基于3D打印的凝胶注模短碳纤维增韧陶瓷复合材料成型方法技术

本发明专利技术公开了一种基于3D打印的凝胶注模短碳纤维增韧陶瓷复合材料成型方法，该方法首先采用光固化成型技术制造出零件树脂模具；然后配制高固相、低粘度的短碳纤维浆料，应用凝胶注模方法形成凝胶注模短碳纤维预制体素坯；最后对预制体素坯进行致密化处理并制备纤维界面层，得到短碳纤维增韧复合陶瓷零件。本发明专利技术能够有效提高短纤维固相含量，并使得短纤维在素坯中分布均匀且不受损伤，保证素坯的整体韧性；通过致密化工艺，减少素坯孔隙率，提高最终零件的强度和精度。

Forming method of short carbon fiber toughened ceramic composites by gel casting based on 3D printing

The invention discloses a molding method of short carbon fiber toughening ceramic composite material based on 3D printing. The method first uses light curing technology to produce part resin mold, then compacts short carbon fiber slurry with high solid and low viscosity, and uses gel casting method to form gel casting short carbon fiber preform blank, and finally carries out densification of preform blank. The fiber interface layer was prepared and the short carbon fiber toughened composite ceramic parts were obtained. The invention can effectively improve the solid content of staple fibers, make the staple fibers distribute evenly in the billet without damage, ensure the overall toughness of the billet, reduce the porosity of the billet through densification process, and improve the strength and accuracy of the final parts.

【技术实现步骤摘要】
基于3D打印的凝胶注模短碳纤维增韧陶瓷复合材料成型方法
本专利技术属于快速成型领域，具体涉及一种基于3D打印的凝胶注模短碳纤维增韧陶瓷复合材料成型方法。
技术介绍
陶瓷材料因具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点而受到广泛关注，在耐高温领域有着较大的应用价值。但是，陶瓷材料固有的脆性缺点使其不能直接实用化。因此，有学者提出使用纤维增强陶瓷材料，提高陶瓷的韧性。短纤维增强陶瓷材料的优点是工艺简单、可操作性强、制备成本降低。在陶瓷复合材料中，短纤维作为增强体主要起到承担载荷、提高韧性的作用。现阶段纤维增强陶瓷复合材料大部分采用的方法为纤维编制预制体，再对纤维预制体进行一定的处理。但其后处理工艺复杂，要求条件比较高，对纤维本身也会造成不同程度损伤，导致纤维强度受到影响。凝胶注模技术是一种近净成型技术，可以最大程度地消除传统成型方法本身带来的缺陷，适宜于结构较为复杂的陶瓷件，得到微观结构均匀、质量可靠的坯体，可配制高固相、低粘度的纯纤维浆料，提高零件韧性，进一步改善坯体性能。但是现阶段凝胶注模技术也存在一些不足：一是模具制造耗时且费用高，另一方面是成型与干燥过程中可能产生气泡和裂纹等，导本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于3D打印的凝胶注模短碳纤维增韧陶瓷复合材料成型方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，在计算机上设计模具，利用分层软件将模具数据进行分层处理，根据模型分层数据，光固化快速成型设备制作出零件树脂模具；步骤二，制备得到高固相、低粘度的短碳纤维浆料；步骤三，应用凝胶注模方法，在真空和振动环境下，将短碳纤维浆料浇注入零件树脂模具中，用催化剂和改性引发剂进行诱导，使短碳纤维浆料固化，形成凝胶注模短碳纤维预制体素坯；步骤四，通过真空冷冻干燥方法，去除凝胶注模短碳纤维预制体素坯中的水分，进而得到碳纤维预制体；步骤五，将碳纤维预制体置入真空脱脂炉中进行凝胶的真空脱脂与热解；步骤六，对碳纤维预制体进行化...

【技术特征摘要】
1.基于3D打印的凝胶注模短碳纤维增韧陶瓷复合材料成型方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，在计算机上设计模具，利用分层软件将模具数据进行分层处理，根据模型分层数据，光固化快速成型设备制作出零件树脂模具；步骤二，制备得到高固相、低粘度的短碳纤维浆料；步骤三，应用凝胶注模方法，在真空和振动环境下，将短碳纤维浆料浇注入零件树脂模具中，用催化剂和改性引发剂进行诱导，使短碳纤维浆料固化，形成凝胶注模短碳纤维预制体素坯；步骤四，通过真空冷冻干燥方法，去除凝胶注模短碳纤维预制体素坯中的水分，进而得到碳纤维预制体；步骤五，将碳纤维预制体置入真空脱脂炉中进行凝胶的真空脱脂与热解；步骤六，对碳纤维预制体进行化学气相沉积或者浸渍裂解工艺制备纤维界面层；步骤七，采用致密化工艺进一步提高素坯致密度，即完成基于3D打印的凝胶注模短碳纤维增韧陶瓷复合材料成型。2.根据权利要求1所述的基于3D打印的凝胶注模短碳纤维增韧陶瓷复合材料成型方法，其特征在于，步骤一中，零件树脂模具的材料为光固化树脂，光固化树脂流体在常温下密度为1.16-1.2g/cm3，粘度310-350cps；其中，零件树脂模具的制备方法如下：第一步，打开紫外线光源，在光固化树脂工作页面上得到直径为0.05-0.15mm的光斑，根据模型数据，光固化树脂液体曝光固化得到具有相应层面轮廓的固化层；第二步，关闭紫外线光源，将工作平台下降一个层面高度，并用刮板装置来保证新的液态光固化树脂层表面平整；第三步，再打开紫外线光源，进行下一层面的曝光固化，形成一层0.05mm-0.20mm厚度的光固化树脂，反复进行以上操作直至完成整个零件树脂模具的固化成型。3.根据权利要求1所述的基于3D打印的凝胶注模短碳纤维增韧陶瓷复合材料成型方法，其特征在于，所述步骤二中，短碳纤维浆料的制备方法如下：第一步，纤维级配，纤维按照体积比将不同纤维长度L进行级配；其中，(0-17.5)：(0-100)：(0-100)；将上述级配短纤维称取并在容器中搅拌均匀，得到级配碳纤维粉料；第二步，将有机单体和交联剂按照质量比(10-25)：1溶于去离子水，再添加分散剂，分散剂质量是所加碳纤维质量的2％-3％，搅拌溶解，配制成预混液；第三步，将级配碳纤维粉料与预混液混合，搅拌均匀，调节PH至9-14，得到预制浆料，其固相含量为30％-60％；第四步，将预制浆料机械搅拌，得到高固相、低粘度的短碳纤维浆料。4.根据权利要求3所述的基于3D打印的凝胶注模短碳纤维增韧陶瓷复合材料成型方法，其特征在于，所述第二步中，有机单体为丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、羟甲基丙烯酰胺、烷基丙烯酰胺、丙烯酸或甲基丙烯酸；交联剂为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺或丙烯基丙烯酸甲酯；分散剂为四甲基氢氧化氨(TMAH)、六偏...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁中良，李涤尘，李赛，夏圆林，曹继伟，李坚，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61