CN108358611A - 一种用于三维印刷成型工艺BeO复合陶瓷粉体的制备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于三维印刷成型工艺BeO复合陶瓷粉体的制备方法，其特征在于，采用铝酸酯偶联剂LS‑60改性BeO粉体，得到预处理BeO复合陶瓷粉体；采用瓜尔胶和水杨酸铵配制凝胶溶液；然后在反应器中，按质量百分比加入，预处理BeO复合陶瓷粉体：38%~42%，凝胶溶液：58%~62%，各组分之和为百分之百，强力搅拌30min，喷雾干燥，得到用于三维印刷成型工艺BeO复合陶瓷粉体，其粒径在60~100µm范围内。该材料在三维印刷3D打印机上可直接成型，球形度高，流动性好，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

一种用于三维印刷成型工艺BeO复合陶瓷粉体的制备
技术领域
本发明涉及一种用于三维印刷（3DP）工艺快速成型粉体材料的制备方法，属于快速成型的材料领域，特别涉及一种用于三维印刷成型工艺BeO复合陶瓷粉体的制备方法及应用。
背景技术
氧化铍是铍的氧化物，化学式BeO，有两性，既可以和酸反应，又可以强碱反应。氧化铍为白色粉末，有很高的熔点。用于合金、催化剂和耐火材料等。氧化铍陶瓷(Be0)因其具有高热导率、高熔点、高强度、高绝缘性、高的化学和热稳定性、低介电常数、低介质损耗以及良好的工艺适应性等特点，在特种冶金、真空电子技术、核技术、微电子与光电子技术领域得到广泛应用。在航空电子技术转换电路中以及飞机和卫星通讯系统中大量用BeO来作托架部件和装配件；在飞船电子学方面也有应用前景。利用BeO陶瓷具有特别高的耐热冲击性，可在喷气式飞机的导火管中使用。BeO陶瓷的导热性能良好，而且易于小型化，在激光领域的应用前景广阔，如BeO激光器比石英激光器的效率高，输出功率大。
Be0陶瓷的成型方法主要有：模压法、轧膜法、流延成型法等[氧化铍,冶金工业出版社，2006]，和凝胶注模[中国发明专利CN101462867 B 中公开了一种利用凝胶注模成型技术制备Be0陶瓷的方法]，但是各种方法都存在不同的缺点。模压法虽然投入少，但是生产效率低；轧膜法得到的坏体中存在各向异性的问题；流延成型法必须有专用的生产设备，价格昂贵，不利于大规模生产；由于氧化铍具有两性，既可以和酸反应，又可以强碱反应，在凝胶注模法中很难控制凝胶反应条件等。本发明提出采用一种新型的陶瓷成型技术—凝胶注模成型技术来制备Be0陶瓷。
三维印刷（3DP）工艺，就是今天的3D打印，是美国麻省理工学院Emanual Sachs等人研制的。E.M.Sachs于1989年申请了3DP（Three-Dimensional Printing）专利，该专利是非成形材料微滴喷射成形范畴的核心专利之一。3DP工艺与SLS工艺类似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金属粉末。所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的，而是通过喷头用粘接剂（如硅胶）将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。用粘接剂粘接的零件强度较低，还须后处理。具体工艺过程如下：上一层粘结完毕后，成型缸下降一个距离（等于层厚：0.013～0.1mm）,供粉缸上升一高度，推出若干粉末，并被铺粉辊推到成型缸，铺平并被压实。喷头在计算机控制下，按下一建造截面的成形数据有选择地喷射粘结剂建造层面。铺粉辊铺粉时多余的粉末被集粉装置收集。如此周而复始地送粉、铺粉和喷射粘结剂，最终完成一个三维粉体的粘结。未被喷射粘结剂的地方为干粉，在成形过程中起支撑作用，且成形结束后，比较容易去除。但这种成型工艺也有一定的局限性，胶粘剂的用量大，不好控制，胶粘剂容易堵塞喷头。
瓜尔胶，是从广泛种植于印巴次大陆的一种豆科植物——瓜尔豆中提取的一种高纯化天然多糖。由于其独特的分子结构特点及天然性，使其迅速成为性能优越的新型环保造纸助剂；同时它还被广泛应用于食品、石油、医药等领域。瓜尔胶为大分子天然亲水胶体，属于天然半乳甘露聚糖，品质改良剂之一，一种天然的增稠剂。外观是从白色到微黄色的自由流动粉末，能溶于冷水或热水，遇水后及形成胶状物质，达到迅速增稠的功效。主要分为食品级和工业级两种。广泛用于石油压裂、钻井等增稠目的，以及食品添加剂，印染和建筑涂料等行业。瓜尔胶是已知的最有效和水溶性最好的天然聚合物。
本发明采用铝酸酯偶联剂LS-60改性氧化铍粉体，既能提高固体含量，又能降低浆料的粘度，改善表面洁度。采用瓜尔胶作为凝胶胶粘剂，加入水杨酸铵为分散剂，制备用于三维印刷成型工艺BeO复合陶瓷粉体，成型过程中不需要喷洒胶粘剂，只需要喷洒少量的交联剂溶剂即可。优点是胶粘剂用量大大减少，在后续煅烧过程中减少环境污染，产品的品质高。本申请的工艺制备的粉体材料粒径均匀，球形度高，流动性好，适合3DP工艺3D打印成型。此外，本专利提供的方法简单，成本低。
发明内容
本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种用于三维印刷成型工艺BeO复合陶瓷粉体的制备方法，其特征在于，该方法具有以下工艺步骤：
（1）BeO复合陶瓷粉体预处理：在球磨机中，按质量百分比加入，BeO粉体：95%~98%，铝酸酯偶联剂LS-60：2%~5%，各组分之和为百分之百，开启球磨机，温度升至70±2℃恒温，研磨2-4h，干燥，自然冷却至室温，得到预处理BeO复合陶瓷粉体；
（2）凝胶溶液配制：在反应器中，按质量百分浓度加入，去离子水：93%~96%，瓜尔胶：1%~4%，水杨酸铵：2%~5%，各组分之和为百分之百，搅拌溶解，得到凝胶溶液；
（3）用于三维印刷成型工艺BeO复合陶瓷粉体制备：在反应器中，按质量百分比加入，预处理BeO复合陶瓷粉体：38%~42%，凝胶溶液：58%~62%，各组分之和为百分之百，强力搅拌30min，喷雾干燥，得到用于三维印刷成型工艺BeO复合陶瓷粉体，其粒径在60~100µm范围内。
在步骤（1）中所述的BeO粉体的粒径为纳米级粉体。
在步骤（3）中所述的喷雾干燥，进风口温度控制在100℃，出风口温度控制在90℃，进风流量220m3/h。
本发明的另一目的是提供一种用于三维印刷成型工艺BeO复合陶瓷粉体在3D打印机上成型的应用，特点为：将用于三维印刷成型工艺BeO复合陶瓷粉体加入到供粉缸中，打印喷头喷射质量百分浓度为1%硼砂水溶液。具体工艺过程如下：上一层粘结完毕后，成型缸下降一个距离（等于层厚：0.013～0.1mm）,供粉缸上升一高度，推出若干粉末，并被铺粉辊推到成型缸，铺平并被压实。喷头在计算机控制下，按下一建造截面的成形数据有选择地喷射质量百分浓度为1%硼砂溶液建造层面。铺粉辊铺粉时多余的粉末被集粉装置收集。如此周而复始地送粉、铺粉和喷射质量百分浓度为1%硼砂溶液，最终完成一个三维粉体的粘结。未被喷射质量百分浓度为1%硼砂溶液的地方为干粉，在成形过程中起支撑作用，且成形结束后，比较容易去除。
本发明与现有技术比较，具有如下优点及有益效果：
（1）本发明获得的用于三维印刷成型工艺BeO复合陶瓷粉体，不需要喷洒粘结剂，喷头喷洒极低粘度的1%硼砂溶液可直接成型，使胶粘剂用量大大降低，避免打印喷头堵塞，在煅烧时减少环境污染，提高产品的品质高。
（2）本发明获得的本发明获得的用于三维印刷成型工艺BeO复合陶瓷粉体，颗粒的粒径均匀，球形度高，流动性好，适合3DP工艺3D打印成型；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，精度高等特点。
（3）本发明获得的本发明获得的用于三维印刷成型工艺BeO复合陶瓷粉体，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）本发明是通过铝酸酯偶联剂LS-60改性氧化铍粉体，又能降低浆料的粘度，改善表面洁度，又可以防止氧化铍的水解，所用的胶粘剂为瓜尔胶是天然生物胶。
具体实施方式
实施例1
（1）BeO复合陶瓷粉体预处理：在球磨机中，分别加入，BeO粉体：9700g，铝酸酯偶联剂LS-60：300g，开启球磨机，温度升至70±2℃恒温，研磨3h，干燥，自然冷却至室温，得到预处理BeO复合陶瓷粉体；
（2）凝胶溶液配制：在反应器中，分别加入，去离子水：9500mL，瓜尔胶：300g，水杨酸铵：200g，搅拌溶解，得到凝胶溶液；
（3）用于三维印刷成型工艺BeO复合陶瓷粉体制备：在反应器中，分别加入，预处理BeO复合陶瓷粉体：4000g，凝胶溶液：6000mL，强力搅拌30min，喷雾干燥，得到用于三维印刷成型工艺BeO复合陶瓷粉体，其粒径在60~100µm范围内。
实施例2
（1）BeO复合陶瓷粉体预处理：在球磨机中，分别加入，BeO粉体：9800g，铝酸酯偶联剂LS-60：200g，开启球磨机，温度升至70±2℃恒温，研磨2h，干燥，自然冷却至室温，得到预处理BeO复合陶瓷粉体；
（2）凝胶溶液配制：在反应器中，分别加入，去离子水：9300mL，瓜尔胶：200g，水杨酸铵：500g，搅拌溶解，得到凝胶溶液；
（3）用于三维印刷成型工艺BeO复合陶瓷粉体制备：在反应器中，分别加入，预处理BeO复合陶瓷粉体：3800g，凝胶溶液：6200mL，强力搅拌30min，喷雾干燥，得到用于三维印刷成型工艺BeO复合陶瓷粉体，其粒径在60~100µm范围内。
实施例3
（1）BeO复合陶瓷粉体预处理：在球磨机中，分别加入，BeO粉体：9500g，铝酸酯偶联剂LS-60：500g，开启球磨机，温度升至70±2℃恒温，研磨4h，干燥，自然冷却至室温，得到预处理BeO复合陶瓷粉体；
（2）凝胶溶液配制：在反应器中，分别加入，去离子水：9600mL，瓜尔胶：100g，水杨酸铵：300g，搅拌溶解，得到凝胶溶液；
（3）用于三维印刷成型工艺BeO复合陶瓷粉体制备：在反应器中，分别加入，预处理BeO复合陶瓷粉体：4200g，凝胶溶液：5800mL，强力搅拌30min，喷雾干燥，得到用于三维印刷成型工艺BeO复合陶瓷粉体，其粒径在60~100µm范围内。
实施例4
（1）BeO复合陶瓷粉体预处理：在球磨机中，分别加入，BeO粉体：9600g，铝酸酯偶联剂LS-60：400g，开启球磨机，温度升至70±2℃恒温，研磨3.5h，干燥，自然冷却至室温，得到预处理BeO复合陶瓷粉体；
（2）凝胶溶液配制：在反应器中，分别加入，去离子水：9400mL，瓜尔胶：400g，水杨酸铵：200g，搅拌溶解，得到凝胶溶液；
（3）用于三维印刷成型工艺BeO复合陶瓷粉体制备：在反应器中，分别加入，预处理BeO复合陶瓷粉体：3900g，凝胶溶液：6100mL，强力搅拌30min，喷雾干燥，得到用于三维印刷成型工艺BeO复合陶瓷粉体，其粒径在60~100µm范围内。
实施例5
（1）BeO复合陶瓷粉体预处理：在球磨机中，分别加入，BeO粉体：9700g，铝酸酯偶联剂LS-60：300g，开启球磨机，温度升至70±2℃恒温，研磨2.5h，干燥，自然冷却至室温，得到预处理BeO复合陶瓷粉体；
（2）凝胶溶液配制：在反应器中，分别加入，去离子水：9400mL，瓜尔胶：200g，水杨酸铵：400g，搅拌溶解，得到凝胶溶液；
（3）用于三维印刷成型工艺BeO复合陶瓷粉体制备：在反应器中，分别加入，预处理BeO复合陶瓷粉体：4100g，凝胶溶液：5900mL，强力搅拌30min，喷雾干燥，得到用于三维印刷成型工艺BeO复合陶瓷粉体，其粒径在60~100µm范围内。
使用方法：本发明的另一目的是提供一种用于三维印刷成型工艺BeO复合陶瓷粉体在3D打印机上成型的应用，特点为：将用于三维印刷成型工艺BeO复合陶瓷粉体加入到供粉缸中，打印喷头喷射质量百分浓度为1%硼砂溶液。具体工艺过程如下：上一层粘结完毕后，成型缸下降一个距离（等于层厚：0.013～0.1mm）,供粉缸上升一高度，推出若干粉末，并被铺粉辊推到成型缸，铺平并被压实。喷头在计算机控制下，按下一建造截面的成形数据有选择地喷射质量百分浓度为1%硼砂溶液建造层面。铺粉辊铺粉时多余的粉末被集粉装置收集。如此周而复始地送粉、铺粉和喷射质量百分浓度为1%硼砂溶液，最终完成一个三维粉体的粘结。未被喷射质量百分浓度为1%硼砂溶液的地方为干粉，在成形过程中起支撑作用，且成形结束后，比较容易去除。

Claims (4)

1.一种用于三维印刷成型工艺BeO复合陶瓷粉体的制备方法，其特征在于，该方法具有以下工艺步骤：
（1）BeO复合陶瓷粉体预处理：在球磨机中，按质量百分比加入，BeO粉体：95%~98%，铝酸酯偶联剂LS-60：2%~5%，各组分之和为百分之百，开启球磨机，温度升至70±2℃恒温，研磨2-4h，干燥，自然冷却至室温，得到预处理BeO复合陶瓷粉体；
（2）凝胶溶液配制：在反应器中，按质量百分浓度加入，去离子水：93%~96%，瓜尔胶：1%~4%，水杨酸铵：2%~5%，各组分之和为百分之百，搅拌溶解，得到凝胶溶液；
（3）用于三维印刷成型工艺BeO复合陶瓷粉体制备：在反应器中，按质量百分比加入，预处理BeO复合陶瓷粉体：38%~42%，凝胶溶液：58%~62%，各组分之和为百分之百，强力搅拌30min，喷雾干燥，得到用于三维印刷成型工艺BeO复合陶瓷粉体，其粒径在60~100µm范围内。
2.根据权利要求1所述的一种用于三维印刷成型工艺BeO复合陶瓷粉体的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述的BeO粉体的粒径为纳米级粉体。
3.根据权利要求1所述的一种用于三维印刷成型工艺BeO复合陶瓷粉体的制备方法所制备的BeO复合陶瓷粉体，其特征在于，所述的BeO复合陶瓷粉体在3D打印成型时喷头喷射质量百分浓度为1%硼砂水溶液。
4.根据权利要求1所述的一种用于三维印刷成型工艺BeO复合陶瓷粉体的制备方法所制备的用于三维印刷成型工艺BeO复合陶瓷粉体。
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