CN105058549B - 基于飞秒激光的3d打印制备压电陶瓷的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及压电陶瓷，提供一种基于飞秒激光的3D打印制备压电陶瓷的方法，先制备具有黏度的陶瓷浆料，然后将其置于3D打印机中，依据构造的压电陶瓷模型在基板上打印出陶瓷，而在打印的过程中同时采用飞秒激光烧结喷出的陶瓷浆料液滴，对烧结成型后的陶瓷进行极化处理形成压电陶瓷。本发明中，采用3D打印技术与飞秒激光烧结技术相结合的方式形成压电陶瓷，不但可以大大缩短压电陶瓷的制备时间，而且成型的压电陶瓷在压电性能与尺寸均符合所需压电陶瓷的要求，无需进行二次加工，简化了制备工艺。

Description

基于飞秒激光的3D打印制备压电陶瓷的方法

技术领域

本发明涉及压电陶瓷，尤其涉及一种基于飞秒激光的3D打印制备压电陶瓷的方法。

背景技术

由于压电陶瓷具有压电效应和逆压电效应，它可用于制造超声换能器、水声换能器、电声换能器、陶瓷滤波器、陶瓷变压器、陶瓷鉴频器、高压发生器、红外探测器、声表面波器件、电光器件、引燃引爆装置和压电陀螺等，在军工领域和日常生活中都具有重要应用，因此压电陶瓷的制备一直是一个重要课题。

目前压电陶瓷的制备方式主要为固相反应烧结法，这种方法一般流程为研磨-预烧-再研磨-压片-烧结-极化，为了得到实用的压电陶瓷，一般工艺流程长度在3天以上。以PZT-PMS-PZ陶瓷为例，按配方计算出各原料重量后，需要经过16小时的混料，2-3小时的预烧，24h的二次球磨，再经过10MPa以上的压力造粒成型后才能进入最终的烧结过程。烧结过程分为烧结初期(慢速升温)、烧结中期(快速升温)、烧结后期(保温期)和冷却期，全过程约24小时。漫长的工艺流程不仅增加了陶瓷制造的时间，降低了陶瓷生产的效率，还增加了反馈的难度，使得调整陶瓷制备工艺的成本居高不下。同时，为了得到特定形状和尺寸的陶瓷，需要对烧结完成的陶瓷进行机械手段加工，如切割、研磨，造成了原料设备和时间的浪费。为了缩短工艺流程，提高陶瓷生产效率，开发新型陶瓷制造方法势在必行。

现有的3D打印压电陶瓷方法主要打印对象为已经烧结完成的陶瓷粉体，需要先将陶瓷烧结成型，经过研磨后与溶剂、粘结剂混合成为打印浆料，通过3D打印机固化成型，再次烧结形成最终的产品，工艺流程漫长，操作复杂，使得实用性较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于飞秒激光的3D打印制备压电陶瓷的方法，旨在用于解决现有压电陶瓷的制备过程时间较长的问题。

本发明是这样实现的：

本发明提供一种基于飞秒激光的3D打印制备压电陶瓷的方法，用于制备压电陶瓷，包括以下制备步骤：

将压电陶瓷粉与粘结剂混合并研磨，形成具有黏度的陶瓷浆料；

将制备的陶瓷浆料置于3D打印机中，并采用计算机辅助设计软件构造所述压电陶瓷的模型，并将信息传送至所述3D打印机；

启动所述3D打印机，将制备的陶瓷浆料涂覆至一基板上，同时采用飞秒激光烧结成型涂覆于所述基板上的陶瓷浆料；

所述3D打印机继续喷出陶瓷浆料，所述飞秒激光继续对其进行烧结固化；

陶瓷烧结完成后，将烧结后的所述陶瓷进行极化处理。

进一步地，在陶瓷烧结完成后，调节所述飞秒激光的聚焦面，在烧结后的所述陶瓷上形成若干孔隙。

进一步地，采用微泵以及控制阀共同调节所述3D打印机喷出的陶瓷浆料的液滴直径。

进一步地，在制备陶瓷浆料时，用于研磨的混合物内还添加有混合溶剂、分散剂以及增塑剂，且在混合均匀后进行研磨。

进一步地，将所述3D打印机的喷头或者/与所述基板安设于三维平台上，在所述3D打印机打印过程中通过所述三维平台调节所述3D打印机的喷头与所述基板之间的相对位移。

具体地，所述压电陶瓷粉包括金属氧化物或经过预烧球磨的金属氧化物，且形成的陶瓷浆料为PZT-4或PZT-5或PZT-8压电材料。

进一步地，在构造压电陶瓷模型时，先采用所述计算机辅助设计软件构造压电陶瓷的三维模型，然后沿其成型的高度方向将其依次分隔为若干二维片层，所述3D打印机依次打印每一所述二维片层。

本发明具有以下有益效果：

本发明制备压电陶瓷的方法中，先采用压电陶瓷粉制备陶瓷浆料，然后将制备的陶瓷浆料置于3D打印机中，依据所需制备的压电陶瓷模型将陶瓷浆料涂覆在基板上，同时采用飞秒激光烧结成型涂覆于基板上的陶瓷浆料，且在陶瓷烧结成型后，对其进行极化处理进而形成压电陶瓷。在上述制备步骤中，采用3D打印技术与飞秒激光技术相结合的方式，飞秒激光可将3D打印机喷出的陶瓷浆料迅速烧结，不但可以大幅降低陶瓷的烧结时间，同时烧结成型后的陶瓷无需进行二次加工。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的基于飞秒激光的3D打印制备压电陶瓷的方法的3D打印机与飞秒激光配合结构示意图；

图2为图1的基于飞秒激光的3D打印制备压电陶瓷的方法的三维平台的结构示意图；

图3为图1的基于飞秒激光的3D打印制备压电陶瓷的方法的具有孔隙的压电陶瓷的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1-图3，本发明实施例提供一种基于飞秒激光的3D打印制备压电陶瓷的方法，通过压电陶瓷粉制备压电陶瓷1，包括以下制备步骤：

先将压电陶瓷粉与粘结剂进行混合拌匀，且将形成的混合物进行研磨，进而能够形成具有一定黏度的陶瓷浆料，由于后续制备的陶瓷浆料需要应用于3D打印机2中，对此制备的陶瓷浆料应能够被打印，具体为应控制陶瓷浆料的黏度，以保证在被打印的过程中不会堵塞喷头21；

将制备的陶瓷浆料置于3D打印机2中，同时还应采用计算机辅助设计软件构造所需压电陶瓷1的物理模型，并将建好的物理模型信息传送至3D打印机2中，对此3D打印机2可以依据该压电陶瓷1的物理模型进行3D打印；

启动上述的3D打印机2，依据物理模型逐渐将制备的陶瓷浆料涂覆于一基板3上，同时采用一飞秒激光4烧结成型涂覆于基板3上的陶瓷浆料，在本步骤中，陶瓷浆料喷出3D打印机2的喷头21后，即用飞秒激光4对其进行烧结，对于3D打印机2的喷头21应竖直设置，对应地基板3水平设置，涂覆至基板3上的陶瓷浆料不会产生变形即被飞秒激光4烧结；

继续采用3D打印机2将其内的陶瓷浆料喷涂至基板3上或者已经烧结成型的陶瓷浆料上，继续采用飞秒激光4对喷出的陶瓷激光进行烧结固化，即3D打印机2的喷料动作与飞秒激光4的烧结动作依次进行；

而当陶瓷烧结完成后，即陶瓷成型后，将烧结的陶瓷进行极化处理，进而使得烧结后的陶瓷为压电陶瓷1，具体为将烧结后的陶瓷串联至一电路中，该电路的电源为高压电源，通过强直流电场，使陶瓷的电畴沿电场的方向排列，达到陶瓷极化的目的。

上述制备步骤中，采用3D打印技术与飞秒激光4烧结技术相结合的方式制备压电陶瓷1，3D打印机2可以根据物理模型可以快速成型所需任何尺寸的压电陶瓷1，同时飞秒激光4能够实现3D打印机2喷出的陶瓷浆料快速烧结，可以有效减少压电陶瓷1的烧结时间，进而大大优化了压电陶瓷1的整个制备时间，而且由于采用3D打印技术打印出的陶瓷，成型后的压电陶瓷1几何尺寸与压电性能均能够达到所需压电陶瓷1的要求，即成型后的压电陶瓷1无需对其进行二次加工，在一定程度上也有效缩短了制备时间，同时还能够降低制备成本。综上所述，对比传统的烧结成型压电陶瓷1的工艺方法，本发明所提供的制备步骤可以缩短制备时间一天以上。

参见图1以及图3，进一步地，在陶瓷烧结完成后，调节飞秒激光4的聚焦面，在烧结后的陶瓷上形成若干孔隙41。本发明中，当聚焦的飞秒激光4照射到材料表面时，由于飞秒激光4的极高瞬时功率，照射区域的温度急剧升高至远高于材料熔沸点温度，与此同时，材料发生非线性吸收，即一个原子同时吸收多个光子，引发原子电离产生自由电子，生成的自由电子继续与周围原子碰撞，导致更多的自由电子产生，这样的连锁反应引发了雪崩电离，在材料表面聚焦区域形成高浓度、高温的等离子体，并且随着光化学反应不断继续膨胀，而当等离子体达到一定密度时，无法被材料内部的作用力束缚，以类似微爆炸的形式逃离基体材料，产生材料去除。对此在本实施例中，通过调节飞秒激光4的聚焦面，去除烧结后陶瓷内部及外部多余的部分，不但比较方便，而且还能够打印出高孔隙41密度的压电陶瓷1。

细化上述制备步骤，3D打印机2上设置有微泵以及控制阀，通过两者共同配合调节3D打印机2喷头21处喷出的陶瓷浆料的液滴11直径。本发明的打印过程中，3D打印机2对喷出的陶瓷浆料的液滴11具有较高的精度要求，喷头21每次喷出的陶瓷浆料均为微量，通过调节微泵与控制阀可以起到控制喷头21喷出的陶瓷浆料量，而且能够结合喷出陶瓷浆料自身的黏度以及表面张力，陶瓷浆料在基板3表面聚集为球帽状的小液滴11，并被限制在基板3的较小范围内，然后在飞秒激光4的作用下烧结成型，一般对于陶瓷浆料液体的容积为1μl左右。对于微泵可以为气泵或者压电泵，而控制阀则可为电磁阀或者压电阀，通过两者共同调节，精确控制喷头21喷出的陶瓷浆料的液滴11直径。

优化上述陶瓷浆料的制备过程，即在制备陶瓷浆料时，对于研磨的混合物内还添加有混合溶剂、分散剂以及增塑剂等，且将上述各试剂与压电陶瓷粉全部混合均匀后进行研磨。添加混合溶剂主要是为了增强压电陶瓷粉与粘结剂等的溶解能力，保证混合物的混合效果，而对于分散剂与增塑剂则可使制备的陶瓷浆料不为液态，同时还能够保证陶瓷浆料的液滴11之间不会团聚。而对于压电陶瓷粉主要包括金属氧化物或者为经过预烧球磨之后的氧化物，而根据压电陶瓷粉的不同，使得制备的陶瓷浆料为PZT(锆钛酸铅)压电材料，且根据掺杂的杂质不同，成型后的压电陶瓷1为PZT-4或PZT-5或PZT-8压电陶瓷1，当然其还可以根据材料的不同成型为其它成分的压电陶瓷1。当金属氧化物球磨后，其会出现难磨甚至团聚现象，分散剂可以牢固地吸附在压电陶瓷粉颗粒的裂缝处或裂缝内，能够有效解决团聚现象，获得近球形的陶瓷浆料液滴11。

参见图1以及图2，进一步地，将3D打印机2的喷头21或者/与基板3安设于三维平台5上，在3D打印机2打印的过程中通过该三维平台5调节3D打印机2的喷头21与基板3之间的相对位移。本实施例中，将3D打印机2的喷头21或者基板3安设于三维平台5上，或者将3D打印机2的喷头21与基板3同时安设于三维平台5上，对于这种情况下3D打印机2的喷头21与基板3应分别位于三维平台5的不同调节轴上，比如基板3位于三维平台5的X向调节轴51上，基板3可沿三维平台5的X向移动，对应地3D打印机2的喷头21则位于三维平台5的Y向调节轴52以及Z向调节轴53上，对此3D打印机2可沿Y向以及Z向移动。对此当调节三维平台5后，3D打印机2的喷头21可将陶瓷浆料的液滴11喷在基板3不同的位置，以在基板3上打印出符合要求的陶瓷，当然在调节三维平台5时，3D打印机2的喷头21应没有喷出陶瓷浆料的液滴11，且在调整合适后，再行打印，而在调节三维平台5的过程中，对飞秒激光4的出光角度也应作出相应的调整，以使飞秒激光4作用于喷出的陶瓷浆料液滴11处。

再次参见图1以及图3，细化构造压电陶瓷1模型的步骤，先采用计算机辅助设计软件构造所需压电陶瓷1的三维模型，然后沿该三维模型的高度方向依次分隔为若干二维片层，将各二维片层信息传输至3D打印机2，3D打印机2沿三维模型高度方向依次打印每一二维片层。具体为当3D打印机2打印底层二维片层时，先采用喷头21喷出陶瓷浆料的液体至基板3上，采用飞秒激光4将其固化，调节基板3沿X向微动，在该方向上再次喷出压电浆料液滴11并对其进行固化，且当该二维片层的X向固化完成后，调节3D打印机2沿Y向微动，重复前一X向的打印固化步骤，且当该二维片层打印完成后，调节3D打印机2沿Z向微动进行上一二维片层，如此直至打印固化所有二维片层，成型烧结后的陶瓷。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于飞秒激光的3D打印制备压电陶瓷的方法，用于制备压电陶瓷，其特征在于，包括以下制备步骤：

将压电陶瓷粉与粘结剂混合并研磨，形成具有黏度的陶瓷浆料；

将制备的陶瓷浆料置于3D打印机中，并采用计算机辅助设计软件构造所述压电陶瓷的模型，并将信息传送至所述3D打印机；

启动所述3D打印机，将制备的陶瓷浆料涂覆至一基板上，同时采用飞秒激光烧结成型涂覆于所述基板上的陶瓷浆料；

所述3D打印机继续喷出陶瓷浆料，所述飞秒激光继续对其进行烧结固化；

陶瓷烧结完成后，将烧结后的所述陶瓷进行极化处理。

2.如权利要求1所述的基于飞秒激光的3D打印制备压电陶瓷的方法，其特征在于：在陶瓷烧结完成后，调节所述飞秒激光的聚焦面，在烧结后的所述陶瓷上形成若干孔隙。

3.如权利要求1所述的基于飞秒激光的3D打印制备压电陶瓷的方法，其特征在于：采用微泵以及控制阀共同调节所述3D打印机喷出的陶瓷浆料的液滴直径。

4.如权利要求1所述的基于飞秒激光的3D打印制备压电陶瓷的方法，其特征在于：在制备陶瓷浆料时，用于研磨的混合物内还添加有混合溶剂、分散剂以及增塑剂，且在混合均匀后进行研磨。

5.如权利要求1所述的基于飞秒激光的3D打印制备压电陶瓷的方法，其特征在于：将所述3D打印机的喷头或者/与所述基板安设于三维平台上，在所述3D打印机打印过程中通过所述三维平台调节所述3D打印机的喷头与所述基板之间的相对位移。

6.如权利要求1所述的基于飞秒激光的3D打印制备压电陶瓷的方法，其特征在于：所述压电陶瓷粉包括金属氧化物或经过预烧球磨的金属氧化物，且形成的陶瓷浆料为PZT-4或PZT-5或PZT-8压电材料。

7.如权利要求1所述的基于飞秒激光的3D打印制备压电陶瓷的方法，其特征在于：在构造压电陶瓷模型时，先采用所述计算机辅助设计软件构造压电陶瓷的三维模型，然后沿其成型的高度方向将其依次分隔为若干二维片层，所述3D打印机依次打印每一所述二维片层。