[发明专利]一种挤出成型3D打印碳化硅陶瓷及其制备方法

说明书

本发明公开一种挤出成型3D打印碳化硅陶瓷及其制备方法。所述制备方法包括以下步骤：（1）造粒；（2）混炼：向上述碳化硅颗粒中加入第一粘合剂并混合均匀以得到塑性良好的泥料；所述第一粘合剂在室温固化且在温度60℃以上熔融而使碳化硅颗粒相互粘结；（3）打印成型；（4）脱脂：将打印好的素坯脱脂得到预制体；（5）致密化：将预制体常压烧结或者真空渗硅处理得到碳化硅陶瓷。所述制备方法可以实现大尺寸SiC部件的制备，同时避免成型过程中应力存在导致的部件开裂。

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，具体涉及SiC(碳化硅)陶瓷材料的3D打印成型领域，尤其涉及一种挤出成型3D打印SiC陶瓷及其制备方法。

背景技术

碳化硅(SiC)具有原子半径小、键长短、共价性强等特性，从而具有优良的力学、化学、热学、电学性能，同时具有耐辐照、抗放射性、吸波等特性，是重要的核反应堆耐中子辐照材料以及吸波隐身材料，因而受到人们的广泛关注。在陶瓷材料中，SiC具有最为优良的化学稳定性和高温相稳定性，是唯一可以耐氢氟酸腐蚀的陶瓷材料。同时，可通过掺杂从绝缘、半导体到导体来调节SiC的电性能，因此SiC陶瓷可以作为苛刻运行环境条件下的电子元器件。SiC陶瓷由于其优异的物理化学性能，在腐蚀性的环境、极度磨损条件或者在超过1400℃的温度下，其性能都超过其他商业化的陶瓷或者金属合金，其中包括很多超高温合金材料。目前在航空、航天、核工业等各个行业均有SiC陶瓷的应用，包括：光学应用反射镜、热交换器、微通道反应器、半导体硬件(吸盘/导轨/平台)、高功率器件等。

由于常规SiC陶瓷具有较高的硬度，需要经过金刚石加工，加工成型困难较大。同时其较差的导电性也难以满足电火花加工的要求，难以实现SiC陶瓷快速精密的加工是制约SiC陶瓷应用的主要瓶颈之一。

基于以上缺点，结合3D打印技术的SiC陶瓷制备成为目前研究和应用的主要发展方向。3D打印技术是一种与传统材料加工方法截然相反的增材制造技术，以三维数字模型设计为基础，经过软件分层离散和数控成型系统，将陶瓷粉末、树脂、金属粉末等材料进行分层加工、堆积粘结，最后叠加成型，制造出三维实体。3D打印技术相对于传统制造方法来说更加节省原材料，利于进行复杂结构的快速制造，缩短研发周期，更加适合个性化产品的生产，目前已经广泛应用于生物医学、组织工程、汽车部件、航空航天、微纳器件等领域。

目前3D打印SiC陶瓷的方法有多种，主要有熔融沉积制造技术(Fused depositionmodeling-FDM)、光固化成型技术(Stereo lithography-SL)、3D印刷工艺(3D printing-3DP)、分层实体制造技术(Laminated Object Manufacturing-LOM)、激光选区烧结技术(Selective laser sintering-SLS)、激光选区融化技术(selective laser melting-SLM)，直写自由成型(Direct Ink Writing，DIW)。但是其中多数3D打印技术对于设备(例如激光打印设备)要求较高，成本较大，不利于应用推广，同时对于制备陶瓷浆料直接打印DIW等方法，由于大量溶剂(例如水)的存在，在干燥过程中陶瓷坯体容易开裂，不容易制备大尺寸的SiC陶瓷材料。

发明内容

目前大多数3D打印制备SiC陶瓷的成型工艺中，陶瓷颗粒之间连接疏松，坯体致密度低，在成型、脱粘、烧结过程中容易开裂，因此需要将3D打印得到的SiC素坯利用反应渗硅的方式增强其致密度和力学性能。但是陶瓷里面一定量硅的存在导致材料的均匀性和耐腐蚀相对较差。针对上述问题，本发明提供一种挤出成型3D打印SiC陶瓷及其制备方法，可以实现大尺寸SiC部件的制备，同时避免成型过程中应力存在导致的部件开裂，而且所述制备方法可以兼顾常压烧结和渗硅处理以制备SiC陶瓷，对设备的要求相对较低，有利于大规模低成本制备SiC陶瓷，从而显著提高3D打印SiC陶瓷的实际应用潜力。

第一方面，本发明提供一种挤出成型3D打印SiC陶瓷的制备方法，包括以下步骤：(1)造粒：将SiC粉体制备成为粒径20-100μm的SiC颗粒；