摘要: 针对目前异形陶瓷零件制备依赖模具，无法实现快速、自由成形等问题，利用立体光刻（Stereolithography，SL）3D打印精度高且成形速度快等优势，以研制复杂异形Al2O3、ZrO2及其相关复合陶瓷零件为目标，提出了一种适用于SL-3D打印工艺的高固相陶瓷膏料... 展开 针对目前异形陶瓷零件制备依赖模具，无法实现快速、自由成形等问题，利用立体光刻（Stereolithography，SL）3D打印精度高且成形速度快等优势，以研制复杂异形Al2O3、ZrO2及其相关复合陶瓷零件为目标，提出了一种适用于SL-3D打印工艺的高固相陶瓷膏料制备方法并对其成形性能进行研究。本文总体思路如下，首先提出陶瓷膏料体系中聚合物组元、陶瓷组元及添加剂组元的设计方法与原则，确定各组元的成分组成;其次，提出并优化高粘光敏陶瓷膏料分散、混合工艺，以解决高固相含量微纳米颗粒在有机聚合物体系中的均匀分散困难问题;建立膏料的光敏、流变属性与3D打印中固化参数及铺料参数间数学公式，以提高坯体制造工艺优选效率;最后，对3D打印陶瓷零件烧结后处理，验证其力学性能与成形性能。本研究具有广泛的应用前景和重要的理论与实际意义。 根据光敏陶瓷膏料使役性能要求，提出了适用于SL-3D打印的膏料设计方法原则，对聚合物、陶瓷颗粒、添加剂组元的成分及用量进行了分析，并确定了各组元的制备方法。选择低粘度自由基单体HDDA、NPG2PODA为预聚物Di-TMPTA的稀释剂，优选引发剂PI-651用量为树脂总量的3-4wt％。建立了适用于离散型、多尺寸级配特征复合粉体颗粒的最密堆积空隙率预测公式，依据该公式优化了膏料粘度方程与光敏参数Dp预测方程。确定了陶瓷粉体改性方法与试剂用量，选择了KH560为表面改性剂，改性时间与温度分别为90℃和60min。 提出并优化了一种光敏陶瓷膏料分散、混合工艺，实现了高固相含量微纳米颗粒在粘稠固-液流体的均匀分散。以过滤工艺替代干燥、过筛工艺，避免颗粒改性处理后的再次团聚;选用乙醇/丁酮共沸溶剂降低固-液混合体系的粘度，70℃搅拌条件下蒸发溶剂浓缩膏料，降低了颗粒在有机物中的分散难度，制得均匀膏料。制备了固相含量介于45-50vol％，Al2O3、ZrO2、ZTA、SiCw/Al2O3体系陶瓷膏料，聚合物组元优选为45vol％HDDA+5vol％Di-TMPTA，选用聚乙二醇PEG200作为降粘分散剂，用量为陶瓷粉体的1.2-1.8wt％。建立了不同ZrO2、SiCw含量膏料的固化厚度、线宽与激光功率及扫描速度间的关系式，对优化3D打印工艺具有重要意义。 优选了陶瓷SL-3D打印的光固化工艺和铺料工艺参数。单一膏料光固化时，扫描间距Hs为Lw/2，分层厚度T介于扫描线厚度Cd值的2/5至3/5间，坯体翘曲现象可有效避免。基于本研究建立的Al2O3、ZrO2体系膏料固化线宽、厚度预测公式，以不同激光功率与扫描速度，在40μm分层厚度条件下制备了长、宽、高为32×3×6mm的6组分ZTA梯度坯体，整体翘曲量小于0.1mm，进而得出了各组膏料的最优固化参数。建立了铺料流-固耦合仿真模型，分析了不同刮刀速度、分层厚度条件下膏料流场分布与零件坯体压力场分布。结合实验验证，优选刮刀速度3.5mm/s，可保证25-100μm分层厚范围内坯体制造垂直面无缺陷。以测试零件分析了打印尺寸收缩率、表面质量。可打印最小孔径为0.1mm，对应尺寸收缩率约4.5％;分层厚度对表面质量影响作用大于模型轮廓与水平面夹角值因素，为了保障制造精度将SL-3D打印分层厚度限制在50μm以内。 通过分析坯体中聚合物组元热分解温度区域，设计了相应的脱脂、烧结工艺;分别从零件力学性能、显微结构、成形精度与表面质量三个方面评价其成形性。力学性能方面，1350℃烧结了气孔率20.5％的多孔A12O3陶瓷，其抗弯强度、断裂韧性分别为100±22MPa、3.75±0.50MPa·m1/2。1500℃烧结了致密ZrO2陶瓷，抗弯强度、断裂韧性和硬度分别达到754±62MPa、5.30±0.80MPa·m1/2和15.30±0.81GPa。通过显微形貌分析了ZrO2、SiCw等对Al2O3陶瓷的增强补韧机制;如ZrO2可以细化基体颗粒粒径，1500℃条件下20vol％ZrO2将Al2O3材料抗弯强度由410±71MPa提高至575±87MPa;1600℃条件下10vol％SiCw晶须通过晶须拔出机制将Al2O3材料断裂韧性由5.5±0.95MPa·m1/2提高至6.6±0.60MPa·m1/2。形状精度方面，1600℃处理ZTA零件翘曲率低于0.188‰。表面质量方面，分层厚度小于50μm，烧结Al2O3陶瓷型芯表面粗糙度Ra小于3μm，基本满足该型零件的表面质量要求。 收起