一种3D打印用水基氮氧化铝透明陶瓷浆料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种3D打印用水基氮氧化铝透明陶瓷浆料及其制备方法。所述3D打印用水基氮氧化铝透明陶瓷浆料包括：Al2O3粉体、AlN粉体、二价金属氧化物/盐、稀土氧化物、弱酸、分散剂、增稠剂和水。增稠剂和水。增稠剂和水。

【技术实现步骤摘要】
一种3D打印用水基氮氧化铝透明陶瓷浆料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种3D打印用水基氮氧化铝透明陶瓷浆料及其制备方法，属于透明陶瓷领域。

技术介绍

[0002]氮氧化铝透明陶瓷(AlON)是Al2O3和AlN按照一定组分比例范围，经高温固溶生成的单一立方相光学各向同性透明陶瓷。AlON透明陶瓷不仅光学透过率高，透波波段宽，而且综合力学性能优于其他透明陶瓷材料，可广泛应用于红外窗口、头罩、透明装甲等领域。
[0003]自1976年McCauly制备出世界上第一块半透明氮氧化铝陶瓷以来，多种制备方法和成型工艺日趋成熟。一般而言，通过干压成型，经冷等静压和烧结制度优化，即可制得光学质量优异的AlON透明陶瓷。而当有复杂形状产品要求时，干压成型法则常面临成型形状有限和素坯密度分布不均匀的缺点，导致加工工艺复杂、耗时长、成本高等一系列问题。湿法成型以浆料固含量高、流动性好、素坯致密度均匀、近净尺寸成型的优势，成为制备复杂形状AlON透明陶瓷材料的重要方法。而对于部分特殊的应用场景，改进湿法成型的陶瓷浆料，结合3D打印技术，经高温烧结，可以更高效、低成本地完成小尺寸、高精度、高质量透明陶瓷产品的制备工作。
[0004]对用于3D打印的陶瓷浆料而言，不仅需要严格控制制备过程中原料纯度以保证陶瓷材料的配比符合设计，而且需要在维持较高固含量以确保陶瓷透明化的基础上，确保拥有较好的粘度可以用于3D打印成型。相较于醇基陶瓷浆料中的有机物含量通常较高，浆料固含量过低，脱粘后素坯孔洞较多的问题，水基陶瓷浆料中有机物添加量较少，素坯致密，成品率高，有望应用于制备3D打印陶瓷浆料，以制备高光/力学性能陶瓷。
[0005]然而，一方面，未见用于3D打印AlON透明陶瓷浆料及其制备方法的相关文献报道；另一方面，无论是碳热还原氮化法合成的纯AlON相粉体，或者Al2O3和AlN的混合物粉体，由于存在易与水反应的Al
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N键，会生成氨气和Al(OH)3，不仅会导致组分比例偏离预期设计，而且会影响陶瓷浆料的固含量和粘度，降低氮氧化铝透明陶瓷浆料的可打印性。

技术实现思路

[0006]针对上述问题，本专利技术提供了一种防水化、固含量高、粘度适中的水基氮氧化铝浆料及其制备方法以及采用3D打印技术制备的AlON透明陶瓷。
[0007]第一方面，本专利技术提供了一种3D打印用水基氮氧化铝透明陶瓷浆料，包括：Al2O3粉体、AlN粉体、二价金属氧化物/盐、稀土氧化物、弱酸、分散剂、增稠剂和水。
[0008]在本专利技术中，水基氮氧化铝透明陶瓷浆料采用Al2O3和AlN为主要原料，添加少量二价金属氧化物/盐、稀土氧化物和弱酸烧结助剂辅助实现陶瓷烧结透明化，添加适量分散剂和水调节浆料的固含量，浆料固含量≥75wt％，添加适量增稠剂以调节浆料的粘度，粘度在5～10Pa
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s。在前述过程中，弱酸和增稠剂分别通过修饰包裹颗粒表面和吸取浆料中水分的方式，实现减缓氮氧化铝陶瓷粉体水化过程，20小时内浆料pH值≤9，干燥后的浆料和素
坯中无Al(OH)3等水化产物，且素坯相对密度不低于55％。
[0009]在本专利技术中，针对Al2O3/AlN混合粉体易水化的问题，采用易溶于酒精的弱酸，在球磨过程中完成对陶瓷颗粒的包覆过程，可以在一定程度上延缓陶瓷浆料的水化过程，在素坯的整个制备流程中，未检测出水化产物物相，最大程度上确保透明陶瓷的组分比例符合预期设计；弱酸含量较少，不会对陶瓷的光学性能产生明显影响。
[0010]在本专利技术中，通过分散剂和水含量优化，调节氮氧化铝陶瓷浆料的固含量；通过增稠剂含量优化，调节氮氧化铝陶瓷浆料的粘度；同时，增稠剂通过吸收浆料中的水分，实现减缓氮氧化铝粉体水化的效果。
[0011]较佳的，所述二价金属氧化物/盐选自MgO、MgAl2O4、MgCO3、CaCO3、SrCO3、BaCO3中的至少一种；所述稀土氧化物选自La2O3、Y2O3、Gd2O3、Yb2O3和Sc2O3中的至少一种；所述弱酸选自H3BO3、H3PO4、柠檬酸中的中的至少一种；所述分散剂选自聚丙烯酸、聚丙烯酸铵、聚甲基丙烯酸铵中的至少一种；所述增稠剂选自羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、2
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羟乙基甲基纤维素中的至少一种。
[0012]较佳的，所述Al2O3粉体和AlN粉体的质量比为(90～80)：(10～20)；所述二价金属氧化物/盐添加量为Al2O3粉体和AlN粉体总质量的0.1～0.3wt％；所述稀土氧化物的添加量为Al2O3粉体和AlN粉体总质量的0.05～0.2wt％；所述弱酸的添加量为Al2O3粉体和AlN粉体总质量的0.05～0.15wt％；所述分散剂的添加量为Al2O3粉体、AlN粉体、二价金属氧化物/盐、稀土氧化物和弱酸总质量的0.3～0.6wt％；所述增稠剂的添加量为为Al2O3粉体、AlN粉体、二价金属氧化物/盐、稀土氧化物和弱酸总质量的0.40～0.80wt％。
[0013]较佳的，所述Al2O3粉体的纯度≥99.9％，粒径为0.1～10μm；所述AlN粉体的纯度≥99.9％，粒径为0.6～2μm；所述二价金属氧化物/盐的纯度≥99.99％，粒径为0.5～1.5μm；所述稀土氧化物的纯度≥99.99％；所述弱酸的纯度为分析纯；所述分散剂的纯度不低于99.9％；所述增稠剂的纯度不低于99.9％。
[0014]较佳的，所述水基氮氧化铝透明陶瓷浆料的固含量(Al2O3粉体和AlN粉体的含量)为≥75wt％，优选75～81wt％(对应43vol～53vol％)。其中固含量为浆料中陶瓷粉体的质量百分比，该陶瓷粉体包括Al2O3、AlN、二价金属氧化物/盐、稀土氧化物、弱酸的质量之和。若固含量低于此范围，打印所得坯体气孔率较高，素坯在干燥过程中易开裂，且不利于陶瓷透明化。若固含量过高，难以搅拌混合，无法制成可打印的浆料。
[0015]较佳的，所述水基氮氧化铝透明陶瓷浆料的粘度为5～10Pa
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s。若粘度过低，打印所得坯体容易发生坍塌。若粘度过高，浆料流动性差，无法实现打印。
[0016]较佳的，所述水基氮氧化铝透明陶瓷浆料在20小时内的pH值≤9，在该时间窗口内，浆料打印性好，可以保证氮氧化铝透明陶瓷的浆料、素坯打印和干燥流程所需时长。
[0017]第二方面，本专利技术提供了一种3D打印用水基氮氧化铝透明陶瓷浆料的制备方法，
包括：(1)制备抗水化陶瓷粉体；(2)利用抗水化陶瓷粉体制备3D打印用水基氮氧化铝透明陶瓷浆料。具体包括：按照所述氮氧化铝陶瓷粉体组分比例称取Al2O3、AlN、二价金属氧化物/盐、稀土氧化物和弱酸，与酒精和高纯氧化铝球混合后球磨，烘干过筛后得到抗水化氮氧化铝陶瓷粉体；将抗水化处理的陶瓷粉体、分散剂、水和高纯氧化铝球混合后球磨调节浆料固含量后，再加入增稠剂，离心混合调节浆料粘度，制备出氮氧化铝陶瓷浆料。
[0018]较佳的，将Al2O3粉体、AlN粉体、二价金属氧化物/盐、稀土氧化物、弱酸本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种3D打印用水基氮氧化铝透明陶瓷浆料，其特征在于，包括：Al2O3粉体、AlN粉体、二价金属氧化物/盐、稀土氧化物、弱酸、分散剂、增稠剂和水。2.根据权利要求1所述的水基氮氧化铝透明陶瓷浆料，其特征在于，所述二价金属氧化物/盐选自MgO、MgAl2O4、MgCO3、CaCO3、SrCO3、BaCO3中的至少一种；所述稀土氧化物选自La2O3、Y2O3、Gd2O3、Yb2O3和Sc2O3中的至少一种；所述弱酸选自H3BO3、H3PO4、柠檬酸中的至少一种；所述分散剂选自聚丙烯酸、聚丙烯酸铵、聚甲基丙烯酸铵中的至少一种；所述增稠剂选自羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、2
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羟乙基甲基纤维素中的至少一种。3.根据权利要求1或2所述的水基氮氧化铝透明陶瓷浆料，其特征在于，所述Al2O3粉体和AlN粉体的质量比为(90～80) ：(10～20)；所述二价金属氧化物/盐添加量为Al2O3粉体和AlN粉体总质量的0.1～0.3wt%；所述稀土氧化物的添加量为Al2O3粉体和AlN粉体总质量的0.05～0.2wt%；所述弱酸的添加量为Al2O3粉体和AlN粉体总质量的 0.05～0.15wt%；所述分散剂的添加量为Al2O3粉体、AlN粉体、二价金属氧化物/盐、稀土氧化物和弱酸总质量的0.3～0.6wt%；所述增稠剂的添加量为为Al2O3粉体、AlN粉体、二价金属氧化物/盐、稀土氧化物和弱酸总质量的0.4～0.8wt%。4.根据权利要求1
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3中任一项所述的水基氮氧化铝透明陶瓷浆料，其特征在于，所述Al2O3粉体为α相，纯度≥99.9%，粒径为0.1～10μm；所述AlN粉体的纯度≥99.9%，粒径为0.6～2μm；所述二价金属氧化物/盐的纯度≥99.99%，粒径为0.5～1.5μm；所述稀土氧化物的纯度≥99.99%；所述弱酸的纯度为分析纯；所述分散剂的纯度不低于99.9%；所述增稠剂的纯度不低于99.9%。5.根据权利要求1
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4中任一项所述的水基氮氧化铝透明陶瓷浆料，其特征在于，所述水基氮氧化铝透明陶瓷浆料的固含量为≥75wt%，优选75～81wt%；所述水基氮氧化铝透明陶瓷浆料的粘度为5～10Pa
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s；所述水基氮氧化铝透明陶瓷浆在20小时内的pH值≤9。6.一种如权利要求1
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5中任一项所述的3D打印用水基氮氧化铝透明陶瓷浆料的制备方法，其特征在于，包括：（1）制备抗水化陶瓷粉体；（2）利用抗水化陶瓷粉体制备3D打印用水基氮氧化铝透明陶瓷浆料。7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，将Al2O3粉体、AlN粉体、二价金属氧化物/...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈鹤拓，吉浩浩，周国红，章健，毛小建，刘娟，王士维，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：