CN105237022A

CN105237022A - 一种陶瓷基3d打印材料及其制备方法

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Publication number: CN105237022A
Application number: CN201510588765.6A
Authority: CN
Inventors: 乔畅君; 吴韬; 金磊; 冯晓野; 范璐; 边炳胜; 韦家波; 维克托; 卡门; 韦恩; 刘仁辰; 米盖尔
Original assignee: Dongguan Niuka New Material Science & Technology Co Ltd; Tsinghua Innovation Center in Dongguan
Current assignee: Dongguan Niuka New Material Science & Technology Co Ltd; Tsinghua Innovation Center in Dongguan
Priority date: 2015-09-16
Filing date: 2015-09-16
Publication date: 2016-01-13

Abstract

本发明提供一种陶瓷基3D打印材料及其制备方法，包括按重量计的如下组分：氧化铝粉末100重量份；氧化铝粉末处理剂3~20重量份；分散介质100~500重量份；单晶蓝宝石晶须1~20重量份；稳定剂1~20重量份；光固化剂5~20重量份。本发明在氧化铝陶瓷中加入单晶蓝宝石晶须后，可以显著提高制品的弯曲弹性模量、抗拉强度，具有高强度、耐高温、抗氧化、耐腐蚀等多种性能，用于制备高强、高韧精细工程陶瓷，例如制备超音速飞机的喷嘴、火箭发动机中的垫圈等。

Description

一种陶瓷基3D打印材料及其制备方法

技术领域

本发明属于复合材料领域，具体涉及一种陶瓷基3D打印材料及其制备方法。

背景技术

氧化铝陶瓷是氧化物陶瓷中应用最广泛、产量最大的陶瓷材料。氧化铝陶瓷具有优良的绝缘性、机械性能、耐高温性能和抗磨损性能，用于制造刀具、球阀、磨轮、陶瓷钉、轴承等，在陶瓷刀具、电子电力和航空航天上得到广泛应用。

单晶蓝宝石晶须(SinglecrystalsapphireWhisker，亦称单晶蓝宝石纤维)是一种具有一定长径比的单晶氧化铝晶须，具有超强机械强度、抗热冲击、比重小、抗氧化、高耐磨量和高耐腐蚀性等优异的物理性能。单晶蓝宝石晶须适合作为陶瓷、金属、塑料及橡胶的增强组元。因此，单晶蓝宝石晶须成为第三代先进复合材料的最佳选择。

3D打印技术的原理是叠层制造，逐层增加材料来生成三维实体的技术，所以又被称为增材制造技术。近年来，增材制造技术发展迅速，对制造业领域影响巨大，受到世界各国的极大关注，被誉为颠覆传统制造业的又一次工业革命，被列入我国战略性新兴产业。

3D打印主流成型技术包括选择性激光烧结（SLS）、熔融沉淀成型（FDM）、立体光固化（SLA）等。选择性激光烧结，由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard于1989年研制成功。采用激光器作能源，使用的造型材料多为粉末材料。加工时，首先将粉末预热到稍低于其熔点的温度，然后在刮平棍子的作用下将粉末铺平；激光束在计算机控制下根据分层截面信息进行有选择地烧结，一层完成后再进行下一层烧结，全部烧结完后去掉多余的粉末，则就可以得到烧结好的零件。该类成型方法有着制造工艺简单，柔性度高、材料选择范围广、材料价格便宜，成本低、材料利用率高，成型速度快等特点，2014年，GE公司研发的飞机发动机喷嘴，把20个零件做成了一个零件，材料成本大幅度减少，还节省燃油15%。目前市场上3D打印用激光烧结的陶瓷材料品种较少，主要依赖进口。

发明内容

本发明的目的在于提供一种陶瓷基3D打印材料及其制备方法，在氧化铝陶瓷中加入单晶蓝宝石晶须后，可以显著提高制品的弯曲弹性模量、抗拉强度，具有高强度、耐高温、抗氧化、耐腐蚀等多种性能，用于制备高强、高韧精细工程陶瓷，例如制备超音速飞机的喷嘴、火箭发动机中的垫圈等。

为实现以上目的，本发明的技术方案为：

一种陶瓷基3D打印材料，包括按重量计的如下组分：

氧化铝粉末100重量份

氧化铝粉末处理剂3~20重量份

分散介质100~500重量份

单晶蓝宝石晶须1~20重量份

稳定剂1~20重量份

光固化剂5~20重量份。

所述的陶瓷基3D打印材料，各组分优选重量份数如下：

氧化铝粉末100重量份

氧化铝粉末处理剂5~15重量份

分散介质100~500重量份

单晶蓝宝石晶须1~10重量份

稳定剂1~10重量份

光固化剂5~10重量份。

所述氧化铝粉末为粒径100~1000nm，纯度（wt%）>90%的市售单斜氧化铝，所述氧化铝粉末处理剂为焦磷酸钠、三聚磷酸钠或偏磷酸钠的任一种及以上；所述分散介质为去离子水和无水乙醇的任一种及两种混合。

所述单晶蓝宝石晶须为直径0.1~1微米，长度为5~100微米，密度为4g/cm3，纯度（wt%）为90-99.9%的单晶蓝宝石晶须。

所述稳定剂为Yb₂O₃、Sm₂O₃中的任一种或两者的混合物；所述光固化剂为聚合度为1~1000的环氧丙烯酸酯类聚合物或聚合度为1~1000的甲基丙烯酸聚氨酯聚合物。

一种陶瓷基3D打印材料的制备方法，a、在加热装置中，按照配方量加入去离子水和氧化铝粉末处理剂，搅拌溶解直至氧化铝粉末处理剂完全溶解；b向步骤a制得的溶液中加入氧化铝粉末，在恒温下搅拌1~4h，充分反应后，冷却，过滤，干燥，获得处理后的氧化铝粉末；c、将稳定剂、光固化剂和单晶蓝宝石晶须按照配方量加入到无水乙醇中，在常温下快速搅拌2~6h制得混合液；d、将步骤c制得的混合液在超声下震荡30~90min；然后加入步骤b处理后的氧化铝粉末，搅拌3~15h；e、将上述混合粉末干燥，筛后即可获得陶瓷基3D打印材料。

所述步骤a中所述加热温度为50~80℃，搅拌速度为350~550r/min。

所述步骤b中加热温度为80±5℃，搅拌速度为350~750r/min

步骤c中搅拌速度为500~750r/min。

步骤d中搅拌速度为500~750r/min。

使用EOSM400型号3D打印机，采用粉末烧结成型（SelectedLaserSintering，简称SLS）技术，利用激光器对粉末材料进行粉末烧结成型。所述单晶蓝宝石晶须是由东莞深圳清华大学研究院创新中心单晶蓝宝石晶须团队研发制备，选择直径0.1~5微米，长度为5~100微米的单晶蓝宝石晶须。所选单晶蓝宝石晶须密度为4g/cm3，纯度（wt%）约为99%。

本发明的有益效果是：

有益效果：

（1）本发明的一种陶瓷基3D打印材料具有高强度、耐高温、抗氧化、耐腐蚀等多种性能，用于制备高强、高韧精细工程陶瓷；

（2）本发明的一种陶瓷基3D打印材料具有粉体颗粒小，粒径分布窄，流动性较好，与3D打印机成型速度匹配性较好；产品性质稳定，精度高；

（3）本发明的一种陶瓷基3D打印材料过程简单，易于工业化生产；

（4）本发明的一种陶瓷基3D打印材料原料来源广泛，成本低，而且具有良好的环境效益和经济效益。

附图说明

附图1示出陶瓷基3D打印材料的制备流程图。

具体实施方式

通过实施例进一步详述本发明。

实施例1

（1）在50~80℃的加热装置中，将5重量份焦磷酸钠加入100去离子水中，350~750r/min速度下搅拌直至焦磷酸钠充分溶解。

（2）向上述溶液中加入100重量份氧化铝粉末，在恒温为80±5℃下350~750r/min搅拌1h，充分反应后，冷却，过滤，干燥，获得处理后的氧化铝粉末。

（3）将2重量份Yb₂O₃、5重量份环氧丙烯酸酯类聚合物和1重量份单晶蓝宝石晶须按照配方量加入到200重量份无水乙醇中，在常温下以500~750r/min快速搅拌2~6h.。

（4）将上述混合液在超声下震荡30~90min。

（5）将处理后的氧化铝粉末加入到上述混合液中，500~750r/min搅拌3~15h。

（6）将上述混合粉末80~120℃下干燥，筛分后即可获得3D打印用陶瓷材料。

实施例2

（1）在50~80℃的加热装置中，将10重量份三聚磷酸钠加入200重量份去离子水中，350~750r/min速度下搅拌直至三聚磷酸钠充分溶解。

（2）向上述溶液中加入100重量份氧化铝粉末，在恒温为80±5℃下350~750r/min搅拌2h，充分反应后，冷却，过滤，干燥，获得处理后的氧化铝粉末。

（3）将3重量份Sm₂O₃、3重量份甲基丙烯酸聚氨酯聚合物和3重量份单晶蓝宝石晶须按照配方量加入到300重量份无水乙醇中，在常温下以500~750r/min快速搅拌2~6h.。

（4）将上述混合液在超声下震荡30~90min。

实施例3

（1）在50~80℃的加热装置中，将10重量份偏磷酸钠加入400去离子水中，350~750r/min速度下搅拌直至偏磷酸钠充分溶解。

（3）将5重量份CeO₂、5重量份丙烯酸酯与聚氨酯树脂（2:3）和7重量份单晶蓝宝石晶须按照配方量加入到500重量份无水乙醇中，在常温下以500~750r/min快速搅拌2~6h.。

（4）将上述混合液在超声下震荡30~90min。

实施例4

（1）在50~80℃的加热装置中，将15重量份三聚磷酸钠加入500去离子水中，350~750r/min速度下搅拌直至三聚磷酸钠充分溶解。

（3）将5重量份Yb₂O₃、10重量份甲基丙烯酸聚氨酯聚合物和10重量份单晶蓝宝石晶须按照配方量加入到500重量份无水乙醇中，在常温下以500~750r/min快速搅拌2~6h.。

（4）将上述混合液在超声下震荡30~90min。

实施例5

（1）在50~80℃的加热装置中，将10重量份焦磷酸钠加入500去离子水中，350~750r/min速度下搅拌直至焦磷酸钠充分溶解。

（2）向上述溶液中加入120重量份氧化铝粉末，在恒温为80±5℃下350~750r/min搅拌2h，充分反应后，冷却，过滤，干燥，获得处理后的氧化铝粉末。

（3）将10重量份为Yb₂O₃、Sm₂O₃（任意比）、5重量环氧丙烯酸酯类聚合物和8重量份单晶蓝宝石晶须按照配方量加入到300重量份无水乙醇中，在常温下以500~750r/min快速搅拌2~6h.。

（4）将上述混合液在超声下震荡30~90min。

将实施例1-5制备的陶瓷基3D打印材料在机械性能进行测试，结果见下表：

附表1陶瓷基3D打印材料的机械性能

	弯曲强度(MPa)	拉伸强度 (MPa)	密度(g/cm³)
				实施例1	576	435	3.93
实施例2	565	443	3.90
				实施例3	583	445	3.93
实施例4	567	438	3.98
				实施例5	575	451	3.96

通过以上数据表明，本发明的实施例弯曲强度和拉伸强度非常高，优势明显。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims

1.一种陶瓷基3D打印材料，包括按重量计的如下组分：

氧化铝粉末100重量份

氧化铝粉末处理剂3~20重量份

分散介质100~500重量份

单晶蓝宝石晶须1~20重量份

稳定剂1~20重量份

光固化剂5~20重量份。

2.根据权利要求1所述的陶瓷基3D打印材料，各组分重量份数如下：

氧化铝粉末100重量份

氧化铝粉末处理剂5~15重量份

分散介质100~500重量份

单晶蓝宝石晶须1~10重量份

稳定剂1~10重量份

光固化剂5~10重量份。

3.根据权利要求1所述的陶瓷基3D打印材料，所述氧化铝粉末为粒径100~1000nm，纯度（wt%）>90%的市售单斜氧化铝，所述氧化铝粉末处理剂为焦磷酸钠、三聚磷酸钠或偏磷酸钠的任一种及以上；所述分散介质为去离子水和无水乙醇的任一种及两种混合。

4.根据权利要求1所述的陶瓷基3D打印材料，所述单晶蓝宝石晶须为直径0.1~1微米，长度为5~100微米，密度为4g/cm³，纯度（wt%）为90-99.9%的单晶蓝宝石晶须。

5.根据权利要求1所述的陶瓷基3D打印材料，所述稳定剂为Yb₂O₃、Sm₂O₃中的任一种或两者的混合物；所述光固化剂为聚合度为1~1000的环氧丙烯酸酯类聚合物或聚合度为1~1000的甲基丙烯酸聚氨酯聚合物。

6.一种陶瓷基3D打印材料的制备方法，a、在加热装置中，按照配方量加入去离子水和氧化铝粉末处理剂，搅拌溶解直至氧化铝粉末处理剂完全溶解；b向步骤a制得的溶液中加入氧化铝粉末，在恒温下搅拌1~4h，充分反应后，冷却，过滤，干燥，获得处理后的氧化铝粉末；c、将稳定剂、光固化剂和单晶蓝宝石晶须按照配方量加入到无水乙醇中，在常温下快速搅拌2~6h制得混合液；d、将步骤c制得的混合液在超声下震荡30~90min；然后加入步骤b处理后的氧化铝粉末，搅拌3~15h；e、将上述混合粉末干燥，筛后即可获得权利要求1-5任一项所述的陶瓷基3D打印材料。

7.根据权利要求6所述的陶瓷基3D打印材料的制备方法，所述步骤a中所述加热温度为50~80℃，搅拌速度为350~550r/min。

8.根据权利要求6所述的陶瓷基3D打印材料的制备方法，所述步骤b中加热温度为80±5℃，搅拌速度为350~750r/min。

9.根据权利要求6所述的陶瓷基3D打印材料的制备方法，步骤c中搅拌速度为500~750r/min。

10.根据权利要求6所述的陶瓷基3D打印材料的制备方法，步骤d中搅拌速度为500~750r/min。