一种粘结剂喷射打印碳化硅-铝复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种粘结剂喷射打印碳化硅

【技术实现步骤摘要】
一种粘结剂喷射打印碳化硅
‑
铝复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及复合材料
，尤其涉及一种粘结剂喷射打印碳化硅
‑
铝复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]碳化硅(SiC)陶瓷具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、耐辐照、强度大、硬度高、热膨胀率小等优异的综合性能，被广泛应用于汽车、机械、化工、环保、空间技术、信息电子、能源等领域。特别是其优异的导热性能(理论热导率高达490W
·
m
‑1·
K
‑
1)，被广泛用于电子元器件的散热或者工业热交换器件。其中，像工业级散热器件或者热交换器件涉及形状复杂及大尺寸，比如带散热翅片或者流体通道。传统碳化硅陶瓷成形工艺包括等静压、流延成型、注射成形、注浆成型、凝胶注模等，通常采用模具辅助成形，烧结后还需进行机加工处理得到所需碳化硅产品。然而，由于碳化硅陶瓷固有的硬度及脆性以及复杂模具的制备周期长，导致传统成型方法在制备复杂轻量化碳化硅构件时周期长、成本高，且大尺寸构件通常需通过拼接方法获得，导致废品率高，某些内部复杂结构很难甚至无法制造。
[0003]粘结剂喷射技术(Binder Jetting)是增材制造(俗称3D打印技术)工艺的一种，是通过选择性喷射沉积液态粘结剂以粘结陶瓷粉末材料，层层累积得到陶瓷三维坯体，并经过粘结剂固化、脱脂、烧结等后期处理，即可制得所需的致密陶瓷制件。该技术具备制备成本低、打印速度快、打印精度高、可打印大尺寸复杂陶瓷部件等优势，可有效解决传统成型工艺难以制备复杂形状大尺寸陶瓷部件难题。
[0004]浸渗是一种常见的提高SiC致密度的一种常见方法，中国专利申请号为CN 202210113916.2，公开号为CN 114480908 B，专利技术创造名称为“一种高比分功能梯度铝基碳化硅复合材料及其制备方法”，公开了采用增材制造技术结合浸渗聚碳硅烷溶液、聚二甲基硅烷溶液或异元素聚碳硅烷溶液获得梯度多孔结构碳化硅预制体，并采用液态铝合金填充工艺制得高比分功能梯度铝基碳化硅复合材料。但是这种方法直接浸渗聚碳硅烷等前驱体，在裂解过程，前驱体产生气体或者产生热应力，使得强度较弱的陶瓷坯体容易发生损伤，影响坯体的完整性，且这种方法直接使用大颗粒SiC粉体，不利于烧结活性的提高。因此，提供一种不经过裂解过程或者减少裂解过程分解产生的热应力，又能提高坯体密度与烧结活性的方法，对制备高性能SiC陶瓷具有重要意义。
[0005]然而，粘结剂喷射成型技术受限于粉体粒径，通常为了确保粉体流动性而选用大尺寸的碳化硅粉体(粒径：＞20μm)，这不仅造成打印坯体内部存在较多的空隙，还大大降低了碳化硅陶瓷的烧结活性，特别是碳化硅的Si
‑
C共价键，使得其在烧结过程中扩散很慢，进而导致利用粘结剂喷射成型技术难以制备高致密度碳化硅陶瓷部件，导致其热导率(气孔热导率为0W
·
m
‑1·
K
‑1)及弯曲强度(受气孔影响最大)急剧下降，这严重限制大尺寸、复杂结构碳化硅陶瓷热转换器的发展及应用。因此，急需寻找一种方法提高粘结剂喷射打印碳化硅陶瓷的致密度及其热
‑
力学性能的方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术实施例提供了一种粘结剂喷射打印碳化硅
‑
铝复合材料及其制备方法，旨在达到提高粘结剂喷射打印碳化硅陶瓷的致密度及其热
‑
力学性能的目的。
[0007]本专利技术提供一种粘结剂喷射打印碳化硅
‑
铝复合材料的制备方法，使用亚微米粉体进行喷雾造粒，即保证粉体具备流动性，又提高粉体的烧结活性；经过打印成型及脱脂后浸渗纳米SiC陶瓷悬浮液或者聚碳硅烷与纳米SiC粉体混合液提高成型坯体的密度，进而提高烧结后碳化硅陶瓷的致密，最后通过熔渗铝进一步提高碳化硅陶瓷的致密度及热
‑
力学性能。
[0008]第一方面，本专利技术实施例提供了一种粘结剂喷射打印碳化硅
‑
铝复合材料的制备方法，包括：
[0009]S1，称取碳化硅粉体、烧结助剂、分散溶剂构成混合物，将所述混合物依次进行球磨、烘干、过筛、喷雾造粒处理，制得碳化硅球形造粒粉体；
[0010]S2，将所述碳化硅球形造粒粉体作为打印原料，根据预设的打印参数以及预设的设计结构进行粘结剂喷射打印，得到第一坯体；
[0011]S3，对所述第一坯体进行清除残粉、固化处理及脱脂处理，得到第二胚体；
[0012]S4，将所述第二胚体浸渗在浸渗液中进行浸渗处理，烘干后得到第三坯体，其中，所述浸渗液为纳米SiC陶瓷悬浮液或聚碳硅烷与纳米SiC粉体混合液；所述纳米SiC陶瓷悬浮液为纳米SiC与溶剂和分散剂的混合液，所述纳米SiC陶瓷悬浮液中，所述纳米SiC的浓度为10～40vol％；所述聚碳硅烷与纳米SiC粉体混合液中，所述纳米SiC粉体的质量为聚碳硅烷的质量的5～15％；
[0013]S5，对所述第三坯体进行烧结处理，得到碳化硅陶瓷烧结体；
[0014]S6，在所述碳化硅烧结体内熔渗铝，得到碳化硅
‑
铝复合材料。
[0015]其进一步的技术方案包括，步骤S1中，以质量份计，所述碳化硅粉体80～95份，所述烧结助剂5～20份；所述碳化硅粉体粒径为0.1～3μm；所述烧结助剂为Al2O3、Y2O3、MgO、CaO、TiO2、La2O3、AlN、B4C、C、SiO2中的至少一种，所述烧结助剂的粒径为0.1～1μm，所述烧结助剂的纯度大于99.5％；所述分散溶剂为去离子水、无水乙醇、甲醇中的至少一种。
[0016]其进一步的技术方案包括，步骤S1中，球磨的工艺参数包括球磨转速为200～400rpm，球磨时间为0.5h～6h；烘干的工艺参数包括烘干温度为50～120℃，烘干时间为3～24h；过筛目数为50～100目。烘干的目的是为了去除分散溶剂。
[0017]其进一步的技术方案包括，所述碳化硅球形造粒粉体的粒径为10～100μm，确保具备良好的流动性。
[0018]其进一步的技术方案包括，步骤S2中，所述打印参数包括打印层厚为50～300μm，刮刀速度为1～6cm/s，胶水饱和度为50～100％。设计结构可具体为立方形、圆柱形等，可通过建模软件设计，本专利技术不具体限定。
[0019]其进一步的技术方案包括，步骤S3中，固化处理的工艺参数包括：固化温度为100～300℃，保温时间为0.5～3h，确保第二坯体具备较好的强度；脱脂处理包括：在空气气氛下，以0.5～10℃/min升温至300～600℃，保温时间为1～6h，然后以0.5～10℃/min降温至室温。
[0020]其进一步的技术方案包括，步骤S4中，所述纳米SiC粒径为10～200nm，所述溶剂为
去离子水、无水乙醇、丙酮、甲醇中的至少一种，所述分散剂为柠檬酸、草酸、丙烯酸钠、丙烯酸钾、聚乙二醇200、聚乙二醇300、聚乙二醇400和聚乙二醇20本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种粘结剂喷射打印碳化硅
‑
铝复合材料的制备方法，其特征在于，包括：S1，称取碳化硅粉体、烧结助剂、分散溶剂构成混合物，将所述混合物依次进行球磨、烘干、过筛、喷雾造粒处理，制得碳化硅球形造粒粉体；S2，将所述碳化硅球形造粒粉体作为打印原料，根据预设的打印参数以及预设的设计结构进行粘结剂喷射打印，得到第一坯体；S3，对所述第一坯体进行清除残粉、固化处理及脱脂处理，得到第二胚体；S4，将所述第二胚体浸渗在浸渗液中进行浸渗处理，烘干后得到第三坯体，其中，所述浸渗液为纳米SiC陶瓷悬浮液或聚碳硅烷与纳米SiC粉体混合液；所述纳米SiC陶瓷悬浮液为纳米SiC与溶剂和分散剂的混合液，所述纳米SiC陶瓷悬浮液中，所述纳米SiC的浓度为10～40vol％；所述聚碳硅烷与纳米SiC粉体混合液中，所述纳米SiC粉体的质量为聚碳硅烷的质量的5～15％；S5，对所述第三坯体进行烧结处理，得到碳化硅陶瓷烧结体；S6，在所述碳化硅烧结体内熔渗铝，得到碳化硅
‑
铝复合材料。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，以质量份计，所述碳化硅粉体80～95份，所述烧结助剂5～20份；所述碳化硅粉体粒径为0.1～3μm；所述烧结助剂为Al2O3、Y2O3、MgO、CaO、TiO2、La2O3、AlN、B4C、C、SiO2中的至少一种，所述烧结助剂的粒径为0.1～1μm，所述烧结助剂的纯度大于99.5％；所述分散溶剂为去离子水、无水乙醇、甲醇中的至少一种。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，球磨的工艺参数包括球磨转速为200～400rpm，球磨时间为0.5h～6h；烘干的工艺参数包括烘干温度为50～120℃，烘干时间为3～24h；过筛目数为50～100目。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳化硅球形造粒粉体的粒径为10～100μm。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，所述打印参数包括打印层厚为50～300μm，刮刀速度为1～6cm/s，胶水饱和度为50～100％。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，固化处理的工艺参数包括：固化温度为100～300℃...

【专利技术属性】
技术研发人员：黎业华，姜知水，文理，陈捷，欧明，董进杰，
申请(专利权)人：广东捷成科创电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：