[发明专利]一种基于墨水直书写3D打印技术制备多级多孔陶瓷的方法

说明书

本发明涉及一种基于墨水直书写3D打印技术制备多级多孔陶瓷的方法，该方法包括以下步骤：⑴分别将固含量为20~30wt%的无机氧化物陶瓷粉末、固含量为5~20wt%的聚合物微球开孔剂与固含量为50~75%的磷酸铝溶胶粘结剂搅拌混合后进行球磨处理，即得陶瓷浆料；⑵所述陶瓷浆料转移至3D打印机针筒中，于室温下用墨水直书写3D打印机进行连续逐层打印，在空气中随着水分的蒸发即得陶瓷多孔件生坯；⑶所述陶瓷多孔件生坯依次经固化、脱脂、烧结工序处理，即得孔隙度可调的多级多孔陶瓷。本发明工艺流程简单、生产效率高、灵活性高、成本低、修改设计便利，所得产品收缩率低，具有较大的市场推广价值。

技术领域

本发明涉及陶瓷制备技术领域，尤其涉及一种基于墨水直书写3D打印技术制备多级多孔陶瓷的方法。

背景技术

多孔陶瓷是一种新型陶瓷材料，也称为气孔功能陶瓷，一般多孔陶瓷是以无机陶瓷粉末为主料、经过成型和特殊高温烧结工序制备的一种具有大量彼此相通或闭合气孔以及高开口气孔率的多孔性陶瓷材料。多孔陶瓷材料由于其独特的多孔结构、小的体积密度、较高的机械强度以及高的比表面积已经在催化、过滤、生物医学支架、能量存储等领域得到越来越广泛的应用。此外，多孔陶瓷材料具有良好的热性能、耐高温高压、耐磨损、耐化学腐蚀、使用寿命长、产品再生性能好以及化学稳定性好等优点。然而，一般多孔陶瓷的制备存在一些不足，例如脆性大，耐冲击能力低、易碎以及后加工的能力低等缺点。此外，在后烧结过程中样品收缩率高，很难实现从原型设计到精确制备的操作，从而大大降低了应用价值。因此，低收缩率多孔陶瓷材料的精准制备也成为了决定其发展和应用拓展的关键环节。更重要的是，传统的机械制造技术如牺牲模板法、发泡方法、乳液模板和颗粒堆叠难以大规模制造可调孔隙的多级多孔陶瓷。因此，具有多种长度尺度和受控微观结构的高度多孔陶瓷的合成仍然具有重要的局限性。

近年来，一种叫做墨水直写成型（Direct ink writing）的挤出式3D打印技术作为一种有效、低成本和多功能的增材制造技术，可以用于构筑更复杂和高精度的多级有序多孔结构。3D打印技术作为快速成型工艺的一种，可以自动、快速、直接、精确地将设计好的形状层层堆叠成具有一定功能的3D结构，有效地缩短了产品的研发周期，提高了产品设计、制造的一次成品率，降低了产品开发成本，这使得过去受到传统制造方式的约束而无法实现的复杂结构件制造变为可能。此外，这些构造的多尺度多孔陶瓷可以实现3D打印成更复杂、独立和跨越的分层结构来满足实际需求，如蜂巢结构、人造叶脉结构、空心柱结构、同心环结构、木堆结构和立方网格结构等。因此，利用墨水3D打印带有不同几何形状、密度和刚度构型的轻质多级多孔陶瓷技术在催化、环保以及生物医疗等领域具有很好的应用前景。然而，在以基于DIW成型的多孔陶瓷中，烧结过程是整个过程的关键，其很大程度地影响了内部孔隙率、整体收缩率以及晶格结构等。

目前，虽然已经开发了广泛的方法用来大量制备多孔陶瓷，但具有收缩率低、孔隙度可调的多级多孔陶瓷材料的制备仍然是一项具有挑战性的科技任务。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种成本低廉、易工业化、收缩率低的基于墨水直书写3D打印技术制备多级多孔陶瓷的方法。

为解决上述问题，本发明所述的一种基于墨水直书写3D打印技术制备多级多孔陶瓷的方法，包括以下步骤：

⑴分别将固含量为20~30wt%的无机氧化物陶瓷粉末、固含量为5~20wt%的聚合物微球开孔剂与固含量为50~75%的磷酸铝溶胶粘结剂搅拌混合后进行球磨处理，即得陶瓷浆料；

⑵所述陶瓷浆料转移至3D打印机针筒中，于室温下用墨水直书写3D打印机进行连续逐层打印，在空气中随着水分的蒸发即得陶瓷多孔件生坯；

⑶所述陶瓷多孔件生坯依次经固化、脱脂、烧结工序处理，即得孔隙度可调的多级多孔陶瓷。

所述步骤⑴中无机氧化物陶瓷粉末是指气相二氧化硅陶瓷粉末、三氧化铝陶瓷粉末、二氧化锆陶瓷粉末中的一种，其球形颗粒粒径为50~200 nm。