CN113135757A - 一种基于微波原位烧结的陶瓷初坯成形方法及产品 - Google Patents

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Abstract

本发明属于增材制造相关技术领域，并公开了一种基于微波原位烧结的陶瓷初坯成形方法及产品。该方法包括下列步骤：制备微波吸收剂和SiC粉末；利用所述SiC粉末进行三维喷印，在该三维喷印过程中，在喷印成形一个切片层后，在该切片层表面喷射所述微波吸收剂，然后对该切片层进行微波加热，使得该切片层进行原位加热烧结成形，以此逐层成形每个切片层，获得所需的陶瓷初坯。本发明还公开了上述方法制备获得的产品。通过本发明，解决了有机粘结剂易阻塞墨路腐蚀喷头、初坯强度低的问题，并且原位烧结成形省去了后续固化、脱脂热处理工序，简化了制造工艺。

Description

一种基于微波原位烧结的陶瓷初坯成形方法及产品
技术领域
本发明属于增材制造相关技术领域，更具体地，涉及一种基于微波原位烧结的陶瓷初坯成形方法及产品。
背景技术
三维喷印(Three-Dimension Printing，3DP)又称粘结剂喷射技术，是增材制造技术的一种，主要利用喷头选择性地喷射液体粘结剂，将离散粉末逐层粘结堆积成形，从而获得所需制件，可应用于陶瓷、塑料、金属等复杂零件的制备。较传统工艺，具有成形速度快、不需要模具、不受零件几何复杂度影响、材料可循环利用等诸多优点。但现有三维喷印技术在成形陶瓷制件时，仍存在以下缺点或问题：
一、有机粘结剂容易堵塞和腐蚀喷头。目前粘结剂主要为有机粘结剂(如聚乙烯醇、酚醛树脂、呋喃树脂)，因其分子链较长、含量较多、粘度大，能够将陶瓷粉末粘结起来，且分解温度低，通过后续热处理可几乎完全去除。但正因为其分子链长，粘度大，且受热易析出，因而使用时易在喷头和墨路处堵塞，且难以清洗，使得设备稳定性低、可靠性差，同时降低打印零件精度和喷头寿命；
二、初坯强度低，后处理工序多，性能难以满足使用所需要求。陶瓷三维喷印主要采用有机粘结剂将粉末颗粒逐层相互粘结，所成形陶瓷初坯孔隙率较大，强度低。喷印完毕后，难以或不能将其从成形腔中直接取出，需整体加热固化、脱脂、烧结一系列繁琐热处理工序，每一步均需要严格控制温度、时间等工艺参数。
针对以上问题，已有部分公开专利对粘结剂配方和后处理工序进行改进，以此提高陶瓷初坯强度，满足使用需求。例如专利CN111875394A和CN110105073A分别采用水性苯乙烯-丙烯酸共聚树脂和丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟丙酯为基体再辅以邻苯二甲酸乙二酯润湿剂来减小粘结剂的表面张力从而使其更易渗透，增加与陶瓷粉末的接触面积从而提高坯体强度，但其本质仍为高分子长链有机物，在使用过程中依旧存在堵塞喷头的可能性；专利CN107098714A公开了一种三维喷印成形碳化硅陶瓷的热处理工序方法，先使用有机粘结剂制得初坯，随后进行干燥脱脂—化学气相沉积—热等静压热处理，能够获得良好高温综合性能的致密零件，但该方法工序较传统更为复杂，且后续热等静压处理限制了复杂镂空结构零件的三维喷印成形；专利CN105562623A公开了一种水玻璃砂快速成形的方法，采用钠水玻璃与聚乙烯醇的混合溶液作为粘结剂，对砂型进行三维喷印，随后用微波进行每一层加热固化，但本质还是采用有机粘结剂，对喷头和墨路还有损害，同时可成形原料单一，且砂型强度要求较低，不能满足陶瓷零件的使用需求。
综上，三维喷印能够快速成形各种复杂形状的陶瓷初坯，极大降低成本和缩短工艺时间，但现有技术采用有机粘结剂进行喷印，容易阻塞墨路腐蚀喷头，且成形的初坯强度很低，需要进行一系列的后处理才能满足搬运和使用需求，工艺复杂。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于微波原位烧结的陶瓷初坯成形方法及产品，在现有三维喷印技术基础上，配制无机微波吸收剂代替传统有机粘结剂，调节碳化硅陶瓷电阻率，提高其介电性能使其能够吸收微波，并解决了有机粘结剂易阻塞墨路腐蚀喷头、初坯强度低的问题，其中原位烧结成形省去了后续固化、脱脂热处理工序，简化了制造工艺。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于微波原位烧结的陶瓷初坯成形方法，该方法包括下列步骤：
制备微波吸收剂和SiC粉末；利用所述SiC粉末进行三维喷印，在该三维喷印过程中，在喷印成形一个切片层后，在该切片层表面喷射所述微波吸收剂，然后对该切片层进行微波加热，使得该切片层进行原位加热烧结成形，以此逐层成形每个切片层，获得所需的陶瓷初坯。
进一步优选地，所述微波吸收剂为无机微波吸收剂，粘度小于2mPa·s，PH值为6.9～7.1，表面张力为20mN/m～40mN/m。进一步优选地，所述微波加热中，微波功率为200W～800W，每一层加热时间为0.5s～6s，加热温度为300℃～800℃。
进一步优选地，所述微波吸收剂按照下列方法制备：
将水溶性无机盐、高分子改性剂好去离子水混合，形成混合溶液，测量混合溶液的pH值，然后加入有机酸使该混合溶液的pH为6.9～7.1，以此获得所需的微波吸收剂。
进一步优选地，所述微波吸收剂中，去离子水的质量分数为60wt％～75wt％，水溶性无机盐质量分数为25wt％～40wt％，高分子改性剂质量分数小于等于2.5wt％，其它为有机酸。
进一步优选地，所述水溶性无机盐为含Al、Fe、Ni、N一种或多种元素的氯化物、溴化物、碳酸盐、硫酸盐、硝酸盐、磷酸盐、偏铝酸盐、氢氧化物的一种或多种。
进一步优选地，所述高分子改性材料为聚乙二醇、甘油、糠醇、淀粉、纤维素中的一种或多种。
进一步优选地，所述有机酸为醋酸、草酸的一种或两种。
进一步优选地，所述SiC粉末通过下列方式制备获得：
选取粒径为40～50μm和粒径为10～20μm的α～SiC粉末按照体积分数比(50～80):(50～20)混合，然后球磨和研磨后获得所需的SiC粉末。
按照本发明的另一个方面，提供了一种上述所述的成形方法制备获得的陶瓷初坯产品。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：
1.本发明中通过在切片层上喷涂微波吸收剂，然后在利用微波加热使得粉末之间彼此粘接实现坯体的逐层固化成形，该微波吸收剂代替传统的粘结剂，解决了传统的有机粘结剂容易腐蚀喷头、阻塞墨路等问题，降低损坏喷头的可能性，提高设备的稳定性和可靠性，大大减少了成本；同时，微波吸收剂调价在陶瓷初坯中，也大大提高了陶瓷粉末的介电性能；
2.本发明中采用微波吸收剂代替传统的粘结剂，坯体固化后颗粒间结合性更好，初坯强度大大提高，避免了后续固化、脱脂等步骤，简化工艺，节约成本，利用微波改性剂增加陶瓷粉末介电性能，使粉末充分吸收微波，从而在较低温度下就可使实现加热原位固化，随后可直接进行最终烧结处理；
3.本发明提出了选择性喷射微波吸收剂后采用微波加热进行原位烧结成形，随后可进行烧结得到致密零件，由于过程无需渗碳或渗硅，减少残碳和残硅量，提高零件的强度和SiC含量，最终零件固相含量很高，解决了传统有机粘结剂成形后产生大量的残硅或者残碳，碳化硅含量只有50％左右，严重影响零件的强度和使用要求等问题；
4.本发明中三维喷印设备喷头是由上万个微米级的微孔道所构成，如果改性剂的粘度过大，流动性降低难以从喷头内正常喷出；酸碱度过大都会腐蚀喷头，本发明利采用水溶性无机盐最为主要溶质，pH保持在中性；表面张力与润湿性有关，表面张力过大则改性剂与粉末难以润湿，无法发挥改性作用，表面张力过小改性剂润湿性太强，渗入未打印区域，影响零件尺寸精度，微波加热功率在200～800W和0.5s～6s保证粉末能在较低的温度内固化，家用微波设备都可满足需求，对设备要求不高；改性剂的配置主要保证改性元素含量足够用来改变SiC的介电性能，也会影响初坯的吸波效率进而影响初坯的力学性能；采用大小颗粒配比作为原材料，小颗粒作为填充相填在大颗粒之间的空隙中，能有效的提高初坯的致密度，进一步提高初坯的力学性能。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所构建的微博固化的原理示意图；
图2是按照本发明的优选实施例所构建的微波原位烧结三维喷印工艺装置示意图；
图3是按照本发明的优选实施例所构建的微波原位烧结三维喷印工艺流程示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-打印喷头，2-铺粉辊，3-供粉缸，4-成形缸，5-打印零件，6-微波加热炉。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明提出了一种基于微波原位烧结的三维喷印成形碳化硅陶瓷初坯的方法，具体包括以下步骤：
S1配制适用于工业喷头的无机微波吸收剂，分别将水溶性无机盐、高分子改性剂溶于去离子水，将其充分混合后测定pH值，然后加入有机酸调节溶液pH为7～8得到微波吸收剂。
优选地，所述微波吸收剂组分含量为：去离子水占60wt％～75wt％，水溶性无机盐占25wt％～40wt％，高分子改性剂占0～2.5wt％，其他为有机酸，水溶性无机盐为提供陶瓷材料的吸波改性元素，高分子改性剂调节溶液的粘度和表面张力，有机酸用于调节溶液的pH。去离子水作为溶剂，无机盐改善吸波性能在此温度范围内刚好能够改变SiC介电性能从而吸收微波进行固化，同时保证改性剂满足粘度和表面张力的要求。
优选地，所述水溶性无机盐为含Al、Fe、Ni、N一种或多种元素的氯化物、溴化物、碳酸盐、硫酸盐、硝酸盐、磷酸盐、偏铝酸盐、氢氧化物的一种或多种。其中Al、Fe、Ni、N元素掺杂可调节碳化硅陶瓷的电阻率，从而提高其介电性能，使其能吸收微波，内部升温加热烧结。
优选地，所述高分子改性材料为聚乙二醇、甘油、糠醇、淀粉、纤维素中的一种或多种。
优选地，所述有机酸为醋酸、草酸的一种或两种。
优选地，最终无机微波吸收剂粘度小于2mPa·s，PH值为7～8，表面张力为20mN/m～40mN/m。优选地，具体配置方法如下：
A、称量，按一定组分用天平称量所需的水溶性无机盐和高分子改性剂；
B、溶化，将称量后的水溶性无机盐和高分子改性剂溶于水，搅拌均匀；
C、调节pH，用试纸测试上一步溶液的pH，用滴管滴定有机酸调节溶液pH为7～8之间。
S2配制双峰SiC粉末，选用平均粒径为10～100μm的商用α～SiC粉末，将大小粒径的粉末按一定比例配比后，进行球磨、研磨，得到三维喷印用SiC粉末。
优选地，双峰混合粉末能够提高堆积密度，使颗粒得到更大面积的粘结，进而提高打印固化后的坯体强度。
优选地，大颗粒平均粒径为50～70μm，小颗粒平均粒径为10～20μm，大小颗粒粉末按体积分数比(50～80)：(50～20)进行配比。
优选地，粉末用量筒量取后，与一定量的不锈钢球混合，一同放入球磨机中，一定时间后得到SiC球状颗粒，然后加入研磨瓶中进行粉碎。
优选地，不锈钢球直径为2mm～6mm，球料比设定为(3:1)～(10:1)，转速设定为100r/min～250r/min，时间设定为1h～3h，研磨时间设定为10h～24h。
优选地，球磨30分钟后在空气中冷却10分钟，以避免罐内温度过高。
优选地，经球磨混合后，粉末的堆积密度为50％～70％，流动性豪斯纳比为1.35～1.6，碳化硅陶瓷粉末粒径为50μm～70μm与10μm～20μm的双峰均匀混合。
S3开始喷印成形，如图2所示，将上述制备的碳化硅陶瓷粉末装到三维喷印设备的供粉缸3中，使用铺粉辊2在成形缸4成形台面均匀铺一层所述粉末，打印喷头1依据所导入三维零件信息，在粉末层表面选择性地喷射上述微波吸收剂。每完成一层，置于成形台面两侧的微波加热炉6合并密封，对成形台面进行微波加热，掺杂改性元素的粉末颗粒间吸收微波，粉末颗粒内部质点在热量的作用下扩散进而使颗粒之间在原位进行烧结成形，同时层间粉末也烧结成形。随后成形缸下降一个层厚的高度，供粉缸上升1～1.5倍层厚的高度，重复上述过程，直至完成零件整体成形，成形完毕，用微波在800W下加热0.5～3h进行最终固化，即可得到所需陶瓷初坯。
优选地，铺粉层厚为0.1mm～0.5mm，喷墨量为40％～80％，喷头扫描速度为0.35m/s～2.5m/s，铺粉速度为0.05m/s～0.7m/s。
优选地，微波功率为200W～800W，每一层加热时间为0.5s～6s，加热温度为300℃～800℃。
最终制备获得的陶瓷初坯的弯曲强度可达到10～20MPa。
微波原位烧结成形的主要原理为：微波是波长为1m～1mm的电磁波碳化硅陶瓷材料介电性能较差，难以吸收微波使材料内部升温，在加入N、Fe、Ni、Al这些元素后，对碳化硅粉末的电阻率进行调控，使其具有理想的吸波性能，从而满足微波烧结的条件。在逐层堆积时，改性后的陶瓷粉末内部在微波电磁作用下发生介电损耗，由内而外整体升温，使其内部质点在较低温度下获得足够的能力进行迁移，从而达到烧结所需温度，促使粉末颗粒间粘结，使材料致密化。此打印过程中，每一层粉末在被喷射无机微波吸收剂后，均使用微波进行烧结原位烧结，层与层间粘结更为紧实，故所得初坯强度远大于有机粘结剂下的初坯，可直接满足搬运需求，且具有所需烧结温度低、升温速度快、烧结时间短、无污染等诸多优点。
下面将结合具体实施例进一步说明本发明。
本发明实施例提供一种基于微波原位烧结的三维喷印成形陶瓷初坯的方法，如图3所示，具体实施步骤如下：
实施例1
一种基于微波烧结及三维喷印成形碳化硅陶瓷的方法，包括以下步骤：
S1制备微波吸收剂，量取75wt％去离子水，用天平量取质量分数25wt％的硝酸铁粉末，量取0.5wt％的甘油。
将硝酸铁粉末和甘油溶于去离子水中，搅拌均匀使其充分扩散，用旋转测度仪测定溶液的粘度，用表面张力仪测定溶液表面张力，pH计测定酸碱度。
再滴加0～0.5wt％醋酸，来调节微波吸收剂的pH；
最终溶液粘结剂粘度为1.3mPa·s，ph为7.1，表面张力为21mN/m。
S2配置碳化硅粉末颗粒，选用粒径为50μm和10μm的α-SiC粉末。
用量筒量取，按80vol％平均粒径为50μm和20vol％平均粒径为10μm的混合，加入球磨机中，采用小球和低磨铣速度，球粉质量比设定为10:1，在常温下混合1h，得到球状大颗粒，然后在研磨瓶中进行粉碎，研磨时间为24h得到三维喷印用粉末。
S3打印成形初坯：将配置好的粉末按层厚为0.1mm铺在成形台面，设置铺粉速度为0.15m/s，铺粉层厚为0.1mm，喷墨量为50％，扫描速度为0.5m/s，微波功率设置为300W，加热时间为1.5s，逐层累计，最后在800W下微波固化1h，得到高强度初坯，弯曲强度可达10.15MPa。
实施例2
一种基于微波烧结及三维喷印成形碳化硅陶瓷的方法，包括以下步骤：
S1制备微波吸收剂，选取65wt％去离子水，用天平量取质量分数33.5wt％的氯化铝粉末，量取1wt％的甘油。
将氯化铝粉末和甘油溶于去离子水中，搅拌均匀使其充分扩散，用旋转测度仪测定溶液的粘度，用表面张力仪测定溶液表面张力，pH计测定酸碱度。
再滴加0～0.5wt％醋酸，来调节微波吸收剂的pH；
最终溶液粘结剂粘度为1.65mPa·s，ph为7.0，表面张力为29mN/m。
S2配置碳化硅粉末颗粒，选用粒径为50μm和10μm的α-SiC粉末。
用量筒量取，按80vol％平均粒径为50μm和20vol％平均粒径为10μm的混合，加入球磨机中，采用小球和低磨铣速度，球粉质量比设定为7:1，在常温下混合1h，得到球状大颗粒，然后在研磨瓶中进行粉碎，研磨时间为20h得到三维喷印用粉末。
S3打印成形初坯：将配置好的粉末按层厚为0.15mm铺在成形台面，设置铺粉速度为0.15m/s，铺粉层厚为0.15mm，喷墨量为60％，扫描速度为0.75m/s，微波功率设置为400W，加热时间为5s，逐层累计，最后在800℃下微波固化1.5h，得到高强度初坯，弯曲强度可达15.30MPa。
实施例3
一种基于微波烧结及三维喷印成形碳化硅陶瓷的方法，包括以下步骤：
S1制备微波吸收剂，选取60wt％去离子水，用天平量取质量分数38.5wt％的氯化铝粉末，量取1.4wt％的糠醇。
将氯化铝粉末和甘油溶于去离子水中，搅拌均匀使其充分扩散，用旋转测度仪测定溶液的粘度，用表面张力仪测定溶液表面张力，pH计测定酸碱度。
再滴加0～0.1wt％醋酸，来调节微波吸收剂的pH；
最终溶液粘结剂粘度为1.83mPa·s，ph为7.0，表面张力为20mN/m。
S2配置碳化硅粉末颗粒，选用粒径为50μm和10μm的α-SiC粉末。
用量筒量取，按80vol％平均粒径为50μm和20vol％平均粒径为10μm的混合，加入球磨机中，采用小球和低磨铣速度，球粉质量比设定为6:1，在常温下混合1h，得到球状大颗粒，然后在研磨瓶中进行粉碎，研磨时间为20h得到三维喷印用粉末。
S3打印成形初坯：将配置好的粉末按层厚为0.2mm铺在成形台面，设置铺粉速度为0.2m/s，铺粉层厚为0.2mm，喷墨量为65％，扫描速度为0.80m/s，微波功率设置为600W，加热时间为4s，逐层累计，最后在800℃下微波固化0.5h，得到高强度初坯，弯曲强度可达19.36MPa。
实施例4
一种基于微波烧结及三维喷印成形碳化硅陶瓷的方法，包括以下步骤：
S1制备微波吸收剂，选取65wt％去离子水，用天平量取质量分数35wt％的氯化铝粉末，量取1.5wt％的糠醇。
将氯化铝粉末和甘油溶于去离子水中，搅拌均匀使其充分扩散，用旋转测度仪测定溶液的粘度，用表面张力仪测定溶液表面张力，pH计测定酸碱度。
再滴加0～0.1wt％醋酸，来调节微波吸收剂的pH；
最终溶液粘结剂粘度为1.83mPa·s，ph为7.0，表面张力为40mN/m。.
S2配置碳化硅粉末颗粒，选用粒径为50μm和10μm的α-SiC粉末。
用量筒量取，按70vol％平均粒径为50μm和30vol％平均粒径为10μm的混合，加入球磨机中，采用小球和低磨铣速度，球粉质量比设定为6:1，在常温下混合1h，得到球状大颗粒，然后在研磨瓶中进行粉碎，研磨时间为20h得到三维喷印用粉末。
S3打印成形初坯：将配置好的粉末按层厚为0.2mm铺在成形台面，设置铺粉速度为0.2m/s，铺粉层厚为0.2mm，喷墨量为65％，扫描速度为0.80m/s，微波功率设置为300W，加热时间为1s，逐层累计，最后在800℃下微波固化0.5h，得到高强度初坯，弯曲强度可达13.21MPa。
实施例5
一种基于微波烧结及三维喷印成形碳化硅陶瓷的方法，包括以下步骤：
S1制备微波吸收剂，选取75wt％去离子水，用天平量取质量分数40wt％的氯化铝粉末，量取2wt％的糠醇。
将氯化铝粉末和甘油溶于去离子水中，搅拌均匀使其充分扩散，用旋转测度仪测定溶液的粘度，用表面张力仪测定溶液表面张力，pH计测定酸碱度。
再滴加0～0.1wt％醋酸，来调节微波吸收剂的pH；
最终溶液粘结剂粘度为2mPa·s，ph为6.9，表面张力为26mN/m。
S2配置碳化硅粉末颗粒，选用粒径为50μm和10μm的α-SiC粉末。
用量筒量取，按50vol％平均粒径为50μm和50vol％平均粒径为10μm的混合，加入球磨机中，采用小球和低磨铣速度，球粉质量比设定为6:1，在常温下混合1h，得到球状大颗粒，然后在研磨瓶中进行粉碎，研磨时间为20h得到三维喷印用粉末。
S3打印成形初坯：将配置好的粉末按层厚为0.2mm铺在成形台面，设置铺粉速度为0.2m/s，铺粉层厚为0.2mm，喷墨量为65％，扫描速度为0.80m/s，微波功率设置为300W，加热时间为0.5s，逐层累计，最后在800℃下微波固化0.5h，得到高强度初坯，弯曲强度可达11.15MPa。
实施例6
一种基于微波烧结及三维喷印成形碳化硅陶瓷的方法，包括以下步骤：
S1制备微波吸收剂，选取60wt％去离子水，用天平量取质量分数25wt％的氯化铝粉末，量取2.5wt％的糠醇。
将氯化铝粉末和甘油溶于去离子水中，搅拌均匀使其充分扩散，用旋转测度仪测定溶液的粘度，用表面张力仪测定溶液表面张力，pH计测定酸碱度。
再滴加0～0.1wt％醋酸，来调节微波吸收剂的pH；
最终溶液粘结剂粘度为1.83mPa·s，ph为7.0，表面张力为26mN/m。
S2配置碳化硅粉末颗粒，选用粒径为50μm和10μm的α-SiC粉末。
用量筒量取，按80vol％平均粒径为50μm和20vol％平均粒径为10μm的混合，加入球磨机中，采用小球和低磨铣速度，球粉质量比设定为6:1，在常温下混合1h，得到球状大颗粒，然后在研磨瓶中进行粉碎，研磨时间为20h得到三维喷印用粉末。
S3打印成形初坯：将配置好的粉末按层厚为0.2mm铺在成形台面，设置铺粉速度为0.2m/s，铺粉层厚为0.2mm，喷墨量为65％，扫描速度为0.80m/s，微波功率设置为800W，加热时间为6s，逐层累计，最后在800℃下微波固化0.5h，得到高强度初坯，弯曲强度可达19.25MPa。
实施例7
一种基于微波烧结及三维喷印成形碳化硅陶瓷的方法，包括以下步骤：
S1制备微波吸收剂，选取65wt％去离子水，用天平量取质量分数33.5wt％的氯化铝粉末，量取1wt％的糠醇。
将氯化铝粉末和甘油溶于去离子水中，搅拌均匀使其充分扩散，用旋转测度仪测定溶液的粘度，用表面张力仪测定溶液表面张力，pH计测定酸碱度。
再滴加0～0.1wt％醋酸，来调节微波吸收剂的pH；
最终溶液粘结剂粘度为2mPa·s，ph为7.0，表面张力为26mN/m。
S2配置碳化硅粉末颗粒，选用粒径为50μm和10μm的α-SiC粉末。
用量筒量取，按80vol％平均粒径为50μm和20vol％平均粒径为10μm的混合，加入球磨机中，采用小球和低磨铣速度，球粉质量比设定为6:1，在常温下混合1h，得到球状大颗粒，然后在研磨瓶中进行粉碎，研磨时间为20h得到三维喷印用粉末。
S3打印成形初坯：将配置好的粉末按层厚为0.2mm铺在成形台面，设置铺粉速度为0.2m/s，铺粉层厚为0.2mm，喷墨量为65％，扫描速度为0.80m/s，微波功率设置为200W，加热时间为1s，逐层累计，最后在800℃下微波固化0.5h，得到高强度初坯，弯曲强度可达14.56MPa。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于微波原位烧结的陶瓷初坯成形方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
制备微波吸收剂和SiC粉末；利用所述SiC粉末进行三维喷印，在该三维喷印过程中，在喷印成形一个切片层后，在该切片层表面喷射所述微波吸收剂，然后对该切片层进行微波加热，使得该切片层进行原位加热烧结成形，以此逐层成形每个切片层，获得所需的陶瓷初坯。
2.如权利要求1所述的一种基于微波原位烧结的陶瓷初坯成形方法，其特征在于，所述微波吸收剂为无机微波吸收剂，粘度小于2mPa·s，PH值为6.9～7.1，表面张力为20mN/m～40mN/m。
3.如权利要求1所述的一种基于微波原位烧结的陶瓷初坯成形方法，其特征在于，所述微波加热中，微波功率为200W～800W，每一层加热时间为0.5s～6s。
4.如权利要求2所述的一种基于微波原位烧结的陶瓷初坯成形方法，其特征在于，所述微波吸收剂按照下列方法制备：
将水溶性无机盐、高分子改性剂好去离子水混合，形成混合溶液，测量混合溶液的pH值，然后加入有机酸使该混合溶液的pH为7～8，以此获得所需的微波吸收剂。
5.如权利要求4所述的一种基于微波原位烧结的陶瓷初坯成形方法，其特征在于，所述微波吸收剂中，去离子水的质量分数为60～75wt％，水溶性无机盐质量分数为25wt％～40wt％，高分子改性剂质量分数小于等于2.5wt％，其它为有机酸。
6.如权利要求4或5所述的一种基于微波原位烧结的陶瓷初坯成形方法，其特征在于，所述水溶性无机盐为含Al、Fe、Ni、N一种或多种元素的氯化物、溴化物、碳酸盐、硫酸盐、硝酸盐、磷酸盐、偏铝酸盐、氢氧化物的一种或多种。
7.如权利要求4或5所述的一种基于微波原位烧结的陶瓷初坯成形方法，其特征在于，所述高分子改性材料为聚乙二醇、甘油、糠醇、淀粉、纤维素中的一种或多种。
8.如权利要求4或5所述的一种基于微波原位烧结的陶瓷初坯成形方法，其特征在于，所述有机酸为醋酸、草酸的一种或两种。
9.如权利要求1所述的一种基于微波原位烧结的陶瓷初坯成形方法，其特征在于，所述SiC粉末通过下列方式制备获得：
选取粒径为40～50μm和粒径为10～20μm的α～SiC粉末按照体积分数比(50～80):(50～20)混合，然后球磨和研磨后获得所需的SiC粉末。
10.一种权利要求1-9任一项所述的成形方法制备获得的陶瓷初坯产品。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114262238A (zh) * 2021-12-27 2022-04-01 万卓（江苏）新材料有限公司 一种高效软瓷柔性饰面砖的制备方法
CN114920565A (zh) * 2022-03-29 2022-08-19 南通三责精密陶瓷有限公司 一种粘结剂喷射打印碳化硅陶瓷复合材料的制造方法
CN114956831A (zh) * 2021-09-15 2022-08-30 宁波伏尔肯科技股份有限公司 一种反应烧结碳化硅陶瓷及制备方法
CN115872758A (zh) * 2022-12-16 2023-03-31 西安交通大学 一种bj3dp打印的反应烧结碳化硅陶瓷及其制备方法
CN117263718A (zh) * 2023-09-14 2023-12-22 东北大学 一种泡沫陶瓷相似材料及其制备方法、生产装置和应用

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105562623A (zh) * 2015-12-31 2016-05-11 华中科技大学 一种水玻璃砂型快速成形方法
CN105599106A (zh) * 2015-12-31 2016-05-25 华中科技大学 一种陶瓷型芯坯体的微喷射粘结成形方法
CN108500201A (zh) * 2018-04-28 2018-09-07 安徽工业大学 一种水溶型芯的添加剂及其使用方法
CN108555226A (zh) * 2018-04-28 2018-09-21 安徽工业大学 一种水溶型芯的添加剂的制备方法
CN109420736A (zh) * 2017-08-24 2019-03-05 宁夏共享化工有限公司 铸造3d砂型打印用涂料组合物
WO2020230707A1 (ja) * 2019-05-13 2020-11-19 タテホ化学工業株式会社 マイクロ波吸収組成物、マイクロ波吸収体及びマイクロ波加熱体
CN112521130A (zh) * 2019-08-28 2021-03-19 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 一种基于3d打印技术的陶瓷零件的制备方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105562623A (zh) * 2015-12-31 2016-05-11 华中科技大学 一种水玻璃砂型快速成形方法
CN105599106A (zh) * 2015-12-31 2016-05-25 华中科技大学 一种陶瓷型芯坯体的微喷射粘结成形方法
CN109420736A (zh) * 2017-08-24 2019-03-05 宁夏共享化工有限公司 铸造3d砂型打印用涂料组合物
CN108500201A (zh) * 2018-04-28 2018-09-07 安徽工业大学 一种水溶型芯的添加剂及其使用方法
CN108555226A (zh) * 2018-04-28 2018-09-21 安徽工业大学 一种水溶型芯的添加剂的制备方法
WO2020230707A1 (ja) * 2019-05-13 2020-11-19 タテホ化学工業株式会社 マイクロ波吸収組成物、マイクロ波吸収体及びマイクロ波加熱体
CN112521130A (zh) * 2019-08-28 2021-03-19 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 一种基于3d打印技术的陶瓷零件的制备方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
徐庆柏: "《铸造文集》", 31 December 2015, 合肥工业大学出版社 *
李懋强: "《热学陶瓷 性能测试工艺》", 30 June 2013, 中国建材工业出版社 *

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114956831A (zh) * 2021-09-15 2022-08-30 宁波伏尔肯科技股份有限公司 一种反应烧结碳化硅陶瓷及制备方法
CN114956831B (zh) * 2021-09-15 2023-08-11 宁波伏尔肯科技股份有限公司 一种反应烧结碳化硅陶瓷及制备方法
CN114262238A (zh) * 2021-12-27 2022-04-01 万卓（江苏）新材料有限公司 一种高效软瓷柔性饰面砖的制备方法
CN114920565A (zh) * 2022-03-29 2022-08-19 南通三责精密陶瓷有限公司 一种粘结剂喷射打印碳化硅陶瓷复合材料的制造方法
CN115872758A (zh) * 2022-12-16 2023-03-31 西安交通大学 一种bj3dp打印的反应烧结碳化硅陶瓷及其制备方法
CN115872758B (zh) * 2022-12-16 2024-03-29 西安交通大学 一种bj3dp打印的反应烧结碳化硅陶瓷及其制备方法
CN117263718A (zh) * 2023-09-14 2023-12-22 东北大学 一种泡沫陶瓷相似材料及其制备方法、生产装置和应用
CN117263718B (zh) * 2023-09-14 2024-04-19 东北大学 一种泡沫陶瓷相似材料及其制备方法、生产装置和应用

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