本发明属于陶瓷材料制备技术领域，具体涉及一种纤维增强陶瓷制件的成形方法。
背景技术：
陶瓷具有硬度高、耐高温、抗氧化、耐化学腐蚀等优点，是应用前景极其光明的结构与功能材料，但由于其呈脆性，难以承受剧烈的机械冲击与热冲击，致使其实际应用潜能受到了严重的束缚。为此人们通过向陶瓷基体中添加纤维，制成纤维增强陶瓷的方法对其脆性予以改善。纤维增强陶瓷由于能在保存原有陶瓷基体性能的前提下，对其脆性进行改善，较大幅度的提高强度、韧性等力学性能，进而受到了来自航空、航天、国防建设等领域的广泛关注。
现有纤维增强陶瓷制件的成形，采用预先将纤维与陶瓷基体的混合物压制成块然后烧结定形，或边成形边进行纤维引入，最后烧结定形的方法，受其加工工艺的限制，会存在如下缺点：制件的结构难以复杂化；纤维的引入、排布存在困难；制件精度差、致密度小、强度低。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种纤维增强陶瓷制件的成形方法，解决了现有方法得到的陶瓷制件存在纤维的引入、排布困难及制件精度差、致密度小的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种纤维增强陶瓷制件的成形方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，将陶瓷材料和纤维材料按体积比为1.5-4:1混合，然后加入分散剂在搅拌机中搅拌混合均匀，得到纤维增强陶瓷材料；
步骤2，将丙烯酸酯与环氧化合物按体积比为1-9:1混合均匀，获得预混树脂；
步骤3，将步骤1得到的纤维增强陶瓷材料加入步骤2得到的预混树脂中，再在避光的条件下加入光引发剂，并搅拌均匀制成纤维增强陶瓷浆料，最后，在避光、负压或常压下静置10-48h，以排除其中的气泡；
步骤4，将处理好的待成形零件三维模型信息，导入光固化成形设备内，利用步骤3得到的纤维增强陶瓷浆料成形出所需零件的毛坯，最后经过脱脂、烧结，得到纤维增强陶瓷制件。
本发明的特点还在于，
步骤1中陶瓷粉末的直径为0.2-3μm；纤维材料的直径为0.5-4μm、长度为20-200μm。
步骤1中搅拌机的速率为300-800rad/min，搅拌时间为1-4h；分散剂总量为纤维与陶瓷总质量的0.1％-2％。
步骤2中丙烯酸酯为丙烯酸甲酯或1,6-己二醇二丙烯酸酯；环氧化合物为缩水甘油酯类环氧树脂或脂环族环氧树脂。
步骤2中在预混树脂中加入相溶剂和/或稀释剂。
步骤3中纤维增强陶瓷材料与预混树脂的体积为，纤维增强陶瓷材料：预混树脂＝9:11-4:1。
步骤3中纤维增强陶瓷浆料静置时间为10-48h。
步骤3中将步骤1得到的纤维增强陶瓷材料分次逐步加入步骤2得到的预混树脂中，且分次加入时，同时加入消泡剂，搅拌均匀；消泡剂总量为纤维与陶瓷总质量的0.05％-0.5％，每次搅拌时间1-5h，搅拌速率为100-600r/min。
步骤3中光引发剂为自由基型引发剂与阳离子型引发剂以体积比为1-9：1混合而得，其中光引发剂总量为纤维与陶瓷总质量的0.05％-1.5％，搅拌速率150-600r/min、搅拌时间1-3h。
步骤4中脱脂工艺为：在常压、空气或氩气保护的环境下，以0.1-2℃/min的升温速率使毛坯的温度升高到400-700℃，保温2-5h后随炉冷却；然后抽真空，再以0.1-2℃/min的升温速率升高到400-700℃，保温2-5h后随炉冷却。
步骤4中烧结工艺为：在氩气保护的环境下，气体压力10-200mpa，以5-10℃/min的升温速率升到1000-1800℃，保温2-10h后随炉冷却。
本发明的有益效果是，本发明纤维增强陶瓷制件的成形方法，通过将纤维材料与陶瓷基体按一定比例均匀混入光敏树脂中，利用光固化技术成形所需制件的毛坯，再通过脱脂、烧结实现制件的致密化，减小了零件结构复杂程度对成形的限制、避免了纤维引入与排布的难题、实现了纤维与基体所占比例的按需调节，并可以减少缺陷、提高精度与强度。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种纤维增强陶瓷制件的成形方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，将直径为0.2-3μm陶瓷材料和直径为0.5-4μm、长度为20-200μm纤维材料按体积比为1.5-4:1混合，然后加入分散剂在搅拌机中以速率为300-800rad/min，搅拌为1-4h，得到纤维增强陶瓷材料；其中分散剂总量为纤维与陶瓷总质量的0.1％-2％；
步骤2，将丙烯酸酯(丙烯酸甲酯或1,6-己二醇二丙烯酸酯)与环氧化合物(缩水甘油酯类环氧树脂或脂环族环氧树脂)按体积比为1-9:1混合，然后加入相溶剂(如多元醇)和/或稀释剂(如丙烯基缩水甘油醚)，在搅拌机内以速率为100-500rad/min，搅拌1-4h，获得预混树脂；
步骤3，将步骤1得到的纤维增强陶瓷材料分步逐次加入步骤2得到的预混树脂中(纤维增强陶瓷材料与预混树脂的体积为，纤维增强陶瓷材料：预混树脂＝9:11-4:1)，在每一次加入时都加入消泡剂(如矿物油)并搅拌均匀，加入的消泡剂总量为纤维与陶瓷总质量的0.05％-0.5％，每次搅拌时间1-5h，搅拌速率为100-600r/min；再在避光的条件下加入光引发剂，并搅拌均匀制成纤维增强陶瓷浆料，光引发剂为自由基型引发剂(如二烷氧基苯乙酮、苯偶姻系等)与阳离子型引发剂(如硫鎓盐、碘鎓盐等)以体积比为1-9:1混合而得，其中光引发剂总量为纤维与陶瓷总质量的0.05％-1.5％，搅拌速率150-600r/min、搅拌时间1-3h，最后，在避光、负压或常压下静置10-48h，以排除其中的气泡；
步骤4，将处理好的待成形零件三维模型信息，导入光固化成形设备内，利用步骤3得到的纤维增强陶瓷浆料成形出所需零件的毛坯，最后经过脱脂、烧结，得到纤维增强陶瓷制件。
步骤4中脱脂工艺为：在常压、空气或氩气保护的环境下，以0.1-2℃/min的升温速率使毛坯的温度升高到400-700℃，保温2-5h后随炉冷却；然后抽真空，再以0.1-2℃/min的升温速率升高到400-700℃，保温2-5h后随炉冷却。
步骤4中烧结工艺为：在氩气保护的环境下，气体压力10-200mpa，以5-10℃/min的升温速率升到1000-1800℃，保温2-10h后随炉冷却。
本发明采用光固化成形技术，通过预先引入纤维并均匀混合的方法，避免了纤维引入、排布及比例调节的难题，且解除了制件成形受其结构复杂程度的限制。
同时，采用上述浆料的配制工艺，能够保证浆料在其固相所占体积分数为45-80％的范围内均可以获得良好的混合效果，另外结合上述的脱脂、烧结工艺步骤，确保成形制件具有高的致密度及粘结强度，提高成形零件的综合力学性能。
实施例1
光固化成形碳纤维增强al2o3陶瓷制件
1.纤维增强陶瓷材料的准备与树脂材料的预混合。首先按照体积分数比，al2o3粉末：c纤维＝3:1的比例，称取270g直径1um、长度50-100um的c纤维与1620g、d50＝1um的al2o3粉末，然后加入18.90g分散剂(纤维与强陶瓷总质量的1％)在搅拌机内以300rad/min的速率，搅拌3h使二者混合均匀，得到纤维增强陶瓷材料；按体积比，丙烯酸酯：环氧化合物＝4:1的比例，量取丙烯酸甲酯320ml，缩水甘油酯80ml，并加入少量的相溶剂(多元醇)、稀释剂(丙烯基缩水甘油醚)，在搅拌机内以150rad/min的速率，搅拌1h制成预混树脂。
2.纤维增强陶瓷浆料的制备。将纤维增强陶瓷材料分步逐次加入预混树脂中(纤维增强陶瓷材料与预混树脂的体积为，纤维增强陶瓷材料：预混树脂＝3:2)，在每一次加入时都加入消泡剂(矿物油)并搅拌均匀，加入的消泡剂总量为纤维与强陶瓷总质量的的0.5％(9.45g)，每次搅拌时间3h，搅拌速率为400r/min；再在避光的条件下加入纤维与强陶瓷总质量的的1％光引发剂(18.90g)，并搅拌均匀制成纤维增强陶瓷浆料，光引发剂为二烷氧基苯乙酮与硫鎓盐以体积比为4：1混合而得，所用的搅拌参数为，搅拌速率200r/min、搅拌时间2h；最后，在避光条件下静置24h。
3.纤维增强陶瓷制件毛坯的光固化成形。将处理好的c纤维增强al2o3陶瓷浆料装入光固化成形设备中，并导入经过处理的待成形零件三维模型，成形出所需制件的毛坯。
4.脱脂烧结。脱脂工艺为：在常压、氩气环境下，以0.1℃/min的升温速率升高到400℃，保温2h后随炉冷却；然后抽真空，以相同的升温速率升到相同的温度，经历同等的保温时间后再次随炉冷却。烧结工艺为：在氩气压力为50mpa的环境下，以5℃/min的升温速率升到1520℃，保温2h后随炉冷却。
实施例2
光固化成形sic纤维增强sio2陶瓷制件
1.纤维增强陶瓷材料的准备与树脂材料的预混合。首先按照混合后体积分数比，sio2粉末：sic纤维占＝4:1的比例，称取325g直径4um、长度150-200um的sic纤维与1144g、d50＝2um的的sio2粉末，然后加入14.69g分散剂(纤维与强陶瓷总质量的1％)在搅拌机内以500rad/min的速率，搅拌2h使二者混合均匀，得到纤维增强陶瓷材料；按体积比，丙烯酸酯：环氧化合物＝17:3的比例，量取1,6-己二醇二丙烯酸酯297.5ml，脂环族环氧树脂52.5ml，并加入少量的相溶剂(多元醇)、稀释剂(丙烯基缩水甘油醚)，在搅拌机内以200rad/min的速率，搅拌2h制成预混树脂。
2.纤维增强陶瓷浆料的制备。将纤维增强陶瓷材料分步逐次加入预混树脂中(纤维增强陶瓷材料与预混树脂的体积为，纤维增强陶瓷材料：预混树脂＝13:7)，在每一次加入时都加入消泡剂(矿物油)并搅拌均匀，加入的消泡剂总量为纤维与强陶瓷总质量的0.4％(5.876g)，每次搅拌时间2.5h，搅拌速率为350r/min；再在避光的条件下加入纤维与强陶瓷总质量的1％光引发剂(14.69g)，并搅拌均匀制成纤维增强陶瓷浆料，光引发剂为二烷氧基苯乙酮与硫鎓盐以体积比为17:3混合而得，所用的搅拌参数为，搅拌速率380r/min、搅拌时间2h；最后，在避光、压力≤-0.06mpa的条件下静置12h。
3.纤维增强陶瓷制件毛坯的光固化成形。将处理好的sic纤维增强sio2陶瓷浆料装入光固化成形设备中，并导入经过处理的待成形零件三维模型，成形出所需制件的毛坯。
4.脱脂烧结。脱脂工艺为：在常压、氩气环境下，以1℃/min的升温速率升高到500℃，保温2h后随炉冷却；然后抽真空，以相同的升温速率升到相同的温度，经历同等的保温时间后再次随炉冷却。烧结工艺为：在氩气压力为50mpa的环境下，以10℃/min的升温速率升到1000℃，保温10h后随炉冷却。
实施例3
光固化成形sic纤维增强si3n4陶瓷制件
1.纤维增强陶瓷材料的准备与树脂材料的预混合。首先按照混合后体积分数比，si3n4粉末：sic纤维＝7:3的比例，称取562.5g直径3um、长度100-150um的sic纤维与1680g、d50＝3um的si3n4颗粒，然后加入11.2125g分散剂(纤维与强陶瓷总质量的0.5％)在搅拌机内以400rad/min的速率，搅拌2.5h使二者混合均匀；按体积比，丙烯酸酯：环氧化合物＝1.5:1的比例，量取丙烯酸甲酯150ml，脂环族环氧树脂100ml，并加入少量的相溶剂(多元醇)、稀释剂(丙烯基缩水甘油醚)，在搅拌机内以300rad/min的速率，搅拌1.5h制成预混树脂，制成预混树脂。
2.将纤维增强陶瓷材料分步逐次加入预混树脂中(纤维增强陶瓷材料与预混树脂的体积为，纤维增强陶瓷材料：预混树脂＝3:1)，在每一次加入时都加入消泡剂(矿物油)并搅拌均匀，加入的消泡剂总量为纤维与强陶瓷总质量的0.05％(1.1213g)，每次搅拌时间2h，搅拌速率为200r/min；再在避光的条件下加入纤维与强陶瓷总质量的0.5％光引发剂(11.2125g)，并搅拌均匀制成纤维增强陶瓷浆料，光引发剂为二烷氧基苯乙酮与硫鎓盐以体积比为1.5:1混合而得，所用的搅拌参数为，搅拌速率420r/min、搅拌时间1.5h；最后，在避光、压力≤-0.06mpa的条件下静置12h。
3.纤维增强陶瓷制件毛坯的光固化成形。将处理好的sic纤维增强si3n4陶瓷浆料装入光固化成形设备中，并导入经过处理的待成形零件三维模型，成形出所需制件的毛坯。
4.脱脂烧结。脱脂工艺为：在常压、空气环境下，以1.5℃/min的升温速率升高到700℃，保温2h后随炉冷却；然后抽真空，以相同的升温速率升到相同的温度，经历同等的保温时间后再次随炉冷却。烧结工艺为：在氩气压力为100mpa的环境下，以5℃/min的升温速率升到1650℃，保温2h后随炉冷却。
实施例4
光固化成形sic纤维增强sio2陶瓷制件
1.纤维增强陶瓷材料的准备与树脂材料的预混合。首先按照混合后体积分数比，sio2粉末：sic纤维＝1.5:1的比例，称取450g直径0.5um、长度20-50um的c纤维与594g、d50＝0.2um的的sio2粉末，然后加入20.88g分散剂(纤维与强陶瓷总质量的2％)在搅拌机内以600rad/min的速率，搅拌1h使二者混合均匀，得到纤维增强陶瓷材料；按体积比，丙烯酸酯：环氧化合物＝9:1的比例，量取丙烯酸甲酯495ml，脂环族环氧树脂55ml，并加入少量的相溶剂(多元醇)、稀释剂(丙烯基缩水甘油醚)，在搅拌机内以100rad/min的速率，搅拌3h制成预混树脂。
2.纤维增强陶瓷浆料的制备。将纤维增强陶瓷材料分步逐次加入预混树脂中(纤维增强陶瓷材料与预混树脂的体积为，纤维增强陶瓷材料：预混树脂＝9:11)，在每一次加入时都加入消泡剂(矿物油)并搅拌均匀，加入的消泡剂总量为纤维与强陶瓷总质量的0.4％(8.352g)，每次搅拌时间1h，搅拌速率为100r/min；再在避光的条件下加入纤维与强陶瓷总质量的1.5％光引发剂(31.32g)，并搅拌均匀制成纤维增强陶瓷浆料，光引发剂为二烷氧基苯乙酮与硫鎓盐以体积比为9:1混合而得，所用的搅拌参数为，搅拌速率150r/min、搅拌时间1h；最后，在避光、常压下静置10h。
3.纤维增强陶瓷制件毛坯的光固化成形。将处理好的sic纤维增强sio2陶瓷浆料装入光固化成形设备中，并导入经过处理的待成形零件三维模型，成形出所需制件的毛坯。
4.脱脂烧结。脱脂工艺为：在常压、氩气环境下，以1℃/min的升温速率升高到500℃，保温3h后随炉冷却；然后抽真空，以相同的升温速率升到相同的温度，经历同等的保温时间后再次随炉冷却。烧结工艺为：在氩气压力为10mpa的环境下，以8℃/min的升温速率升到1800℃，保温6h后随炉冷却。
实施例5
光固化成形sic纤维增强si3n4陶瓷制件
1.纤维增强陶瓷材料的准备与树脂材料的预混合。首先按照混合后体积分数比，si3n4粉末：sic纤维＝3:1的比例，称取500g直径2um、长度50-100um的sic纤维与1920g、d50＝1.5um的si3n4颗粒，然后加入24.2g分散剂(纤维与强陶瓷总质量的1％)在搅拌机内以800rad/min的速率，搅拌4h使二者混合均匀；按体积比，丙烯酸酯：环氧化合物＝1:1的比例，量取1,6-己二醇二丙烯酸酯100ml，缩水甘油酯类环氧树脂100ml，并加入少量的相溶剂(多元醇)、稀释剂(丙烯基缩水甘油醚)，在搅拌机内以500rad/min的速率，搅拌4h制成预混树脂，制成预混树脂。
2.将纤维增强陶瓷材料分步逐次加入预混树脂中(纤维增强陶瓷材料与预混树脂的体积为，纤维增强陶瓷材料：预混树脂＝4:1)，在每一次加入时都加入消泡剂(矿物油)并搅拌均匀，加入的消泡剂总量为纤维与强陶瓷总质量的0.1％(2.42g)，每次搅拌时间5h，搅拌速率为600r/min；再在避光的条件下加入纤维与强陶瓷总质量的0.05％光引发剂(1.21g)，并搅拌均匀制成纤维增强陶瓷浆料，光引发剂为二烷氧基苯乙酮与硫鎓盐以体积比为3:1混合而得，所用的搅拌参数为，搅拌速率600r/min、搅拌时间3h；最后，在避光、压力≤-0.06mpa的条件下静置48h。
3.纤维增强陶瓷制件毛坯的光固化成形。将处理好的sic纤维增强si3n4陶瓷浆料装入光固化成形设备中，并导入经过处理的待成形零件三维模型，成形出所需制件的毛坯。
4.脱脂烧结。脱脂工艺为：在常压、空气环境下，以2℃/min的升温速率升高到400℃，保温5h后随炉冷却；然后抽真空，以相同的升温速率升到相同的温度，经历同等的保温时间后再次随炉冷却。烧结工艺为：在氩气压力为200mpa的环境下，以6℃/min的升温速率升到1300℃，保温8h后随炉冷却。