一种浆料直写成型3D打印用陶瓷膏体的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种浆料直写成型3D打印用陶瓷膏体的制备方法，步骤是：根据陶瓷的化学组成精确称量原料粉体、溶剂、分散剂，然后依次经过球磨混合、烘干、研磨、低温煅烧以及分级过筛步骤得到陶瓷前驱体粉体；按比例分别称量水溶性增稠剂与高纯去离子水，并进行充分搅拌混合均匀得到高分子凝胶体；按按比例分别称量陶瓷前驱体粉体和高分子凝胶体，并充分搅拌混合均匀，然后将混匀的陶瓷膏体置于离心真空搅拌机中进行真空脱泡处理，得到高致密的陶瓷膏体。本发明专利技术制备的陶瓷膏体具有极高的固含量和剪切变稀性能以及宽的粘弹性可控区间，显示出该陶瓷膏体具有良好的流变性能，制备步骤简单，条件可控，易于推广。

A preparation method of slurry direct writing ceramic paste for 3D printing

【技术实现步骤摘要】
一种浆料直写成型3D打印用陶瓷膏体的制备方法
本专利技术涉及陶瓷制备
，具体涉及一种浆料直写成型3D打印用陶瓷膏体的制备方法。
技术介绍
3D打印作为一种新型的增材制造技术，由于其具有不依赖模具，可快速高效的制备结构复杂的异形器件，近些年来吸引了材料研究人员的积极兴趣，目前该技术已被广泛应用于医疗、航空航天、车辆制造、人工智能等领域。陶瓷3D打印工艺作为一种新的打印技术，根据其原理的不同可以划分众多分支，目前比较常见的有立体光固化成型(SLA)和浆料直写成型(DIW)两种技术。其中光固化成型技术主要是以陶瓷粉体和光敏树脂混合而成的光固化材料为打印原料，通过选择性激光扫描的方式对单层材料进行选择性固化，完成后重新涂覆材料然后再扫描固化，由此逐层累积得到所需要的三位模型，最后通过脱脂烧结得到最终陶瓷成品。但这种3D打印技术所用的光敏树脂一般具有一定的毒性，易造成环境污染，并且紫外光固化的过程较为缓慢，极大延长了陶瓷坯体的成型周期，同时烧结后容易引起坯体的较高收缩率，陶瓷结构容易遭到破坏。相较于此，浆料直写成型技术作为一种新型的无模成型技术，无需任何光照射也无需加热，在室温下通过简单的陶瓷原料就可以成型出三维复杂形状产品，因此近年来开始得到了积极关注。浆料直写成型技术与其它无模成型方法相比优越性在于：首先，超细陶瓷粉体可以均匀稳定地分散在水基介质中，为获得高致密化地陶瓷烧结体奠定了基础；第二，粉体中的大颗粒团聚体可以通过研磨、过筛、过滤、重力沉降以及超声分散等手段消除，可有效避免大颗粒团聚体对陶瓷膏体性能的不利影响；第三，该技术可采用高固含量的陶瓷浆料(这里称之为陶瓷膏体)，有效避免了因干燥、烧结过程引发的显著变形和巨大体积收缩；第四，该技术可采用多喷嘴装置实现多功能复合材料的加工成型。目前，DIW成型技术的难点依然在于合适陶瓷浆料的配制。基于环保以及经济等原因，水基陶瓷浆料成为材料研究人员在3D打印领域的主要研究对象。大量的实验研究结果表明可用于3D打印的陶瓷浆料通常需要满足以下两个重要的指标：(1)浆料要具有可以调控的粘弹性以保证其在喷嘴中可以顺利挤出，并且沉积到基板上保证即使是在下面无任何支撑的时候也能保持线条形状和一定的跨距；(2)浆料必须具有较高的固含量以减少因干燥和烧结导致的体积收缩现象。为了达到以上两个指标，陶瓷浆料体系需要经历一个由流体向凝胶的转变过程，最终陶瓷浆料形成具有高固含量、高假塑性特征的陶瓷膏体。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种浆料直写成型3D打印用陶瓷膏体的制备方法，实现具有高固含量、高假塑性特征以及粘弹性可调的陶瓷膏体的制备。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种浆料直写成型3D打印用陶瓷膏体的制备方法，包括以下步骤：S1、根据陶瓷的化学组成精确称量原料粉体、溶剂、分散剂，然后依次经过球磨混合、烘干、研磨、低温煅烧以及分级过筛步骤得到陶瓷前驱体粉体；S2、按照一定的质量比分别称量水溶性增稠剂与高纯去离子水，并进行充分搅拌混合均匀得到高分子凝胶体；S3、按照一定的质量比分别称量陶瓷前驱体粉体和高分子凝胶体，并充分搅拌混合均匀，然后将混匀的陶瓷膏体置于离心真空搅拌机中进行离心真空脱泡处理，得到高致密的陶瓷膏体。优选的，步骤S1中，所述陶瓷的原料粉体为氧化铝、二氧化硅、氧化硼、稀土氧化物、氮化铝、氮化硅、氮化硼、碳化硼、碳化硅中的一种或多种。优选的，所述溶剂为乙醇或去离子水，所述的分散剂为油酸、柠檬酸或聚乙二醇，所述的低温煅烧温度范围为500～700℃，煅烧时间为4～8小时，所述的过筛目数>100目。优选的，步骤S2中，所述水溶性增稠剂选自羟丙基甲基纤维素、羟甲基纤维素、羟乙基纤维素、聚丙烯酸类增稠剂、聚氨酯类增稠剂、天然胶增稠剂、聚氧乙烯类增稠剂中的一种或多种。优选的，步骤S2中，所述水溶性增稠剂占高分子凝胶体中的质量比为1wt.％～40wt.％。优选的，步骤S3中，所述陶瓷前驱体粉体占陶瓷膏体中的质量比为40wt.％～85wt.％。优选的，步骤S3中，离心真空脱泡采用的真空度在2KPa～0.1MPa，离心转速范围1000rpm～3000rpm，脱泡时间为2～10分钟。本专利技术基于超细陶瓷粉体的预处理工艺和粘弹性可调的高分子凝胶技术实现高固含量、高假塑性、粘弹性可调的陶瓷膏体的制备。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：1.相较于陶瓷的注浆成型和流延成型等工艺所制备的浆料，本专利技术制备的陶瓷膏体具有极高的固含量和剪切变稀性能以及宽的粘弹性可控区间，显示出该陶瓷膏体具有良好的流变性能；2.本专利技术制备的陶瓷膏体用于3D打印浆料直写成型可获得性能优异的复杂结构陶瓷坯体；3.本专利技术提供的制备方法操作简单，条件可控，易于推广。附图说明图1为本专利技术制备陶瓷膏体的流程图；图2为本专利技术制备的实施例2陶瓷膏体实物图；图3为本专利技术制备实施例2陶瓷膏体的流动曲线；图4为本专利技术制备实施例2陶瓷膏体的粘弹性曲线；图5为采用本专利技术实施例2制备的陶瓷膏体所打印的3D坯体图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。以下实施例中制备陶瓷膏体所用的粉体原料均为纯度>99.99％、粒径<75微米的氧化物粉体，而且都是基于图1所示的陶瓷膏体的制备工艺进行。需要说明的是本专利技术的应用不受限于原料粉体的纯度以及粒径大小及其分布的影响。实施例1：3D打印用氧化铝陶瓷膏体的制备首先将氧化铝原料粉体置于600℃炉内于空气气氛下低温煅烧5小时，去除粉体表面和内部的有机杂质，然后将煅烧后的氧化铝粉体研磨至细再用300目金属筛进行过筛处理，得到粒径小于45微米的氧化铝前驱体粉体。接着精确称量5克羟丙基甲基纤维素，溶于150克的高纯去离子水中，充分搅拌混合均匀得到高分子凝胶体。再分别精确称量15克高分子凝胶体和35克氧化铝前驱体粉体，将二者充分搅拌混合均匀得到初步的陶瓷膏体，将该陶瓷膏体置于离心真空搅拌机中按照1500rpm的速度进行离心真空脱泡处理，真空度为2KPa，连续脱泡时间为3分钟，得到适用于3D打印DIW成型用的高致密氧化铝陶瓷膏。实施例2：3D打印用钇铝石榴石陶瓷膏体的制备首先按照钇铝石榴石陶瓷的化学组成精确称量39.88克氧化铝、53.15克氧化钇以及74.42克无水乙醇溶剂、1.86克油酸分散剂，然后通过球磨工艺将粉体充分搅拌混合均匀得到分散性较好的陶瓷浆料，将该浆料依次进行烘干和研磨至细后置于600℃炉内于空气气氛下低温煅烧5小时，去除粉体表面和内部的有机杂质，然后将煅烧后的钇铝石榴石前驱体粉体再研磨至细并用300目尼龙筛进行过筛处理，得到粒径均小于45微米的前驱体粉体。接着精确称量5克羟丙基甲基纤维素，溶于150克的高纯去离子水中，充分搅拌混合均匀得到高分子凝胶体。再分别精确称量15克高分子凝胶体和32克上述前驱体粉体，将二者充本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种浆料直写成型3D打印用陶瓷膏体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、根据陶瓷的化学组成精确称量原料粉体、溶剂、分散剂，然后依次经过球磨混合、烘干、研磨、低温煅烧以及分级过筛步骤得到陶瓷前驱体粉体；/nS2、按照一定的质量比分别称量水溶性增稠剂与高纯去离子水，并进行充分搅拌混合均匀得到高分子凝胶体；/nS3、按照一定的质量比分别称量陶瓷前驱体粉体和高分子凝胶体，并充分搅拌混合均匀，然后将混匀的陶瓷膏体置于离心真空搅拌机中进行离心真空脱泡处理，得到高致密的陶瓷膏体。/n

【技术特征摘要】
1.一种浆料直写成型3D打印用陶瓷膏体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据陶瓷的化学组成精确称量原料粉体、溶剂、分散剂，然后依次经过球磨混合、烘干、研磨、低温煅烧以及分级过筛步骤得到陶瓷前驱体粉体；
S2、按照一定的质量比分别称量水溶性增稠剂与高纯去离子水，并进行充分搅拌混合均匀得到高分子凝胶体；
S3、按照一定的质量比分别称量陶瓷前驱体粉体和高分子凝胶体，并充分搅拌混合均匀，然后将混匀的陶瓷膏体置于离心真空搅拌机中进行离心真空脱泡处理，得到高致密的陶瓷膏体。


2.根据权利要求1所述的一种浆料直写成型3D打印用陶瓷膏体的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述陶瓷的原料粉体为氧化铝、二氧化硅、氧化硼、稀土氧化物、氮化铝、氮化硅、氮化硼、碳化硼、碳化硅中的一种或多种。


3.根据权利要求1所述的一种浆料直写成型3D打印用陶瓷膏体的制备方法，其特征在于，所述溶剂为乙醇或去离子水，所述的分散剂为油酸、柠檬酸或聚乙二醇，所述的低温煅烧温度范围为500～70...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐飞，徐士杰，唐定远，
申请(专利权)人：江苏师范大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32