CN105541298B - 一种连续无机纤维增强陶瓷及其3d打印成型方法 - Google Patents

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Abstract

一种连续无机纤维增强陶瓷及其3D打印成型方法，本发明利用了3D打印粘土材料高塑性的特点，在成3D打印成型过程中添加连续无机纤维材料对陶瓷材料进行增强改性，最后经过烧结得到具有高强度和高韧性的陶瓷材料，解决了陶瓷制品易碎的缺陷，扩大了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。

Description

一种连续无机纤维增强陶瓷及其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，具体涉及一种连续无机纤维增强陶瓷及其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。
利用3D打印技术来成型制备陶瓷产品具有成型速度快，性能好，精度高，能成型复杂结构产品的优点，被人们所接受并在各个领域得到应用，但陶瓷本身的易脆性并没有得到改善和提高，在粘土中加入长纤维等材料后采用传统的成型方法进行成型，会严重影响其塑性，导致无法成型或成型困难，而常用的3D打印陶瓷材料为经过烧结处理的陶瓷微粒，不再适合加入增韧材料对陶瓷进行增强增韧，也不适合3D打印技术对陶瓷材料的成型工艺，因而，陶瓷材料的易脆性一直未得到很好的解决办法，也严重制约了陶瓷产品在生活中的应用范围。
发明内容
本发明针对目前陶瓷材料易脆的缺点提出了一种连续无机纤维增强陶瓷及其3D打印成型方法，利用3D打印粘土材料与连续纤维的复合，制备得到一种具有高强度和高韧性的陶瓷材料，扩展了陶瓷材料的应用范围，也促进了3D打印技术在陶瓷材料成型中的应用。
本发明一种连续无机纤维增强陶瓷，其特征在于是一种含有连续无机纤维材料的陶瓷材料，其原材料包括80-90份的3D打印粘土材料和5-15份的连续无机纤维。
上述一种连续无机纤维增强陶瓷，其中所述的3D打印粘土材料由50-65份的粘土，30-45份的润湿剂，0-30份的骨料和5-10份的增塑剂通过混合得到；所述的无机连续纤维为玄武岩纤维、玻璃纤维、碳纤维、碳化硅纤维、氮化硅纤维、氮化硼纤维中的一种或多种。
上述一种连续无机纤维增强陶瓷，其中所述的粘土为经过高温煅烧去除了有机质的细度为800-2000目的高岭土、蒙脱土中的一种或两种；所述的骨料为细度为500-2000目的水白云母粉末、蒙脱石粉末、石英粉末和长石粉末中的一种或多种；所述的润湿剂为水与乙醇按1∶1混溶的乙醇溶液；所述的增塑剂为甘油、植物油中的一种或两种。
上述一种连续无机纤维增强陶瓷，是通过以下3D打印成型方法制备得到的，具体步骤如下：
1、提供3D打印的原料，包括80-90份的3D打印粘土材料和5-15份的连续无机纤维；
2、提供一台连续长纤维粘土3D打印机，将步骤1的3D打印粘土材料放置于3D打印机料槽内，将连续无机纤维放置在料盘上；
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，得到陶瓷胚体；
5、设置烧结曲线，将步骤4得到的陶瓷胚体在600-800℃的温度下预烧结16-20h，在1200-1500℃的温度下烧结3-4h，然后进行冷却，制得连续无机纤维增强陶瓷产品。
上述一种连续无机纤维增强陶瓷的3D打印成型方法，其中所述的连续长纤维粘土3D打印机其特点在于其打印头由内外重叠双头复合而成，内为纤维牵引头，外为粘土喷头；打印时，膏状粘土材料和纤维同时出料，粘土材料将纤维包覆然后挤出，进行打印成型。
本发明利用了3D打印粘土材料高塑性的特点，在成3D打印成型过程中添加连续无机纤维材料对陶瓷材料进行增强改性，最后经过烧结得到具有高强度和高韧性的陶瓷材料，解决了陶瓷制品易碎的缺陷，扩大了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、本发明解决了陶瓷制品易碎的缺陷，制备得到了具有高强度和高韧性的陶瓷材料产品。
2、本发明直接用粘土材料和连续无机纤维材料作为原料，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。
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，包括80份的3D打印粘土材料和15份的连续无机纤维；
2、提供一台连续长纤维粘土3D打印机，将步骤1的3D打印粘土材料放置于3D打印机料槽内，将连续无机纤维放置在料盘上；
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，得到陶瓷胚体；
5、设置烧结曲线，将步骤4得到的陶瓷胚体在600℃的温度下预烧结16h，在1200℃的温度下烧结3h，然后进行冷却，制得连续无机纤维增强陶瓷产品。
其中步骤1中的3D打印粘土材料由50重量的高岭土、10重量份的水白云母粉末加、30重量份的水与乙醇按1∶1混溶的乙醇溶液、5重量份的甘油混合而成；所述的无机连续纤维为玄武岩纤维。
实施例2
1、提供3D打印的原料，包括90份的3D打印粘土材料和5份的连续无机纤维；
2、提供一台连续长纤维粘土3D打印机，将步骤1的3D打印粘土材料放置于3D打印机料槽内，将连续无机纤维放置在料盘上；
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，得到陶瓷胚体；
5、设置烧结曲线，将步骤4得到的陶瓷胚体在800℃的温度下预烧结20h，在1500℃的温度下烧结4h，然后进行冷却，制得连续无机纤维增强陶瓷产品。
其中步骤1中的3D打印粘土材料由65重量的高岭土、20重量份的蒙脱石粉末、45重量份的水与乙醇按1∶1混溶的乙醇溶液、10重量份的菜籽油混合而成；所述的无机连续纤维为玻璃纤维。
实施例3
1、提供3D打印的原料，包括85份的3D打印粘土材料和15份的连续无机纤维；
2、提供一台连续长纤维粘土3D打印机，将步骤1的3D打印粘土材料放置于3D打印机料槽内，将连续无机纤维放置在料盘上；
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，得到陶瓷胚体；
5、设置烧结曲线，将步骤4得到的陶瓷胚体在700℃的温度下预烧结18h，在1300℃的温度下烧结4h，然后进行冷却，制得连续无机纤维增强陶瓷产品。
其中步骤1中的3D打印粘土材料由55重量的蒙脱土、10重量份的石英粉末、30重量份的水与乙醇按1∶1混溶的乙醇溶液、8重量份的棉籽油混合而成；所述的无机连续纤维为碳化硅纤维。
实施例4
1、提供3D打印的原料，包括85份的3D打印粘土材料和5份的连续无机纤维；
2、提供一台连续长纤维粘土3D打印机，将步骤1的3D打印粘土材料放置于3D打印机料槽内，将连续无机纤维放置在料盘上；
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，得到陶瓷胚体；
5、设置烧结曲线，将步骤4得到的陶瓷胚体在600-800℃的温度下预烧结20h，在1400℃的温度下烧结3.5h，然后进行冷却，制得连续无机纤维增强陶瓷产品。
其中步骤1中的3D打印粘土材料由60重量的蒙脱土、15重量份的长石粉末、35重量份的水与乙醇按1∶1混溶的乙醇溶液、7重量份的蓖麻油混合而成；所述的无机连续纤维为氮化硅纤维。
实施例5
1、提供3D打印的原料，包括80份的3D打印粘土材料和10份的连续无机纤维；
2、提供一台连续长纤维粘土3D打印机，将步骤1的3D打印粘土材料放置于3D打印机料槽内，将连续无机纤维放置在料盘上；
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，得到陶瓷胚体；
5、设置烧结曲线，将步骤4得到的陶瓷胚体在800℃的温度下预烧结19h，在1350℃的温度下烧结4h，然后进行冷却，制得连续无机纤维增强陶瓷产品。
其中步骤1中的3D打印粘土材料由50重量的高岭土、30重量份的水蒙脱石粉末、30重量份的水与乙醇按1∶1混溶的乙醇溶液、10重量份的花生油混合而成；所述的无机连续氮化硼纤维。

Claims (2)

1.一种连续无机纤维增强陶瓷，其特征在于是一种含有连续无机纤维材料的陶瓷材料，其原材料包括80-90份的3D打印粘土材料和5-15份的连续无机纤维：其中所述的3D打印粘土材料由50-65份的粘土，30-45份的润湿剂，0-30份的骨料和5-10份的增塑剂通过混合得到；所述的无机连续纤维为玄武岩纤维、玻璃纤维、碳纤维、碳化硅纤维、氮化硅纤维、氮化硼纤维中的一种或多种；
所述连续无机纤维增强陶瓷，是通过内外重叠双头打印头使粘土包覆长纤维复合成高韧性的增强陶瓷胚体后进行烧结而成，具体制备步骤如下：
1）提供3D打印的原料，包括80-90份的3D打印粘土材料和5-15份的连续无机纤维；
2）提供一台连续长纤维粘土3D打印机，将步骤1的3D打印粘土材料放置于3D打印机的料槽内，将连续无机纤维放置在料盘上；
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导入到步骤2）的3D打印机中，打印时，膏状粘土材料和纤维同时出料，通过内外重叠双头打印头复合为内部为长纤维，外部为粘土包覆的陶瓷胚体；
5）设置烧结曲线，将步骤4得到的陶瓷胚体在600-800℃的温度下预烧16-20h，在1200-1500℃的温度下烧结3-4h，然后进行冷却，制得连续无机纤维增强陶瓷产品。
2.根据权利要求1所述的一种连续无机纤维增强陶瓷，其中特征在于所述的粘土为经过高温煅烧取出了有机质的细度为800-2000目的水白云母粉末、蒙脱石粉末、石英粉末和长石粉末中的一种或多种；所述的润湿剂为水与乙醇按1:1混溶的乙醇溶液，所述的增塑剂为甘油、植物油的一种或两种。
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