[发明专利]一种陶瓷3D打印成型的方法

说明书

本发明提出一种陶瓷3D打印成型的方法，由3D打印工艺形成宏观陶瓷层状结构，每层陶瓷层中具有微观层状结构，在微观层与微观层的界面之间和陶瓷层界面之间为棒状陶瓷晶层。本发明通过3D打印技术制备高性能层状陶瓷材料，首先通过3D打印形成宏观层状结构，然后采用逐层冷冻控制，在每一宏观层中形成微观的薄层结构，同时使层界面之间由于水结晶形成锯齿状微冰晶结构，促进坯体层间紧密结合，确保了层状陶瓷良好的烧结性，这种层状结构可大幅提升陶瓷材料力学性能，并充分发挥层状陶瓷独特的能量耗散结构优势，克服陶瓷突发断裂的致命缺点，大大提高陶瓷材料使用可靠性。

技术领域

本发明涉及一种陶瓷3D打印成型的方法，属于陶瓷制备技术领域。

背景技术

陶瓷材料具有耐高温、耐磨损、耐腐烛的特点,并且强度高、膨胀系数低、导热性好，在高温下使用较塑料和金属材料更有潜力和优势。但是，其缺点也是显而易见的，陶瓷材料的脆性较大、韧性较低，这些缺点对于陶瓷材料的进一步发展以及在工程中的大规模应用是个很大的瓶颈。陶瓷材料的脆性直观的表现为在外加负荷下无先兆的、爆发式的断裂，间接的表现为抗机械冲击性差和温度急变性差。因此，增加陶瓷材料的韧性，提高陶瓷材料的使用可靠性是结构陶瓷广泛应用的关键。

目前，通过添加增韧相来提高陶瓷材料的韧性和强度主要有以下四种方法:(1)颗粒弥散增韧；(2)相变增韧；(3)长纤维增韧；(4)晶须增韧。研究表明，这些方法有一定的增韧效果，但不能解决陶瓷材料的致命缺点即突然断裂。更重要的是，这些方法的制备工艺和对实验以及使用条件的要求比较严格，因此在实际的工程应用方面存在一定难度。

层状复合陶瓷材料相比于其它的增韧方式，其独特的结构使陶瓷材料克服了非层状陶瓷脆性大的缺陷，在保持组成相物质的综合机械性能的同时，大幅度提高了材料的断裂韧性，可以应用于安全系数较高的领域，使陶瓷材料的应用领域得到了扩展，层状复合陶瓷不仅有效的改善了存在于普通陶瓷中的断裂韧性较低的缺点，而且，层状陶瓷在制备工艺上的优点也是显而易见的。它的生产周期较短、易于推广并且操作简单。所以对其设计具有较大的自由度，可以综合考虑层内设计和层间设计，通过材料选择和结构设计两方面来对材料性能进行优化。

目前，层状陶瓷复合材料的成型方式包括:(1)坯料铺放压制成型；(2)预制层叠放成型；(3)基体层通过涂覆夹层材料的浆料后再经过层压成型；(4)原材料间的浆料之间相互沉积后成型。其中预制层叠放成型又主要包括轧膜成型和流延成型两种。

陶瓷3D打印具有逐层打印成型的特点，相比于传统陶瓷制造工艺的最大优势在于制作精度高、制作周期短、可实现个性化制作、制作材料的多样性以及制作成本相对较低。目前常见的3D打印方法主要有：薄材叠加制造(Laminated Objected Manufacturing，LOM)、熔融沉积造型(Fused Deposition Modeling，FDM)、光固化成型(Stereo-Lithography，SLA)、选择性激光焰化(Selective Laser Melting，SLM)、选择性激光烧结(Selective Laser Sintering，SLS)、三维打印法(3D Printing，3DP)等，而这些各具特色的3D打印技术难以适应多种材料，往往需要针对于某一种特性的陶瓷性能，研制出一种对应的3D打印技术，成本较高，而且成型制备的陶瓷件力学性能不理想。目前，国内外高性能陶瓷的直接3D快速成型工艺均尚未成熟。专利(CN104108131A)介绍了一种陶瓷材料的3D打印成型方法，将3D打印设备的工作平台置于冷冻空间中，在冷冻平台上喷射具有冷冻胶凝性质的浆料，从而得到3D打印的陶瓷坯体。该技术方法存在制件精度低，材料性能均匀性差，表面粗糙度过大，力学性能不理想等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供了一种具有整体成型性及可控性好、工艺简单、力学性能高的陶瓷3D打印成型的方法。

本发明的技术解决方案：一种陶瓷3D打印成型的方法，通过以下步骤实现：

第一步，配制陶瓷浆料，