CN114178704A - 高温结构材料的制造方法以及前驱体 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高温结构材料的制造方法以及前驱体，所述高温结构材料的制造方法包括以下步骤：提供一前驱体，所述前驱体的材料包括聚合物或者所述聚合物以及高温材料；将所述前驱体加工成设定形状的前驱体构件；将加工后的所述前驱体构件通过设定的处理方式转化为高温材料构件。从而能够克服所述高温材料难以加工的困难，制造各种所需形状的所述高温材料构件；能够将所述高温材料进行形状复杂的加工的同时还保留了所述高温材料的特性，制作方法巧妙，实用性高。
Description
技术领域
本发明涉及高温材料加工的技术领域，具体涉及一种高温结构材料的制造方法以及前驱体。
背景技术
高温结构材料，如陶瓷、玻璃、金属和钻石材料，以其固有特性，如硬度高熔点高等的缘故，通常很难甚至无法通过常规的机械加工的方式制备出形状复杂且精度高的结构。而对于脆性材料，如陶瓷和玻璃等，传统机械加工则会导致裂纹产生甚至断裂。因此，高温结构材料的常规加工工艺通常存在高成本、低精度和高污染的问题。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种高温结构材料的制造方法以及前驱体，旨在解决常规的机械加工的方式难以将高温结构材料制备出形状复杂且精度高的结构的问题。
为实现上述目的，本发明提出的一种高温结构材料的制造方法，包括以下步骤：
提供一前驱体，所述前驱体的材料包括聚合物或者所述聚合物以及高温材料；
将所述前驱体加工成设定形状的前驱体构件；
将加工后的所述前驱体构件通过设定的处理方式转化为高温材料构件。
可选地，所述聚合物包括有机硅材料、纤维素、水凝胶、以及丙烯酸铵盐聚合物中的至少一种；
所述高温材料包括陶瓷、玻璃、金属、钻石以及高温复合材料的其中一种。
可选地，将所述前驱体加工成设定形状的前驱体构件的步骤包括：
通过高能束将所述前驱体加工成设定形状的前驱体构件。
可选地，所述高能束包括激光、高压水束、电子束以及离子束中的至少一种。
可选地，通过高能束将所述前驱体加工成设定形状的前驱体构件的步骤包括：
通过所述高能束雕刻和/或切割，以将所述前驱体加工成设定形状的前驱体构件。
可选地，提供一所述前驱体的步骤之前包括：
通过增材制造技术将设定形态的所述前驱体转换成固态的所述前驱体。
可选地，所述设定形态包括液态、固态粉材以及固态线材中的至少一种。
可选地，通过增材制造技术将设定形态的所述前驱体转换成固态的所述前驱体的步骤包括：
通过增材制造技术将液态的所述前驱体转换成固态的所述前驱体。
可选地，通过增材制造技术将设定形态的所述前驱体转换成固态的所述前驱体的步骤包括：
通过墨水直写技术、刮膜技术、材料挤出技术、材料喷射技术、光聚合技术、粉末床融合技术中的至少一种技术将设定形态的所述前驱体转换成固态的所述前驱体。
可选地，将加工后的所述前驱体构件通过设定的处理方式转化为高温材料构件的步骤包括：
通过热处理、机械处理以及化学处理中的至少一种处理方式，将加工后的前驱体构件转化为高温材料构件。
可选地，通过热处理、机械处理以及化学处理中的至少一种处理方式，将加工后的前驱体构件转化为高温材料构件的步骤包括：
在真空中或在惰性气氛或在氧化气氛或在还原气氛下对所述前驱体构件进行热处理。
可选地，所述高温材料的形态为粉末、纤维、晶须、片材中的至少一种。
可选地，所述高温结构材料的制造方法可以用于制备电子设备背板，文物研究和修复以及制备高温微机电系统。
本发明还提供一种前驱体，所述前驱体的材料包括：
聚合物或者所述聚合物以及高温材料。
可选地，所述聚合物包括有机硅材料、纤维素、水凝胶以及丙烯酸铵盐聚合物中至少一种。
可选地，所述高温材料包括陶瓷、玻璃、金属、钻石的其中一种。
本发明的技术方案中，提供一前驱体，所述前驱体的材料包括聚合物或者所述聚合物以及高温材料；由于所述聚合物的特性，从而能够将所述前驱体加工成设定形状的前驱体构件，再将加工后的所述前驱体构件通过设定的处理方式，将所述前驱体转化为高温材料构件，从而能够克服所述高温材料难以加工的困难的问题，制造各种所需形状的所述高温材料构件；通过这种方法能够将所述高温材料进行形状复杂的加工的同时还保留了所述高温材料的特性，制作方法巧妙，实用性高。
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的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明提供的高温结构材料的制造方法的一实施例的流程示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
高温结构材料，如陶瓷、玻璃、金属和钻石材料，以其固有特性，如硬度高熔点高等的缘故，通常很难甚至无法通过常规的机械加工的方式制备出形状复杂且精度高的结构。而对于脆性材料，如陶瓷和玻璃等，传统机械加工则会导致裂纹产生甚至断裂。因此，高温结构材料的常规加工工艺通常存在高成本、低精度和高污染的问题。
本发明提供一种前驱体，所述前驱体的材料包括聚合物或者所述聚合物以及高温材料，所述前驱体的材料包括所述聚合物，由于所述聚合物的特征，从而能够将所述前驱体加工成设定形状的前驱体构件，再将加工后的所述前驱体构件通过设定的处理方式，将所述前驱体转化为高温材料构件，从而能够克服所述高温材料难以加工的困难的问题，制造各种所需形状的所述高温材料构件；即所述前驱体可以用于高温结构材料的生产制造，提高所述高温结构材料的生产效率，降低成本消耗。
具体地，所述聚合物包括有机硅材料、纤维素、水凝胶、以及丙烯酸铵盐聚合物中至少一种；在本实施例中，在所述前驱体内的所述聚合物内含有所述有机硅材料时，将所述前驱体加工成设定形状的所述前驱体构件，再经过设定的处理方式将所述前驱体材料转化成玻璃或者陶瓷；本申请不限制所述有机硅的种类，在本实施例中，所述有机硅材料设置为硅胶；同理，所述纤维素、所述水凝胶、和所述丙烯酸铵盐聚合物分别对应不同种类的所述高温材料以制造不同种类的高温结构材料。制造过程简单，且成本低。
本申请不限制所述高温材料的种类，所述高温材料包括陶瓷、玻璃、金属、钻石的其中一种；在传统的制造工艺中，由于所述陶瓷和所述玻璃比较脆，在传统机械加工的过程中容易产生裂纹甚至断裂，对于钻石和高温金属因其固有特性硬度高熔点高的缘故，很难以制备出形状复杂且精度高的结构；在本实施例中，所述陶瓷能够通过含有所述有机硅材料或所述纤维素或所述水凝胶和陶瓷颗粒添加物的所述前驱体制造，形成非晶-晶体双相陶瓷或晶体陶瓷；所述玻璃能够直接通过含有所述有机硅材料的所述前驱体制造；通过在所述纤维素或所述水凝胶，和所述丙烯酸铵盐聚合物中分别加入所述金属和所述钻石形成所需的所述前驱体，再将所需的所述前驱体加工成设定的形状形成所述前驱体构件，再经过设定的处理方式使所述前驱体构件转化成所述高温结构材料；在由所述前驱体构件转化成所述高温结构材料的过程中，材料由所述纤维素或所述水凝胶和所述金属、所述丙烯酸铵盐聚合物和所述钻石转化成所述金属和所述钻石。如此，通过中间转换的方法，能够将所述高温材料进行形状复杂的加工的同时还保留了所述高温材料的特性，制作方法巧妙，实用性高。
为了方便所述聚合物与所述高温材料的混合，且方便形成所述高温结构材料，本申请不限制所述高温材料的形态，可以是粉末、纤维、晶须、片材中的至少一种，也就是说，在实际的制作过程中，可以是粉末、纤维、晶须、片材中的一种，也可以是粉末、纤维、晶须、片材中的组合，在本实施例中，所述陶瓷、所述玻璃、所述金属以及所述钻石的结构分别设置为所述陶瓷的粉末、所述玻璃的粉末、所述金属的粉末以及所述钻石的粉末；需要说明的是，由于所述有机硅材料能够通过设定的处理转化成所述玻璃，此外在需要与其他的所述聚合物混合时，能够添加所述玻璃的粉末以在后续步骤中经过设定的处理方式转化成所述玻璃，如此设置，提高制造过程的灵活性，并且能够加快所述聚合物与对应的所述高温材料的混合。
本发明还提供一种高温结构材料的制造方法，请参照图1，所述高温结构材料的制造方法包括以下步骤：
S10：提供一前驱体，所述前驱体的材料包括聚合物或者所述聚合物以及高温材料；
S20：将所述前驱体加工成设定形状的前驱体构件；
S30：将加工后的所述前驱体构件通过设定的处理方式转化为高温材料构件。
本发明的技术方案中，提供一前驱体，所述前驱体的材料包括聚合物或者所述聚合物以及高温材料；由于所述聚合物的特性，从而能够将所述前驱体加工成设定形状的前驱体构件，再将加工后的所述前驱体构件通过设定的处理方式将所述前驱体转化为高温材料构件，从而能够克服所述高温材料难以加工的困难的问题，制造各种所需形状的所述高温材料构件；通过这种方法能够将所述高温材料进行形状复杂的加工的同时还保留了所述高温材料的特性，制作方法巧妙，实用性高。
为了将所述前驱体加工成设定形状的前驱体构件，所述步骤S20包括：
S21：通过高能束将所述前驱体加工成设定形状的前驱体构件。
需要说明的是，所述高能束包括激光、高压水束、电子束以及离子束中的至少一种，在此不做限制。
所述步骤S21包括：
S211：通过所述高能束雕刻或者切割或者同时雕刻和切割，以将所述前驱体加工成设定形状的前驱体构件。
在本实施例中，所述加工方法包括激光雕刻方法、激光切割方法、水切割方法以及水雕刻方法，由于激光、电子束和离子束的均为能量较高的加工方法，并且采用控制器控制，操作方便，精度高，所以一般用于雕刻和切割的加工工艺中，而高压水束相较于激光、电子束和离子束，操作不太方便且精度较难调控，一般用于切割的加工工艺中。
步骤S212：
通过激光加工得到的直径为0.85mm的高温材料孔的圆度小于0.082。
通过高压水束加工得到的直径为0.85mm的高温材料孔的圆度小于0.018。
通过所述激光加工得到的直径为0.85mm的高温结构材料的孔的圆度可以小于0.082，通过所述高压水束加工得到的直径为0.85mm的高温结构材料的孔的圆度可以小到0.018或更小。
例如，可以采用所述激光雕刻方法将所述高温材料为所述陶瓷的所述前驱体制作成直径分别为5.6mm，2.8mm，1.4mm，和0.7mm的单个陶瓷齿轮或者啮合传动的陶瓷行星齿轮系，且对于所述前驱体采用激光雕刻的方法制备的宏观陶瓷齿轮系统，外齿直径可达700μm。
此外，由于所述水切割方法的精度比所述激光雕刻方法的精度高，可以通过将所述水切割方法加工所述高温材料为玻璃的所述前驱体，能够加工精度更高的孔，同理所述水切割方法可以加工所述高温材料为陶瓷的所述前驱体，以加工啮合传动的陶瓷前驱体行星齿轮系统。如此通过将所述前驱体与所述激光雕刻方法、所述激光切割方法、所述水切割方法以及水雕刻方法中的至少一个方法相结合，能够加工传统加工方法所不能加工的高温材料，且加工方法简单，加工效率高，加工精度高。
为了制作较为复杂的所述前驱体的形状，所述步骤S10之前还包括步骤：
S00：通过增材制造技术将设定形态的所述前驱体转换成固态的所述前驱体。
所述增材制造技术是指基于离散-堆积原理，由零件三维数据驱动直接制造零件的科学技术体系，例如，3D打印技术或者4D打印技术，也就是可以通过所述增材制造技术将设定形态的所述前驱体转换成设定形状的固态的所述前驱体，本申请不限制设定形态，且所述设定形态包括液态、固态粉材以及固态线材中的至少一种，具体由操作人员根据不同的需求所设定。
具体地，还包括：
步骤S01：通过增材制造技术将液态的所述前驱体转换成固态的所述前驱体
此外，步骤S00还包括：
S02：通过墨水直写技术、刮膜技术、材料挤出技术、材料喷射技术、光聚合技术、粉末床融合技术中的至少一种技术将设定形态的所述前驱体转换成固态的所述前驱体；
具体地，所述墨水直写技术是将墨水形态的所述前驱体通过气压或螺杆的方式挤压出丝，并通过程序控制其喷头的位移，而逐层堆叠成3D结构，然后固化为固体的所述前驱体；所述刮膜技术是将墨水状态的所述前驱体通过刮刀在基板上成型为薄膜结构，然后固化为固体的所述前驱体，也是一种增材制造方法；所述材料挤出技术是将固态线材状态的所述前驱体在加热熔化和挤压作用下通过一定形状的喷头而连续形成一定的形状，然后固化为固体的所述前驱体；操作简单，工艺易操作，可以自动化生产，生产效率高；所述材料喷射技术是3D打印技术的其中之一，采用与纸质喷墨头相应的打印头将液态的所述前驱体的液滴沉积到所需位置，且一个打印头上一般具有几十至数百个用于材料沉积的喷嘴；所述光聚合技术是利用紫外光或可见光引发具有化学反应活性的液态物质快速转变为固态物质的过程，从而能够将液态的所述前驱体转换成固态的所述前驱体，且光聚合技术节能环保，无溶剂挥发，生产效率高，适应性广，成本低；所述粉末床融合技术是一种增材制造技术，设计灵活、资源有效利用率高，具体是在基板上铺设一薄层粉末材料，电子束或激光辐照整个粉末层，对粉末层进行加热，然后一层再一层的进行铺设，并同时采用电子束或激光辐照整个粉末层，对粉末层进行加热，如此一层一层的堆砌形成设定形状的所述前驱体；在本实施例中，采用了墨水直写技术或刮膜技术。
需要说明的是，在实际制造所述高温结构材料时，可以选择所述墨水直写技术、所述刮膜技术、所述材料挤出技术、所述材料喷射技术、所述光聚合技术、所述粉末床融合技术中的其中一种技术将设定形态的所述前驱体转换成固态的所述前驱体，也可以根据实际需要选择两种技术进行组合、三种技术进行组合、四种技术进行组合、五种技术进行组合、甚至六种技术进行组合来将设定态的所述前驱体转换成固态的所述前驱体，具体需根据操作人员的实际需求所改变，在此不做限制。
具体地，所述步骤S30包括：
S31：通过热处理、机械处理以及化学处理中的至少一种处理方式，将加工后的前驱体构件转化为高温材料构件。
本申请不限制将所述前驱体构件转化为高温材料构件的方法，具体包括热处理、机械处理以及化学处理，可以任选其中一种方式进行处理，也可以任选两种处理方式进行组合，也可以采用三种处理方式组合，具体需根据操作人员的实际需求所改变，在此不做限制。
更具体地，所述步骤S31包括：
S311：在真空中或在惰性气氛或在氧化气氛或在还原气氛下对所述前驱体构件进行热处理。
根据所要制造的所述高温材料构件中的所述高温材料的不同，可以采用不同的加工环境，所述加工环境包括真空、惰性气氛、氧化气氛以及还原气氛，在实际制作中，操作人员可以根据所述高温材料构件中的所述高温材料的不同以挑选对应合适的加工环境，在此不做限制。
在实际运用的过程中，可以采用所述增材制造技术和所述激光雕刻方法以及所述激光切割方法加工所述高温材料为陶瓷的所述前驱体，在手机的应用领域中，所述陶瓷材料具有优异的电磁信号传输能力外，抛光良好的陶瓷结构的光泽外观和细腻质地，可以提供卓越的视觉和触觉体验，可以通过所述激光切割方法或者所述激光雕刻方法加工所述前驱体，从而能够以较低的成本实现相机孔的加工和手机背板内部表面纹理的雕刻，采用此类方法，成本低，具有良好的环保性能。
还可以采用所述激光雕刻方法生产陶瓷MEMS(高温微机电系统)谐振应变传感器。在本实施例中，所述传感器长度可达12cm，有2812对电极，音叉的宽度和间隙约为80μm，同时实现了大尺寸和高精度。由于所述陶瓷的特性，使得所述陶瓷MEMS谐振应变传感器能抵抗高温、温度梯度、湿度和其他环境影响，并且制作陶瓷MEMS应变谐振传感器的可扩展性来提高应变灵敏度；
此外，还可以将所述高温结构材料的制作方法运用于文物研究中，由于文物大多结构复杂，可以采用所述高温结构材料的制作方法加工一些玻璃或者陶瓷文物的修复部件，以修复文物；或者可以采用所述高温结构材料的制作方法一比一或者按照一定比例制作出画作或者书法，以供研究人员研究，在保护文物的同时还能够提供较大的研究价值。
在本实施例中，采用所述激光切割方法在具有所述陶瓷的所述前驱体构件上开设陶瓷前驱体孔，所述陶瓷前驱体孔的直径在0.21mm～0.31mm之内，具体能够达到0.26mm，将所述前驱体构件进行热处理，在进行所述热处理之后，所述前驱体构件收缩转化成所述高温结构材料，从而所述陶瓷前驱体孔的尺寸收缩变小，所述陶瓷驱体孔的直径在0.15mm～0.25mm之内，具体能够达到0.2mm。
此外，采用所述激光切割方法在具有所述陶瓷的所述前驱体构件上开设直径为1mm的所述陶瓷前驱体孔，所述陶瓷前驱体孔的圆度为0.102，在进行所述热处理之后，所述高温结构材料的所述陶瓷前驱体孔的直径在0.8mm～0.9mm之内，具体为0.85mm，且圆度为0.082。如此通过热处理与所述激光切割方法结合，使加工的精度提高。
在一实施例中，采用所述激光雕刻方法制备具有所述陶瓷的所述高温材料的所述前驱体构件，以制备宏观陶瓷齿轮系统，由于具有所述陶瓷的所述高温材料的所述前驱体的特性，且所述激光雕刻方法具有较高的精度和良好的操作性能，以使外齿直径可小至700μm，将所述前驱体构件进行热处理，根据不同的热处理的时间，可以转化成非晶-晶体双相陶瓷，或非晶玻璃。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (16)
1.一种高温结构材料的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一前驱体，所述前驱体的材料包括聚合物或者所述聚合物以及高温材料；
将所述前驱体加工成设定形状的前驱体构件；
将加工后的所述前驱体构件通过设定的处理方式转化为高温材料构件。
2.如权利要求1所述的高温结构材料的制造方法，其特征在于，所述聚合物包括有机硅材料、纤维素、水凝胶、以及丙烯酸铵盐聚合物中的至少一种；
所述高温材料包括陶瓷、玻璃、金属、钻石以及高温复合材料的其中一种。
3.如权利要求1所述的高温结构材料的制造方法，其特征在于，将所述前驱体加工成设定形状的前驱体构件的步骤包括：
通过高能束将所述前驱体加工成设定形状的前驱体构件。
4.如权利要求3所述的高温结构材料的制造方法，其特征在于，所述高能束包括激光、高压水束、电子束以及离子束中的至少一种。
5.如权利要求3所述的高温结构材料的制造方法，其特征在于，通过高能束将所述前驱体加工成设定形状的前驱体构件的步骤包括：
通过所述高能束雕刻和/或切割，以将所述前驱体加工成设定形状的前驱体构件。
6.如权利要求1所述的高温结构材料的制造方法，其特征在于，提供一所述前驱体的步骤之前包括：
通过增材制造技术将设定形态的所述前驱体转换成固态的所述前驱体。
7.如权利要求6所述的高温结构材料的制造方法，其特征在于，所述设定形态包括液态、固态粉材以及固态线材中的至少一种。
8.如权利要求7所述的高温结构材料的制造方法，其特征在于，通过增材制造技术将设定形态的所述前驱体转换成固态的所述前驱体的步骤包括：
通过增材制造技术将液态的所述前驱体转换成固态的所述前驱体。
9.如权利要求6所述的高温结构材料的制造方法，其特征在于，通过增材制造技术将设定形态的所述前驱体转换成固态的所述前驱体的步骤包括：
通过墨水直写技术、刮膜技术、材料挤出技术、材料喷射技术、光聚合技术、粉末床融合技术中的至少一种技术将设定形态的所述前驱体转换成固态的所述前驱体。
10.如权利要求1所述的高温结构材料的制造方法，其特征在于，将加工后的所述前驱体构件通过设定的处理方式转化为高温材料构件的步骤包括：
通过热处理、机械处理以及化学处理中的至少一种处理方式，将加工后的前驱体构件转化为高温材料构件。
11.如权利要求10所述的高温结构材料的制造方法，其特征在于，通过热处理、机械处理以及化学处理中的至少一种处理方式，将加工后的前驱体构件转化为高温材料构件的步骤包括：
在真空中或在惰性气氛或在氧化气氛或在还原气氛下对所述前驱体构件进行热处理。
12.如权利要求1所述的高温结构材料的制造方法，其特征在于，所述高温材料的形态为粉末、纤维、晶须、片材中的至少一种。
13.如权利要求1所述的高温结构材料的制造方法，其特征在于，所述高温结构材料的制造方法可以用于制备电子设备背板，文物研究和修复以及制备高温微机电系统。
14.一种前驱体，其特征在于，所述前驱体的材料包括：
聚合物或者所述聚合物以及高温材料。
15.如权利要求14所述的前驱体，其特征在于，所述聚合物包括有机硅材料、纤维素、水凝胶以及丙烯酸铵盐聚合物中至少一种。
16.如权利要求14所述的前驱体，其特征在于，所述高温材料包括陶瓷、玻璃、金属、钻石的其中一种。
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