[发明专利]一种空间有序框架结构陶瓷-金属复合材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种空间有序框架结构陶瓷‑金属复合材料及其制备方法，属于陶瓷‑金属复合材料技术领域，所述方法包括根据预定的陶瓷成型结构，得到3D打印切片数据；配置陶瓷粉浆料进行3D陶泥打印成坯料；坯料烧结得到陶瓷基体再进行表面的薄膜覆盖处理；采用金属熔铸法或粉末冶金法将金属材料与陶瓷基体进行复合。本发明采用的3D陶泥快速一体化成型打印方法，可制作尺寸精度高、表面质量好、力学性能优异的空间有序框架结构陶瓷，适合多种单相或复相的陶瓷材料成型。本发明中陶瓷与金属比例可任意调整，显微结构可控制，复合材料的性能可设计，具备刚性高、硬度高和冲击韧性好等优点，表现出优良的耐摩擦性能和耐热性能。

技术领域

本发明属于陶瓷-金属复合材料技术领域，具体涉及一种空间有序框架结构陶瓷-金属复合材料及其制备方法。

背景技术

有序框架结构陶瓷-金属复合材料是在有序框架结构陶瓷中注入金属合成的，陶瓷增强体与金属基体之间形成相互贯通的有序框架结构和互穿结构，这类互穿相复合材料简称为IPC材料(Interpenetrating Phase Composite)。陶瓷增强相和金属基体相之间相互贯穿、相互渗透，相互支撑的连接关系强化了材料抵抗各种破坏作用的能力，使有序框架结构陶瓷-金属复合材料具有特殊的物理化学性能和机械性能，特别是具有优良的摩擦磨损性能。

制备IPC材料(InterpenetratingPhase Composite)需要采用的陶瓷骨架，早期的陶瓷骨架成型方法主要有两种，一种是以网孔海绵、聚氨酯泡沫、天然木质等为前驱体的模板法制备的泡沫陶瓷，另一种是挤出成型的直孔道的蜂窝陶瓷。首先，网孔海绵、聚氨酯泡沫、天然木质等为前驱体的模板法制备的泡沫陶瓷的闭孔较多，金属液体无法完全填充陶瓷空隙从而产生大量铸造缺陷，该方法制备得到的陶瓷-金属复合材料表现出显微结构不够均匀、铸造缺陷多的缺点。其次，采用挤出成型的直孔道的蜂窝陶瓷方法得到的空腔结构，表现出陶瓷壁薄，导致复合材料强度低，各向异性明显的缺点。以上诸多缺陷制约了IPC材料在工程机械航空交通领域的应用范围。

随着3D打印技术的兴起，越来越多的金属复合材料的制备过程都采用了3D打印技术，3D打印技术是一种基于分层离散、材料堆积和数控成型的新型成型技术。例如，中国专利CN104874768A公开了一种利用3D打印空间结构制备金属基复合材料的方法，该方法首先通过3D打印技术打印出空间结构的塑料模板，然后将陶瓷颗粒和粘结剂配成浆料，灌注入塑料模板，再进行烧结除去塑料，获得具有一定强度和空间结构的陶瓷颗粒预制坯，然后利用真空吸铸、挤压铸造等压力浸渍技术制备出陶瓷-金属基复合材料。虽然该方法采用了3D打印技术，但是步骤较为繁琐，且通过3D打印的塑料模板再间接烧结得到的陶瓷骨架的方法存在很多缺陷：比如塑料模板的性能不适用于较复杂的空间结构设计，且塑料空间结构在灌注陶瓷时局部易发生形变，烧结后的内部封闭空间的杂质残留较多。因此，如何运用3D打印技术打印出高质量的陶瓷基体，进而减少陶瓷-金属基复合材料的内部缺陷，提高IPC材料的刚度、硬度以及耐磨性能，成为了本技术领域工作人员的研发重点。

发明内容

有鉴于此，本发明目的在于提供一种空间有序框架结构陶瓷-金属复合材料的制备方法。本发明提供的制备方法可控性好，将陶泥快速一体化成型技术和高温金属熔铸技术相结合，得到的复合材料中陶瓷和金属形成强约束关系，具备刚性高、硬度高、耐冲击耐磨性能优良的特点。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

一种空间有序框架结构陶瓷-金属复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)根据预定的陶瓷成型结构，得到3D打印切片数据；

(2)将陶瓷粉、成型助剂和液体介质混合后球磨，得到浆料，按照所述3D打印切片数据将所述浆料进行3D陶泥打印成型，得到陶瓷坯料；

(3)将步骤(2)所述陶瓷坯料依次进行烘干和烧结，得到空间有序框架结构陶瓷基体；