本发明涉及一种纤维增强陶瓷薄壁件的成型方法。特别是涉及一种基于3d打印技术的纤维增强陶瓷薄壁件的成型方法。
背景技术：
陶瓷材料由于其高强度、高硬度、高耐磨性和耐腐蚀性等优异的性能，在空天、武器装备等尖端领域得到了广泛应用。然而由于其脆性较大，难以承受剧烈的机械冲击和热冲击，因而制约了陶瓷在上述领域的应用。通过向陶瓷基体中添加纤维，增强陶瓷的强度和韧性，受到了研究人员的广泛关注。目前，空天、武器装备上应用的陶瓷薄壁件关键部件多采用长纤维编织体增强陶瓷制备。纤维编织体制备工艺复杂，并且编织体完成后需要反复浸渍和固化成型，生产周期长，成本极高。短纤维增强陶瓷无需复杂的纤维编织工艺，可望改善长纤维编织体增强陶瓷的上述不足。另一方面，上述关键部件外形多为不规则曲面，常规方法制备的陶瓷工件还需要进行磨削修形，去除表面大量余量，对陶瓷材料造成了很大的浪费。
3d打印技术又称增材制造技术，是上世纪80年代后期发展起来的一项先进制造技术，可以实现快速成型，缩短产品的设计和生产周期，降低研制成本。陶瓷材料的直接成型技术是3d打印技术的研究热点和重要发展方向。熔融沉积或光固化成型可以将增强纤维和陶瓷泥料进行打印并制备成陶瓷坯体，但是需要额外的光固化或者加热装置，工艺较为复杂。此外，对于工程陶瓷而言，其特定的陶瓷粉体属于瘠性材料，粘度、塑性和分散性较差，导致其无法直接用于3d打印。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是，提供一种无需额外光固化或者加热工艺的基于3d打印技术的纤维增强陶瓷薄壁件的成型方法。
本发明所采用的技术方案是：一种基于3d打印技术的纤维增强陶瓷薄壁件的成型方法，包括如下步骤：
1)将陶瓷粉体材料和增强纤维材料按质量比为5-9：1混合，然后在球磨机中搅拌混合均匀，得到纤维增强陶瓷材料；
2)配制聚乙烯醇溶液，并向聚乙烯醇溶液中加入润湿分散剂和消泡剂，然后将获得的纤维增强陶瓷材料以及助烧剂加入所述的溶液中，在分散机中混合均匀，获得纤维增强陶瓷泥料；
3)使用三维建模软件设计薄壁件的3d模型，并将薄壁件3d模型转换为分层路径文件，导入3d打印机；
4)将获得的纤维增强陶瓷泥料供给打印头，气泵通入压缩气体，提供均匀压强，打印头将陶瓷泥料均匀挤出；
5)打印头根据分层路径文件按照薄壁件3d模型当前层的轮廓数据进行平面二维运动；
6)完成薄壁件3d模型当前层的轮廓数据后，打印头上升一个分层的厚度；
7)重复步骤4)至步骤6)，直至薄壁件坯体完成；
8)将打印完成的薄壁件坯体置于烘箱内，保持温度在40-60℃，保温4-6小时；
9)将步骤8)获得的薄壁件坯体进行脱脂和烧结，获得纤维增强陶瓷薄壁件。
步骤1)中所述的陶瓷粉体的粒径为1-2μm；增强纤维材料的直径为2-4μm，长度为50-80μm。
步骤2)中所述的配制聚乙烯醇溶液的质量分数为1％。
步骤2)中所述的润湿分散剂和消泡剂的加入质量分别为聚乙烯醇溶液质量的1％。
步骤2)中所述的助烧剂的质量分数为纤维增强陶瓷材料的0.5％。
步骤2)中所述的纤维增强陶瓷泥料的固含量为75-80％。
步骤2)中所述的助烧剂是氧化铝、氧化钾和氧化硼中的一种以上。
步骤3)中所述的三维建模软件是cad或ug或solidworks。
步骤1)中所述的陶瓷粉体材料为石英、氧化锆、氧化铝、氮化硼和氮化硅中的一种或多种；所述的增强纤维材料为石英纤维、氮化硅纤维、氮化硼纤维和碳纤维中的一种或多种。
本发明的一种基于3d打印技术的纤维增强陶瓷薄壁件的成型方法，以短纤维和陶瓷粉体为原料，制备高固含量的陶瓷泥料，通过润湿分散剂和粘结剂改善瘠性陶瓷粉体的性能，利用陶瓷泥料自身的塑性和稠度实现堆积成型，无需额外光固化或者加热工艺，避免了额外的光固化或加热装置，可大大简化3d打印技术的工艺，使3d打印的成本大幅降低。本发明适用于多种成分的陶瓷材料的3d打印降低生产成本，可实现复杂曲面薄壁陶瓷零件的快速成型，脱脂烧结后获得的陶瓷零件具有良好的强度、韧性和精度，解决了常规纤维增强陶瓷复杂曲面薄壁零件制备周期长，加工去除余量大，材料浪费较大，成本较高的问题，促进3d打印技术在陶瓷材料成型中的应用。
具体实施方式
下面结合实施例本发明的一种基于3d打印技术的纤维增强陶瓷薄壁件的成型方法，做出详细说明。
本发明的一种基于3d打印技术的纤维增强陶瓷薄壁件的成型方法，包括如下步骤：
1)将陶瓷粉体材料和增强纤维材料按质量比为5-9：1混合，然后在球磨机中搅拌混合均匀，得到纤维增强陶瓷材料；其中，
所述的陶瓷粉体材料为石英、氧化锆、氧化铝、氮化硼和氮化硅中的一种或多种；所述的增强纤维材料为石英纤维、氮化硅纤维、氮化硼纤维和碳纤维中的一种或多种。
所述的陶瓷粉体的粒径为1-2μm；增强纤维材料的直径为2-4μm，长度为50-80μm。
2)配制聚乙烯醇溶液，并向聚乙烯醇溶液加入润湿分散剂和消泡剂，然后将获得的纤维增强陶瓷材料以及助烧剂加入所述的溶液中，在分散机中混合均匀，获得纤维增强陶瓷泥料。其中，
所述的润湿分散剂和消泡剂均为市场出售的产品；
所述的配制聚乙烯醇溶液的质量分数为1％；
所述的润湿分散剂和消泡剂的加入质量分别为聚乙烯醇溶液质量的1％；
所述的助烧剂的质量分数为纤维增强陶瓷材料的0.5％；
所述的纤维增强陶瓷泥料的固含量为75-80％。
3)使用三维建模软件设计薄壁件的3d模型，并将3d模型转换为分层路径文件，导入3d打印机；所述的三维建模软件是cad或ug或solidworks等。
4)将获得的纤维增强陶瓷泥料供给打印头，气泵通入压缩气体，提供均匀压强，打印头将陶瓷泥料均匀挤出；
5)打印头根据分层路径文件按照薄壁件3d模型当前层的轮廓数据进行平面二维运动；
6)完成薄壁件3d模型当前层的轮廓数据后，打印头上升一个分层的厚度；本发明由打印头挤出的陶瓷泥料完全是依靠自身的塑性和稠度实现自身的堆积成型，避免了额外的光固化或加热装置。
7)重复步骤4)至步骤6)，直至薄壁件坯体完成；
8)将打印完成的薄壁件坯体置于烘箱内，保持温度在40-60℃，保温4-6小时；
9)将步骤8)获得的薄壁件坯体进行脱脂和烧结，获得纤维增强陶瓷薄壁件。
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
1)将粒径2μm石英粉体材料和直径4μm，长50μm的石英纤维材料按质量比为9：1混合，加入质量分数1％的氧化铝助烧剂，然后在球磨机中搅拌混合均匀，得到石英纤维增强石英陶瓷材料；
2)配制质量分数1％的聚乙烯醇溶液，分别加入质量分数1％的润湿分散剂和消泡剂，将该溶液与石英纤维增强石英陶瓷材料按照固液质量比4:1在分散机中混合均匀，获得石英纤维增强石英陶瓷泥料；
3)在计算机上使用solidworks软件设计薄壁件3d模型，并将3d模型转换为分层路径文件，导入3d打印机；
4)将步骤2)获得的纤维增强陶瓷泥料供给打印头，气泵通入压缩气体，提供均匀压强，打印头将陶瓷泥料均匀挤出；
5)打印头根据分层路径文件按照3d模型当前层的轮廓数据进行平面二维运动；
6)完成3d模型当前层的轮廓数据后，打印头上升一个分层的厚度；
7)重复步骤4)至步骤6)，直至薄壁件坯体完成；
8)将打印完成的薄壁件坯体置于烘箱内，保持温度在40℃，保温4小时；
9)将步骤8)获得的薄壁件坯体进行脱脂和烧结，获得石英纤维增强石英陶瓷薄壁件。
实施例2
1)将粒径1μm氮化硼陶瓷粉体材料和直径3μm，长40μm的氮化硅纤维材料按质量比为5：1混合，加入质量分数1％的氧化铝助烧剂，然后在球磨机中搅拌混合均匀，得到氮化硅纤维增强氮化硼陶瓷材料；
2)配制质量分数1％的聚乙烯醇溶液，加入质量分数1％的润湿分散剂和消泡剂，将该溶液与石英纤维增强石英陶瓷材料按照固液质量比3:1在分散机中混合均匀，获得氮化硅纤维增强氮化硼陶瓷泥料；
3)在计算机上使用solidworks软件设计薄壁件3d模型，并将3d模型转换为分层路径文件，导入3d打印机；
4)将步骤2)获得的纤维增强陶瓷泥料供给打印头，气泵通入压缩气体，提供均匀压强，打印头将陶瓷泥料均匀挤出；
5)打印头根据分层路径文件按照3d模型当前层的轮廓数据进行平面二维运动；
6)完成3d模型当前层的轮廓数据后，打印头上升一个分层的厚度；
7)重复步骤4)至步骤6)，直至薄壁件坯体完成；
8)将打印完成的薄壁件坯体置于烘箱内，保持温度在60℃，保温5小时；
9)将步骤8)获得的薄壁件坯体进行脱脂和烧结，获得氮化硅纤维增强氮化硼陶瓷薄壁件。