一种基于MCMB的激光3D打印C制造技术

本发明专利技术涉及一种基于MCMB的激光3D打印C

【技术实现步骤摘要】
一种基于MCMB的激光3D打印C
f
/SiC复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于3D打印材料制备领域，具体涉及一种基于高流动性C
f
/SiC/MCMB复合粉体激光3D打印及反应熔渗制备C
f
/SiC复合材料的方法。

技术介绍

[0002]短切碳纤维增强碳化硅(C
f
/SiC)复合材料因轻质高强、耐高温、抗热震等优异的性能而广泛应用于散热器、刹车片、航空发动机、空间遥感光学成像系统等领域。为提高光学系统分辨率同时实现结构轻量化减少成本，空间反射镜的背板结构一般设计为单拱形、弯月面形、双面凹形等，同时设置三角形、六边形、扇形、圆形、蜂窝等形状的加强筋结构，这导致了镜坯形状和结构的高度复杂化。传统制备C
f
/SiC复合材料的方法诸如热压烧结、注浆成型、化学气相渗透、前驱体浸渍裂解等均存在模具限制无法制备复杂结构、制备周期长、成本高的缺点。同时因C
f
/SiC复合材料高强度、高韧性的特点致使后加工困难，因此实现复杂结构的C
f
/SiC复合材料的高效快速、近净尺寸具有重大意义。
[0003]激光3D打印作为一种新兴的无模成型方法因具有大尺寸复杂部件的高效构筑、宏微观结构的可控化设计、高效快速、无需额外支撑结构、多余粉末可回收利用等诸多优势而广泛应用于SiC陶瓷及其复合材料的制备。依据成型原理的不同，激光3D打印可分为全熔化的直接打印法和部分熔化的间接打印法。其中，直接打印法是高能激光束将粉末完全熔化形成液相，激光移走后液相冷却凝固层层堆叠形成三维部件；间接打印法则是在成型粉体中添加低熔点的粘结剂，激光作用在低熔点的粘结剂上使其熔化形成液相，而高熔点的无机粉体仍为固相，液相铺展、颗粒发生重排进而将无机粉体粘结在一起。相比于直接打印法，间接打印法具有成型温度低、能耗少、应力小的优势因而更具有应用前景。此外，因碳化硅无熔点，2600℃以上直接升华为气体，因此间接激光3D打印方法更适合碳化硅基复合材料的制备。
[0004]具备高流动性的粉体对激光3D打印至关重要。目前，用于激光3D打印C
f
/SiC复合材料的粉体多为碳纤维和粘结剂的混合粉体，因碳纤维为棒状球形度差，致使复合粉体流动性差，从而打印的坯体气孔率高，相应地反应熔渗后游离硅的含量也较高，故反应熔渗后样品的力学、热学性能均较低。

技术实现思路

[0005]针对上述技术问题，本专利技术目在于提供一种基于高流动性C
f
/SiC/MCMB复合粉体激光3D打印及反应熔渗制备C
f
/SiC复合材料的方法。
[0006]第一方面，本专利技术提供了一种C
f
/SiC复合材料的制备方法，包括：将短切碳纤维、碳化硅、有机粘结剂和中间相碳微球MCMB干法球磨得到C
f
/SiC/MCMB复合粉体，再经激光3D打印成型得到多孔C
f
/SiC打印体，最后经脱脂和渗硅烧结，得到所述C
f
/SiC复合材料；其中，以所述C
f
/SiC/MCMB复合粉体总体积为100vol％计，短切碳纤维体积占比为5～65vol％，优选为10～60vol％，更优选为40vol％；碳化硅体积占比为15～75vol％，优选
为15～30vol％，更优选为15vol％；有机粘结剂体积占比为15～30vol％，优选为20～30vol％，更优选为25vol％；中间相碳微球体积占比为5～40vol％，优选为10～30vol％，更优选为15～25vol％，最优选为20vol％。
[0007]较佳地，所述短切碳纤维的长度为10
‑
200μm，优选为30
‑
100μm；直径为5
‑
10um，长径比为1
‑
40。
[0008]较佳地，所述碳化硅粉的平均粒径为5
‑
100μm，优选为5
‑
10μm和40
‑
70μm颗粒级配，更优选为平均粒径5
‑
10μm的碳化硅与平均粒径40
‑
70μm的碳化硅质量比为1：(1
‑
5)。
[0009]较佳地，所述有机粘结剂为酚醛树脂、环氧树脂、沥青树脂、尼龙、聚乙烯醇缩丁醛酯中的至少一种；所述有机粘结剂的平均粒径为10
‑
100μm，优选为10
‑
30μm。
[0010]较佳地，所述中间相碳微球的平均粒径为5
‑
100μm，优选为5
‑
40μm，更优选为10
‑
20μm，最优选为10
‑
15μm。
[0011]较佳地，所述激光3D打印的工艺参数为：激光功率5
‑
60W，线间距80
‑
160μm，扫速1000
‑
8000mm/s，粉末床预热温度50
‑
100℃。
[0012]较佳地，所述脱脂过程为：以0.5
‑
5℃/min的加热速率在真空、氮气或者氩气气氛下将打印体升温至700
‑
1400℃并保温0
‑
120min。
[0013]较佳地，所述渗硅烧结的工艺为：以5
‑
10℃/min加热速率将脱脂后的素坯升温至1200
‑
1400℃，然后再以3
‑
5℃/min的加热速率继续升温至1450℃
‑
1700℃并保温30
‑
120min，烧结气氛为真空、氩气或氮气。
[0014]较佳地，所述渗硅烧结中采用的硅颗粒平均粒径为0.5μm
‑
5mm，硅颗粒和脱脂后的素坯的质量比为1
‑
5.5：1。
[0015]第二方面，本专利技术提供了一种根据上述制备方法得到的C
f
/SiC复合材料。
[0016]有益效果本专利技术以近球形、具有自润滑作用的MCMB做碳源，有效提升了激光3D打印用复合粉体的流动性，解决了C
f
在激光3D打印中铺粉困难的难题，并降低打印体的气孔率；而且MCMB具有自粘结作用，可减少激光打印过程中有机粘结剂的使用量；本专利技术利用干法球磨制备激光打印用复合粉体，简单高效，同时避免了有毒有害的分散剂的使用以及C
f
在溶液中的絮凝；本专利技术采用反应熔渗法制备C
f
/SiC复合材料，实现了素坯低温、快速致密化。
附图说明
[0017]图1为实施例1所用的中间相碳微球原料SEM图；图2、3分别为实施例1素坯烧结前后的样品SEM图。
具体实施方式
[0018]通过实施方式进一步说明本专利技术，应理解，下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种C
f
/SiC复合材料的制备方法，其特征在于，包括：将短切碳纤维、碳化硅、有机粘结剂和中间相碳微球MCMB干法球磨得到C
f
/SiC/MCMB复合粉体，再经激光3D打印成型得到多孔C
f
/SiC打印体，最后经脱脂和渗硅烧结，得到所述C
f
/SiC复合材料；其中，以所述C
f
/SiC/MCMB复合粉体总体积为100vol％计，短切碳纤维体积占比为5～65vol％，优选为10～60vol％，更优选为40vol％；碳化硅体积占比为15～75vol％，优选为15～30vol％，更优选为15vol％；有机粘结剂体积占比为15～30vol％，优选为20～30vol％，更优选为25vol％；中间相碳微球体积占比为5～40vol％，优选为10～30vol％，更优选为15～25vol％，最优选为20vol％。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述短切碳纤维的长度为10
‑
200μm，优选为30
‑
100μm；直径为5
‑
10um，长径比为1
‑
40。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述碳化硅粉的平均粒径为5
‑
100μm，优选为5
‑
10μm和40
‑
70μm颗粒级配，更优选为平均粒径5
‑
10μm的碳化硅与平均粒径40
‑
70μm的碳化硅质量比为1：(1
‑
5)。4.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述有机粘结剂为酚醛树脂、环氧树脂、沥青树脂、尼龙、聚乙烯醇缩丁醛酯中的至少一种；所述有机粘结剂的平均粒径为10
‑
100μm，优选为10
‑
30μ...

【专利技术属性】
技术研发人员：殷杰，陈晓，刘学建，黄政仁，陈忠明，姚秀敏，黄健，孙安乐，
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：