一种用于增材制造陶瓷零件的粘结剂及粘结方法技术

本发明专利技术属于陶瓷增材制造领域，并具体公开了一种用于增材制造陶瓷零件的粘结剂及粘结方法，其包括组分A和组分B，按重量分数计，所述组分A包括纳米溶胶90～98份；所述组分B包括纳米溶胶10～30份，陶瓷填料60～80份，分散剂0.5～2份，保湿剂0.5～2份，增稠剂0.5～10份；所述组分A对陶瓷素坯待粘结表面进行预处理，所述组分B涂布在预处理后的部位。本发明专利技术采用水基粘结剂对增材制造素坯进行粘结处理，具有普适性强、环保高效、粘结性能稳定、界面结合良好等优点，解决了传统粘结方案无法有效填充间隙、粘结部位组分与基体相容性差等问题，有效避免了烧结过程中由于基体和粘结剂收缩不匹配产生的缺陷。生的缺陷。生的缺陷。

【技术实现步骤摘要】
一种用于增材制造陶瓷零件的粘结剂及粘结方法


[0001]本专利技术属于陶瓷增材制造领域，更具体地，涉及一种用于增材制造陶瓷零件的粘结剂及粘结方法。

技术介绍

[0002]高性能陶瓷具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点，广泛应用于家电、汽车零部件、建筑、航空航天等领域。传统陶瓷成形方法大多依赖于模具，因此难以制造具有复杂结构的陶瓷零件。
[0003]增材制造技术基于逐层制造并叠加原理，可以在不依赖模具的情况下制备出传统方法难以甚至无法成形的复杂结构，因此在成形复杂高性能陶瓷零件方面具有很大优势。常见的陶瓷零件增材制造工艺包括粉末床熔融(Powder bed fusion,PBF)、粘结剂喷射/三维喷印(Binder jetting/Three dimension printing)、材料挤出(Materials Extrusion,ME)及光固化成形(Stereolithography,SL/Digital light processing,DLP)等。
[0004]随着零件复杂度要求的提高，预想中的采用增材制造实现“一步到位”的成形方式往往面临相当大的困难，如密闭空间清理粉/浆料困难，待成形零件尺寸大于设备可加工尺寸等，因此往往需要根据实际情况对零件进行拆分制造。对于高分子和金属材料，可以通过熔接、焊接、粘结或机械装配等方式实现零件的组合，然而对于韧性低，脆性高的陶瓷材料，以上方法均不适用。目前，增材制造技术成形的陶瓷素坯通常需经过高温烧结才能得到最终的陶瓷零件，而当前市面上的普通有机粘结剂大多无法在高温烧结环境下保持稳定，无机粘结剂如硅溶胶等无法达到良好的填充效果，烧结之后陶瓷零件之间的界面结合效果差。因此，目前尚缺乏针对增材制造陶瓷零件粘结的相关技术。

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用于增材制造陶瓷零件的粘结剂及粘结方法，其目的在于，解决传统粘结方案无法有效填充间隙、粘结部位组分与基体相容性差的问题，避免烧结过程中由于基体和粘结剂收缩不匹配产生的缺陷。
[0006]为实现上述目的，按照本专利技术的一方面，提出了一种用于增材制造陶瓷零件的粘结剂，包括组分A和组分B，按重量分数计，所述组分A包括纳米溶胶90～98份；所述组分B包括纳米溶胶10～30份，陶瓷填料60～80份，分散剂0.5～2份，保湿剂0.5～2份，增稠剂0.5～10份；所述组分A对陶瓷素坯待粘结表面进行预处理，所述组分B涂布在预处理后的部位。
[0007]作为进一步优选的，所述组分A还包括保湿剂1～5份，增稠剂1～5份。
[0008]作为进一步优选的，所述纳米溶胶为硅溶胶、铝溶胶、硅铝溶胶、锆溶胶、钇溶胶中的一种或多种。
[0009]作为进一步优选的，所述分散剂为聚丙烯酸铵、柠檬酸铵、三聚磷酸铵、四甲基氢氧化铵中的一种或多种；所述保湿剂为透明质酸、甘油、乙二醇、聚乙二醇、二丙二醇单甲醚中的一种或多种；所述增稠剂为纤维素、聚乙烯醇、卡波姆、疏水改性聚氨酯、气相纳米氧化
硅中的一种或多种。
[0010]作为进一步优选的，所述陶瓷填料与陶瓷素坯中的成分构成相同。
[0011]按照本专利技术的另一方面，提供了一种增材制造陶瓷零件的粘结方法，其采用上述粘结剂实现，包括如下步骤：
[0012]S1、在陶瓷素坯的待粘结表面涂布组分A进行润湿预处理；
[0013]S2、在经过润湿预处理的待粘结区域涂布组分B，对陶瓷素坯进行粘结、固化；
[0014]S3、对陶瓷素坯进行烧结得到陶瓷零件。
[0015]作为进一步优选的，完成润湿预处理后，在5分钟内完成组分B的涂布。
[0016]作为进一步优选的，步骤S2中，固化方式为室温风干或烘箱烘烤以排除粘结区域的水分，待粘结区域完全干燥后，二次涂布组分B，再进行固化，以确保粘结区域充分填充不存在气孔。
[0017]作为进一步优选的，步骤S3中，烧结温度为800～1800℃，烧结气氛为常压、真空、氢气气氛或惰性气体加压。
[0018]作为进一步优选的，步骤S1中的陶瓷素坯为由粉末床熔融、粘结剂喷射、材料挤出或光固化工艺成形。
[0019]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，主要具备以下的技术优点：
[0020]1、本专利技术采用水基粘结剂对素坯进行粘结处理，具有操作简单、普适性强、环保高效、粘结性能稳定、界面结合良好等优点；同时采用与陶瓷素坯相同的材料体系，不额外引入杂质，保障了陶瓷零件纯度及使用性能。
[0021]具体来说，组分A的作用是对待粘结陶瓷的表面进行保湿处理，避免组分B中的水分被陶瓷表面的孔隙所吸收，降低组分B的流动性从而减少产生气孔；为了避免使用大量有机溶剂(有机溶剂会在烧结时分解产生气体，导致结合处出现裂纹)，并考虑与组分B成分的相容性，以纳米溶胶作为组分A的主要成分。组分B则是负责填充陶瓷零件结合区域的空隙，起到粘结作用，加入陶瓷填料保证粘结剂的填充性能，烧结后能实现良好的界面结合，解决了传统粘结方案无法有效填充间隙、粘结部位组分与基体相容性差等问题，有效避免了烧结过程中由于基体和粘结剂收缩不匹配产生的缺陷，粘结部位密封性能良好，使粘结部位与原始待粘结陶瓷保持一致，粘结后的陶瓷件可用于铸造用途。
[0022]2、由于所粘结陶瓷材料往往并非致密陶瓷，含有孔隙，为保证粘结处与被粘结陶瓷孔隙率一致，避免出现应力集中，组分B中纳米溶胶的含量比例与被粘结陶瓷的孔隙率基本保持一致；本专利技术的粘结剂中添加了增稠剂和分散剂，使陶瓷填料组分在各个含量范围内均可保持稳定，从而可根据待粘结陶瓷样品的致密度进行调节，适用于各种孔隙率陶瓷的粘结。
[0023]3、加入分散剂可以提升浆料整体的流动性，但需要控制在合理范围，分散剂过高会导致粘结剂粘度不降反升；添加保湿剂可以保证粘结过程中粘结剂始终保持液态，但保湿剂含量过高则会导致后期粘结完成后干燥速率减慢；此外，适当的添加增稠剂可以提升粘结剂粘度使得涂布粘结剂的过程更易操作，但增稠剂含量过高则会降低粘结剂的流动性。本专利技术据此对组分B中各组分含量进行了设计，在使陶瓷填料组分在含量范围内保持稳定的同时，改善了粘结剂的使用性能。
[0024]4、为了提高保湿性，避免被陶瓷表面过快吸收，在组分A中添加了少量的保湿剂和增稠剂，但考虑到操作便利、减小成本以及减少有机组分添加，保湿剂与增稠剂含量不宜过多，1～5份范围内比较合适。
[0025]5、涂布组分A完成润湿预处理后，在5分钟内完成组分B的涂布，以避免润湿的待粘结部位再次干燥。同时，待粘结区域完全干燥后，可根据实际气孔进行二次涂布组分B，再进行加热固化，从而确保粘结区域充分填充不存在气孔。
附图说明
[0026]图1为本专利技术实施例使用粘结剂后的陶瓷粘结结构示意图。
[0027]在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1
‑
粘结层，2
‑
润湿层，3
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于增材制造陶瓷零件的粘结剂，其特征在于，包括组分A和组分B，按重量分数计，所述组分A包括纳米溶胶90～98份；所述组分B包括纳米溶胶10～30份，陶瓷填料60～80份，分散剂0.5～2份，保湿剂0.5～2份，增稠剂0.5～10份；所述组分A对陶瓷素坯待粘结表面进行预处理，所述组分B涂布在预处理后的部位。2.如权利要求1所述的用于增材制造陶瓷零件的粘结剂，其特征在于，所述组分A还包括保湿剂1～5份，增稠剂1～5份。3.如权利要求1所述的用于增材制造陶瓷零件的粘结剂，其特征在于，所述纳米溶胶为硅溶胶、铝溶胶、硅铝溶胶、锆溶胶、钇溶胶中的一种或多种。4.如权利要求2所述的用于增材制造陶瓷零件的粘结剂，其特征在于，所述分散剂为聚丙烯酸铵、柠檬酸铵、三聚磷酸铵、四甲基氢氧化铵中的一种或多种；所述保湿剂为透明质酸、甘油、乙二醇、聚乙二醇、二丙二醇单甲醚中的一种或多种；所述增稠剂为纤维素、聚乙烯醇、卡波姆、疏水改性聚氨酯、气相纳米氧化硅中的一种或多种。5.如权利要求1
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4任一项所述的用于增材制造陶瓷零件的粘结剂，其特征在于，所述陶瓷填料与陶...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫春泽，孙冬，陈双，史玉升，文世峰，吴甲民，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：