[发明专利]一种基于纤维增强陶瓷先驱体3D打印技术的陶瓷复合材料成形方法

说明书

一种基于纤维增强陶瓷先驱体3D打印技术的陶瓷复合材料成形方法。采用3D打印技术，结合纤维增强复合材料技术，以及先驱体裂解、聚合物浸渍裂解(PIP)、高温烧结等工艺实现了陶瓷材料的3D打印及成形。首先在打印过程中，将增强纤维和陶瓷先驱体基体材料同时送入打印头，陶瓷先驱体通过加热熔融和增强纤维混合形成含陶瓷元素的高分子复合材料，再将其挤压打印，得到陶瓷先驱体坯体，再经过先驱体裂解、浸渍、高温烧结等工艺将陶瓷先驱体转化为陶瓷零件。使用该方法更容易得到具有良好韧性、高强度、耐高温性能的陶瓷零件，可实现具有复杂结构的陶瓷零件的快速制造。

技术领域

本发明涉及连续纤维增强复合材料3D打印技术和陶瓷烧结技术领域，具体涉及一种基于纤维增强陶瓷先驱体3D打印技术的陶瓷复合材料成形方法。

背景技术

3D打印技术是20世纪80年代后期发展起来的一项先进制造技术，可以直接根据产品设计数据，快速制造出新产品的样件、模具或模型，大大缩短产品加工周期，降低了研制的成本，对促进企业产品创新、提高产品竞争力有积极的推动作用。现代陶瓷由于其优越的光、电、热、磁、力学性能以及耐高温、抗腐蚀、耐辐射、高强度、高模量、高硬度、密度小、热膨胀系数小等特性而得到广泛应用。目前，陶瓷材料的直接成型已经成为快速成型技术的研究热点和重要发展方向之一。

先驱体转化法制备陶瓷材料的工艺因制备温度低、材料组成可控、成型加工容易等优点受到广泛关注，在陶瓷纤维及其复合材料的制备中显示出巨大优势和广阔应用前景。该方法是将具有一定形状的纤维坯体浸入先驱体多聚物液体中，使先驱体填满纤维间的空隙，先驱体在一定条件下干燥固化后，在特定温度和压力下使其发生高温裂解，便制得陶瓷基体。

但是，在先驱体转化法中，纤维坯体的制备往往比较困难。目前较为先进的树脂基长纤维增强复合材料零件制造的方式多采用复合材料纤维铺放技术，即按零件结构所确定的铺层方向和铺层厚度要求，采用多自由度的铺放头将多组纤维预浸纱束或窄带自动铺放在模具表面。所以，采用先驱体转化方法进行纤维增强陶瓷复合材料的制造工艺存在纤维敷设困难、成形方法单一、不能精确成形，且需要预先处理完成的纤维预浸料以及模具成本极高的等问题，无法实现复杂结构陶瓷复合材料零件的制备。

在已有的技术中，连续纤维增强复合材料3D打印技术可以很好的弥补先驱体转化法的不足，该方法将增强纤维和加热熔融的热塑性树脂混合成的复合丝材打印成形，打印过程可以精确地控制增强纤维在复合材料零件中纤维的取向，能够实现具有特定机械、电和热性能的具有复杂结构复合材料零件的快速制造，且无需预先定制模具以及预先处理过的纤维预浸带，从而大大地减少了制造成本和生产周期。但目前该方法主要以普通热塑性树脂为原材料进行打印，未考虑采用陶瓷先驱体进行打印从而直接制成陶瓷先驱体坯体零件的制造方法。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种基于纤维增强陶瓷先驱体3D打印技术的陶瓷复合材料成形方法，能够得到具有良好的韧性、耐高温性、高强度的纤维增强陶瓷零件，且不需要设计、制造模具，从而大大地减少了成本和制造时间。

为了达到上述目的，本发明包括以下步骤：

步骤一，增强纤维供给到3D打印头，同时，陶瓷先驱体和高含碳量热塑性复合材料通过导向管供给到3D打印头，打印头处的加热装置使陶瓷先驱体和高含碳量热塑性复合材料处于熔融状态；

步骤二，程序控制二维运动平台，带动3D打印头在工作台上，按照当前层模型的截面数据运动，进行零件3D打印；

步骤三，增强纤维与熔融的陶瓷先驱体和高含碳量热塑性复合材料混合形成含陶瓷元素的高分子复合材料，并且从喷嘴出口被挤出，粘附在工作台上，冷却沉积后，随着二维运动平台的运动而不断打印出当前截面；

步骤四，当完成模型当前一层的截面后，升降装置将带着工作台一起下降一个分层厚度；

步骤五，重复步骤二至步骤四，直至零件完成，得到陶瓷先驱体坯体；