., 1997.】；Smay 设计了通过改变浆料的pH来获得一种能够满足直写成型要求的胶体凝胶浆料【J E Smay, J Cesarano, J A Lewis. Colloidal inks for directed assembly of 3-D periodic structures. Langmuir, 2002, 18(14): 5429-5437】；Li等通过改变悬浮液中的离子浓度来调节悬浮液的流变性能【Q Li, J A Lewis. Nanoparticle Inks for Directed Assembly of Three-dimensional periodic structures. Advanced Materials, 2003, 15(19): 1639-1643】。虽然通过各种方式在一定程度上能够满足成型要求，但是仍然常常出现打印头堵塞针等使直写成型无法继续进行的现象。

发明内容

为解决上述技术问题，我们提出了改进的陶瓷粉体浆料及直写成型三维结构的制备方法，其可获得致密的陶瓷部件且所制备的三维立体结构的尺度范围广，可简单实现微米级至分米级的控制。

为达到上述目的，本发明提供了一种改进的陶瓷粉体浆料的制备方法，其具体步骤如下：

1）将一定比例的水、陶瓷粉体、烧结助剂和某一类型分散剂进行球磨，制得合适的粘度和固含量的浆料，其中，粉体的固含量为0.01%~99%，分散剂的加入量为粉体质量的0.001%~10%；

2）在所述浆料中添加一种或多种相反类型的分散剂继续进行球磨即可；

其中，粉体的固含量为0.01%~99%，分散剂的加入量为粉体质量的0.001%~10%，两种相反类型分散剂的质量比为0.001%~1000%，球磨的速度为10 rad/min ~50 rad/min。

优选的，所述陶瓷粉体为氧化铝粉体、氮化硅粉体、氧化锆粉体、氮化铝粉体中的一种。

优选的，所述烧结助剂为氧化钇、氧化镧、氧化镁中一种或多种。

优选的，所述分散剂为阴离子型分散剂、阳离子型分散剂中的一种。

优选的，所述阴离子型分散剂为聚丙烯酸类、聚马来酸类、聚苯乙烯硫酸类、聚苯磺酸类、聚乙烯磺酸类、聚乙烯磷酸类中一种或多种。

优选的，所述阳离子型分散剂聚乙烯亚胺盐酸盐类、聚乙烯吡啶类、聚乙烯胺类中一种或多种。

优选的，所述球磨使用的磨球为氧化锆球、氧化铝球中一种。

本发明还提供了一种采用陶瓷粉体浆料直写成型三维结构的制备方法，该方法包括如下步骤：