[发明专利]钛酸锌陶瓷前驱体浆料和3D打印制备钛酸锌陶瓷的方法

说明书

本发明公开了一种钛酸锌陶瓷前驱体浆料和3D打印制备钛酸锌陶瓷的方法，该钛酸锌陶瓷前驱体浆料由包括含钛源溶液和含锌源溶液的原料通过溶胶凝胶法制得，所述含钛源溶液包括双(乙酰丙酮基)二异丙基钛酸酯、表面活性剂和第一挥发性溶剂，所述含锌源溶液包括锌源、氨水和第二挥发性溶剂。本发明的浆料呈现剪切变稀的特性，非常适合3D打印。通过控制浆料中的钛和锌的比例不同，能够控制该浆料打印成型和烧结之后得到的陶瓷的相不同，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及陶瓷技术领域，尤其是涉及钛酸锌陶瓷前驱体浆料和3D打印制备钛酸锌陶瓷的方法。

背景技术

随着新一代移动通信技术的发展，对新型的高性能介电材料提出了更高的要求。传统的方法一般是通过改善介质陶瓷本身的成分和组织来提高其性能。近年来的研究表明，利用超构材料的思路对介质陶瓷进行结构设计也是一种非常有效的方法。通过对介质陶瓷材料进行周期性人工结构设计，可以实现自然界所没有的超常物理性质。但是，人工设计结构必须依赖于材料的精细加工才能实现，而陶瓷材料的精细加工一直是一个难点。

精细直写3D打印是一种以浆料挤出方式成型的3D打印技术，通过对浆料的流变学性质进行合理调控，可以制备特征尺寸在数微米至数毫米范围内结构复杂的三维器件。其中，浆料成型的关键在于对浆料流变学性质的调控，浆料必须具备合适的黏度、模量和剪切变稀特性，且足够均匀，才能够使其持续顺滑地从较细的针头流出而不堵塞针头，而且需要在成型之后具备足够的强度保证结构不坍塌。ZnO-TiO₂系微波介质陶瓷具有较低的烧结温度和优良的微波介电性能，在诸多领域有着广泛应用。目前有采用基于钛酸四丁酯和钛酸异丙酯所制备的溶胶凝胶制备ZnO-TiO₂系微波介质陶瓷，但是该溶胶凝胶的流变学性质不适合用于精细直写3D打印成型。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种钛酸锌陶瓷前驱体浆料和3D打印制备钛酸锌陶瓷的方法，该钛酸锌陶瓷前驱体浆料非常适合用精细直写3D打印技术进行三维成型。

本发明所采取的技术方案是：

本发明的第一方面，提供一种钛酸锌陶瓷前驱体浆料，由包括含钛源溶液和含锌源溶液的原料通过溶胶凝胶法制得，所述含钛源溶液包括双(乙酰丙酮基)二异丙基钛酸酯、表面活性剂和第一挥发性溶剂，所述含锌源溶液包括锌源、氨水和第二挥发性溶剂。双(乙酰丙酮基)二异丙基钛酸酯作为钛源，该物质在水解之后形成的溶胶凝胶非常适合用精细直写3D打印技术进行三维成型。常见的溶胶凝胶法制备钛酸盐时多用钛酸四丁酯，但是钛酸四丁酯水解之后得到溶胶凝胶不适合用3D打印成型。

根据本发明的一些实施例，所述第一挥发性溶剂和所述第二挥发性溶剂各自独立地选自乙醇、乙酸、丙酮、四氢呋喃中的任一种。使用挥发性溶剂的作用是，在浆料成型过程中，溶剂快速挥发使得浆料表面迅速固化，能够保持所成型的结构不坍塌变形。

根据本发明的一些实施例，所述锌源包括氧化锌、乙酸锌、氯化锌、硝酸锌、硫酸锌中的任一种。

根据本发明的一些实施例，所述表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)或聚乙烯醇(PVA)。

根据本发明的一些实施例，所述含钛源溶液中，双(乙酰丙酮基)二异丙基钛酸酯：表面活性剂：第一挥发性溶剂的质量比为1:(0.01～0.2)：(0.2～5)。

根据本发明的一些实施例，所述含锌源溶液中，锌源：氨水：第二挥发性溶剂的质量比为1:(1～5)：(2～20)。氨水可以用来调节水解反应的速率，另一方面也可以起到辅助溶解锌源的作用。

根据本发明的一些实施例，所述含锌源溶液包括锌源、氨水、去离子水和第二挥发性溶剂，此处氨水浓度为25～28％，锌源：氨水：去离子水：第二挥发性溶剂的质量比＝1：(1～5)：(0.1～5)：(2～20)，去离子水主要用来促进水解反应进行。