CN104944962B

CN104944962B - 一种激光烧结快速成型氮化硅陶瓷粉末的制备

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Publication number: CN104944962B
Application number: CN201510284772.7A
Authority: CN
Inventors: 李慧芝; 张培志; 曹冲; 陈亚明; 候金焕; 徐维峰
Original assignee: University of Jinan
Current assignee: University of Jinan
Priority date: 2015-03-23
Filing date: 2015-05-29
Publication date: 2017-08-15
Anticipated expiration: 2035-05-29
Also published as: CN104944962A

Abstract

本发明公开了一种激光烧结快速成型氮化硅陶瓷粉末的制备方法，其特征在于，首先，采用聚乙烯醇对氮化硅陶瓷粉末预处理，得到预处理氮化硅陶瓷粉末；然后，在研磨机中，按质量百分比加入，预处理氮化硅陶瓷粉末：80%~85%，酚醛树脂：4%~8%，聚乙烯醇缩丁醛：2%~5%，三亚乙基四胺：0.8%~3%，开启研磨机转速在250转/分钟，研磨5min，再加入丙酮：7%~12%，各组分之和为百分之百，研磨机转速在250转/分钟，再研磨40~60min，干燥，得到激光烧结快速成型氮化硅陶瓷粉末。该材料在激光烧结下可直接成型，成型精度高，而且具有制备工艺简单，条件易于控制，生产成本低，易于工业化生产。

Description

一种激光烧结快速成型氮化硅陶瓷粉末的制备

技术领域

本发明涉及一种用于激光烧结快速成型粉末材料的制备方法，属于快速成型的材料领域，特别涉及一种激光烧结快速成型氮化硅陶瓷粉末的制备及应用。

背景技术

快速成型（RP）技术是九十年代发展起来的一项先进制造技术，是为制造业企业新产品开发服务的一项关键共性技术，对促进企业产品创新、缩短新产品开发周期、提高产品竞争力有积极的推动作用。自该技术问世以来，已经在发达国家的制造业中得到了广泛应用，并由此产生一个新兴的技术领域。

RP技术是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的。不同种类的快速成型系统因所用成形材料不同，成形原理和系统特点也各有不同。但是，其基本原理都是一样的，那就是"分层制造，逐层叠加"，类似于数学上的积分过程。形象地讲，快速成形系统就像是一台“立体打印机”。它可以在无需准备任何模具、刀具和工装卡具的情况下，直接接受产品设计（CAD）数据，快速制造出新产品的样件、模具或模型。因此，RP技术的推广应用可以大大缩短新产品开发周期、降低开发成本、提高开发质量。由传统的"去除法"到今天的"增长法"，由有模制造到无模制造，这就是RP技术对制造业产生的革命性意义。

激光烧结属于增材制造的一种方法。这种工艺也是以激光器为能量源，通过激光束使塑料、蜡、陶瓷、金属或其复合物的粉末均匀地烧结在加工平面上。在工作台上均匀铺上一层很薄的粉末作为原料，激光束在计算机的控制下，通过扫描器以一定的速度和能量密度按分层面的二维数据扫描。经过激光束扫描后，相应位置的粉末就烧结成一定厚度的实体片层，未扫描的地方仍然保持松散的粉末状。这一层扫描完毕后，随后需要对下一层进行扫描。先根据物体截层厚度即分层层厚而降低工作台，铺粉滚筒再一次将粉末铺平，可以开始新一层的扫描。如此反复，直至扫描完所有层面。去掉多余粉末，并经过后处理，即可获得产品。

3D打印（3D printing），是一种以数字模型文件为基础，运用流体状、粉末状、丝（棒）状等可固化、粘合、熔合材料，通过逐层固化、粘合、熔合的方式来构造物体的技术。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。3D打印技术出现在20世纪90年代中期，实际上是利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。它与普通打印工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。这打印技术称为 3D立体打印技术。传统制造业一般需要对原材料进行切割或钻孔，即减材制造，可大规模生产；3D打印是将材料一层层堆叠粘合、熔合，即增材制造；可实现快速个性化制造，可制造出传统制造业无法完成的形状。

在现有的成型材料领域中，由于SLS快速成型技术具有原料来源多样和零件的构建时间较短等优点，故在快速成型领域有着较广泛的应用。但大部分是有机材料和复合材料，中国发明专利CN1379061A中公开了一种用于激光烧结成型制品的尼龙粉末材料，通过化学合成和工艺的改进，对尼龙粉末材料的表面进行处理，得到了烧结性能优良，成型制品强度高，韧性好的产品，简化了激光烧结尼龙材料的制备工艺，降低了成本；中国发明专利CN103881371 中公开了一种激光烧结3D制造技术用石塑复合粉末及其制备方法。

氮化硅陶瓷的耐化学腐蚀性好、强度高、硬度高，耐磨性能好、摩擦系数小，耐高温，密度低等优点，无论作为结构材料还是功能材料都具有应用前景，近年来受到越来越多的关注。氮化硅陶瓷在石油、化工、微电子、航天、航空、造纸、激光、汽车、矿业及原子能等工业领域获得了广泛的应用。目前氮化硅陶瓷的制备方法主要有：粉末压制烧结法、溶胶凝胶法和反应烧结法等，采用上述方法制备氮化硅构件时，需先根据构件的形状制备具有相应形状的模具，若构件的形状稍有变化，就需要重新制备模具或需要对试样进行机械加工，因而加大了制备成本。由于受到模具的限制上述方法常用来制备形状简单的构件。

本发明通过对氮化硅粉末材料进行表面涂层改性，将高分子的胶粘剂涂层到超细氮化硅陶瓷粉末材料表面，得到的涂层后氮化硅陶瓷粉末材料可以直接采用激光烧结快速成型。该粉末可达到纳米级，而且粒径均一的粉末材料。该材料可以方便快捷地成形精密、异型、复杂的部件，不需要喷洒粘接剂，大大简化才做程序。所得到产品不仅强度高，也使薄壁微小零件的成型在3D快速成型机上的实现成为可能；此外，本专利提供的方法简单，成本低。

发明内容

本发明的目是提供一种激光烧结快速成型氮化硅陶瓷粉末的制备方法，快速成型粉末不需要喷洒粘结剂可直接激光扫描成型；

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种激光烧结快速成型氮化硅陶瓷粉末的制备方法，特征在于该方法具有以下工艺步骤：

（1）氮化硅陶瓷粉末预处理：在反应器中，按质量百分比加入，水：60%~70%，聚乙烯醇：2%~6%，加热溶解，再加入氮化硅陶瓷粉末：25%~35%，各组分之和为百分之百，强力搅拌、反应2~4 h，然后喷雾干燥，得到预处理氮化硅陶瓷粉末；

（2）激光烧结快速成型氮化硅陶瓷粉末的制备：在研磨机中，按质量百分比加入，预处理氮化硅陶瓷粉末：80%~85%，酚醛树脂：4%~8%，聚乙烯醇缩丁醛：2%~5%，三亚乙基四胺：0.8%~3%，开启研磨机转速在250转/分钟，研磨5min，再加入丙酮：7%~12%，各组分之和为百分之百，研磨机转速在250转/分钟，再研磨40~60min，干燥，得到激光烧结快速成型氮化硅陶瓷粉末，所得到的激光烧结快速成型氮化硅陶瓷粉末的粒径为0.1~0.5μm的范围内。

在步骤（1）中所述的纳米氮化硅陶瓷粉末的粒径在0.1~0.4μm范围内；

在步骤（1）中所述的喷雾干燥，进风温度控制在80~90℃范围内，

在步骤（2）中所述的酚醛树脂与三亚乙基四胺的质量比在1：0.2~0.4之间最优。

在步骤（2）中所述的酚醛树脂与聚乙烯醇缩丁醛的质量比在1：0.4~0.6之间最优。

本发明所述的颗粒度测试方法是采用激光粒度仪测得的粒度当量直径尺寸。

本发明的另一目的是提供激光烧结快速成型氮化硅陶瓷粉末材料在3D打印机上成型的应用，特点为：将激光烧结快速成型氮化硅陶瓷粉末材料加入到选择性激光烧结成型机的供粉缸中，铺粉滚轮将粉末材料均匀地铺在加工平面上并被加热至加工温度，激光器发出激光，计算机控制激光器的开关及扫描器的角度，使得激光束在加工平面上根据对应的二维片层形状进行扫描，激光束扫过之后，工作台下移一个层厚，再铺粉，激光束扫描，如此反复，得到激光烧结件；其中激光束在加工平面上扫描的方式为分区域扫描，激光功率为40~50W，扫描速度为1500mm/s，扫描间距为0.1~0.15mm，分层厚度为0.10~0.2mm，预热温度：50℃，加工温度为140~150℃。

本发明与现有技术比较，具有如下优点及有益效果：

（1）本发明获得的激光烧结快速成型氮化硅陶瓷粉末材料，不需要喷洒粘结剂在激光烧结条件下可直接成型。

（2）本发明获得的激光烧结快速成型氮化硅陶瓷粉末材料，颗粒可达到亚微米级甚至纳米级，具有中位径粒小，粒度分布范围窄的特点，性质稳定；由这种快速成型粉末材料可以制造薄壁模型或微小零部件，制造出产品具有表面光泽度高，强度好，精度高等特点。

（3）本发明获得的激光烧结快速成型氮化硅陶瓷粉末材料，具有制备工艺简单，条件易于控制，生产成本低，易于工业化生产，又具有低碳环保和节约能源等优势。

（4）本发明获得的激光烧结快速成型氮化硅陶瓷粉末材料，能够有效的在激光烧结3D打印机上快速成型，成型的精度高。

具体实施方式

实施例1

（1）氮化硅陶瓷粉末预处理：在反应器中，分别加入，水：65 mL，聚乙烯醇：3g，加热溶解，再加入氮化硅陶瓷粉末：32g，强力搅拌、反应3 h，然后喷雾干燥，得到预处理氮化硅陶瓷粉末；

（2）激光烧结快速成型氮化硅陶瓷粉末的制备：在研磨机中，分别加入，预处理氮化硅陶瓷粉末：82g，酚醛树脂：6g，聚乙烯醇缩丁醛：2.5 mL，三亚乙基四胺：1.0 mL，开启研磨机转速在250转/分钟，研磨5min，再加入丙酮：10 mL，研磨机转速在250转/分钟，再研磨50min，干燥，得到激光烧结快速成型氮化硅陶瓷粉末，所得到的激光烧结快速成型氮化硅陶瓷粉末的粒径为0.1~0.5μm的范围内。

实施例2

（1）氮化硅陶瓷粉末预处理：在反应器中，分别加入，水：70 mL，聚乙烯醇：2g，加热溶解，再加入氮化硅陶瓷粉末：28g，强力搅拌、反应2 h，然后喷雾干燥，得到预处理氮化硅陶瓷粉末；

（2）激光烧结快速成型氮化硅陶瓷粉末的制备：在研磨机中，分别加入，预处理氮化硅陶瓷粉末：80g，酚醛树脂：8g，聚乙烯醇缩丁醛：3.3 mL，三亚乙基四胺：0.8 mL，开启研磨机转速在250转/分钟，研磨5min，再加入丙酮：9 mL，研磨机转速在250转/分钟，再研磨40min，干燥，得到激光烧结快速成型氮化硅陶瓷粉末，所得到的激光烧结快速成型氮化硅陶瓷粉末的粒径为0.1~0.5μm的范围内。

实施例3

（1）氮化硅陶瓷粉末预处理：在反应器中，分别加入，水：60 mL，聚乙烯醇：5g，加热溶解，再加入氮化硅陶瓷粉末：35g，强力搅拌、反应4 h，然后喷雾干燥，得到预处理氮化硅陶瓷粉末；

（2）激光烧结快速成型氮化硅陶瓷粉末的制备：在研磨机中，分别加入，预处理氮化硅陶瓷粉末：80g，酚醛树脂：4g，聚乙烯醇缩丁醛：1.6 mL，三亚乙基四胺：2.0 mL，开启研磨机转速在250转/分钟，研磨5min，再加入丙酮：15 mL，研磨机转速在250转/分钟，再研磨60min，干燥，得到激光烧结快速成型氮化硅陶瓷粉末，所得到的激光烧结快速成型氮化硅陶瓷粉末的粒径为0.1~0.5μm的范围内。

实施例4

（1）氮化硅陶瓷粉末预处理：在反应器中，分别加入，水：68 mL，聚乙烯醇：6g，加热溶解，再加入氮化硅陶瓷粉末：26g，强力搅拌、反应2.5 h，然后喷雾干燥，得到预处理氮化硅陶瓷粉末；

（2）激光烧结快速成型氮化硅陶瓷粉末的制备：在研磨机中，分别加入，预处理氮化硅陶瓷粉末：85g，酚醛树脂：4g，聚乙烯醇缩丁醛：1.6 mL，三亚乙基四胺：1.0 mL，开启研磨机转速在250转/分钟，研磨5min，再加入丙酮：10 mL，研磨机转速在250转/分钟，再研磨45min，干燥，得到激光烧结快速成型氮化硅陶瓷粉末，所得到的激光烧结快速成型氮化硅陶瓷粉末的粒径为0.1~0.5μm的范围内。

实施例5

（1）氮化硅陶瓷粉末预处理：在反应器中，分别加入，水：66mL，聚乙烯醇：4g，加热溶解，再加入氮化硅陶瓷粉末：30g，强力搅拌、反应3.5 h，然后喷雾干燥，得到预处理氮化硅陶瓷粉末；

（2）激光烧结快速成型氮化硅陶瓷粉末的制备：在研磨机中，分别加入，预处理氮化硅陶瓷粉末：81g，酚醛树脂：5g，聚乙烯醇缩丁醛：1.6 mL，三亚乙基四胺：3 mL，开启研磨机转速在250转/分钟，研磨5min，再加入丙酮：111 mL，研磨机转速在250转/分钟，再研磨55min，干燥，得到激光烧结快速成型氮化硅陶瓷粉末，所得到的激光烧结快速成型氮化硅陶瓷粉末的粒径为0.1~0.5μm的范围内。

实施例6

（1）氮化硅陶瓷粉末预处理：在反应器中，分别加入，水：70 mL，聚乙烯醇：5g，加热溶解，再加入氮化硅陶瓷粉末：25g，强力搅拌、反应3 h，然后喷雾干燥，得到预处理氮化硅陶瓷粉末；

（2）激光烧结快速成型氮化硅陶瓷粉末的制备：在研磨机中，分别加入，预处理氮化硅陶瓷粉末：83g，酚醛树脂：4g，聚乙烯醇缩丁醛：1.6 mL，三亚乙基四胺：1.0 mL，开启研磨机转速在250转/分钟，研磨5min，再加入丙酮：9 mL，研磨机转速在250转/分钟，再研磨52min，干燥，得到激光烧结快速成型氮化硅陶瓷粉末，所得到的激光烧结快速成型氮化硅陶瓷粉末的粒径为0.1~0.5μm的范围内。

使用方法：将激光烧结快速成型氮化硅陶瓷粉末材料加入到选择性激光烧结成型机的供粉缸中，铺粉滚轮将粉末材料均匀地铺在加工平面上并被加热至加工温度，激光器发出激光，计算机控制激光器的开关及扫描器的角度，使得激光束在加工平面上根据对应的二维片层形状进行扫描，激光束扫过之后，工作台下移一个层厚，再铺粉，激光束扫描，如此反复，得到激光烧结件；其中激光束在加工平面上扫描的方式为分区域扫描，激光功率为40~50W，扫描速度为1500mm/s，扫描间距为0.1~0.15mm，分层厚度为0.10~0.2mm，预热温度：50℃，加工温度为140~150℃。

Claims

1.一种激光烧结快速成型氮化硅陶瓷粉末的制备方法，其特征在于，该方法具有以下工艺步骤：

(1)氮化硅陶瓷粉末预处理：在反应器中，按质量百分比加入，水：60％～70％，聚乙烯醇：2％～6％，加热溶解，再加入氮化硅陶瓷粉末：25％～35％，各组分之和为百分之百，强力搅拌、反应2～4h，然后喷雾干燥，得到预处理氮化硅陶瓷粉末；

(2)激光烧结快速成型氮化硅陶瓷粉末的制备：在研磨机中，按质量百分比加入，预处理氮化硅陶瓷粉末：80％～85％，酚醛树脂：4％～8％，聚乙烯醇缩丁醛：2％～5％，三亚乙基四胺：0.8％～3％，开启研磨机转速在250转/分钟，研磨5min，再加入丙酮：7％～12％，各组分之和为百分之百，研磨机转速在250转/分钟，再研磨40～60min，干燥，得到激光烧结快速成型氮化硅陶瓷粉末，所得到的激光烧结快速成型氮化硅陶瓷粉末的粒径为0.1～0.5μm的范围内。

2.根据权利要求1所述的一种激光烧结快速成型氮化硅陶瓷粉末的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的得到预处理氮化硅陶瓷粉末的粒径在0.1～0.4μm范围内。

3.根据权利要求1所述的一种激光烧结快速成型氮化硅陶瓷粉末的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中所述的喷雾干燥，进风温度控制在80～90℃范围内。

4.根据权利要求1所述的一种激光烧结快速成型氮化硅陶瓷粉末的制备方法所制备的激光烧结快速成型氮化硅陶瓷粉末，其特征在于，所述的激光烧结快速成型氮化硅陶瓷粉末的成型条件为：激光功率为40～50W，扫描速度为1500mm/s，扫描间距为0.1～0.15mm，分层厚度为0.10～0.2mm，预热温度：50℃，加工温度为140～150℃。