[发明专利]一种Si3

说明书

本发明公开了一种Si₃N₄陶瓷结构件及其制备方法；该方法首次在3D打印Si₃N₄陶瓷时，将Si粉作为原料并调整烧结助剂和Si粉的颗粒级配，克服了氮化硅由于吸潮性易团聚及微米级氮化硅烧结极为困难等问题，省去了传统工艺模具制造的成本和时间，限制混合原料的粉末粒径，为后续的冷等静压和反应烧结做准备，通过在原料中增设烧结助剂粉末，为后续的液相重烧结做准备；通过该方法制得的陶瓷结构件的密度为(2.14‑2.6)g/cm³，弯曲强度为(151‑300)MPa，且反应烧结和液相重烧结后，陶瓷结构件的总收缩率小于1％。

【技术领域】

本发明属于3D打印领域，具体涉及一种Si₃N₄陶瓷结构件及其制备方法。

【背景技术】

陶瓷具有优良的力学性能、高的抗弯强度、优良的抗氧化性、良好的耐腐蚀性、高的抗磨损性以及低的摩擦系数，而氮化物陶瓷材料是一类能够实现结构-功能一体化的材料，在力学、化学、电学、热学等方面具有优异的性能，在耐热耐高温结构材料领域中具有氧化物陶瓷和金属陶瓷无法替代的地位优势，在冶金、航空、化工、陶瓷、电子、机械及半导体等行业具有广泛的应用。氮化硅(Si3N4) 是一种强共价键的化合物，在空气中能够形成二氧化硅保护膜，具有很好的稳定性。氮化硅材料硬度大(HRA为91～93)、分解温度高、热膨胀系数小(2.7×10- ⁶/℃(20～1000℃))、导热率低(9.46W/m·K)、强度高、几乎不发生高温蠕变、抗氧化性能好，广泛用于燃气发动机的耐高温部件、化学工业中的耐腐蚀元件、半导体工业中的坩埚材料、高温轴承材料、牙齿材料、高速切削工具、雷达天线罩、核反应堆的支撑材料、隔离件及裂变物质的载体等，并且薄的氮化硅薄膜和涂层在高速记忆设备和光学波导领域已有广泛研究。

随着工业的发展，这些传统的工艺已经不能满足高科技产品的需求。3D打印快速成型技术是近年来快速发展的一种新型成型工艺，目前该工艺可应用在陶瓷成型中的主要有工艺熔融沉积制造(FDM)、选择性激光烧结技术(SLS)和立体光固化成型(SLA)技术，这些技术的应用结合后续烧结工艺大幅缩短了陶瓷构件的成型周期，解决了传统工艺无法克服的设计尺寸改变或者调整，将需要重新设计并制造模具；而制造模具成本较高、周期较长，制备的制品形状简单等一系列问题。

目前SLS成型的Si₃N₄陶瓷多为由Si₃N₄粉末直接进行打印烧结，原材料制备成本高，因为其原材料粉末粒径较大不利于后续液相烧结，其在打印烧结后强度较低；有研究报道可通过喷雾造粒或覆膜法实现较小粒径氮化硅陶瓷粉末的 SLS打印，但其由于树脂含量较高，收缩变形较大，不利于后续构件尺寸精度控制，因烧结致密低，导致制备的结构件力学性能差，弯曲强度较低，更无法在高温环境下应用。其烧结后致密度低的主要原因为Si₃N₄粉末在SLS成型脱脂后，内部含有较多的碳残留物，Si₃N₄粉末收缩变形大，导致内部孔隙率较高，且Si₃N₄粉末粒径较大，不利于液相烧结，导致其力学性能下降；尽管覆膜法能降低试件打印脱脂后的孔隙率，实现较小粒径Si₃N₄粉末的SLS打印，但其周期较长，且费用高于干混法。因此需要一种制备方法制备出力学性能高，致密度高的Si₃N₄陶瓷结构件。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种Si₃N₄陶瓷结构件及其制备方法；本发明通过Si粉SLS打印后脱脂反应烧结生成氮化硅，同时在制备陶瓷的工艺中引入冷等静压(CIP)技术，提升了打印后构件的致密度，同时在原材料中加入烧结助剂并在反应烧结后进行了液相烧结，降低了最终结构件内部孔隙率，提升了其力学性能。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：