一种3D打印网格陶瓷增强树脂复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及复合材料制备技术领域，具体涉及到一种3D打印网格陶瓷增强树脂复合材料及其制备方法。该3D打印网格陶瓷增强树脂复合材料由三部分组成：网格陶瓷、树脂和分散于树脂内的添加剂，网格陶瓷由铝灰与陶瓷粉混合后，经3D打印机成型，烘干，烧结得到；树脂填充在网格陶瓷的孔隙内；添加剂中含有稀释剂和固化剂。该3D打印网格陶瓷增强树脂复合材料的制备方法具有以下优点：(1)、该复合材料的导热性能优异，制作工艺简单，且成本更低；(2)、网格陶瓷增强体的孔隙容易调整，整体连续，与基体树脂结合牢固，强度高，韧性好，抗冲击，提高了材料的使用可靠性和寿命。

A 3D printing grid ceramic reinforced resin composite and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种3D打印网格陶瓷增强树脂复合材料及其制备方法
本专利技术涉及复合材料制备
，具体涉及到一种3D打印网格陶瓷增强树脂复合材料及其制备方法。
技术介绍
提高树脂基复合材料的耐磨性，耐热性和导热能力和对抗热衰减能力，用于摩擦材料领域是树脂基材料研究的重要方向。现有技术公开的树脂基复合材料是采用纤维（二维）和颗粒（零维）增强的复合材料。此类材料存在耐磨性差，耐热性低，导热能力低，对抗热衰减能力弱的不足。这是因为二维或零维增强的复合材料显微结构是增强相是以不连续的形态嵌入在树脂基体材料中，复合材料的综合性能很大程度上取决于树脂基体。为了解决现有技术存在的技术问题，本专利技术提出一种网络互穿结构的复合材料(InterpenetratingPhaseComposite，简称IPC)。IPC的显微结构的设计原理与非连续增强（二维或零维）增强的复合材料相比是完全不同的。IPC是多相材料，增强相为网格陶瓷，基体相为树脂材料，网格陶瓷和树脂基体之间具有相互贯穿和支撑的连接关系，这种互联结构强化了复合材料抵抗各种破坏的能力。现有技术制备的孔径在毫米级别的网孔陶瓷，多数都是采用发泡法、造孔剂法、溶胶-凝胶法、有机泡沫浸渍法，自蔓延高温合成法等方法。这样的网孔陶瓷又被称为泡沫陶瓷。泡沫陶瓷的孔隙不规则，不均匀，不能形成连通孔。本专利技术采用3D打印制备孔隙规则排列的网格陶瓷，解决了以上难题。同时，至关重要的是本专利技术选择合适的粉体作为3D打印的原料。本专利技术人经过研究发现，将三次铝灰进行无害化处理后，铝灰粉体具有很高的比表面积和表面能，显微结构呈现层状结构，具有优越的自润滑性，适合作为3D打印的原料。经研究铝灰主要成分是氧化铝，其含量达到70%～80%。故本专利技术以铝灰-陶瓷粉末等为主要原料混合成高固含，高触变性浆料，利用3D打印成型机打印出网格陶瓷坯体，烧结后形成坚固的网格陶瓷骨架。网格陶瓷骨架与环氧树脂复合成为网格陶瓷/树脂复合材料。具有这样显微结构的IPC复合材料既能充分发挥陶瓷高硬度、高耐磨和高耐热性，铝灰的自润滑性，又能发挥树脂材料高强度、高韧性的特点，从而具有特殊的物理化学性能，机械性能。克服了传统非连续性的树脂基摩擦片在摩擦过程中摩擦发热引起的粘连、过量磨损、收缩、翘曲变形和疲劳损坏等典型缺陷。特别是在撞击摩损、磨损严重的严酷环境中，更能体现耐热性能好、对抗热衰减能力强的优越性。
技术实现思路
为了克服
技术介绍
中存在的缺陷，本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种3D打印网格陶瓷增强树脂复合材料，其特征在于：所述复合材料由三部分组成：网格陶瓷、树脂和分散于树脂内的添加剂；所述网格陶瓷由铝灰与陶瓷粉混合后，经3D打印机成型，烘干，烧结得到；所述树脂填充在网格陶瓷的孔隙内；所述添加剂中含有稀释剂和固化剂。优选的所述网格陶瓷的孔隙率10%~90%，孔隙的平均孔径0.5~10mm，所述树脂粘度为500~2000cps，导热系数0.1~1W/(m·K)。优选的所述铝灰的主要成分为Al2O3，所述陶瓷粉为MgO、ZrO2、TiO2、SiC、Si3N4、B4C或高岭土粉。优选的所述树脂为环氧树脂、聚酯树脂、丙烯酸酯、硅氧烷、聚氯乙烯、聚乙酸乙烯、聚乙烯、氨基环氧、聚丙烯、聚甲醛、聚缩醛、聚乙烯醇中的一种或几种。优选的所述稀释剂采用乙酸乙酯、乙醚、甲苯、丙酮、丁酮、乙醇中的一种；所述固化剂采用咪唑类剂或叔胺类剂优选的所述稀释剂的用量为树脂用量的1~15wt.%（重量百分比，下同），所述固化剂的用量为树脂用量的1~2wt.%。所述一种3D打印网格陶瓷增强树脂复合材料的制备方法，其特征在于其步包括，(S1)网格陶瓷制备及表面改性；(S2)树脂制备；(S3)树脂浸渗和固化，具体流程见图1；其中，(S1)网格陶瓷制备及表面改性步骤为：（S1-a）按重量100g计算，以铝灰80～90g，陶瓷粉10～20g，羧甲基纤维素(CMC)0.5g，分散剂(DOLAPIXSPC7)1g、增塑剂（ZUSOPLASTPS1）1g、粘结剂（水溶性聚乙烯醇）0.5g为原料，称量后机械搅拌混合均匀，置于行星球磨机中，再加入100ml水中，加入碱性物质，将浆料pH值调至12，高速球磨10～15分钟，形成均匀浆料，炼泥机炼制、熟化、抽真空，制成陶泥备用。把陶泥放入挤泥筒，用3D打印通过出泥嘴挤出，出泥嘴配合运动，使泥条往复交织分布于模板上，外观形状根据材料的需要设计，泥条直径0.1～5mm；泥条孔隙2～6mm；陶瓷打印堆叠完成后，在模板上干燥，具有一定强度后，从模中取出，在配制好Al2O3的泥浆中挂浆；挂浆的目的是增加泥条交结点结合的强度，挂浆后烘干；网格陶瓷的孔隙率50%～80%，平均孔径3.5~6mm，参见图2和图3；（S1-b）网格陶瓷坯体烘干与烧结；在空气中100～200℃烘干12～24小时，在陶瓷浆料中蘸桨，加固，再烘干、在空气中1300～1400℃烧结2～12小时得到网格陶瓷块；（S1-c）清洗:超声清洗网格陶瓷块，在100~120℃烘箱中干燥8~20小时；（S1-d）改性:将网格陶瓷块浸泡在硅烷偶联剂和稀释剂的混合溶液中，在80~100℃超声振荡溶液10~30分钟，在80℃~105℃干燥6~10小时；其中，(S2)树脂制备步骤为：（S2-a）称取100g树脂与助剂一起在容器内形成混合溶液，将容器放置在真空干燥箱内60~120℃保温30分钟，降低树脂粘度；接着冷却到室温后，将环氧树脂放入真空箱中脱气；所述助剂包括环氧丙烷丁基醚、液体丁腈橡胶、酸酐类固化剂、咪唑类剂、邻苯二甲酸二丁酯、过氧化甲乙酮和丙酮中的一种或多种；（S2-b）称取无机微粉5g，平均粒度d50=0.1~3μm的无机微粉，放入30ml乙醇的水溶剂中，加入0.5g偶联剂，利用搅拌和超声波振荡将陶瓷微粉在有机溶剂中均匀分散；（S2-c）将（S2-b）中含有无机微粉的有机溶剂倒入（S2-a）中脱气后的树脂搅拌混合均匀，然后放入烘箱在80~120℃保温6~36小时，使偶联剂和无机微粉充分发生缩合反应；其中，(S3)树脂浸渗和固化步骤为：(S3-a)按照块的需要设计铸型，将（S1-d）的网格陶瓷块排在模具中，并固定于铸型内；网格陶瓷块层叠1-5层，厚度为3~20mm；(S3-b)将固化剂倒入由（S2-c）所述混合液中搅拌，形成混合树脂；(S3-c)将混合树脂灌入(S3-a)所述的有网格陶瓷块的模具中，适当加压0.3~20MPa，使混合树脂完全填充网格陶瓷块的间隙；(S3-d)将浸有树脂的网格陶瓷在80℃~140℃的温度下保温0.5小时~2小时。冷却到室温脱模，得到增强树脂复合材料，然后按照工业要求切割成所需形状，见图5。优选的所述网格陶瓷（1）的孔隙率50%~90%，孔隙的平均孔径0.5mm~6mm；所述树脂（2）的填充体积占网格陶瓷总体积50%~90%。优选地，所述树脂的粘度500~1000cps，导热系数0.1~0.3W/(m·K本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种3D打印网格陶瓷增强树脂复合材料，其特征在于：所述复合材料由三部分组成：网格陶瓷（1）、树脂（2）和分散于树脂内的添加剂（3）；所述网格陶瓷（1）由铝灰与陶瓷粉混合后，经3D打印机成型，烘干，烧结得到；所述树脂（2）填充在网格陶瓷的孔隙内；所述添加剂（3）中含有稀释剂（4）和固化剂（5）。/n

【技术特征摘要】
1.一种3D打印网格陶瓷增强树脂复合材料，其特征在于：所述复合材料由三部分组成：网格陶瓷（1）、树脂（2）和分散于树脂内的添加剂（3）；所述网格陶瓷（1）由铝灰与陶瓷粉混合后，经3D打印机成型，烘干，烧结得到；所述树脂（2）填充在网格陶瓷的孔隙内；所述添加剂（3）中含有稀释剂（4）和固化剂（5）。


2.根据权利要求1所述的一种3D打印网格陶瓷增强树脂复合材料，其特征在于：所述网格陶瓷（1）的孔隙率10%~90%，孔隙的平均孔径0.5~10mm，所述树脂（2）粘度为500~2000cps，导热系数0.1~1W/(m·K)。


3.根据权利要求1所述的一种3D打印网格陶瓷增强树脂复合材料，其特征在于：所述铝灰的主要成分为Al2O3，所述陶瓷粉为MgO、ZrO2、TiO2、SiC、Si3N4、B4C或高岭土粉。


4.根据权利要求1或2所述的一种3D打印网格陶瓷增强树脂复合材料，其特征在于：所述树脂（2）为环氧树脂、聚酯树脂、丙烯酸酯、硅氧烷、聚氯乙烯、聚乙酸乙烯、聚乙烯、氨基环氧、聚丙烯、聚甲醛、聚缩醛、聚乙烯醇中的一种或几种。


5.根据权利要求1所述的一种3D打印网格陶瓷增强树脂复合材料，其特征在于：所述稀释剂（4）采用乙酸乙酯、乙醚、甲苯、丙酮、丁酮、乙醇中的一种；所述固化剂（5）采用咪唑类剂或叔胺类剂。


6.根据权利要求1或5所述的一种3D打印网格陶瓷增强树脂复合材料，其特征在于：所述稀释剂（4）的用量为树脂（2）用量的1~15wt.%（重量百分比，下同），所述固化剂（5）的用量为树脂（2）用量的1~2wt.%。


7.根据权利要求1所述的一种3D打印网格陶瓷增强树脂复合材料的制备方法，其特征在于其步包括，(S1)网格陶瓷（1）制备及表面改性；(S2)树脂（2）制备；(S3)树脂（2）浸渗和固化；
其中，(S1)网格陶瓷（1）制备及表面改性步骤为：
（S1-a）按重量100g计算，以铝灰80～90g，陶瓷粉10～20g，羧甲基纤维素(CMC)0.5g，分散剂(DOLAPIXSPC7)1g、增塑剂（ZUSOPLASTPS1）1g、粘结剂（水溶性聚乙烯醇）0.5g为原料，称量后机械搅拌混合均匀，置于行星球磨机中，再加入100ml水中，加入碱性物质，将浆料pH值调至12，高速球磨10～15分钟，形成均匀浆料，炼泥机炼制、熟化、抽真空，制成陶泥备用；
把陶泥放入挤泥筒，用3D打印通过出泥嘴挤出，出泥嘴配合运动，使泥条往复交织分布于模板上，外观形状根据材料的需要设计，泥条直径0.1～5mm；泥条孔隙2～6mm；陶瓷打印堆叠完成后，在模板上干燥，具有一定强度后，从模中取出，在配制好Al2O3的泥浆中挂浆；挂浆的目的是增加泥条交结点结合的强度，挂浆后烘干；网格陶瓷的孔隙率50%～80%，平均孔径3.5~6mm；
（S1-b）网格陶瓷坯体烘干与烧结；在空气中100～200℃烘干12～24小时，在陶瓷浆料中蘸桨，加固，再烘干、在空气中1300～1400℃烧结2～12小时得到网格陶瓷块；
（S1-c）清洗:超声清洗网格陶瓷块，在100~120...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜艳丽，刘国庆，康晓安，何福明，喻亮，
申请(专利权)人：桂林理工大学，
类型：发明
国别省市：广西;45