[发明专利]一种异质双向梯度孔径多孔陶瓷的3D打印制备方法及装置

说明书

本发明公开了一种异质双向梯度孔径多孔陶瓷的3D打印制备方法及装置，属于功能材料3D打印技术领域，将梯度孔径功能材料与增材制造技术相结合，并通过控制光固化浆料以实现各层材料之间的交替变化，其中第一前驱体陶瓷浆料的无定形硅粉含量小于第二前驱体陶瓷浆料，使其热膨胀系数稍高于第二前驱体陶瓷浆料，在烧结完后孔层间会产生压应力，能够提高梯度孔径多孔陶瓷的强度。并且硅粉还会与光敏树脂产生的残炭发生反应烧结，使坯体致密化，从而有效消除孔层间的局部微裂纹。此外，改变硅粉粒径，宏孔可控的同时又能实现微孔可变，进一步提升了梯度孔径多孔陶瓷的功能性。

技术领域

本发明属于功能材料及3D打印技术领域，具体涉及一种异质双向梯度孔径多孔陶瓷的 3D打印制备方法及装置。

背景技术

相对传统多孔陶瓷材料，梯度多孔陶瓷是孔径从某一方向到另一方向有规律地变化而满足更高特定需求的新型功能性材料，其非对称的孔结构具有更高的过滤精度、透气系数和力学强度等特点，尤其适用于高温烟气除尘、腐蚀性混合流体分离和微粒精细过滤等领域。

目前梯度多孔陶瓷的制备工艺主要有离心成型法、有机模板浸渍法、颗粒堆积法等，例如离心成型法是利用大小不同的粒子在高速离心时沉积的速度不同，大颗粒外沉小颗粒内沉从而使成型后的孔结构呈梯度分布。但上述制备工艺均存在孔径连续变化性差、孔形状不规则的明显缺点，难以制备孔结构复杂的成品；并且由于陶瓷孔结构的不可控性，无法将孔隙按需求梯度分布，导致材料性能不均匀、不可控。

增材制造技术的出现，其高效、灵活和精确的特性使得快速制备孔尺寸及位置可控，并具有优异力学性能的梯度多孔骨架成为可能。LCD(掩膜光固化)3D打印技术是利用液晶显示屏作为光源以促进一层一层的液体光敏树脂固化而形成特定形状的实体模型。但光固化3D 打印成型过程中会局部出现因浆料溶液蒸发而形成的气孔，并且成型后的多孔骨架脱脂烧结过程中光敏树脂还会发生收缩变形、劈裂等状况，使得孔层间发生微观断裂而造成微裂纹。

发明内容

本发明的目的在于提供一种异质双向梯度孔径多孔陶瓷的3D打印制备方法及装置，将梯度孔径功能材料与增材制造技术相结合，并通过控制光固化浆料以实现制备孔径及分布可控、各层材料之间可交替变化的异质双向梯度孔径多孔陶瓷，解决传统制备工艺梯度孔结构不可控及光固化3D打印制备成型后出现孔层间微观断裂的主要问题。

为实现上述目的，本发明的主要部件包括成型平台1、Z轴升降系统2、X轴传动系统3、打印平台4、UV LED光源5、软件控制系统6、散热系统7、信息交互面板8、主机箱9、LCD 显示屏10、第一树脂液槽11、第二树脂液槽12及密封保护箱13。

进一步的，所述成型平台1固定在Z轴升降系统2的导轨上，由小型电机牵引实现Z轴方向的上下移动；第一树脂液槽11和第二树脂液槽12固定在X轴传动系统3的同步带上，由小型电机带动X轴方向往复运动，实现两种光敏树脂原料的交替变换；LCD显示屏10位于成型平台1的正下方，底部与UV LED光源5相对；软件控制系统6集成在主机箱13内，可以对导入的实体模型进行数据分析，生成成型平台1沿Z轴的移动数据、第一树脂液槽11 和第二树脂液槽12沿X轴的移动数据、UV LED光源5所需的图片信息以及曝光参数等；散热系统7的风扇位于主机箱9的侧面，用于调控UV LED光源5和软件控制系统6的工作温度；信息交互面板8位于主机箱9的正面，便于使用者进行人机交互；密封保护箱13与打印平台4相扣，用于保护打印时的工作环境。

本发明具体步骤如下：

步骤1：制备用于光固化3D打印的第一前驱体陶瓷浆料和第二前驱体陶瓷浆料，分别放置在第一树脂液槽11和第二树脂液槽12内；

步骤2：通过三维建模软件建立双向梯度多孔结构陶瓷的实体模型，导出STL格式文件到光固化切片软件，再经软件控制系统6的数据分析，生成成型平台1沿Z轴的移动数据、第一树脂液槽11和第二树脂液槽12沿X轴的移动数据、UV LED光源5的图片信息以及曝光参数；