[发明专利]一种复杂陶瓷结构件的间接自由成型方法

说明书

本发明公开了一种复杂陶瓷结构件的间接自由成型方法，该方法包括以下工艺环节：首先制备石墨/酚醛树脂混合粉末，利用选择性激光烧结成型技术快速制备具有复杂型腔的石墨模具坯体；其次对其完成二次固化、碳化、浸渍硅溶胶溶液、干燥和高温烧结等一系列后处理，获得石墨模具；将水基陶瓷浆料注入到中空的石墨模具中，待陶瓷坯体固化干燥后，获得石墨陶瓷复合体；最后烧失石墨模具，清理灰烬，获得形状完整的复杂陶瓷结构件。所提供的方法能够快速获得复杂陶瓷结构件，尤其适用于单件、少批量复杂陶瓷结构件生产。

技术领域

本发明属于陶瓷结构件成形制造技术领域，涉及可烧失性石墨模具快速制备、凝胶注模成型，具体地说是一种快速获得复杂陶瓷结构件的方法。

背景技术

结构陶瓷因具有优越的强度、硬度、绝缘性、热传导、耐高温、耐氧化、耐腐蚀、耐磨耗、高温强度等，在非常严苛的环境或工程应用条件下，所展现的高稳定性与优异的机械性能，已倍受瞩目，其使用范围亦日渐扩大。然而，采取传统的注浆成型、干压成型、热压成型等工艺方法因受到金属模具本身结构以及开发周期的限制，难以快速制备具有复杂结构的陶瓷件，这限制了结构陶瓷的推广和应用。该复杂结构是指相对于传统的陶瓷成型结构，如板材结构、柱状结构、方形结构等简单规则结构的异形结构，如镶嵌结构、具有各种不规则弧度的结构、三维拓扑结构等。

增材制造技术的出现为复杂陶瓷结构件提供全新的工艺方法，目前主要有直接自由成型法和间接自由成型法两大类。直接自由成型法目前主要有选择性激光烧结成型法、立体光固化成型法和立体喷墨打印成型法等，其共同点是利用有机粘结剂或高分子将陶瓷粉末“连接”在一起获得陶瓷素坯，再经过脱脂、高温烧结获得复杂陶瓷结构件，差异之处在于有机粘结剂或高分子的固化机理。间接自由成型法是利用各种3D打印技术快速制造可烧失性模具，如光固化树脂模具、石蜡模具、聚苯乙烯树脂模具等，然后将陶瓷浆料注入其中，待其固化成型、烘干后，采取物理或化学方式除去模具，获得复杂陶瓷结构件。总之，直接自由成型法无需任何模具，间接自由成型法无需取模，采取上述工艺方法的优势在于工艺流程短、可以快速制备复杂陶瓷结构件，但采取直接自由成型法时，为了保证素坯强度，有机粘结剂或高分子含量往往较高，这不仅增加了脱脂难度，而且难以保证陶瓷件的致密度；采取间接自由成型法时，石蜡模具耐热性差，在高于30℃易变形，而光固化树脂、聚苯乙烯树脂模具在除去过程中易产生难闻的气体，为了减小树脂模具在烧失过程中产生较大的热应力，防止陶瓷坯体开裂变形，需要对其内部进行镂空设计，这增加了设计工作量和难度。

发明内容

石墨是一种非金属材料的矿物质，化学成分主要为碳元素，经选择性激光烧结的石墨模具表面和内部存在许多很多微孔隙，微孔隙是氧气与碳发生氧化反应地活化点，在有氧条件下，当环境温度高于500℃时，石墨基体表面开始发生氧化反应，温度逐渐升高到1000℃时，氧化反应越剧烈，石墨模具基体被完全烧蚀成疏松的粉末。经实验证明，经过前处理的石墨是一种良好的3D打印成型材料且易于被氧化烧蚀，所以可以利用3D打印增材制造技术的灵活性将石墨材料制成结构复杂的模具，并在后期采用高温烧蚀的方法将模具完全去掉。增材制造技术作为一种重要的数字化制造技术，由三维数字模型直接成型任意复杂实体结构，在产品单件或小批量生产方面具有显著的成本和效率优势。与金属模具作比较，3D打印的石墨模具具有质量轻、复杂结构制作简单、热膨胀系数小等显著优势。

本发明将选择性激光烧结技术与凝胶注模成型技术相结合，提出了一种间接制备具有复杂结构型腔的陶瓷构件的新方法。该复杂结构是指相对于传统的陶瓷成型结构，如板材结构、柱状结构、方形结构等简单规则结构的异形结构，如镶嵌结构、具有各种不规则弧度的结构、三维拓扑结构等。