专利名称：基于光固化原型热解的碳化硅陶瓷复合材料成型工艺方法
技术领域：
本发明涉及一种陶瓷制件的新工艺，特别是形状复杂、尺寸精度高的基于光固化原型热解的碳化硅陶瓷复合材料成型工艺方法。
背景技术：
碳化硅陶瓷材料是最重要的高性能工程陶瓷材料之一，其制件在石油化工、航空航天、国防军工等领域有广泛的应用和迫切的需求。传统的制备工艺是从粉末原料制成坯体，然后高温烧结制造出构件，这种方法的坯体制作无论从尺寸精度还是形状复杂程度上都不能满足要求。目前最常用的方法是粉料的塑性成型，但是它对原料的流变特性要求高，且碳化硅材料可塑性差，也难以塑性成型出复杂精密的制件。近来出现的用木材、天然纤维等为有机模板原位转化制备碳化硅陶瓷制件的方法，因天然木材或纤维结构不均匀，个体差异大，很难以满足要求。
发明内容
为了满足应用的要求，克服碳化硅陶瓷质地硬、后期加工难以及已知工艺方法存在的缺陷或不足，本发明提出一种基于光固化原型热解的碳化硅陶瓷复合材料成型工艺方法，该工艺可以制造出内部组织均匀、形状复杂和成型精度高的有机模板，进而制造出形状复杂、尺寸精确、无需后期去料加工的碳化硅陶瓷制件。
本发明采用的技术方案是一种基于光固化原型热解的碳化硅陶瓷复合材料成型工艺方法，以液态光敏树脂和无机硅为原料，采用光固化原型工艺与反应型碳化硅制备工艺相结合，具体包括1)根据实际要求，构造制件的三维数据模型，并将数据模型转化为STL格式文件；
2)用快速成型机自身的分层软件做分层处理，并将处理数据导入制造程序中；3)在光固化快速成型机上制造出树脂原型；其特征在于，还包括以下步骤4)将光固化得到的树脂原型放入坩锅，放进真空高温炉中碳化，升温速度100℃/h，碳化温度500℃～600℃，保温时间为4h～5h，然后随炉冷却至室温取出，得到制件的三维碳支架；5)在石墨坩锅中放入三维碳支架并用Si粉包埋，将坩锅放进真空高温炉中并盖上坩锅盖子，然后加热，升温速度600℃/h，反应温度1500℃～1600℃，保温时间为0.5～1h，三维碳支架吸收熔融的无机硅，硅与碳发生化学反应形成碳化硅，硅在碳支架上进行原位反应形成碳化硅陶瓷复合材料制件。再经1700℃抽真空排Si 2h，随炉冷却至室温取出，获得碳化硅及其复合材料的制件。
本发明的方法改变了传统的陶瓷构件制备工艺过程，可以制造出任何结构形状复杂、尺寸精度高的碳化硅陶瓷制件。为小批量生产碳化硅陶瓷及其复合材料制件提供了新的工艺方法，大大提高了高温结构部件和定制化产品的研制速度，实现了碳化硅陶瓷的无模精密制造。
图1是本发明的工艺流程图；图2是制件三维模型图；图3是碳化示意图；图中的符号表示为1.制件2.坩锅3.炉体；图4是渗Si反应示意图，图中的符号表示为1.制件、2.坩锅、3.炉体、4.Si粉、5.坩锅盖。
以下结合附图和发明人给出的实施例对本发明作进一步的详细描述。
具体实施例方式
本发明的基于光固化原型热解的碳化硅陶瓷复合材料成型工艺方法，通过光固化快速成型工艺制成原型，为碳化硅陶瓷的外形和内部组织提供有机模板，通过热解工艺转化为无机模板——三维碳支架。然后进行高温渗硅，硅在碳支架上进行原位反应形成碳化硅陶瓷及其复合材料构件。
实施例1参见图1，本发明的工艺步骤包括1.3D模型设计步骤，根据实际要求，用Pro/E软件构造制件的三维数据模型，如图2所示；并将图2所示模型存储为STL格式文件；2.用快速成型机自带的分层软件做分层处理，并将处理数据导入制造程序中；3.在光固化快速成型机上制造出树脂原型；上述步骤均是本领域的成熟技术。
4.将光固化得到的树脂原型放入坩锅，放进真空高温炉中碳化，升温速度100℃/h，碳化温度600℃，保温时间为4h，然后随炉冷却至室温取出，得到制件的三维碳支架，如图3所示；5.在石墨坩锅中放入碳支架并用Si粉包埋，Si粉粒径为60μm，将坩锅放进真空高温炉中并盖上坩锅盖子，然后加热，如图4所示。升温速度600℃/h，反应温度1600℃，保温时间为0.5h，再经1700℃抽真空排Si2h，随炉冷却至室温取出，硅与碳支架产生化学反应，获得碳化硅及其复合材料的制件；6.对制件进行表面清理。
实施例2本实施例与实施例1所不同的是，在步骤4中，碳化温度500℃，保温时间为5h；步骤5中，Si粉粒径为50μm，反应温度1500℃，保温时间为1h，其余均同实施例1。
权利要求
1.一种基于光固化原型热解的碳化硅陶瓷复合材料成型工艺方法，以液态光敏树脂和无机硅为原料，采用光固化原型工艺与反应型碳化硅制备工艺相结合，具体包括1)根据实际要求，构造制件的三维数据模型，并将数据模型转化为STL格式文件；2)用快速成型机自身的分层软件做分层处理，并将处理数据导入制造程序中；3)在光固化快速成型机上制造出树脂原型；其特征在于，还包括以下步骤4)将光固化得到的树脂原型放入坩锅，放进真空高温炉中碳化，升温速度100℃/h，碳化温度500℃～600℃，保温时间为4h～5h，然后随炉冷却至室温取出，得到制件的三维碳支架；5)在石墨坩锅中放入三维碳支架并用Si粉包埋，将坩锅放进真空高温炉中并盖上坩锅盖子，然后加热，升温速度600℃/h，反应温度1500℃～1600℃，保温时间为0.5～1h，再经1700℃抽真空排Si2h，随炉冷却至室温取出，获得碳化硅及其复合材料的制件。
全文摘要
本发明提出了一种基于光固化原型热解的碳化硅陶瓷复合材料成型工艺方法，其基础原理是光固化快速成型工艺和反应烧结碳化硅技术的结合。主要的工艺方法是以液态光敏树脂为制件成型原料，通过光固化快速成型工艺制成原型，为碳化硅陶瓷的外形和内部组织提供有机模板，通过热解工艺转化为无机模板——三维碳支架。然后进行高温渗硅，硅在碳支架上进行原位反应形成碳化硅陶瓷及其复合材料构件。该方法改变了传统的陶瓷构件制备工艺过程，克服了传统工艺难以制造形状复杂、尺寸精密的陶瓷制件的不足，实现了碳化硅陶瓷的无模精密制造。
文档编号C04B35/63GK1609054SQ20041007318
公开日2005年4月27日 申请日期2004年10月22日 优先权日2004年10月22日
发明者李涤尘, 乔冠军, 崔志中 申请人:西安交通大学