基于3d打印技术制备吸波陶瓷部件的方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于3D打印技术制备吸波陶瓷部件的方法；该方法是通过计算机建立3D模型，将陶瓷粉末、电磁吸收剂粉末与有机粘接剂混合，使用3D打印激光烧结技术制备胚体，再对胚体进行致密化烧结，得到吸波陶瓷部件。本发明制备的陶瓷部件吸波性能优越、同时保持陶瓷力学性能和耐腐性能，且可根据需要进行个性化精确设计任意复杂结构，该方法操作简单、流程短，占地面积小，满足工业化生产。
【专利说明】基于3D打印技术制备吸波陶瓷部件的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于3D打印技术制备吸波陶瓷部件的方法，属于吸波陶瓷材料 领域。
【背景技术】
[0002] 隐身技术不仅影响着现代战争的胜负，而且还将影响现代战争的模式，随着高科 技的发展，未来武器系统将综合采用各种隐身技术来提高武器系统的突防和攻击性能。用 于武器系统的吸波材料需同时具体良好的结构性能（强度高、韧性好等）与环境性能（耐 磨、耐腐蚀、耐高温等），高温吸波材料在现代战场显得尤为迫切。陶瓷材料具有质轻、耐 高温、硬度大、耐摩擦、耐腐蚀和特殊的导电性能等优点，但其脆性较大、耐疲劳性能差、对 应力和裂纹敏感，而金属材料韧性强、可加工、导电导热性好，如果设想能将陶瓷材料和金 属材料结合在一起，能充分发挥两类材料的优势，改变陶瓷粉末表面的电磁性能，增强材料 对电磁波的吸收，但是目前对陶瓷金属复合吸波材料的研究表明，仅仅获得以纤维状陶瓷 作为基体（仅限于SiC，B 203、Si02等几种材料，且无法同时使用）的陶瓷金属吸波材料，特 别是金属相很难引入到陶瓷基体中来，并且工艺特别复杂，往往难以实现工业应用；同时制 备出来的陶瓷金属复合吸波材料由于两种不同类材料的热膨胀系数不同，加上表面结合困 难，这类产品中金属含量通常很少因此吸波效果不佳。3D打印工艺的分层制造模式可以实 现局部控温与局部制造，有利于分散应力，提高强度。3D打印技术是以计算机三维设计模型 为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式制造金属零件、 塑料产品、细胞组织，陶瓷胚体。相对于传统制造业，3D打印技术最突出的优点是无需机械 加工或者任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的器件，大大缩短了产品 的研制周期。这给研发人员带来了极大的便利，通过3D打印技术可以轻松的制造出传统方 法难以制造的高端精密器件。此外，由于3D打印技术不需要使用模具，这降低了单件产品 以及小批量产品的制造成本，特别适用于新产品的开发以及定制产品的生产。由于本产品 以陶瓷作为连续相，金属作为离散相分布其中，因此最好使用高熔点金属搭配相对的低烧 结温度陶瓷，否则在金属含量较高时将严重影响吸波效果。
【发明内容】
[0003] 针对现有技术中制备陶瓷金属复合吸波材料存在的缺陷，本发明的目的是在于提 供一种将陶瓷粉体材料与吸波材料有机结合起来，充分发挥两者的优势，制备吸波性能优 越、同时保持陶瓷力学性能和耐腐性能，且可根据需要进行个性化精确设计任意复杂结构 的陶瓷部件的方法，该方法操作简单、流程短，占地面积小，满足工业生产。
[0004] 本发明提供了一种基于3D打印技术制备吸波陶瓷部件的方法，该方法包括以下 步骤：
[0005] 步骤（1):建模
[0006] 通过计算机建立吸波陶瓷部件的3D模型，再由计算机按层分解，将3D模型分解成 一系列厚度为100?300 μ m的二维模型；
[0007] 步骤（2):配料
[0008] 将陶瓷粉末、电磁吸收剂粉末和有机粘接剂粉末按照体积比0. 2?3:0. 2?3:1 进行混合得到混合粉体材料；
[0009] 步骤（3):制胚
[0010] 将步骤（1)建好的3D模型数据输入3D打印机的配套设备中，并设置打印程序，再 将步骤（2)所得混合粉末材料注入3D打印机中，在保护气氛环境下，通过激光器烧结方式 制备二维薄片并自动实现逐层堆积成型，得到吸波陶瓷部件坯体；
[0011] 步骤⑷：烧结
[0012] 将步骤（3)得到的吸波陶瓷部件胚体进行致密化烧结，即得吸波陶瓷部件。
[0013] 本发明的基于3D打印技术制备吸波陶瓷部件的方法还包括以下优选方案：优选 的方案中电磁吸收剂为铁、钴、镍、铝中的一种或几种，和/或为铁氧体和/或氧化锌，和/ 或为石墨、炭黑、碳纤维中的一种或几种。优选的电磁波吸收剂具有与陶瓷材料更好的配伍 性，在不影响陶瓷力学性能的情况下有利于改善陶瓷吸波性能。
[0014] 优选的方案中的陶瓷粉末粒径< 200 μ m ;优选粒度的陶瓷粉末具有更好的球形 度、流动性。
[0015] 优选的方案中陶瓷粉末为氧化铝、氧化锆、氧化硅、氧化镁、碳化硅、碳化硼中的一 种或几种粉末材料；最优选为氧化铝、氧化锆、氧化硅、氧化镁、碳化硅、碳化硼中的至少两 种粉末材料；优选的陶瓷粉末具有与电磁波吸收剂及粘结剂更好的配伍性，更有利于保持 陶瓷的力学性能和功能化。
[0016] 优选的方案中有机粘结剂粉末粒径< 150 μ m;优选粒度的有机粘结剂粉末具有 更好的分散性能。
[0017] 优选的方案中有机粘接剂粉末为聚苯乙烯、树脂、石蜡、尼龙粉末中的一种或几 种；优选的有机粘接剂与陶瓷材料及电磁吸收剂具有更好的配伍性能，更有利于防止陶瓷 烧结过程形变、开裂等。
[0018] 优选的方案中致密化烧结为无压烧结、热压烧结、热等静压烧结、反应烧结或微波 烧结。
[0019] 优选的方案中保护气氛为氮气、氩气、氦气中的一种或几种。
[0020] 优选的方案中激光器的工作条件：功率为10?500瓦，工作缸温度40?250°C， 扫描速率大于200m/s。优选的激光工作条件更有利于陶瓷部件坯体成型。
[0021] 本发明的有益效果：本发明在现有技术的基础上，成功地将将3D打印技术利用到 吸波功能陶瓷材料制备领域中来，不但将陶瓷粉体和吸波材料很好地结合起来，充分发挥 出两者的优势，兼具很好的力学性能和耐腐性能以及吸波性能，如通过本发明方法制备的 具有周期性方锥阵列表面的陶瓷吸波平板可以在2mm厚度实现8?12GHz频率内反射率均 小于-10dB (日本东北大学教授矢岛圣使制备的磁性碳化硅陶瓷纤维吸波材料在6_厚度 下才能达到该效果），相比同类产品厚度明显减小，大大减轻了产品的面密度；而且可以根 据需要对吸波陶瓷部件进行个性化精确设计，很容易的制备任意形状的、复杂的、具有精密 结构的陶瓷胚体，最小控制成型精度达到0. 8mm，有利于具有复杂形状和精细结构要求的产 品的研发与生产。
【专利附图】
【附图说明】
[0022] 【图1】为实施例1制得的吸波陶瓷部件平板反射率测试结果。
[0023] 【图2】为实施例2制得的吸波陶瓷部件平板反射率测试结果。
【具体实施方式】
[0024] 以下实施例旨在进一步说明本
【发明内容】
，而不是限制本发明的保护范围。
[0025] 实施例1
[0026] 在计算机中用proE软件建立所需要的吸波陶瓷部件的3D模型，再由计算机按层 分解，将3D模型分解成一系列二维薄片模型，每个薄片的厚度设定为200 μ m。按以下体积 百分比准备好原料：碳化硅粉末50 %、镍粉30 %，环氧树脂粉末20 %，将三种粉末放到特定 的容器中均匀混合。混合均匀的粉末倒入3D打印机原料缸。进行仪器调试，设置激光功率 15?50瓦之间，工作缸温度55°C，扫描速率大于200m/s。进行预铺粉操作直至工作部位铺 粉平整。由计算机开始进行多层制造。多层加工结束后自然冷却，小心去除余粉后得到胚 体。对胚体进行热压烧结。烧结过程对胚体进行惰性气体保护。制得的陶瓷部件反射率测 试曲线如图1(厚度1.2mm)。
[0027] 实施例2
[0028] 在计算机中建立所需要的吸波陶瓷部件的3D模型，再由计算机按层分解，将3D模 型分解成一系列二维薄片模型，每个薄片的厚度设定为150 μ m。按以下体积百分比准备好 原料：碳化硼粉末40 %、炭黑粉末30 %，尼龙粉末30 %。将三种粉末放到特定的容器中均匀 混合。混合均匀的粉末倒入3D打印机原料缸。进行仪器调试，设置激光功率170?200瓦 之间，工作缸温度180°C，扫描速率大于200m/s。进行预铺粉操作直至工作部位铺粉平整。 由计算机开始进行多层制造。多层加工结束后自然冷却，小心去除余粉后得到胚体。对胚 体进行热等静压烧结。烧结过程对胚体进行惰性气体保护。制得的陶瓷部件反射率测试曲 线如图2 (厚度1. 1mm)。
[0029] 实施例3
[0030] 在计算机中用proE软件建立所需要的吸波陶瓷部件的3D模型，再由计算机按层 分解，将3D模型分解成一系列二维薄片模型，每个薄片的厚度设定为250 μ m。按以下体积 百分比准备好原料：氧化铝粉末25%，碳化硅粉末25 %、镍粉30%，环氧树脂粉末20%，将 三种粉末放到特定的容器中均匀混合。混合均匀的粉末倒入3D打印机原料缸。进行仪器 调试，设置激光功率15?50瓦之间，工作缸温度55°C，扫描速率大于200m/s。进行预铺粉 操作直至工作部位铺粉平整。由计算机开始进行多层制造。多层加工结束后自然冷却，小 心去除余粉后得到胚体。对胚体进行热等静压烧结。烧结过程对胚体进行惰性气体保护。 制得的陶瓷部件在8?18GHz内反射率均小于-8dB，吸收峰值小于-10dB。
[0031] 实施例4
[0032] 在计算机中用proE软件建立所需要的吸波陶瓷部件的3D模型，再由计算机按层 分解，将3D模型分解成一系列二维薄片模型，每个薄片的厚度设定为200 μ m。按以下体积 百分比准备好原料：氧化铝粉末15 %，碳化硅粉末20 %、氧化硅15 %，铁粉30 %，环氧树脂 粉末20%，将三种粉末放到特定的容器中均匀混合。混合均匀的粉末倒入3D打印机原料 缸。进行仪器调试，设置激光功率15?50瓦之间，工作缸温度55°C，扫描速率大于200m/ s。进行预铺粉操作直至工作部位铺粉平整。由计算机开始进行多层制造。多层加工结束 后自然冷却，小心去除余粉后得到胚体。对胚体进行热压烧结。烧结过程对胚体进行惰性 气体保护。制得的陶瓷部件在8?18GHz内反射率均小于-8dB，吸收峰值小于-10dB。
【权利要求】
1. 基于3D打印技术制备吸波陶瓷部件的方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤（1):建模 通过计算机建立吸波陶瓷部件的3D模型，再由计算机按层分解，将3D模型分解成一系 列厚度为1〇〇?300 μ m的二维模型； 步骤（2):配料 将陶瓷粉末、电磁吸收剂粉末和有机粘接剂粉末按照体积比〇. 2?3:0. 2?3:1进行 混合得到混合粉体材料； 步骤⑶：制胚 将步骤（1)建好的3D模型数据输入3D打印机的配套设备中，并设置打印程序，再将步 骤（2)所得混合粉末材料注入3D打印机中，在保护气氛环境下，通过激光器烧结方式制备 二维薄片并自动实现逐层堆积成型，得到吸波陶瓷部件坯体； 步骤（4):烧结 将步骤（3)得到的吸波陶瓷部件胚体进行致密化烧结，即得吸波陶瓷部件。
2. 根据权利要求1的所述的方法，其特征在于，所述的电磁吸收剂为铁、钴、镍、铝中的 一种或几种，和/或为铁氧体和/或氧化锌，和/或为石墨、炭黑、碳纤维中的一种或几种。
3. 根据权利要求1的所述的方法，其特征在于，所述的陶瓷粉末粒径< 200 μ m。
4. 根据权利要求3的所述的方法，其特征在于，所述的陶瓷粉末为氧化铝、氧化锆、氧 化硅、氧化镁、碳化硅、碳化硼中的一种或几种粉末材料。
5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的有机粘结剂粉末粒径< 150 μ m。
6. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的有机粘接剂粉末为聚苯乙烯、树 月旨、石蜡、尼龙粉末中的一种或几种。
7. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的致密化烧结为无压烧结、热压烧 结、热等静压烧结、反应烧结或微波烧结。
8. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的保护气氛为氮气、氩气、氦气中的 一种或几种。
9. 根据权利要求1?8任一项所述的方法，其特征在于，激光器的工作条件：功率为 10?500瓦，工作缸温度40?250°C，扫描速率大于200m/s。
【文档编号】B28B1/00GK104193345SQ201410409224
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月20日 优先权日:2014年8月20日
【发明者】杜作娟, 周丁, 黄小忠 申请人:中南大学