本發(fā)明屬陶瓷增材制造，具體涉及一種石墨烯增強(qiáng)光固化3d打印硅基陶瓷及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、陶瓷型芯作為形成航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片復(fù)雜氣冷結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)接件，可有效提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。傳統(tǒng)的陶瓷型芯制備工藝如熱壓注、凝膠注模法嚴(yán)重依賴(lài)模具，并存在研發(fā)周期長(zhǎng)、成本高昂等缺點(diǎn)，難以成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)的陶瓷型芯。而陶瓷3d打印技術(shù)具備無(wú)模具、表面質(zhì)量?jī)?yōu)異等特點(diǎn)，可應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷型芯的一體化成形。

2、氧化硅基陶瓷由于具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性和易脫除的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于陶瓷型芯領(lǐng)域。但是由于氧化硅與光固化所用的光敏樹(shù)脂折射率接近，容易導(dǎo)致極大的過(guò)度固化區(qū)域，使得制備出的陶瓷素坯精度嚴(yán)重下降，不利于陶瓷型芯的實(shí)際應(yīng)用。在后續(xù)的脫脂燒結(jié)過(guò)程中，陶瓷因致密化會(huì)產(chǎn)生燒結(jié)收縮，尺寸精度進(jìn)一步下降。在專(zhuān)利cn117303870a中公布了一種光固化增材制造零燒結(jié)收縮鋁基陶瓷型芯材料，其燒結(jié)收縮顯著降低但并未關(guān)注固化成形階段對(duì)陶瓷型芯精度的影響。因此，如何調(diào)控陶瓷型芯在固化成形-燒結(jié)收縮兩個(gè)階段的尺寸精度是硅基陶瓷型芯面臨的主要問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種石墨烯增強(qiáng)光固化3d打印硅基陶瓷及其制備方法與應(yīng)用，該方法能夠同時(shí)調(diào)節(jié)光固化3d打印氧化硅陶瓷固化成形-燒結(jié)收縮的尺寸精度，獲得綜合性能優(yōu)異的硅基陶瓷型芯，以促進(jìn)陶瓷3d打印技術(shù)在精密鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用。

2、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種石墨烯增強(qiáng)光固化3d打印硅基陶瓷，所所述石墨烯增強(qiáng)光固化3d打印硅基陶瓷由以下體積分?jǐn)?shù)的原料制成：光敏樹(shù)脂32％～44％，余量為硅基復(fù)合陶瓷粉體；

3、所述硅基復(fù)合陶瓷粉體由以下重量份的原料組成：基體材料70份～90份、礦化改性劑10份～25份、0份＜石墨烯＜0.1份；石墨烯做精度調(diào)控劑；

4、所述光敏樹(shù)脂由以下質(zhì)量分?jǐn)?shù)的原料組成：光引發(fā)劑1％～5％、分散劑5％～10％，余量為交聯(lián)助劑；

5、所述基體材料為熔融石英；

6、所述礦化改性劑為硼化硅和硼化鋯的混合物；

7、所述交聯(lián)助劑為1,6-己二醇二丙烯酸酯、三羥甲基丙烷三丙烯酸酯、丙烯酸異冰片酯和甲基丙烯酸異冰片酯的混合物；

8、所述分散劑為byk9076、byk111或者kos110；

9、所述光引發(fā)劑為1-羥基環(huán)己基苯基甲酮或者三甲基苯甲?；?二苯基氧化膦。

10、優(yōu)選地，所述熔融石英包括3種粒度范圍的熔融石英：0μm＜d1≤5μm，5μm＜d2≤15μm，15μm＜d2≤30μm。

11、優(yōu)選地，所述交聯(lián)助劑由以下重量份的原料組成：1,6-己二醇二丙烯酸酯50份～70份、三羥甲基丙烷三丙烯酸酯20份～50份、丙烯酸異冰片酯10份～20份和甲基丙烯酸異冰片酯10份～20份。

12、其中丙烯酸異冰片酯、甲基丙烯酸異冰片酯、1,6-己二醇二丙烯酸擁有較低的官能團(tuán)數(shù)量，可以很好的降低陶瓷漿料粘度；三羥甲基丙烷三丙烯酸酯為三官能團(tuán)有機(jī)物，可以很好的促進(jìn)光聚合反應(yīng)，提高打印效率。

13、優(yōu)選地，所述礦化改性劑為粒徑為20μm～50μm的粉體。

14、本發(fā)明還提供了上述的石墨烯增強(qiáng)光固化3d打印硅基陶瓷的制備方法，該方法為：

15、s1、將光敏樹(shù)脂和硅基復(fù)合陶瓷粉體在轉(zhuǎn)速為300rpm～600rpm的轉(zhuǎn)速下球磨3h～5h，得到可用于光固化的陶瓷漿料；

16、s2、將s1中得到的可用于光固化的陶瓷漿料置于陶瓷3d打印機(jī)中，設(shè)置打印層厚為50μm～150μm，紫外光波長(zhǎng)為405nm，曝光時(shí)間為3s～5s，曝光功率為10mw/cm～30mw/cm2，經(jīng)逐層打印后，得到陶瓷型芯坯體；

17、s3、將s2中得到的陶瓷型芯坯體置于馬弗爐中進(jìn)行脫脂處理，在空氣氣氛下，以0.1℃/min～0.5℃/min的升溫速率從室溫起升溫，在200℃、431℃、508℃、600℃分別保溫1h～2h后，得到脫脂后的硅基陶瓷；

18、s4、將s3中得到的脫脂后的硅基陶瓷置于燒結(jié)爐中，在空氣氣氛下，以0.1℃/min～0.5℃/min的升溫速率從室溫升溫至1150℃～1250℃，保溫4h～8h，然后以1℃/min～4℃/min的降溫速率降溫至900℃后，隨爐冷卻至室溫，得到石墨烯增強(qiáng)光固化3d打印硅基陶瓷。

19、優(yōu)選地，s4中所述石墨烯增強(qiáng)光固化3d打印硅基陶瓷的過(guò)度固化寬度為-50.34μm～52.09μm，燒結(jié)收縮率為2.70％～3.16％，氣孔率為26.69％～27.7％。

20、本發(fā)明還提供了上述石墨烯增強(qiáng)光固化3d打印硅基陶瓷的應(yīng)用，所述石墨烯增強(qiáng)光固化3d打印硅基陶瓷用于陶瓷型芯精密鑄造。

21、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

22、1、本發(fā)明將石墨烯引入光固化3d打印，基于其卓越的吸光特性，有效改善了紫外光與陶瓷顆粒的復(fù)雜耦合作用，顯著抑制了過(guò)度固化區(qū)域，從而調(diào)控其成形精度，使其坯體尺寸與設(shè)計(jì)尺寸相吻合。在燒結(jié)階段，石墨烯可作為收縮補(bǔ)償劑，通過(guò)其氧化膨脹生成co2，從而抑制燒結(jié)收縮，并提高氣孔率，有助于后續(xù)的脫除工藝以及渦輪葉片的精度。由此可同時(shí)優(yōu)化硅基陶瓷型芯在固化成形-燒結(jié)收縮階段的尺寸精度。通過(guò)引入硼化硅和硼化鋯使其在高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中被氧化，分別生成氧化硅與氧化鋯，一方面，生成的氧化硅可以很好的補(bǔ)充硅源并相變生成方石英增強(qiáng)基體強(qiáng)度。另一方面，氧化鋯在1200℃下由單斜相轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较啵龠M(jìn)微裂紋的形成，增加了能量損耗機(jī)制，緩解了應(yīng)力集中現(xiàn)象，更好的提升了陶瓷型芯的斷裂韌性與彎曲強(qiáng)度。

23、2、本發(fā)明制備的石墨烯增強(qiáng)光固化3d打印硅基陶瓷的過(guò)度固化趨于0μm，燒結(jié)收縮率為2.70％～3.16％，氣孔率為26.69％～27.7％，協(xié)同調(diào)控了成形-燒結(jié)尺寸變化，實(shí)現(xiàn)了硅基陶瓷型芯的高精度增材制造。

24、下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

技術(shù)特征：

1.一種石墨烯增強(qiáng)光固化3d打印硅基陶瓷，其特征在于，所述石墨烯增強(qiáng)光固化3d打印硅基陶瓷由以下體積分?jǐn)?shù)的原料制成：光敏樹(shù)脂32％～44％，余量為硅基復(fù)合陶瓷粉體；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種石墨烯增強(qiáng)光固化3d打印硅基陶瓷，其特征在于，所述熔融石英包括3種粒度范圍的熔融石英：0μm＜d1≤5μm，5μm＜d2≤15μm，15μm＜d2≤30μm。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種石墨烯增強(qiáng)光固化3d打印硅基陶瓷，其特征在于，所述交聯(lián)助劑由以下重量份的原料組成：1,6-己二醇二丙烯酸酯50份～70份、三羥甲基丙烷三丙烯酸酯20份～50份、丙烯酸異冰片酯10份～20份和甲基丙烯酸異冰片酯10份～20份。

4.根據(jù)權(quán)利要求所述的一種石墨烯增強(qiáng)光固化3d打印硅基陶瓷，其特征在于，所述礦化改性劑為粒徑為20μm～50μm的粉體。

5.一種制備如權(quán)利要求1-4任一權(quán)利要求所述的石墨烯增強(qiáng)光固化3d打印硅基陶瓷的方法，其特征在于，該方法為：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，s4中所述石墨烯增強(qiáng)光固化3d打印硅基陶瓷的過(guò)度固化寬度為-50.34μm～52.09μm，燒結(jié)收縮率為2.70％～3.16％，氣孔率為26.69％～27.7％。

7.一種如權(quán)利要求5所述制備方法制備的石墨烯增強(qiáng)光固化3d打印硅基陶瓷的應(yīng)用，其特征在于，所述石墨烯增強(qiáng)光固化3d打印硅基陶瓷用于陶瓷型芯精密鑄造。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種石墨烯增強(qiáng)光固化3D打印硅基陶瓷，由光敏樹(shù)脂、硅基復(fù)合陶瓷粉體制成，硅基復(fù)合陶瓷粉體由基體材料、礦化改性劑、石墨烯組成，光敏樹(shù)脂由引發(fā)劑、分散劑和交聯(lián)助劑組成。還提供了制備方法:將光敏樹(shù)脂和硅基復(fù)合陶瓷粉體混合球磨后，置于陶瓷3D打印機(jī)中打印，然后進(jìn)行脫脂處理、燒結(jié)而成。能用于陶瓷型芯精密鑄造。本發(fā)明可有效調(diào)節(jié)光固化增材制造硅基陶瓷型芯成形精度并抑制燒結(jié)收縮，可避免脫脂燒結(jié)過(guò)程中層間裂紋的產(chǎn)生，可獲得綜合性能優(yōu)異的硅基陶瓷型芯。

技術(shù)研發(fā)人員：許西慶,楊永康,賈子祺,郭亞杰,李世元,郭旭森
受保護(hù)的技術(shù)使用者：長(zhǎng)安大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19