基于光固化3D打印织构氧化铝的混合埋粉脱脂方法

基于光固化3d打印织构氧化铝的混合埋粉脱脂方法

技术领域

1.本发明属于光固化增材制造与陶瓷后续热处理领域，具体涉及一种基于光固化3d打印织构氧化铝的混合埋粉脱脂方法。

背景技术：

2.光固化增材制造技术满足任意形状逐层固化，层层叠加直接打印结构复杂陶瓷，目前备受青睐。但是光固化形成的素坯在后处理过程中由于收缩和形变难免会产生裂纹，尤其对于织构陶瓷的光固化打印，因为在浆料中加入的二维氧化铝片晶导致打印成的素坯具有各向异性，在脱脂过程中不同方向受到的应力不同，非常容易产生脱脂裂纹，这在很大程度上影响陶瓷最终力学性能。在脱脂过程中合理的利用外界因素将溶剂脱出有利于减少陶瓷胚体的裂纹从而提高性能。已经有研究开始采用保护气体、真空脱脂、分步脱脂、微波场等技术或辅助方法来改善在后处理过程中产生的缺陷。

3.目前传统的保护气氛脱脂，需通保护气氛长达60-120小时以上，因通入气体时间太长导致资源浪费，并且花费过高。真空脱脂由于热对流效果差，所以温度很难控制，有着容易诱发配体开裂和畸变等缺点。微波场由于升温速率难以控制目前还没有得到广泛应用。传统的埋粉脱脂仅仅将陶瓷素坯埋入与胚体材料相同的粉中，目前没有针对织构氧化铝陶瓷光固化打印素坯进行埋粉的应用和方法。如何在埋粉后处理过程中保持织构氧化铝的高精度宏观结构，同时减少织构氧化铝在后处理过程中各向异性收缩导致的裂纹缺陷产生，进而提高力学性能，是织构氧化铝光固化打印陶瓷素坯在埋粉脱脂时面临的重点问题。

技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于光固化3d打印织构氧化铝的混合埋粉脱脂方法，解决了目前无法通过传统脱脂工艺制备出高性能光固化3d打印织构陶瓷这一问题。

5.本发明所采用的技术方案是，基于光固化3d打印织构氧化铝的混合埋粉脱脂方法，包括如下步骤：

6.1)制备陶瓷浆料：制备陶瓷浆料液相体系，将陶瓷浆料液相体系中加入分散剂利用行星球磨机进行球磨20-30min，然后再加入球形氧化铝粉末与助烧结剂，继续球磨2-3h使各个物料在陶瓷浆料液相体系中分散均匀；然后取出磨球，加入片晶氧化铝粉继续使用行星球磨机搅拌2-3h使其混合均匀，最后加入紫外光引发剂继续搅拌均匀得到陶瓷浆料；

7.2)采用面曝光工艺，在pdms膜上利用剪切力定向3d打印具有定向微观织构的氧化铝陶瓷素坯；

8.3)采用sem来观察片晶氧化铝粉和球形氧化铝粉末的微观形貌，进一步确定颗粒的大小及尺寸，选择埋粉用于后续埋粉脱脂；

9.4)对氧化铝陶瓷素坯进行埋粉状态下的热重分析，设计脱脂曲线；

10.5)根据脱脂曲线将氧化铝陶瓷素坯埋入步骤3)选择的埋粉中采用一定压力压实，并在马弗炉中进行热脱脂，对脱脂后的陶瓷素坯进行烧结，得到具有高性能的织构氧化铝

陶瓷。

11.本发明的特征还在于，

12.步骤1)中，陶瓷浆料液相体系按照体积百分比由如下原料混合制成：55-70vol％的光敏树脂，30-45vol％的溶剂，以上组分体积百分比之和为100％；

13.其中，光敏树脂为hdda、tmpta、acmo、oppea中的一种或多种任意比混合，溶剂为poe、ppg200-800、peg200-800中的一种或多种任意比混合；

14.加入的分散剂为球形氧化铝粉末及片晶氧化铝粉总重的1-3wt％，分散剂为kd1、cc42中的一种或两种等比例混合物；

15.加入的球形氧化铝粉末的用量为陶瓷浆料的30-45vol％，烧结助剂占片晶氧化铝粉质量的3wt％，其中烧结助剂为cao、sio2中的一种或cao与sio等比例混合的混合物；

16.加入的片晶氧化铝粉，粉体直径为7

–

11μm，厚度为200

–

250nm，占陶瓷浆料体积的5-10vol％；

17.加入的紫外光引发剂为占陶瓷浆料液相体系质量的1-2wt％其中紫外光引发剂为irgacure651或tpo。步骤2)的具体实现方法如下：

18.201)采用面曝光工艺，将pdms膜作为惰性膜放置于浆料槽底部，然后向浆料槽中加入步骤1)制备得到的陶瓷浆料；

19.202)在打印过程中，在曝光前陶瓷浆料会由于工作台下降被挤压向周围流动，进而定向浆料中的片晶氧化铝粉，在定向结束后进行曝光固化，并打印下一层，重复该过程逐层打印，最终形成具有织构的氧化铝陶瓷素坯。

20.步骤3)中，选择的埋粉为单分散粒径为200或300nm的sio2、d50直径为200或300nm的al2o3、d50直径为200或300nm针状si3n4中的一种或任意两种的混合粉末；当埋粉为任意两种的混合粉末时，按照1-4:6-9的比例混合均匀。

21.步骤4)中，设计脱脂曲线具体为：从室温开始采用0.5-3℃/min的升温速率升至80℃-110℃保温100-200min，然后采用0.1-1.5℃/min的升温速率升至120℃-140℃保温300-400min，采用0.1-1.5℃/min的升温速率升至180℃-210℃保温300-400min，采用0.1-1.5℃/min的升温速率升至290℃-320℃保温300-400min，采用0.1-1.5℃/min的升温速率升至430℃-460℃保温300-400min，采用0.5-3℃/min的升温速率升至580℃-610℃，采用0.5-3℃/min的升温速率升至900℃-930℃，采用0.5-3℃/min的降温速率降至600℃，然后冷却至室温。

22.步骤5)的具体实现方法如下：

23.501)在陶瓷匣中，底层铺入步骤3)选择的埋粉5-7mm，放入氧化铝陶瓷素坯，再铺上步骤3)选择的埋粉8-10mm；利用压板将粉用5mpa压力压实；

24.502)将陶瓷匣放入马弗炉中部，保证炉内温度与表盘温度一致；

25.503)根据步骤4中的脱脂曲线进行脱脂；

26.504)采用空气气氛烧结炉，烧结过程为：室温-200℃采用0.5-1℃/min的升温速率；200℃-600℃采用1-1.5℃/min的升温速率，600℃-1400℃采用3-5℃/min的升温速率，1400℃-1600℃采用1-2℃/min的升温速率1600℃保温1-2h，1600℃-室温采用4-5℃/min的降温速率。

27.本发明的有益效果是：

28.本发明方法可以通过特殊混合埋粉的方法进行光固化3d打印织构氧化铝脱脂，成形高性能低缺陷的织构氧化铝，埋粉脱脂不仅对陶瓷素坯起到支撑作用避免粘结剂软化使胚体在自重作用下发生变型，而且比表面积合适的埋粉可以通过毛细吸附作用促进有机粘结剂的排除，从而达到减少在后处理过程中产生缺陷的目的。本发明方法提将系统的混合埋粉应用于织构氧化铝陶瓷素坯后处理过程中；结合热重分析对不同温区重量损失情况作以分析制定脱脂曲线。进而通过混合埋粉脱脂技术形成无裂纹的高性能织构陶瓷。该方法有着绿色环保、效率高、安全性高等优点。为光固化3d打印织构氧化铝素坯后续热处理提供一种新的制造方法。

附图说明

29.图1是本发明方法的流程图；

30.图2是本发明方法脱脂后的素坯与传统脱脂后的素坯对比图；

31.图3是本发明方法脱脂后的素坯与传统脱脂后的素坯另一个角度的对比图；

32.图4是本发明方法中烧结完成的陶瓷断面扫描电镜图。

具体实施方式

33.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

34.本发明提供一种基于光固化3d打印织构氧化铝的混合埋粉脱脂方法，如图1所示，包括如下步骤：

35.1)制备陶瓷浆料：制备陶瓷浆料液相体系，将陶瓷浆料液相体系中加入分散剂利用行星球磨机进行球磨20-30min，然后再加入球形氧化铝粉末与助烧结剂，继续球磨2-3h使各个物料在陶瓷浆料液相体系中分散均匀；然后取出磨球，加入片晶氧化铝粉继续使用行星球磨机搅拌2-3h使其混合均匀，最后加入紫外光引发剂继续搅拌均匀得到陶瓷浆料；

36.步骤1)中，陶瓷浆料液相体系按照体积百分比由如下原料混合制成：55-70vol％的光敏树脂，30-45vol％的溶剂，以上组分体积百分比之和为100％；

37.其中，光敏树脂为hdda、tmpta、acmo、oppea中的一种或多种任意比混合，溶剂为poe、ppg200-800、peg200-800中的一种或多种任意比混合；

38.加入的分散剂为陶瓷粉总重(球形氧化铝粉末及片晶氧化铝粉总重)的1-3wt％，分散剂为kd1、cc42中的一种或两种等比例混合物；

39.加入的球形氧化铝粉末的用量为陶瓷浆料的30-45vol％，烧结助剂占片晶氧化铝粉质量的3wt％，其中烧结助剂为cao、sio2中的一种或cao与sio等比例混合的混合物；

40.加入的片晶氧化铝粉，粉体直径为7

–

11μm，厚度为200

–

250nm，占陶瓷浆料体积的5-10vol％；

41.加入的紫外光引发剂为占陶瓷浆料液相体系质量的1-2wt％，其中紫外光引发剂为irgacure651或tpo。

42.2)采用面曝光工艺，在pdms膜上利用剪切力定向3d打印具有定向微观织构的氧化铝陶瓷素坯；

43.步骤2)的具体实现方法如下：

44.201)采用面曝光工艺，将pdms膜作为惰性膜放置于浆料槽底部，然后向浆料槽中

加入步骤1)制备得到的陶瓷浆料；

45.202)在打印过程中，在曝光前陶瓷浆料会由于工作台下降被挤压向周围流动，进而定向浆料中的片晶氧化铝粉，在定向结束后进行曝光固化，并打印下一层，重复该过程逐层打印，最终形成具有织构的氧化铝陶瓷素坯。

46.3)采用sem来观察片晶氧化铝粉和球形氧化铝粉末的微观形貌，进一步确定颗粒的大小及尺寸，将一种粒径小于素坯内粉体的单分散粉体和一种粒径小于素坯内粉体非单分散粉体混合作为埋粉，将其并按一定比例混合，用于后续埋粉脱脂；

47.步骤3)中，选择的比表面积合适的埋粉为单分散粒径为200或300nm的sio2、d50直径为200或300nm的al2o3、d50直径为200或300nm针状si3n4中的一种或任意两种的混合粉末；当埋粉为任意两种的混合粉末时，按照1-4:6-9的比例混合均匀。

48.4)对氧化铝陶瓷素坯进行埋粉状态下的热重分析，分析不同温区的质量变化情况，合理的设计脱脂曲线；

49.步骤4)中，将素坯埋入混合粉末中压实测热重，并根据热重分析图来确定脱脂升温曲线。设计脱脂曲线具体为：从室温开始采用0.5-3℃/min的升温速率升至80℃-110℃保温100-200min，然后采用0.1-1.5℃/min的升温速率升至120℃-140℃保温300-400min，采用0.1-1.5℃/min的升温速率升至180℃-210℃保温300-400min，采用0.1-1.5℃/min的升温速率升至290℃-320℃保温300-400min，采用0.1-1.5℃/min的升温速率升至430℃-460℃保温300-400min，采用0.5-3℃/min的升温速率升至580℃-610℃，采用0.5-3℃/min的升温速率升至900℃-930℃，采用0.5-3℃/min的降温速率降至600℃，然后冷却至室温。

50.5)根据脱脂曲线将氧化铝陶瓷素坯埋入混合粉步骤3)选择的埋粉中采用一定压力压实，并在马弗炉中进行热脱脂，对脱脂后的陶瓷素坯进行烧结，得到具有高性能的织构氧化铝陶瓷。

51.步骤5)的具体实现方法如下：

52.501)在50

×

20

×

30mm的陶瓷匣中，底层铺入步骤3)选择的埋粉5-7mm，放入氧化铝陶瓷素坯，再铺上步骤3)选择的埋粉8-10mm；利用压板将粉用5mpa压力压实减少空气通过空隙与素坯接触；

53.502)将陶瓷匣放入马弗炉中部，保证炉内温度与表盘温度一致；

54.503)根据步骤4)中的脱脂曲线进行脱脂；

55.504)采用空气气氛烧结炉，烧结过程为：室温-200℃采用0.5-1℃/min的升温速率；200℃-600℃采用1-1.5℃/min的升温速率，600℃-1400℃采用3-5℃/min的升温速率，1400℃-1600℃采用1-2℃/min的升温速率1600℃保温1-2h，1600℃-室温采用4-5℃/min的降温速率。

56.实施例1

57.(1)陶瓷浆料液相体系制备：将50vol％的hdda与15vol％的tmpta以及35vol％的ppg400溶剂混合制成的液相体系，再加入kd1与cc42分散剂利用行星球磨机进行球磨20min，kd1与cc42的混合物占陶瓷粉总重的3wt％，kd1与cc42的质量比按1:1计算。

58.(2)然后再加入球形氧化铝粉末与助烧结剂，继续球磨2h使各个物料在陶瓷浆料液相体系中分散均匀，加入球形氧化铝粉末的用量为陶瓷浆料的45vol％，cao和sio2组成的烧结助剂占片晶氧化铝粉质量的3wt％，cao和sio2的质量比按1:1计算；

59.(3)然后取出磨球，加入片晶氧化铝粉继续使用行星球磨机搅拌2h使其混合均匀，最后加入紫外光引发剂继续搅拌均匀得到陶瓷浆料；加入的片晶氧化铝粉，粉体直径为10μm，厚度为200nm，占陶瓷浆料体积的5vol％；加入的紫外光引发剂为占陶瓷浆料液相体系质量的3wt％，其中紫外光引发剂为tpo；

60.2)采用面曝光工艺，在pdms膜上利用剪切力定向3d打印具有定向微观织构的氧化铝陶瓷素坯；

61.步骤2)的具体实现方法如下：

62.201)采用面曝光工艺，将pdms膜作为惰性膜放置于浆料槽底部，然后向浆料槽中加入步骤1)制备得到的陶瓷浆料；

63.202)在打印过程中，在曝光前陶瓷浆料会由于工作台下降被挤压向周围流动，进而定向浆料中的片晶氧化铝粉，在定向结束后进行曝光固化，并打印下一层，重复该过程逐层打印，最终形成具有织构的氧化铝陶瓷素坯。

64.3、采用sem来观察片晶氧化铝和球型氧化铝的微观形貌，进一步确定颗粒的大小及尺寸。找到比表面积合适的粉用于后续埋粉脱脂。其中选择的埋粉具体为单分散粒径为200nm的sio2及d50直径为200nm针状si3n4的混合物。sio2与si3n4按照质量比9:1的比例混合均匀。

65.4、将素坯埋入混合粉末中压实测热重，并根据热重分析图来确定脱脂升温曲线。从室温开始采用1.5℃/min的升温速率升至80℃保温120min，然后采用0.5℃/min的升温速率升至130℃保温240min，采用0.5℃/min的升温速率升至190℃保温300min，采用0.5℃/min的升温速率升至310℃保温300min，采用0.5℃/min的升温速率升至450℃保温300min，采用1.5℃/min的升温速率升至600℃，采用1.5℃/min的升温速率升至900℃，采用1.5℃/min的降温速率降至600℃，然后冷却至室温。

66.5)根据脱脂曲线将氧化铝陶瓷素坯埋入混合粉步骤3)选择的埋粉中采用一定压力压实，并在马弗炉中进行热脱脂，对脱脂后的陶瓷素坯进行烧结，得到具有高性能的织构氧化铝陶瓷。

67.步骤5)的具体实现方法如下：

68.501)在50

×

20

×

30mm的陶瓷匣中，底层铺入步骤3)选择的埋粉7mm，放入氧化铝陶瓷素坯，再铺上步骤3)选择的埋粉9mm；利用压板将粉用5mpa压力压实减少空气通过空隙与素坯接触；

69.502)将陶瓷匣放入马弗炉中部，保证炉内温度与表盘温度一致；

70.503)根据步骤4中的升温曲线进行脱脂；

71.504)采用空气气氛烧结炉，室温-200℃采用0.5℃/min的升温速率。200℃-600℃采用1.5℃/min的升温速率，600℃-1400℃采用3℃/min的升温速率，1400℃-1600℃采用1℃/min的升温速率1600℃保温1h，1600℃-室温采用4℃/min的降温速率。

72.实施例2

73.(1)陶瓷浆料液相体系制备：将40vol％的hdda、20vol％的oppea、10vol％的acmo以及30vol％的poe溶剂混合制成液相体系，再加入kd1与cc42分散剂利用行星球磨机进行球磨30min，kd1与cc42的混合物占陶瓷粉总重的3wt％，kd1与cc42的质量比按1:1计算。

74.(2)然后再加入球形氧化铝粉末与助烧结剂，继续球磨3h使各个物料在陶瓷浆料

液相体系中分散均匀，加入球形氧化铝粉末的用量为陶瓷浆料的45vol％，cao和sio2组成的烧结助剂占片晶氧化铝粉质量的3wt％，cao和sio2的质量比按1:1计算；

75.(3)然后取出磨球，加入片晶氧化铝粉继续使用行星球磨机搅拌2h使其混合均匀，最后加入紫外光引发剂继续搅拌均匀得到陶瓷浆料；加入的片晶氧化铝粉，粉体直径为7μm，厚度为200nm，占陶瓷浆料体积的5vol％；加入的紫外光引发剂为占陶瓷浆料液相体系质量的3wt％，其中紫外光引发剂为tpo；

76.步骤2与实施例1相同

77.3、采用sem来观察片晶氧化铝和球型氧化铝的微观形貌，进一步确定颗粒的大小及尺寸。找到比表面积合适的粉用于后续埋粉脱脂。其中选择的埋粉具体为单分散粒径为200nm的sio2及d50直径为200nm针状si3n4的混合物。sio2与si3n4按照质量比7:3的比例混合均匀。

78.4、将素坯埋入混合粉末中压实测热重，并根据热重分析图来确定脱脂升温曲线。从室温开始采用1.5℃/min的升温速率升至90℃保温120min，然后采用0.5℃/min的升温速率升至140℃保温300min，采用0.5℃/min的升温速率升至180℃保温300min，采用0.5℃/min的升温速率升至310℃保温300min，采用0.5℃/min的升温速率升至450℃保温300min，采用1.5℃/min的升温速率升至600℃，采用1.5℃/min的升温速率升至900℃，采用1.5℃/min的降温速率降至600℃，然后冷却至室温。

79.5)根据脱脂曲线将氧化铝陶瓷素坯埋入混合粉步骤3)选择的埋粉中采用一定压力压实，并在马弗炉中进行热脱脂，对脱脂后的陶瓷素坯进行烧结，得到具有高性能的织构氧化铝陶瓷。

80.步骤5)的具体实现方法如下：

81.501)在50

×

20

×

30mm的陶瓷匣中，底层铺入步骤3)选择的埋粉7mm，放入氧化铝陶瓷素坯，再铺上步骤3)选择的埋粉9mm；利用压板将粉用5mpa压力压实减少空气通过空隙与素坯接触；

82.502)将陶瓷匣放入马弗炉中部，保证炉内温度与表盘温度一致；

83.503)根据步骤4中的升温曲线进行脱脂；

84.504)采用空气气氛烧结炉，室温-200℃采用0.5℃/min的升温速率。200℃-600℃采用1.5℃/min的升温速率，600℃-1400℃采用3℃/min的升温速率，1400℃-1600℃采用1℃/min的升温速率1600℃保温2h，1600℃-室温采用3℃/min的降温速率。

85.实施例3

86.(1)陶瓷浆料液相体系制备：将40vol％的hdda、25vol％的peg400da、35vol％的ppg溶剂混合制成100vol％的陶瓷浆料液相体系，再加入kd1与cc42分散剂利用行星球磨机进行球磨25min，kd1与cc42的混合物占陶瓷粉总重的3wt％，kd1与cc42的质量比按1:1计算。

87.(2)然后再加入球形氧化铝粉末与助烧结剂，继续球磨2.5h使各个物料在陶瓷浆料液相体系中分散均匀，加入球形氧化铝粉末的用量为陶瓷浆料的45vol％，cao和sio2组成的烧结助剂占片晶氧化铝粉质量的3wt％，cao和sio2的质量比按1:1计算；

88.(3)然后取出磨球，加入片晶氧化铝粉继续使用行星球磨机搅拌2h使其混合均匀，最后加入紫外光引发剂继续搅拌均匀得到陶瓷浆料；加入的片晶氧化铝粉，粉体直径为7μ

m，厚度为200nm，占陶瓷浆料体积的5vol％；加入的紫外光引发剂为占陶瓷浆料液相体系质量的3wt％，其中紫外光引发剂为tpo；

89.步骤2与实施例2相同

90.3、采用sem来观察片晶氧化铝和球型氧化铝的微观形貌，进一步确定颗粒的大小及尺寸。找到比表面积合适的粉用于后续埋粉脱脂。其中选择的埋粉具体为单分散粒径为200nm的sio2及d50直径为200nm针状si3n4的混合物。sio2与si3n4按照质量比8.5:1.5的比例混合均匀。

91.4、将素坯埋入混合粉末中压实测热重，并根据热重分析图来确定脱脂升温曲线。从室温开始采用1.5℃/min的升温速率升至85℃保温120min，然后采用0.5℃/min的升温速率升至135℃保温300min，采用0.5℃/min的升温速率升至185℃保温300min，采用0.5℃/min的升温速率升至305℃保温300min，采用0.5℃/min的升温速率升至455℃保温300min，采用1.5℃/min的升温速率升至600℃，采用1.5℃/min的升温速率升至900℃，采用1.5℃/min的降温速率降至600℃，然后冷却至室温。

92.步骤5与实施例2相同。

93.本发明方法脱脂后的素坯与传统脱脂后的素坯对比图如图2-3所示，传统脱脂后的素坯存在着较多裂纹，导致断面不均匀，形成阶梯式断口，后续烧结后裂纹进一步扩展，使得陶瓷成品缺陷更加明显，而右侧为混合埋粉脱脂得到的素坯，几乎没有裂纹产生，断面整齐规整。为后续制备高性能陶瓷奠定基础。

94.实施例3制备得到的织构氧化铝陶瓷，如图4所示，可以在sem下观察到规整的氧化铝织构组织，通过织构进一步提高氧化铝陶瓷性能。

95.实施例4

96.(1)陶瓷浆料液相体系制备：将50vol％的hdda与15vol％的tmpta以及35vol％的ppg400溶剂混合制成的液相体系，再加入kd1与cc42分散剂利用行星球磨机进行球磨20min，kd1与cc42的混合物占陶瓷粉总重的3wt％，kd1与cc42的质量比按1:1计算。

97.(2)然后再加入球形氧化铝粉末与助烧结剂，继续球磨2h使各个物料在陶瓷浆料液相体系中分散均匀，加入球形氧化铝粉末的用量为陶瓷浆料的30vol％，cao组成的烧结助剂占片晶氧化铝粉质量的3wt％；

98.(3)然后取出磨球，加入片晶氧化铝粉继续使用行星球磨机搅拌2h使其混合均匀，最后加入紫外光引发剂继续搅拌均匀得到陶瓷浆料；加入的片晶氧化铝粉，粉体直径为7μm，厚度为250nm，占陶瓷浆料体积的10vol％；加入的紫外光引发剂为占陶瓷浆料液相体系质量的1wt％，其中紫外光引发剂为irgacure651；

99.2)采用面曝光工艺，在pdms膜上利用剪切力定向3d打印具有定向微观织构的氧化铝陶瓷素坯；

100.步骤2)的具体实现方法如下：

101.201)采用面曝光工艺，将pdms膜作为惰性膜放置于浆料槽底部，然后向浆料槽中加入步骤1)制备得到的陶瓷浆料；

102.202)在打印过程中，在曝光前陶瓷浆料会由于工作台下降被挤压向周围流动，进而定向浆料中的片晶氧化铝粉，在定向结束后进行曝光固化，并打印下一层，重复该过程逐层打印，最终形成具有织构的氧化铝陶瓷素坯。

103.3、采用sem来观察片晶氧化铝和球型氧化铝的微观形貌，进一步确定颗粒的大小及尺寸。找到比表面积合适的粉用于后续埋粉脱脂。其中选择的埋粉具体为单分散粒径为200nm的sio2及d50直径为200nm针状si3n4的混合物。sio2与si3n4按照质量比1:6的比例混合均匀。

104.4、将素坯埋入混合粉末中压实测热重，并根据热重分析图来确定脱脂升温曲线。从室温开始采用0.5℃/min的升温速率升至80℃保温100min，然后采用0.1℃/min的升温速率升至120℃保温300min，采用0.1℃/min的升温速率升至180℃保温300min，采用0.1℃/min的升温速率升至290℃保温300min，采用0.1℃/min的升温速率升至430℃保温300min，采用0.5℃/min的升温速率升至580℃，采用0.5℃/min的升温速率升至900℃，采用0.5℃/min的降温速率降至600℃，然后冷却至室温。

105.5)根据脱脂曲线将氧化铝陶瓷素坯埋入混合粉步骤3)选择的埋粉中采用一定压力压实，并在马弗炉中进行热脱脂，对脱脂后的陶瓷素坯进行烧结，得到具有高性能的织构氧化铝陶瓷。

106.步骤5)的具体实现方法如下：

107.501)在50

×

20

×

30mm的陶瓷匣中，底层铺入步骤3)选择的埋粉5mm，放入氧化铝陶瓷素坯，再铺上步骤3)选择的埋粉8mm；利用压板将粉用5mpa压力压实减少空气通过空隙与素坯接触；

108.502)将陶瓷匣放入马弗炉中部，保证炉内温度与表盘温度一致；

109.503)根据步骤4中的升温曲线进行脱脂；

110.504)采用空气气氛烧结炉，室温-200℃采用0.5℃/min的升温速率。200℃-600℃采用1℃/min的升温速率，600℃-1400℃采用3℃/min的升温速率，1400℃-1600℃采用1℃/min的升温速率1600℃保温1h，1600℃-室温采用4℃/min的降温速率。

111.实施例5

112.(1)陶瓷浆料液相体系制备：将40vol％的hdda、20vol％的oppea、10vol％的acmo以及30vol％的poe溶剂混合制成液相体系，再加入kd1与cc42分散剂利用行星球磨机进行球磨30min，kd1与cc42的混合物占陶瓷粉总重的3wt％，kd1与cc42的质量比按1:1计算。

113.(2)然后再加入球形氧化铝粉末与助烧结剂，继续球磨3h使各个物料在陶瓷浆料液相体系中分散均匀，加入球形氧化铝粉末的用量为陶瓷浆料的45vol％，cao组成的烧结助剂占片晶氧化铝粉质量的3wt％；

114.(3)然后取出磨球，加入片晶氧化铝粉继续使用行星球磨机搅拌3h使其混合均匀，最后加入紫外光引发剂继续搅拌均匀得到陶瓷浆料；加入的片晶氧化铝粉，粉体直径为11μm，厚度为200nm，占陶瓷浆料体积的5vol％；加入的紫外光引发剂为占陶瓷浆料液相体系的1wt％，其中紫外光引发剂为irgacure651；

115.2)采用面曝光工艺，在pdms膜上利用剪切力定向3d打印具有定向微观织构的氧化铝陶瓷素坯；

116.步骤2)的具体实现方法如下：

117.201)采用面曝光工艺，将pdms膜作为惰性膜放置于浆料槽底部，然后向浆料槽中加入步骤1)制备得到的陶瓷浆料；

118.202)在打印过程中，在曝光前陶瓷浆料会由于工作台下降被挤压向周围流动，进

而定向浆料中的片晶氧化铝粉，在定向结束后进行曝光固化，并打印下一层，重复该过程逐层打印，最终形成具有织构的氧化铝陶瓷素坯。

119.3、采用sem来观察片晶氧化铝和球型氧化铝的微观形貌，进一步确定颗粒的大小及尺寸。找到比表面积合适的粉用于后续埋粉脱脂。其中选择的埋粉具体为单分散粒径为200nm的sio2及d50直径为200nm针状si3n4的混合物。sio2与si3n4按照质量比4:9的比例混合均匀。

120.4、将素坯埋入混合粉末中压实测热重，并根据热重分析图来确定脱脂升温曲线。从室温开始采用3℃/min的升温速率升至110℃保温200min，然后采用1.5℃/min的升温速率升至140℃保温400min，采用1.5℃/min的升温速率升至210℃保温400min，采用1.5℃/min的升温速率升至320℃保温400min，采用1.5℃/min的升温速率升至460℃保温400min，采用3℃/min的升温速率升至610℃，采用3℃/min的升温速率升至930℃，采用3℃/min的降温速率降至600℃，然后冷却至室温。

121.5)根据脱脂曲线将氧化铝陶瓷素坯埋入混合粉步骤3)选择的埋粉中采用一定压力压实，并在马弗炉中进行热脱脂，对脱脂后的陶瓷素坯进行烧结，得到具有高性能的织构氧化铝陶瓷。

122.步骤5)的具体实现方法如下：

123.501)在50

×

20

×

30mm的陶瓷匣中，底层铺入步骤3)选择的埋粉6mm，放入氧化铝陶瓷素坯，再铺上步骤3)选择的埋粉10mm；利用压板将粉用5mpa压力压实减少空气通过空隙与素坯接触；

124.502)将陶瓷匣放入马弗炉中部，保证炉内温度与表盘温度一致；

125.503)根据步骤4中的升温曲线进行脱脂；

126.504)采用空气气氛烧结炉，室温-200℃采用1℃/min的升温速率。200℃-600℃采用1.5℃/min的升温速率，600℃-1400℃采用5℃/min的升温速率，1400℃-1600℃采用2℃/min的升温速率1600℃保温1h，1600℃-室温采用5℃/min的降温速率。技术特征：

1.基于光固化3d打印织构氧化铝的混合埋粉脱脂方法，其特征在于，包括如下步骤：1)制备陶瓷浆料：制备陶瓷浆料液相体系，将陶瓷浆料液相体系中加入分散剂利用行星球磨机进行球磨，然后再加入球形氧化铝粉末与助烧结剂，继续球磨使各个物料在陶瓷浆料液相体系中分散均匀；然后取出磨球，加入片晶氧化铝粉继续使用行星球磨机搅拌使其混合均匀，最后加入紫外光引发剂继续搅拌均匀得到陶瓷浆料；2)采用面曝光工艺，在pdms膜上利用剪切力定向3d打印具有定向微观织构的氧化铝陶瓷素坯；3)选择埋粉用于后续埋粉脱脂；4)对氧化铝陶瓷素坯进行埋粉状态下的热重分析，设计脱脂曲线；5)根据脱脂曲线将氧化铝陶瓷素坯埋入步骤3)选择的埋粉中采用一定压力压实，并在马弗炉中进行热脱脂，对脱脂后的陶瓷素坯进行烧结，得到具有高性能的织构氧化铝陶瓷。2.根据权利要求1所述的基于光固化3d打印织构氧化铝的混合埋粉脱脂方法，其特征在于，步骤1)中，陶瓷浆料液相体系按照体积百分比由如下原料混合制成：55-70vol％的光敏树脂，30-45vol％的溶剂，以上组分体积百分比之和为100％；其中，光敏树脂为hdda、tmpta、acmo、oppea中的一种或多种任意比混合，溶剂为poe、ppg200-800、peg200-800中的一种或多种任意比混合；加入的分散剂为球形氧化铝粉末及片晶氧化铝粉总重的1-3wt％，分散剂为kd1、cc42中的一种或两种等比例混合物；；加入的球形氧化铝粉末的用量为陶瓷浆料的30-45vol％，烧结助剂占片晶氧化铝粉质量的3wt％，其中烧结助剂为cao、sio2中的一种或cao与sio等比例混合的混合物；加入的片晶氧化铝粉，粉体直径为7

–

11μm，厚度为200

–

250nm，占陶瓷浆料体积的5-10vol％；加入的紫外光引发剂为占陶瓷浆料液相体系质量的1-3wt％，其中紫外光引发剂为irgacure651或tpo。3.根据权利要求1所述的基于光固化3d打印织构氧化铝的混合埋粉脱脂方法，其特征在于，步骤3)中，选择的埋粉为单分散粒径为200或300nm的sio2、d50直径为200或300nm的al2o3、d50直径为200或300nm针状si3n4中的一种或任意两种的混合粉末；当埋粉为任意两种的混合粉末时，按照1-4:6-9的比例混合均匀。4.根据权利要求1所述的基于光固化3d打印织构氧化铝的混合埋粉脱脂方法，其特征在于，步骤4)中，设计脱脂曲线具体为：从室温开始采用0.5-3℃/min的升温速率升至80℃-110℃保温100-200min，然后采用0.1-1.5℃/min的升温速率升至120℃-140℃保温300-400min，采用0.1-1.5℃/min的升温速率升至180℃-210℃保温300-400min，采用0.1-1.5℃/min的升温速率升至290℃-320℃保温300-400min，采用0.1-1.5℃/min的升温速率升至430℃-460℃保温300-400min，采用0.5-3℃/min的升温速率升至580℃-610℃，采用0.5-3℃/min的升温速率升至900℃-930℃，采用0.5-3℃/min的降温速率降至600℃，然后冷却至室温。5.根据权利要求1所述的基于光固化3d打印织构氧化铝的混合埋粉脱脂方法，其特征在于，步骤5)的具体实现方法如下：501)在陶瓷匣中，底层铺入步骤3)选择的埋粉5-7mm，放入氧化铝陶瓷素坯，再铺上步

骤3)选择的埋粉8-10mm；利用压板将粉用5mpa压力压实；502)将陶瓷匣放入马弗炉中部，保证炉内温度与表盘温度一致；503)根据步骤4中的脱脂曲线进行脱脂；504)采用空气气氛烧结炉，烧结过程为：室温-200℃采用0.5-1℃/min的升温速率；200℃-600℃采用1-1.5℃/min的升温速率，600℃-1400℃采用3-5℃/min的升温速率，1400℃-1600℃采用1-2℃/min的升温速率1600℃保温1-2h，1600℃-室温采用4-5℃/min的降温速率。

技术总结

本发明公开的基于光固化3D打印织构氧化铝的混合埋粉脱脂方法，包括如下步骤：1)制备陶瓷浆料；2)采用面曝光工艺，在pdms膜上利用剪切力定向3D打印具有定向微观织构的氧化铝陶瓷素坯；3)选择埋粉用于后续埋粉脱脂；4)对氧化铝陶瓷素坯进行埋粉状态下的热重分析，设计脱脂曲线；5)根据脱脂曲线将氧化铝陶瓷素坯埋入混合粉步骤3)选择的埋粉中采用一定压力压实，并在马弗炉中进行热脱脂，对脱脂后的陶瓷素坯进行烧结，得到具有高性能的织构氧化铝陶瓷。本发明基于光固化3D打印织构氧化铝的混合埋粉脱脂方法，解决了目前无法通过传统脱脂工艺制备出高性能光固化3D打印织构陶瓷这一问题。问题。问题。

技术研发人员：滕家琛 武向权 康嘉宇 季祥旭 姜奕含 赵亮 魏家豪 杨曜玮 徐春杰 张忠明

受保护的技术使用者：西安理工大学

技术研发日：2022.06.28

技术公布日：2022/9/6