3D打印木质纤维素衍生碳化硅陶瓷的制备方法及产品技术

本发明专利技术属于碳化硅陶瓷材料相关技术领域，其公开了一种3D打印木质纤维素衍生碳化硅陶瓷的制备方法及产品，方法包括：将木质纤维素粉材采用真空搅拌消泡技术获得木质纤维素浆料或采用喷雾造粒技术获得木质纤维素造粒粉；将木质纤维素浆料或木质纤维素造粒粉采用3D打印技术获得木质纤维素/树脂坯体；将木质纤维素/树脂坯体气氛热解获得生物质碳预制体；将生物质碳预制体进行熔融硅反应而后进行增密处理获得碳化硅陶瓷。通过本发明专利技术可制备复杂结构的木质纤维素衍生碳化硅陶瓷，由此实现了生物质材料的绿色3D打印，解决了碳化硅陶瓷机械切削加工困难的问题，且碳化硅陶瓷制品中没有残硅和残碳，在高温条件下具有显著优势。在高温条件下具有显著优势。在高温条件下具有显著优势。

【技术实现步骤摘要】
3D打印木质纤维素衍生碳化硅陶瓷的制备方法及产品


[0001]本专利技术属于碳化硅陶瓷材料相关
，更具体地，涉及一种3D打印木质纤维素衍生碳化硅陶瓷的制备方法及产品。

技术介绍

[0002]碳化硅陶瓷是一种应用广泛的工程材料，适用于高腐蚀、高温和高机械负荷等极端条件下。由于材料本身固有的高硬度和脆性，造成挤出、模压和机械磨削等碳化硅陶瓷传统加工方法成本昂贵，且废品率高，难以加工具有复杂结构的碳化硅陶瓷零件。3D打印工艺可以成形高精度、结构复杂的碳化硅陶瓷坯体，并通过后续烧结近净成形碳化硅陶瓷构件，同时可以大大降低加工成本。
[0003]木质纤维素是天然木材经化学处理和机械加工得到的有机絮状纤维材料，产量丰富，原料成本低。但木质纤维素比表面积较大，堆积密度低，需要机械短切和造粒才能加工成适于3D打印成形的粉体材料。
[0004]现有技术中已经对其提出了一些解决方案，例如，中国专利CN2016104968932公开了一种C/C
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SiC复合材料零件的制备方法及其产品，采用溶剂蒸发法制备酚醛包覆的碳纤维粉材，并通过3D打印工艺成形了具有复杂结构的SiC复合材料，但这种粉材制备效率较低，且在反应烧结过程中熔融硅会与碳纤维反应从而降低其强韧化效果。中国专利CN201910599122.X公开了一种基于纤维素气凝胶模板的多孔碳化硅木陶瓷制备方法，以纤维素气凝胶作为模板，由于其本身具有的高孔隙率特征更利于前驱体溶液更容易充分浸渍，但是该种方法获得的坯体在裂解过程中收缩率大、易开裂，影响碳化硅产品性能。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种3D打印木质纤维素衍生碳化硅陶瓷的制备方法及产品，可以实现复杂结构的木质纤维素衍生碳化硅陶瓷的制备，由此实现了生物质材料的绿色3D打印，解决了碳化硅陶瓷机械切削加工困难的问题，且碳化硅陶瓷制品中没有残硅和残碳，在高温条件下具有显著优势。
[0006]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种3D打印木质纤维素衍生碳化硅陶瓷的制备方法，所述方法包括：S1：将木质纤维素粉材采用真空搅拌消泡技术获得木质纤维素浆料或采用喷雾造粒技术获得木质纤维素造粒粉；S2：将所述木质纤维素浆料或木质纤维素造粒粉采用3D打印技术获得木质纤维素/树脂坯体；S3：将所述木质纤维素/树脂坯体气氛热解获得生物质碳预制体；S4：将所述生物质碳预制体进行熔融硅反应而后进行增密处理获得碳化硅陶瓷。
[0007]优选的，所述木质纤维素粉材的长度为50～125微米，长径比为28～100，所述木质纤维素造粒粉的粒径为20～70微米。
[0008]优选的，所述木质纤维素造粒粉的松装密度为0.5～0.7g/cm3，休止角为0～40度。
[0009]优选的，步骤S1中采用喷雾造粒技术获得木质纤维素造粒粉的步骤为：将酚醛树
脂溶于有机溶剂中获得混合溶液；将所述木质纤维素粉材加入所述混合溶液中混合搅拌，所述木质纤维素粉材与所述混合溶液的体积比为(1～2)∶(1～2)；采用闭式循环喷雾造粒技术获得木质纤维素造粒粉，其中，所述闭式循环喷雾造粒技术的工艺参数为：热风进口温度85～125℃，出口温度80～85℃，雾化器转速8000～12000r/min，氮气流速100～200ml/min。
[0010]优选的，所述酚醛树脂为热固性酚醛树脂，所述有机溶剂为甲醇、无水乙醇或丙酮中的一种或几种。
[0011]优选的，所述气氛热解具体为：在惰性气体的保护下，以0.5～1℃/min的升温速率升温至800～1000℃，而后维持2～3h。
[0012]优选的，所述生物质碳预制体的孔隙率为55％～65％。
[0013]优选的，步骤S4中，熔融硅反应后还包括对熔融硅反应后的产品在不小于2000℃的温度下抽真空以除掉残硅，以及对所述产品在1000℃以下的温度下通入空气以除掉残碳。
[0014]优选的，步骤S4中，进行熔融硅反应后的产品的孔隙率为10～30％。
[0015]优选的，步骤S4中，所述熔融硅反应的步骤为：采用粗硅颗粒包埋所述生物质碳预制体，其中，所述粗硅颗粒的粒径为1～5mm，所述粗硅颗粒的质量为所述生物质碳预制体的2.5～3倍；在真空环境条件下，以5～10℃/min的升温速率升温至1450～1800℃，而后反应1450～1800℃并维持0.5～1.5h。
[0016]优选的，步骤S4中采用陶瓷先驱体浸渍裂解技术进行增密处理；进一步优选的真空搅拌消泡转速为1000～2000r/min，时间为5～20min，真空度为0～102Pa。
[0017]按照本专利技术的另一个方面，提供了一种上述3D打印木质纤维素衍生碳化硅陶瓷的制备方法制备的碳化硅陶瓷。
[0018]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，本专利技术提供的3D打印木质纤维素衍生碳化硅陶瓷的制备方法及产品具有如下有益效果：
[0019]1.本申请采用木质纤维素为原料制备适于3D打印的粉材，进而满足复杂结构的木质纤维素衍生碳化硅陶瓷的制备，木质纤维素粉材经真空搅拌消泡技术或喷雾造粒技术处理后不会破坏其中的三维交联结构，3D打印后可以保留原有的生物形态，保证可观的孔隙率，为熔融硅反应提供了丰富的熔融硅渗入通道及反应空间，有利于反应的顺利进行，使得碳硅反应更加充分，进而获得性能均匀优异的碳化硅陶瓷产品。
[0020]2.熔融硅反应后的产品在不小于2000℃的温度下抽真空可以使得硅变成气态硅除去，将产品在1000℃以下的温度下通入空气可以将碳转化为二氧化碳除去，因此处理后的产品无残硅、无残碳，性能更加优异。
[0021]3.将所述木质纤维素/树脂坯体气氛热解可以使得有机物转变为碳，便于后续与熔融硅的反应。
[0022]4.生物质碳预制体的孔隙率为55％～65％，该范围下可以保证熔融硅反应过程中液态硅充分与碳接触，太高的孔隙率会降低生物质碳预制体的强度，太低的孔隙率不利于液态硅与碳的充分接触反应。
[0023]5.采用喷雾造粒技术获得的颗粒的粒度和形貌非常适用于3D打印，并且效率高。
[0024]6.采用喷雾造粒技术获得的颗粒的松装密度和休止角在合适的区间内，3D打印成
形性好，使得制件内部组织均匀，强度较高。
[0025]7.本申请以木质纤维素为原料制备了适于3D打印的粉材，采用多种3D打印工艺成形碳化硅坯体，降低了原料成本，拓展了木质纤维素应用范围，提高了木质纤维素附加值，木质纤维素可由木质废弃物深加工得到，符合生态文明观念；同时该方法拓展了3D打印材料的范围，流程简单，可行性强，能成形具有复杂结构的高性能碳化硅陶瓷，有深入研究价值。
附图说明
[0026]图1是本实施例的3D打印木质纤维素衍生碳化硅陶瓷的制备方法的步骤图；
[0027]图2是本实施例的3D打印木质纤维素衍生碳化硅陶瓷的制备方法的流程图。
具体实施方式
[0028]为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种3D打印木质纤维素衍生碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于，所述方法包括：S1：将木质纤维素粉材采用真空搅拌消泡技术获得木质纤维素浆料或采用喷雾造粒技术获得木质纤维素造粒粉；S2：将所述木质纤维素浆料或木质纤维素造粒粉采用3D打印技术获得木质纤维素/树脂坯体；S3：将所述木质纤维素/树脂坯体气氛热解获得生物质碳预制体；S4：将所述生物质碳预制体进行熔融硅反应而后进行增密处理获得碳化硅陶瓷。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述木质纤维素粉材的长度为50～125微米，长径比为28～100，所述木质纤维素造粒粉的粒径为20～70微米。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述木质纤维素造粒粉的松装密度为0.5～0.7g/cm3，休止角为0～40度。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中采用喷雾造粒技术获得木质纤维素造粒粉的步骤为：将酚醛树脂溶于有机溶剂中获得混合溶液；将所述木质纤维素粉材加入所述混合溶液中混合搅拌，所述木质纤维素粉材与所述混合溶液的体积比为(1～2)∶(1～2)；采用闭式循环喷雾造粒技术获得木质纤维素造粒粉，其中，所述闭式循环喷雾造粒技术的工艺参数为：热风进口温度85～125℃，...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫春泽，王长顺，吴思琪，李昭青，陈安南，史玉升，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：