[发明专利]一种制备三维无机陶瓷的方法

说明书

本发明涉及一种制备三维无机陶瓷的方法，包括如下步骤：步骤1)：合成含有硅氧键的热固性陶瓷先驱体聚合物，固化得到特定形状I；所述热固性陶瓷先驱体聚合物的合成过程中加入键交换催化剂，所述键交换催化剂在步骤2)塑化处理时能够激活硅氧键发生可逆交换反应，且不参与合成热固性陶瓷先驱体聚合物的反应；步骤2)：继续在外力和加热作用下进行塑化处理，使其具有三维特定形状Ⅱ，得到陶瓷先驱体；步骤3)：将陶瓷先驱体在高温下烧结，得到三维无机陶瓷。该方法能够制备得到结构复杂的三维陶瓷。

技术领域

本发明涉及陶瓷加工制造领域，具体涉及一种制备三维无机陶瓷的方法。

背景技术

陶瓷材料通常具有高硬度、高强度、耐高温、耐腐蚀等一系列优越的性能以及特殊的声光电等多功能效应，这促使其在航空、航天、核能等各个高科技领域具有广泛的应用前景。

陶瓷先驱体聚合物(简称陶瓷先驱体或先驱体)是一类通过化学方法合成的高分子聚合物，通常情况下含有硅元素。陶瓷先驱体聚合物可以经过高温烧结转化成无机陶瓷材料。利用陶瓷先驱体聚合物制备陶瓷材料的方法充分利用了高分子聚合物优良的流动性以及可加工性的突出特点，相较于传统粉末烧结等陶瓷工艺而言，能够在烧结前赋予陶瓷材料更加复杂多样化的形状特征，以满足其在不同工作环境下的应用需求。与此同时，先驱体烧结陶瓷还具有无添加剂、较低陶瓷形成温度、微观结构可控等特性，因此能够应用在复杂形状和功能化陶瓷件上。

先驱体烧结陶瓷的方法主要通过注塑的方式来获得所需的二维或者三维结构，所以模具，特别是复杂结构的模具的制造成本占了整个陶瓷生产成本的很大一部分。某些薄壁的、镂空的三维模具的制造以及成型后的脱模工艺本身就是个技术难点。更进一步，若是想通过注塑的方式得到一个表面具有微纳结构的复杂三维陶瓷，那么其对应的模具制造几乎是不可能的。文献(Additive manufacturing of polymer-derived ceramics)利用3D打印的方法构建了三维陶瓷先驱体聚合物并烧结成三维陶瓷，从一定程度上解决了模具的问题。该3D打印的问题在于：1)由于层层成型的特点，表面质量不高，有台阶效应，且打印的速度较慢；2)对于某些悬空的结构，打印时需要额外添加支撑，该支撑后期需要手动去除，且支撑会显著影响薄壁结构的尺寸稳定性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种制备三维无机陶瓷的方法，能够制备得到结构复杂的三维陶瓷。

本发明所提供的技术方案为：

一种制备三维无机陶瓷的方法，包括如下步骤：

步骤1)：合成含有硅氧键的热固性陶瓷先驱体聚合物，固化得到特定形状I；

所述热固性陶瓷先驱体聚合物的合成过程中加入键交换催化剂，所述键交换催化剂在步骤2)塑化处理时能够激活硅氧键发生可逆交换反应，且不参与合成热固性陶瓷先驱体聚合物的反应；

步骤2)：继续在外力和加热作用下进行塑化处理，使其具有三维特定形状Ⅱ，得到陶瓷先驱体；

步骤3)：将陶瓷先驱体在高温下烧结，得到三维无机陶瓷。

本发明步骤1)中，含有硅氧键的热固性陶瓷先驱体聚合物的合成方法可以选用现有常规方法。其分子结构内包含硅氧键，硅氧键为可逆交换键，一类能够在特定条件下发生可逆反应或者与邻近化学键发生交换的化学键。

所述含有硅氧键的热固性陶瓷先驱体聚合物可以为聚硅氧烷，聚硅氧烷为热固性聚合物，可通过含有活性反应基团的有机硅化合物通过一定的反应交联而成。作为优选，活性反应基团可以选自硅氢键、乙烯基、巯基、氨基、环氧基、羟基、羧基、酸酐、(甲基)丙烯酸酯基、烷氧基等。

优选的，所述聚硅氧烷可由含硅氢键有机硅化合物与含有乙烯基有机硅化合物在金属铂催化剂下进行硅氢加成反应得到，反应方程式如式(I)：