本发明专利技术涉及一种联用选区激光3D打印/前驱体浸渍热解/液相烧结制备SiC陶瓷的方法，包括：(1)将SiC粉体、液相烧结助剂和粘结剂混合，得到混合粉体；(2)将混合粉体经激光3D打印机成型得到陶瓷素坯，并进行排胶处理；(3)将排胶处理后的陶瓷件浸渍在有机前驱体溶液并取出，再经热固化处理、热解处理，得到陶瓷坯体；(4)在步骤(3)重复1～2次之后，将陶瓷坯体在埋粉中液相烧结，得到所述SiC陶瓷。得到所述SiC陶瓷。得到所述SiC陶瓷。
【技术实现步骤摘要】
一种联用选区激光3D打印/前驱体浸渍热解/液相烧结制备SiC陶瓷的方法
[0001]本专利技术涉及一种联用选区激光3D打印/前驱体浸渍热解(PIP)/液相烧结高效制备SiC陶瓷的方法，属于增材制造材料领域。
技术介绍
[0002]SiC陶瓷具有低密高强、耐高温耐辐照、化学稳定性高，耐腐蚀性能优异等优异性能受到广泛关注，被认为是在极端环境下应用的理想材料，在航空航天、装甲、空间反射镜、核能、化工及半导体等国防与工业重大领域中得到了广泛应用。然而，现在国防与工业应用等场合要求使用复杂形状的SiC陶瓷，但SiC陶瓷由于其强共价键特征给产品的成型制造带来了极大难题与挑战。
[0003]对于复杂结构陶瓷构件，传统机械加工方法加工周期长、成本高且最终零部件的表面质量及尺寸精度难以得到保证，而凝胶注模成型或直接凝固注模成型等陶瓷近净成型工艺虽然可以简化或省去二次机械加工，但其对模具的依赖程度较高且在制造大尺寸整体零部件时往往存在气孔、翘曲及裂纹等问题，3D打印的出现有效解决了这些问题，其在异形构件的制备方面存在着天然优势。3D打印又称增材制造，是一种累积制造技术，先通过计算机建模软件建造所需三维模型，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面(即切片)，从而指导打印机逐层打印。选择性激光烧结(SLS)是一种粉末床快速制造工艺，工作原理为：粉末床的预热，这可以减少热应力，从而有助于防止烧结构件裂纹的形成，预热完成后辊轮或刮刀在粉末床上铺粉，高能激光束(如CO2激光)选择性烧结粉末，首层制造完成，供粉缸和成型缸各自上升下降一层配合铺粉、成型，如此重复建造直至所需三维构件制造完成。SLS有着制备大尺寸复杂形状构件、无需支撑、材料利用率高、加工效率高等优势，能快速成型复杂结构零部件实现近净形制造，目前，SLS应用于陶瓷材料零件主要有直接、间接成型两种方式，直接SLS是以高能量密度的激光照射粉体实现成型—烧结一体化，间接SLS是激光照射在热塑性的聚合物粉末粘结陶瓷粉体实现复杂陶瓷部件成型，后经热处理方式烧结成陶瓷成品。直接SLS制造的陶瓷部件极易产生裂纹，这导致最终产品的机械性能不佳，因此，间接SLS方法，可以作为一种合适的方式，通过烧结成分中的低熔点聚合物粘结剂，然后以缓慢的加热速度去除粘结剂，随后进行炉内烧结，以提高最终密度，避免产品出现裂纹，从而形成无裂纹样品。
[0004]目前，间接选区激光3D打印制造陶瓷成型出的样品密度低、孔隙多、力学性能低，远远达不到服役时的性能，必须通过后续热处理来提升性能，主要的制备方法有化学气相渗透法(CVI)、液相渗硅法(LSI)和聚合物浸渍裂解法(PIP)三种，CVI工艺可以获得等化学计量比的SiC基体，但耗时长、成本高，在LSI工艺中，通过碳与熔融硅的反应可以原位生成SiC基体，然而，LSI工艺残留硅含量多，游离硅存在着低抗弯强度(≤100MPa)、高脆性(断裂韧性≤1MPa
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),且当服役温度超过1410℃时，其力学性能大幅度降低，游离硅的存在也使得基体的耐酸碱腐蚀性能变差，影响耐酸碱腐蚀应用，PIP致密化热处理工艺需要循环重
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8次以上才能得到密度可接受的材料，极大增加了工艺成本和制造周期，但在复杂形状的大尺寸构件制造和低成本等方面具有优势。
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联用选区激光3D打印/前驱体浸渍热解(PIP)与液相烧结高效制备SiC陶瓷的方法，包括：(1)将SiC粉体、液相烧结助剂和粘结剂混合，得到混合粉体；(2)将混合粉体经激光3D打印机成型得到陶瓷素坯，并进行排胶处理；(3)将排胶处理后的陶瓷件浸渍在有机前驱体溶液并取出，再经热固化处理、热解处理，得到陶瓷坯体；(4)在步骤(3)重复1～2次之后，将陶瓷坯体在埋粉中液相烧结，得到所述SiC陶瓷。
[0006]较佳的，以混合粉体的体积分数总和100vol％计，所述SiC粉体含量为70～80vol％、液相烧结助剂的含量为5～10vol％、粘结剂的含量为15～25vol％。
[0007]较佳的，所述液相烧结助剂为氧化铝粉体和氧化钇粉体；优选地，所述氧化铝粉体和氧化钇粉体的摩尔比可供选择的范围为(0.66～9)：1(根据其二元相图最低熔点1760℃优选约为1.66：1)；所述粘结剂选自有机树脂，优选为酚醛树脂或/和聚乙烯醇缩丁醛树脂。
[0008]较佳的，将液态聚碳硅烷或/和液态聚硅氧烷作为有机前驱体，与交联固化剂混合并除泡处理，得到所述有机前驱体溶液；所述交联固化剂为过氧化二异丙苯DCP、Karstedt铂催化剂中的至少一种；当交联固化剂为过氧化二异丙苯DCP，所述过氧化二异丙苯DCP的加入量为有机前驱体总质量的0.2～0.5wt％.；当交联固化剂为Karstedt铂催化剂，所述Karstedt铂催化剂的加入量为有机前驱体总质量的0.002
‰
～0.005
‰
。
[0009]较佳的，所述排胶处理制度包括：温度为900～1000℃，保温时间为0.5～1h；优选地，先以2℃/min～3℃/min的升温速率升温至200～300℃，再以1℃/min～2℃/min的升温速率升温至600～700℃，最后以2℃/min～3℃/min升温至900～1000℃并保温0.5～1h(例如0.5h)。
[0010]较佳的，所述热固化处理为：在烘箱中120～170℃热固化1～2小时；或者在管式炉惰性气氛中120～170℃下固化处理2～3小时；优选地，所述热固化处理的升温速率为1℃/min～5℃/min。
[0011]较佳的，所述热解处理的制度包括：在惰性气氛中1200～1400℃下保温1～2h；优选地，在惰性气氛中，先以1℃/min～2℃/min的升温速率升温至200～300℃，再以0.5℃/min～1℃/min的升温速率升温至800～900℃，最后以2℃/min～3℃/min升温至1200～1400℃并保温1～2h(例如1h)。
[0012]较佳的，所述埋粉的方式为：将热解处理后的陶瓷样品置于石墨坩埚中，在其上/下表面分别先铺一层SiC粉体和液相烧结助剂粉体的混合粉体，再分别铺一层液相烧结助剂粉体，使其包埋热解处理后的陶瓷样品；
优选地，所述液相烧结助剂粉体为原料所用液相烧结助剂；优选地，所述SiC粉体和液相烧结助剂的混合粉体中液相烧结助剂的含量不超过20wt％，更优选，所述SiC粉体和液相烧结助剂的混合粉体中SiC粉体：液相烧结助剂＝80～90wt％：10～20wt％；优选地，所述一层SiC粉体和液相烧结助剂的混合粉体的铺粉厚度≤5mm；优选地，所述一层液相烧结助剂粉体的铺粉厚度≥1cm。
[0013]较佳的，所述液相烧结的制度包括：在惰性气氛中1800～1950℃下保温0.5～1h；优选地，在惰性气氛中先以5℃/min～8℃/min的升温速率升温至1000～1100℃，再以3℃/min～5℃/min的升温速率升温至1600～1700℃，最本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种联用选区激光3D打印/前驱体浸渍热解/液相烧结制备SiC陶瓷的方法，其特征在于，包括：(1)将SiC粉体、液相烧结助剂和粘结剂混合，得到混合粉体；(2)将混合粉体经激光3D打印机成型得到陶瓷素坯，并进行排胶处理；(3)将排胶处理后的陶瓷件浸渍在有机前驱体溶液并取出，再经热固化处理、热解处理，得到陶瓷坯体；(4)在步骤(3)重复1～2次之后，将陶瓷坯体在埋粉中液相烧结，得到所述SiC陶瓷。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以混合粉体的体积分数总和100vol％计，所述SiC粉体含量为70～80vol％、液相烧结助剂的含量为5～10vol％、粘结剂的含量为15～25vol％。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述液相烧结助剂为氧化铝粉体和氧化钇粉体；优选地，所述氧化铝粉体和氧化钇粉体的摩尔比为(0.66～9)：1；所述粘结剂选自有机树脂，优选为酚醛树脂或/和聚乙烯醇缩丁醛树脂。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将液态聚碳硅烷或/和液态聚硅氧烷作为有机前驱体，与交联固化剂混合并除泡处理，得到所述有机前驱体溶液；所述交联固化剂为过氧化二异丙苯DCP、Karstedt铂催化剂中的至少一种；当交联固化剂为过氧化二异丙苯DCP，所述过氧化二异丙苯DCP的加入量为有机前驱体总质量的0.2～0.5wt％.；当交联固化剂为Karstedt铂催化剂，所述Karstedt铂催化剂的加入量为有机前驱体总质量的0.002
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～0.005
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。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述排胶处理制度包括：温度为900～1000℃，保温时间为0.5～1h；优选地，先以2℃/min～3℃/min的升温速率升温至200～300℃，再以1℃/min～2℃/min的升温速率升温至600～700℃，最后以2℃/min～3℃/min升温至900～1000℃并保温0.5～1h。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热固化处理为：在烘箱中120～170℃热...
【专利技术属性】
技术研发人员：殷杰，王康龙，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：
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