一种采用模板法构筑空心管微点阵陶瓷材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及陶瓷材料的制备，更特别地说，是指一种采用模板法构筑空心管微点阵陶瓷材料及其制备方法，属于轻质多孔功能材料技术领域。
【背景技术】
[0002]人类社会的进步是以材料的发展为前提的，性能优异的材料促进了社会的发展，同时社会的高度发展也呼唤着新材料的问世。随着科技的发展，对材料的性能要求也越来越高，低密度材料也越来越受到人们重视，超轻材料具有优异的比强度、比刚度和耐热性，还具有良好的结构性能和物理及化学性能。此外，超轻材料还显示出优异的减震降噪性能、良好的吸能缓冲性能、突出的吸声和屏蔽性能、理想的过滤与吸附性能等许多独特的功能特性，被喻为结构一功能一体化材料。
[0003]3D打印也称为增材制造，它不需要刀具和模具，利用三维CAD模型在一台设备上可快速而精确地制造出复杂结构零件，从而实现“自由制造”，解决传统工艺难加工或无法加工的局限。目前三维造型可以是在Solidworks、UG、Pro/E和CAD等软件中实现。
[0004]材料之所以能够具有超轻的密度，原因在于固体材料是多孔的。不同多孔材料的孔隙率和孔径大小都不相同，一般孔隙率为20%?99%，孔径大小也从纳米级到毫米级。一般说来，纳米和微米级多孔材料侧重于材料的功能性质，如电学性质、磁性、光学性质，轻质处于第二位。而毫米级的多孔材料，除了质量很轻以外，轻质多孔金属材料优异的热力学等性质也可以满足不同民用和军用需求，有些材料还可以大量低成本生产。不同方法用于制备相对密度和孔径尺寸在不同范围内的某类材料。
[0005]点阵材料是由结点和结点间连接杆件单元组成的周期结构材料。其胞元构型类似于晶体材料的点阵结构，因此这种空间梁杆体系的周期结构被称作点阵材料。
[0006]点阵材料是近年来随着航空、航天大型构件结构的制备与加工成型技术不断的发展而出现的一类新颖、轻质的多功能材料，具有超轻、高孔隙率、高强韧性、高比强度、高比刚度、高能量吸收性等一些优良的机械性能，以及减震、电磁屏蔽、吸声等特殊性能，点阵材料兼具功能和结构双重作用，是一种性能优异的多功能工程材料。发展具有轻质、高效、高孔隙率的三维点阵结构材料，是推进材料和装备的轻量化、精确化、高效化，实现节能、净化的关键措施。
[0007]目前，实验室和工业界中主要使用的模板有生物材料模板、有机化合物模板和无机化合物模板等。其中，有机化合物，如各种塑料、合成纤维等由于其形貌和结构的可设计性和稳定性，被广泛用于无机纳米材料的合成中。模板法可以按照人们的意愿制备材料且能容易地获得良好的阵列。
[0008]陶瓷由于其具有低密度、高强度、高模量、高硬度、耐高温、抗腐蚀、耐辐射、热膨胀系数小等特性及优越的光、电、热、磁、力学性能，在航空、航天、电子信息、国防等高技术领域具有广泛且不可替代的作用，发展具有轻质、高效、高孔隙率的三维点阵结构的高性能陶瓷材料，是推进材料和装备的轻量化、精确化、高效化，实现节能、净化的关键措施。
【发明内容】
[0009]本发明的目的之一是提供一种采用模板法构筑空心管微点阵陶瓷材料的制备方法。通过本发明方法来制备轻质多孔空心管微点阵陶瓷材料时，首先用快速成型技术制备所需结构的三维微点阵聚合物模板；然后在微点阵聚合物模板表面沉积陶瓷制预成型体，目的是在其表面形成均匀的陶瓷薄膜，可通过沉积时间来控制各种复杂模型表面陶瓷薄膜的厚度；最后烧蚀或化学刻蚀掉模板，得到的轻质多孔空心管微点阵陶瓷材料，制得的轻质多孔空心管微点阵陶瓷材料的密度由微点阵模板的结构、尺寸、陶瓷薄膜的厚度等因素来决定。
[0010]本发明的另一目的在于提供一种具有轻质多孔空心管微点阵的陶瓷材料。本发明制备的陶瓷材料具有三维有序多孔结构，具有低密度、高强度的特点。
[0011]本发明的目的是通过如下技术方案实现的:
[0012]步骤一:采用快速成型技术制备三维微点阵模板；
[0013]步骤11，选择模板用原材料:
[0014]步骤12，选择快速成型工艺:
[0015]步骤13，设置模板的点阵结构:
[0016]步骤14，设置模板的点阵参数:
[0017]在本发明中，快速成型工艺包括有光固化立体成型技术(SLA)、选择性激光烧结(SLS)、或者熔积成型(FDM)；
[0018]在本发明中，模板原材料为高分子聚合物，其包括复合光敏树脂EX-200型、复合光敏树脂DXZ-100型、复合光敏树脂DSM somosl4120型、丙烯酸酯类树脂、环氧树脂、聚苯乙烯(PS)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚甲醛(POM)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)、或者聚乳酸(PLA)等。
[0019]在本发明中，模板的点阵结构包括有:简单立方、体心立方、面心立方、简单六方、简单四方、体心四方、R心六方、简单正交、C心正交、C心单斜、体心正交、面心正交、简单斜方、简单三斜、或者金刚石正四面体结构。
[0020]综合以上条件，采用快速成型技术制备出不同材质、不同微点阵结构和参数的模板。
[0021]步骤二:在三维微点阵模板表面沉积制陶瓷薄膜，得到预成型结构体；
[0022]步骤21，清洗模板:
[0023]步骤22，沉积制陶瓷薄膜:
[0024]将经步骤一制得的三维微点阵模板在丙酮中超声清洗15?30min，然后在去离子水中超声浸洗15?30min，最后在乙醇中超声清洗10?20min，自然干燥，得到清洁模板；
[0025]选择沉积方法，并设置沉积参数，在三维微点阵模板表面沉积陶瓷材料，沉积厚度记为h，得到预成型结构体；
[0026]所述的沉积方法包括有:化学气相沉积方法、物理气相沉积方法以及溶胶凝胶法；所述的化学气相沉积方法有常压化学气相沉积(APCVD)、低压化学气相沉积(LPCVD)、等离子增强化学气相沉积(PECVD)、光增强化学气相沉积(PCVD)、原子层沉积(ALD)等；所述物理气相沉积方法有真空蒸镀、射频溅射、磁控溅射、离子镀等。
[0027]在本发明中，陶瓷薄膜材料包括有氧化钛、氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化镍、氧化铁、氧化锡、氧化钒、氧化钡、氧化钨等氧化物及其复合物，碳化硼、碳化硅、碳化钨、碳化钛、
碳化钽、碳化铌、碳化钒等碳化物及其复合物，氮化硅、氮化硼、氮化钛等氮化物及其复合物。
[0028]化学气相沉积方法包括的工艺参数为:沉积温度25°C?1000°C，沉积室压力10?lOOPa，射频功率为100?250W，沉积时间20?60min。
[0029]物理气相沉积方法包括的工艺参数为:真空度多0.1Pa，基底温度为25 V?300°C，蒸发温度为1000?2000°C，沉积时间为10?90min。
[0030]溶胶凝胶法包括的工艺参数为:先配制溶液，经陈化后得到溶胶。
[0031]步骤三:采用去除模板工艺除去步骤二制得的预成型结构体中的三维微点阵聚合物模板，得到轻质多孔空心管微点阵陶瓷材料；
[0032]去除模板工艺可以采用烧蚀工艺，其条件为:采用马弗炉，在体积百分数为99.99 %的氩气为保护气氛，以I?10°C /min的升温速率加热到450?600°C，焙烧60min ?120mino
[0033]去除模板工艺可以采用化学刻蚀工艺，其条件为:在刻蚀液下处理60min?120min，所述刻蚀液可以是氯仿、氢氧化钠、丙酮。
[0034]本发明提供的轻质多孔空心管微点阵陶瓷材料是一种性能优异的轻质功能材料，与现有技术相比，本发明工艺及所得产物的优点在于:
[0035]①本发明所使用的微点阵结构模板具有可设计性。
[0036]②本发明所使用的光固化快速成型技术能制备出任意结构的微点阵结构模型，精度高且制备周期短。
[0037]③本发明所使用的陶瓷薄膜沉积方法所达到的效果好，膜层附着性好，表面致密均匀，且膜层厚度可控。
[0038]④本发明所制备得到的轻质多孔空心管微点阵陶瓷材料具有三维有序多孔结构，具有低密度、高强度、耐高温、耐腐蚀等特点。
【附图说明】
[0039]图1是空心圆柱形模板一沉积陶瓷一去除模板的微点阵结构构型的成形流程图。
[0040]图2是实心圆柱形模板一沉积陶瓷一去除模板的微点阵结构构型的成形流程图。
[0041]图3是实心立方体模板一沉积陶瓷一去除模板的微点阵结构构型的成形流程图。
[0042]图4是实心六棱柱模板一沉积陶瓷一去除模板的微点阵结构构型的成形流程图。
[0043]图5A是实施例1快速成型制得金刚石点阵结构模板的照片。
[0044]图5B是实施例1采用溶胶凝胶浸渍涂工艺制得有膜的金刚石点阵结构模板的照片。