CN105130402B - 一种用于3d打印的纳米陶瓷材料及其3d打印成型方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于3D打印的纳米陶瓷材料及其3D打印成型方法,本发明利用无机粘土的高塑性和粘结性,以无机粘土为粘结剂,将纳米陶瓷颗粒与无机粘土混合,得到用于3D打印的纳米陶瓷材料,再通过3D打印成型,同时采用激光烧结,借助激光快速加热和冷却的特性,将无机粘土烧结形成纳米级的陶瓷晶粒,并与纳米陶瓷颗粒形成纳米陶瓷产品。该成型方法工艺简单,易于工业化生产,促进了3D打印成型技术在生活中的推广应用,具有广阔的市场前景。

Description

一种用于3D打印的纳米陶瓷材料及其3D打印成型方法
技术领域
本发明涉及一种陶瓷材料的3D打印成型方法,具体涉及一种用于3D打印的纳米陶瓷材料及其3D打印成型方法。
背景技术
3D打印技术又称增材制造技术,是快速成型领域的一种新兴技术,它是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。随着3D打印技术的发展和应用,材料成为限制3D打印技术未来走向的关键因素之一,在某种程度上,材料的发展决定着3D打印能否有更广泛的应用。目前,3D打印材料主要包括工程塑料、光敏树脂、橡胶类材料、金属材料和陶瓷材料等,除此之外,彩色石膏材料、人造骨粉、细胞生物原料、木质材料以及砂糖等食品材料也在3D打印领域得到了应用。
纳米陶瓷指在陶瓷材料的显微结构中,晶粒、晶界以及它们之间的结合都处在纳米水平(1~100nm),使得材料的强度、韧性和超塑性大幅度提高,克服了工程陶瓷的许多不足,并对材料的力学、电学、热学、磁学、光学等性能产生重要影响,为替代工程陶瓷的应用开拓了新领域。纳米陶瓷作为新型的陶瓷材料,以其优异的性能,具有广阔的市场应用前景,但纳米陶瓷材料成型困难,成型工艺复杂,很难满足纳米陶瓷在生产生活中的应用。传统的纳米陶瓷成型方法都是通过将纳米粉制成块状纳米陶瓷材料,既通过某种工艺过程,除去孔隙,以形成致密的块材,而在致密化的过程中,又保持了纳米晶的特性,但存在成型周期长,工艺复杂,精度差,成型产品结构简单,应用面窄的缺陷。
将3D打印成型技术应用于纳米陶瓷材料,能改善纳米陶瓷材料的成型工艺,具有成型速度快,性能好,精度高,能成型复杂结构产品的优点,但纳米陶瓷材料成型后需保持其纳米级的晶粒、晶界以及它们之间的结合都处在纳米水平(1~100nm),是现今限制3D打印应用于纳米陶瓷材料成型的技术难点,保证3D打印成型后的纳米陶瓷材料的纳米晶的特性,是将3D打印成功应用于纳米陶瓷材料成型的关键。
发明内容
本发明针对目前纳米陶瓷材料成型存在成型周期长,工艺复杂,精度差,成型产品结构简单的缺陷提出了一种用于3D打印的纳米陶瓷材料及其3D打印成型方法,本发明利用无机粘土的高塑性和粘结性,以无机粘土为粘结剂,将纳米陶瓷颗粒与无机粘土混合,得到用于3D打印的纳米陶瓷材料,再通过3D打印成型,同时采用激光烧结,借助激光快速加热和冷却的特性,将无机粘土烧结形成纳米级的陶瓷晶粒,并与纳米陶瓷颗粒形成纳米陶瓷产品。
本发明一种用于3D打印的纳米陶瓷材料,其特征在于是一种含有纳米陶瓷颗粒的粘土混合物,其重量份组成为70-85份的纳米陶瓷颗粒、10-15份的粘土、15-20份的助剂。
上述一种用于3D打印的纳米陶瓷材料,其中所述的纳米陶瓷颗粒是粒度为10-100nm的氧化铝陶瓷颗粒、氧化镁陶瓷颗粒、二氧化硅陶瓷颗粒、碳化硅陶瓷颗粒、氮化硅陶瓷颗粒中的一种或多种。
上述一种用于3D打印的纳米陶瓷材料,其中所述的粘土为经过高温煅烧去除了有机质的粒径50-200nm的高岭土、蒙脱土中的一种或两种;所述的助剂包括10-15份的浸润剂和5-10份的增塑剂,浸润剂为水与乙醇按3∶2混溶的乙醇溶液,增塑剂为甘油。
上述一种用于3D打印的纳米陶瓷材料,通过以下3D打印成型方法进行成型,具体步骤如下:
1、提供3D打印的原料,既3D打印的纳米陶瓷材料;
2、提供一台粘土激光3D打印机,将步骤1的3D打印的纳米陶瓷材料放置于3D打印机料槽内;
3、使用计算机辅助设计软件绘制陶瓷产品的三维立体结构模型;
4、启动3D打印机,将所述陶瓷产品的三维立体结构模型文件导入到步骤2中的3D打印机中,并使3D打印机开始打印,打印时采用激光快速升温烧结和冷却,得到纳米陶瓷初胚;
5、将步骤4得到的纳米陶瓷初胚进行后期加工打磨,得到需要的纳米陶瓷产品。
上述一种用于3D打印的纳米陶瓷材料的3D打印成型方法,其中所述的粘土激光3D打印机其特点在于含有粘土打印头和激光发生器,能打印膏状材料并进行激光烧结。
本发明利用了3D打印粘土材料高塑性和粘结性的特点,将粘土作为粘结剂,将纳米陶瓷颗粒与粘土混合得到用于3D打印的纳米陶瓷材料,通过激光烧结成型得到纳米陶瓷产品;成型过程中,激光烧结的快速升温和冷却形成的巨大温度差,致使粘土烧结形成的陶瓷颗粒破碎成纳米晶粒,既得到的陶瓷产品中晶粒、晶界以及它们之间的结合都处在纳米水平,使得材料的强度、韧性和超塑性大幅度提高,因而扩大了纳米陶瓷产品的应用范围,该成型方法工艺简单,易于工业化生产,促进了3D打印成型技术在生活中的推广应用,具有广阔的市场前景。
本发明突出的特点和有益效果在于:
1、本发明解决了纳米陶瓷材料成型存在成型周期长,工艺复杂,精度差,成型产品结构简单的缺陷,制备得到了具有高强度和高韧性的纳米陶瓷材料产品。
2、本发明直接用粘土作为粘结剂,不含有机杂质,产品纯度高,且成本低廉,原料易得。
3、本发明成型方法工艺简单,易于工业化生产,得到的纳米陶瓷产品应用范围广。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明,但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包含在本发明的范围内。
实施例1
1、提供3D打印的原料,既3D打印的纳米陶瓷材料;
2、提供一台粘土激光3D打印机,将步骤1的3D打印的纳米陶瓷材料放置于3D打印机料槽内;
3、使用计算机辅助设计软件绘制陶瓷产品的三维立体结构模型;
4、启动3D打印机,将所述陶瓷产品的三维立体结构模型文件导入到步骤2中的3D打印机中,并使3D打印机开始打印,打印时采用激光快速升温烧结和冷却,得到纳米陶瓷初胚;
5、将步骤4得到的纳米陶瓷初胚进行后期加工打磨,得到需要的纳米陶瓷产品。
其中步骤1中的3D打印的纳米陶瓷材料由70份的粒度为10nm的氧化铝陶瓷颗粒、10份的粒径50nm的高岭土、10份的水与乙醇按3∶2混溶的乙醇溶液和5份的甘油混合而成。
实施例2
1、提供3D打印的原料,既3D打印的纳米陶瓷材料;
2、提供一台粘土激光3D打印机,将步骤1的3D打印的纳米陶瓷材料放置于3D打印机料槽内;
3、使用计算机辅助设计软件绘制陶瓷产品的三维立体结构模型;
4、启动3D打印机,将所述陶瓷产品的三维立体结构模型文件导入到步骤2中的3D打印机中,并使3D打印机开始打印,打印时采用激光快速升温烧结和冷却,得到纳米陶瓷初胚;
5、将步骤4得到的纳米陶瓷初胚进行后期加工打磨,得到需要的纳米陶瓷产品。
其中步骤1中的3D打印的纳米陶瓷材料由85份的粒度为100nm的氧化镁陶瓷颗粒、15份的粒径200nm的蒙脱土、15份的水与乙醇按3∶2混溶的乙醇溶液和10份的甘油混合而成。
实施例3
1、提供3D打印的原料,既3D打印的纳米陶瓷材料;
2、提供一台粘土激光3D打印机,将步骤1的3D打印的纳米陶瓷材料放置于3D打印机料槽内;
3、使用计算机辅助设计软件绘制陶瓷产品的三维立体结构模型;
4、启动3D打印机,将所述陶瓷产品的三维立体结构模型文件导入到步骤2中的3D打印机中,并使3D打印机开始打印,打印时采用激光快速升温烧结和冷却,得到纳米陶瓷初胚;
5、将步骤4得到的纳米陶瓷初胚进行后期加工打磨,得到需要的纳米陶瓷产品。
其中步骤1中的3D打印的纳米陶瓷材料由70-85份的粒度为50nm的二氧化硅陶瓷颗粒、12份的粒径100nm的高岭土、13份的水与乙醇按3∶2混溶的乙醇溶液和8份的甘油混合而成。
实施例4
1、提供3D打印的原料,既3D打印的纳米陶瓷材料;
2、提供一台粘土激光3D打印机,将步骤1的3D打印的纳米陶瓷材料放置于3D打印机料槽内;
3、使用计算机辅助设计软件绘制陶瓷产品的三维立体结构模型;
4、启动3D打印机,将所述陶瓷产品的三维立体结构模型文件导入到步骤2中的3D打印机中,并使3D打印机开始打印,打印时采用激光快速升温烧结和冷却,得到纳米陶瓷初胚;
5、将步骤4得到的纳米陶瓷初胚进行后期加工打磨,得到需要的纳米陶瓷产品。
其中步骤1中的3D打印的纳米陶瓷材料由75份的粒度为30nm的碳化硅陶瓷颗粒、10份的粒径150nm的蒙脱土、10份的水与乙醇按3∶2混溶的乙醇溶液和6份的甘油混合而成。
实施例5
1、提供3D打印的原料,既3D打印的纳米陶瓷材料;
2、提供一台粘土激光3D打印机,将步骤1的3D打印的纳米陶瓷材料放置于3D打印机料槽内;
3、使用计算机辅助设计软件绘制陶瓷产品的三维立体结构模型;
4、启动3D打印机,将所述陶瓷产品的三维立体结构模型文件导入到步骤2中的3D打印机中,并使3D打印机开始打印,打印时采用激光快速升温烧结和冷却,得到纳米陶瓷初胚;
5、将步骤4得到的纳米陶瓷初胚进行后期加工打磨,得到需要的纳米陶瓷产品。
其中步骤1中的3D打印的纳米陶瓷材料由85份的粒度为60nm的氮化硅陶瓷颗粒、15份的粒径80nm的高岭土、10份的水与乙醇按3∶2混溶的乙醇溶液和5份的甘油混合而成。

Claims (2)

1.一种用于3D 打印的纳米陶瓷材料,其特征在于是一种含有纳米陶瓷颗粒的粘土混合物,其重量份组成为70-85份的纳米陶瓷颗粒、10-15份的粘土、15-20份的助剂;所述的纳米陶瓷颗粒是粒度为10-100nm的氧化铝陶瓷颗粒、氧化镁陶瓷颗粒、二氧化硅陶瓷颗粒、碳化硅陶瓷颗粒、氮化硅陶瓷颗粒中的一种或多种;所述的粘土为经过高温煅烧去除了有机质的粒径50-200nm的高岭土、蒙脱土中的一种或两种;所述的助剂包括10-15份的浸润剂和5-10份的增塑剂,浸润剂为水与乙醇按3∶2混溶的乙醇溶液,增塑剂为甘油。
2.根据权利要求1一种用于3D 打印的纳米陶瓷材料,其特征在于是通过以下3D 打印成型方法进行成型,具体步骤如下:
1)提供3D 打印的原料,既3D 打印的纳米陶瓷材料;
2)提供一台粘土激光3D 打印机,将步骤1)的3D打印的纳米陶瓷材料放置于3D 打印机料槽内;
3)使用计算机辅助设计软件绘制陶瓷产品的三维立体结构模型;
4)启动3D 打印机,将所述陶瓷产品的三维立体结构模型文件导入到步骤2) 中的3D打印机中,并使3D 打印机开始打印,打印时采用激光快速升温烧结和冷却,得到纳米陶瓷初胚;
5)将步骤4)得到的纳米陶瓷初胚进行后期加工打磨,得到需要的纳米陶瓷产品;
所述的粘土激光3D 打印机其特点在于含有粘土打印头和激光发生器,能打印膏状材料并进行激光烧结。
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