CN111548178A - 一种晶须复相陶瓷及其双喷头复合3d打印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种晶须复相陶瓷及其双喷头复合3D打印方法。本发明公开了一种晶须复相陶瓷的双喷头复合3D打印方法，包括以下步骤：将晶须复相陶瓷的主相泥料和第二相泥料分别加入FDM打印机的A喷头的输料管和B喷头的输料管进行3D打印；所述第一泥料为陶瓷基泥料，所述第二泥料包括所述陶瓷基泥料和晶须增强体泥料；所述B喷头的输料管的直径为8‑30mm，长度为1200‑3000mm。本发明通过延长FDM打印机B喷头输料管至特定长度，以满足晶须第二相在挤出过程中有足够的时间形成流动趋向，从而形成一定程度定向排列，实现晶须第二相在主相陶瓷材料中的3D空间取向分布，从而提升了打印件的强度和韧性等各项性能。

Description

一种晶须复相陶瓷及其双喷头复合3D打印方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种晶须复相陶瓷及其双喷头复合3D打印方法。
背景技术
晶须复相材料是指在主相材料的基体内，引入具有高长径比(>1)结构的第二相，所形成的复相材料。如以陶瓷材料为例，基体主相可为氧化铝、氧化锆、硼化锆等多种具有等轴晶体结构的陶瓷材料，第二相可以包括莫来石、碳化硅、氧化铝、铝硅酸盐等晶须增强体。据现有研究可知在陶瓷基体中加入第二相晶须对于陶瓷材料韧性及强度有巨大的提升，是一种优良的第二相添加剂。但常规的复相材料制备一般利用模具进行制样并烧结成品，采用此方法制作的产品不能满足各行业服役于各苛刻环境下的复杂结构陶瓷制品。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种晶须复相陶瓷及其双喷头复合3D打印方法，该打印方法实现了晶须第二相在主相陶瓷材料中的3D空间取向分布，从而提升了打印件的强度和韧性等各项性能。
其具体技术方案如下：
本发明提供了一种晶须复相陶瓷的双喷头复合3D打印方法，包括以下步骤：
将晶须复相陶瓷的第一泥料和第二泥料分别加入FDM打印机的A喷头的输料管和B喷头的输料管进行3D打印；
所述第一泥料为陶瓷基泥料，所述第二泥料包括所述陶瓷基泥料和晶须增强体泥料；
所述B喷头的输料管的直径为8-30mm，长度为1200-3000mm，优选为1500-2000mm，更优选为2000mm。
需要说明的是，本发明中B喷头为FDM打印机中的任意一个喷头，A喷头为FDM打印机中的另外一个喷头。FDM打印机及其A喷头和B喷头为现有技术，此处不做赘述。现有技术中，常用的A喷头和B喷头长度为1000mm，直径为8mm。
目前，双喷头复合3D打印方法只局限在高分子类材料的打印上，受制与特种陶瓷材料适合挤出打印的泥料配方等要求，将晶须复相陶瓷等特殊配方的泥料采用双喷头打印的还未有相关研究。
本发明晶须复相陶瓷中引入具有高长径比(>1)结构的晶须第二相，当第二相加入常规的FDM打印机B喷头与A喷头的主相材料混合后，晶须在混合物中的状态是非定向的，在空间上展现出各向异性，不利于成型后陶瓷制品在空间上各项性能的定向制定。本发明进一步通过延长FDM打印机B喷头输料管至特定长度，以满足晶须第二相在挤出过程中有足够的时间形成流动趋向，从而形成一定程度定向排列，实现晶须第二相在主相陶瓷材料中的3D空间取向分布，这在宏观上的表现即是打印模型的各项性能如强度和韧性得到较未经优化的模更强的打印件。若B喷头长度超过3000mm则晶须会由于在运输管中较长时间的停滞而无法达到内部晶须定向分布的效果。
本发明中，所述3D打印的设备打印速度为30-200mm/s，优选为40mm/s-160mm/s，更优选为60～100mm/s，实际打印速度为设备打印速度的20～80％。本发明通过控制3D打印速度进一步实现晶须相在主相中的可控空间取向分布。
本发明中，所述FDM打印机的气泵气压为0.1-0.8MPa，所述A喷头和所述B喷头的温度为常温，所述3D打印的平台温度为30-110℃。
本发明中，所述第一泥料包括陶瓷粉末；所述陶瓷粉末包括Si3N4、SiC、Al2O3、ZrO2、SiO2、ZrB2、HA或TC。
所述第一泥料优选还包括：分散剂和粘合剂。
本发明中，所述晶须增强体包括SiC、Si3N4、Al2O3、莫来石和铝硅酸盐中的一种或两种以上。
所述第二泥料还包括：分散剂和粘合剂。
所述第一泥料和所述第二泥料中的分散剂优选为聚乙二醇和聚丙烯酸，其中，其中，聚乙二醇为增塑分散剂，在泥料中主要起到粘结和分散的作用，聚丙烯酸在泥料中主要起到分散的作用；所述第一泥料和所述第二泥料中的粘合剂优选为聚乙烯，在泥料中主要起粘合的作用。
本发明还提供了上述双喷头复合3D打印方法打印得到的晶须复相陶瓷。
本发明中，常温为25±5℃。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明提供了一种晶须复相陶瓷的双喷头复合3D打印方法，包括以下步骤：将晶须复相陶瓷的第一泥料和第二泥料分别加入FDM打印机的A喷头的输料管和B喷头的输料管进行3D打印；所述第一泥料为陶瓷基泥料，所述第二泥料包括所述陶瓷基泥料和晶须增强体泥料；所述B喷头的输料管的直径为8-30mm，长度为1200-3000mm。
本发明通过延长FDM打印机B喷头输料管至特定长度，以满足晶须第二相在挤出过程中有足够的时间形成流动趋向，从而形成一定程度定向排列，实现晶须第二相在主相陶瓷材料中的3D空间取向分布，从而提升了打印件的强度和韧性等各项性能。
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性的前提下，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1提供的晶须复相陶瓷的打印模型图。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。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。
实施例1
本实施例双喷头复合3D打印方法制备晶须复相陶瓷
(1)将质量比为1：0.03：0.02：0.01的ZrO2、聚乙二醇(PEG)、聚丙烯酸(PAA)、聚乙烯醇(PVA)和无水乙醇混合经球磨、旋转蒸发、过筛，将所得粉体与去离子水混合制成含水量为35％的第一泥料；
(2)将质量比为1：0.03：0.02：0.01的ZrO2、聚乙二醇(PEG)、聚丙烯酸(PAA)、聚乙烯醇(PVA)和无水乙醇混合经球磨、旋转蒸发、过筛，将所得粉体与Al2O3晶须以体积分数比80％：20％并和酒精混合经球磨、旋转蒸发、过筛，将所得粉体与去离子水混合制成含水量为35％的第二泥料；
(3)采用FDM打印机进行打印，其中，平台温度为75度，B喷头的输料管的长度为2000mm，直径为20mm，A喷头的长度为600mm，打印速度为80mm/s，喷头温度为常温。
如图1所示，打印的三维模型为球形，要求心部为晶须增强材料和陶瓷材料，外部是未经增强的陶瓷材料，用切片软件将心部区域打印部分分配给B喷头，外部区域分配给A喷头，并生成相应的G代码；
(4)在A喷头对应的输料管中加入第一泥料，B喷头对应的输料管中加入第二泥料，气泵气压调节在0.4MPa，使泥料均匀挤出，而泥料在经过延长设计的送料管B和螺杆后，其内部晶须可以在一维剪切力下具有趋向性并均匀打印在设计位置，使晶须在空间具有取向分布，使得图1中内层的性能得到增强；
(5)对打印模型经过脱胶、烧结成为心部韧性增强的晶须复相陶瓷。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种晶须复相陶瓷的双喷头复合3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
将晶须复相陶瓷的第一泥料和第二泥料分别加入FDM打印机的A喷头的输料管和B喷头的输料管进行3D打印；
所述第一泥料包括陶瓷基泥料，所述第二泥料包括所述陶瓷基泥料和晶须增强体泥料；
所述B喷头的输料管的直径为8-30mm，长度为1200-3000mm。
2.根据权利要求1所述的双喷头复合3D打印方法，其特征在于，所述B喷头的输料管的长度为1500-2000mm。
3.根据权利要求1所述的双喷头复合3D打印方法，其特征在于，所述3D打印的打印速度为30-200mm/s。
4.根据权利要求1任意一项所述的双喷头复合3D打印方法，其特征在于，所述FDM打印机的气泵气压为0.1-0.8MPa，所述A喷头和所述B喷头的温度均为常温，所述3D打印的平台温度为30-110℃。
5.根据权利要求1所述的双喷头复合3D打印方法，其特征在于，所述陶瓷基泥料包括陶瓷粉末；
所述晶须增强体包括SiC、Si3N4、Al2O3、莫来石和铝硅酸盐中的一种或两种以上。
6.根据权利要求5所述的双喷头复合3D打印方法，其特征在于，所述陶瓷粉末包括Si3N4、SiC、Al2O3、ZrO2、SiO2、ZrB2、HA或TC。
7.根据权利要求1所述的双喷头复合3D打印方法，其特征在于，所述第一泥料还包括：分散剂和粘合剂。
8.根据权利要求1所述的双喷头复合3D打印方法，其特征在于，所述第二泥料还包括：分散剂和粘合剂。
9.权利要求1至8任意一项所述的双喷头复合3D打印方法打印得到的晶须复相陶瓷。
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