[发明专利]一种基于3D打印技术的纤维增强陶瓷薄壁件的成型方法

说明书

一种基于3D打印技术的纤维增强陶瓷薄壁件的成型方法：预先将陶瓷粉体、纤维材料和助烧剂混合，得到纤维增强陶瓷材料；采用聚乙烯醇为粘结剂，加入适量润湿分散剂和消泡剂，与纤维增强陶瓷材料混合，获得纤维增强陶瓷泥料；采用3D打印技术，将上述泥料由打印头挤出，并且打印头按照薄壁件截面数据运动，利用陶瓷泥料本身的塑性和稠度实现其堆积成型，获得陶瓷坯体；经过脱脂和烧结，获得纤维增强陶瓷薄壁件。本发明所采用的3D打印技术避免了光固化或加热等复杂装置，工艺大幅简化，并且可以实现具有复杂曲面外形的纤维增强陶瓷薄壁件的快速制造，并且所制备的纤维增强陶瓷材料具有高均匀性、高强度和高韧性等优点。

技术领域

本发明涉及一种纤维增强陶瓷薄壁件的成型方法。特别是涉及一种基于3D打印技术的纤维增强陶瓷薄壁件的成型方法。

背景技术

陶瓷材料由于其高强度、高硬度、高耐磨性和耐腐蚀性等优异的性能，在空天、武器装备等尖端领域得到了广泛应用。然而由于其脆性较大，难以承受剧烈的机械冲击和热冲击，因而制约了陶瓷在上述领域的应用。通过向陶瓷基体中添加纤维，增强陶瓷的强度和韧性，受到了研究人员的广泛关注。目前，空天、武器装备上应用的陶瓷薄壁件关键部件多采用长纤维编织体增强陶瓷制备。纤维编织体制备工艺复杂，并且编织体完成后需要反复浸渍和固化成型，生产周期长，成本极高。短纤维增强陶瓷无需复杂的纤维编织工艺，可望改善长纤维编织体增强陶瓷的上述不足。另一方面，上述关键部件外形多为不规则曲面，常规方法制备的陶瓷工件还需要进行磨削修形，去除表面大量余量，对陶瓷材料造成了很大的浪费。

3D打印技术又称增材制造技术，是上世纪80年代后期发展起来的一项先进制造技术，可以实现快速成型，缩短产品的设计和生产周期，降低研制成本。陶瓷材料的直接成型技术是3D打印技术的研究热点和重要发展方向。熔融沉积或光固化成型可以将增强纤维和陶瓷泥料进行打印并制备成陶瓷坯体，但是需要额外的光固化或者加热装置，工艺较为复杂。此外，对于工程陶瓷而言，其特定的陶瓷粉体属于瘠性材料，粘度、塑性和分散性较差，导致其无法直接用于3D打印。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种无需额外光固化或者加热工艺的基于3D打印技术的纤维增强陶瓷薄壁件的成型方法。

本发明所采用的技术方案是：一种基于3D打印技术的纤维增强陶瓷薄壁件的成型方法，包括如下步骤：

1)将陶瓷粉体材料和增强纤维材料按质量比为5-9：1混合，然后在球磨机中搅拌混合均匀，得到纤维增强陶瓷材料；

2)配制聚乙烯醇溶液，并向聚乙烯醇溶液中加入润湿分散剂和消泡剂，然后将获得的纤维增强陶瓷材料以及助烧剂加入所述的溶液中，在分散机中混合均匀，获得纤维增强陶瓷泥料；

3)使用三维建模软件设计薄壁件的3D模型，并将薄壁件3D模型转换为分层路径文件，导入3D打印机；

4)将获得的纤维增强陶瓷泥料供给打印头，气泵通入压缩气体，提供均匀压强，打印头将陶瓷泥料均匀挤出；

5)打印头根据分层路径文件按照薄壁件3D模型当前层的轮廓数据进行平面二维运动；

6)完成薄壁件3D模型当前层的轮廓数据后，打印头上升一个分层的厚度；

7)重复步骤4)至步骤6)，直至薄壁件坯体完成；

8)将打印完成的薄壁件坯体置于烘箱内，保持温度在40-60℃，保温4-6小时；

9)将步骤8)获得的薄壁件坯体进行脱脂和烧结，获得纤维增强陶瓷薄壁件。

步骤1)中所述的陶瓷粉体的粒径为1-2μm；增强纤维材料的直径为2-4μm，长度为50-80μm。

步骤2)中所述的配制聚乙烯醇溶液的质量分数为1％。