3d打印結合反應燒結制備多孔氧化鋁陶瓷材料的方法
【專利摘要】本發明涉及一種3D打印結合反應燒結制備多孔氧化鋁陶瓷材料的方法，所述方法包括：1）將鋁粉或鋁合金粉添加到三維打印機的送料箱中，通過三維打印機打印出多孔素坯；2）將步驟1）制備的多孔素坯依次經過固化、脫粘、氧化、燒結工序，得到所述多孔氧化鋁陶瓷材料。
【專利說明】3D打印結合反應燒結制備多孔氧化鋁陶瓷材料的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種多孔氧化鋁陶瓷材料的制備方法，屬于多孔陶瓷材料制備【技術領域】。
【背景技術】
[0002]多孔氧化鋁陶瓷具有輕質、高滲透率、耐化學腐蝕、耐摩擦、低膨脹系數和良好的高溫穩定性，在高溫氣、液過濾、催化劑載體、隔熱材料等領域具有廣泛的應用前景。根據不同領域的具體應用需求，可以對多孔氧化鋁陶瓷的氣孔率、氣孔尺寸進行設計，相關的制備方法也有很多報道。如以氧化鋁作為骨料、碳粉和乙基纖維素復合造孔劑制備孔隙率>50%的多孔氧化鋁陶瓷(中國專利，專利號CN101734909A)。以硝酸鋁、檸檬酸和水按照一定比例混合，150-200°C反應，高溫煅燒制備泡沫氧化鋁陶瓷(中國專利，專利號CN101717105A)。以異丙醇鋁作為前驅體，溶膠凝膠_冷凍干燥工藝制備多孔氧化鋁陶瓷，氣孔率30-97%可調，孔徑大小ΗΟΟμπι可調(中國專利，專利號CN196257A)。以上的報道都是微觀結構的調控手段，沒有涉及復雜外形、尤其是內部具有復雜宏觀孔結構的制備。
[0003]三維打印技術(3DP)作為快速成型工藝的一種，可以自動、快速、直接、精確地將設計思想轉化為具有一定功能的原型或直接制造零件(模具)，有效地縮短了產品的研發周期，提高了產品設計、制造的一次成品率，降低了產品開發成本。3DP技術采用了打印技術中的噴墨方法，噴頭在不直接接觸粉末表面的情況下，有選擇地將粘結劑噴到需要的位置上，將零件的片層逐層粘結起來。該技術可以實現三維孔結構的設計制備。但常規3DP制備多孔氧化鋁的方法，是將細的氧化鋁粉體(?0.5 μ m)、糊精在蒸餾水中混合均勻，然后冷凍干燥獲得疏松的造粒粉體，粒徑分布50?200 μ m,方便3DP逐層粉體的鋪展(MelcherR,Mater Lett 2006;60:572-75)。但樣品在后燒結過程中收縮率約為20%，很難實現從原型設計到精確制備的操控，從而大大降低了 3DP的應用價值。
[0004]因此，如何結合3DP技術制備收縮率低的多孔陶瓷材料，仍然是該領域技術人員的一個重要研究方向。
【發明內容】
[0005]本發明旨在克服現有采用3DP技術制備的多孔陶瓷材料收縮率高的缺陷，本發明提供了一種3D打印結合反應燒結制備多孔氧化鋁陶瓷材料的方法。
[0006]本發明提供了一種制備多孔氧化鋁陶瓷材料的方法，所述方法包括:
1)將鋁粉或鋁合金粉添加到三維打印機的送料箱中，通過三維打印機打印出多孔素坯；
2)將步驟1)制備的多孔素坯依次經過固化、脫粘、氧化、燒結工序，得到所述多孔氧化鋁陶瓷材料。
[0007]較佳地，所述招合金粉包括AlSi5粉體和/或AlSil2粉體。
[0008]較佳地，所述鋁粉或鋁合金粉中顆粒為10-25 μ m球形顆粒。
[0009]較佳地，步驟I)中，三維打印的參數為:多孔素坯的單層厚度為50-200 μ m，粘結劑飽和度為60-150%，粘結劑包括乙二醇、乙二醇單丁醚、以及這兩種粘結劑的混合物，干燥時間為60-120s。
[0010]較佳地，步驟2)中，固化工序的參數為:在100?120°C下，保溫24?96小時。
[0011]較佳地，步驟2)中，脫粘工序中以0.2-20C /分鐘的升溫速度升溫至200-600°C，保溫時間為2 —12小時。
[0012]較佳地，步驟2)，氧化工序中以0.2-20C /分鐘的升溫速度升溫至550-1400°C，保溫時間為2 — 24小時。
[0013]較佳地，步驟2)中，燒結工序中以5-10°C/分鐘的升溫速度升溫至1550_1600°C，保溫時間為2 —8小時。
[0014]本發明的有益效果:
(1)3DP可以無需模具制備形狀復雜的制品，而且制品的圍觀均勻性和孔連通性好，孔徑和孔隙率可控；
(2)反應燒結前后樣品的形狀和尺寸基本不變，有效實現從設計到最終產品的精確實現。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1示出了本發明的兩個實施方式中使用的原料粉體Al (a)和AlSil2(b)的掃描電鏡圖；
圖2示出了本發明的兩個實施方式中制備得到的Al坯體和多孔氧化鋁陶瓷的XRD圖；圖3示出了本發明的一個實施方式中制備得到的Al坯體(a)和多孔氧化鋁陶瓷(b)的斷面掃描電鏡圖片；
圖4示出了本發明的一個實施方式中制備得到的Al坯體(灰色)和多孔氧化鋁陶瓷(白色)的實物照片。
【具體實施方式】
[0016]以下結合附圖和下述實施方式進一步說明本發明，應理解，附圖及下述實施方式僅用于說明本發明，而非限制本發明。
[0017]本發明的目的是通過3D打印工藝提供一種工藝簡單，成本低廉的方法來制備復雜形狀和性能優異的多孔鋁，通過進一步反應燒結制備多孔氧化鋁陶瓷材料，實現近尺寸成型、燒結，以克服現有技術存在的問題和不足。同時選取AlSi合金，氧化生成Al203、Si02，燒結生成多孔莫來石結合氧化鋁。
[0018]本發明公開了一種多孔氧化鋁陶瓷材料的制備方法，包括如下步驟，選取霧化法制備的球狀金屬鋁粉體，通過3D打印機快速成型工藝制備出多孔鋁坯體，通過空氣氣氛下氧化并燒結得到多孔氧化鋁陶瓷材料。本發明提供了一種工藝簡單，成本低廉的方法制備復雜形狀和優異性能的多孔氧化鋁陶瓷，具有近尺寸成型、燒結的優點。
[0019]本發明提供了一種制備多孔氧化鋁陶瓷材料的方法，具體包括如下步驟:
(a)將鋁粉加入商用的三維打印機送料箱中；
(b)在電腦中加載需要打印的三維立體圖像，調節打印參數后開始打印； (C)打印好的多孔坯體在烘箱中固化；
(d)固化后的樣品放入馬弗爐中進行脫粘結劑、氧化、燒結，最終得到多孔氧化鋁陶瓷。
[0020]步驟(a)中所述的金屬粉體為Al、及其合金如AlSi5、AlSil2等。
[0021]步驟(a)中金屬粉體為尺寸10-25 μ m的球形顆粒。
[0022]步驟(b)中所述的打印參數為層厚50-200 μ m，粘結劑飽和度為60-150%，干燥時間為 60-120s。
[0023]步驟(c)中所述的固化條件是100?120°C保溫24?96小時。
[0024]步驟⑷中所述的脫粘結劑溫度為200-600°C，升溫速度為0.2-2 °C /min ;氧化溫度為550-1400°C，升溫速度為0.2-20C /min ;燒結溫度為1550-1600°C，升溫速度為5-1CTC /min。
[0025]和現有技術相比較，本發明具有如下有益效果:
(1)3DP可以無需模具制備形狀復雜的制品，而且制品的圍觀均勻性和孔連通性好，孔徑和孔隙率可控；
(2)反應燒結前后樣品的形狀和尺寸基本不變，有效實現從設計到最終產品的精確實現。
[0026]以下進一步列舉出一些示例性的實施例以更好地說明本發明。應理解，本發明詳述的上述實施方式，及以下實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍，本領域的技術人員根據本發明的上述內容作出的一些非本質的改進和調整均屬于本發明的保護范圍。另外，下述工藝參數中的具體配比、時間、溫度等也僅是示例性，本領域技術人員可以在上述限定的范圍內選擇合適的值。
[0027]實施例1
(1)將10?25μ m Al粉(如圖1中a所示)加入商用的三維打印機送料箱中；
(2)采用打印參數為層厚50μ m,粘結劑飽和度為80 %，粘結劑為15 %乙二醇和85 %乙二醇單丁醚混合物，干燥時間為60s ；
(3)打印好的多孔坯體在烘箱中120°C固化24h；
(4)固化后的樣品放入馬弗爐中進行2VMn升至600°C至脫粘結劑(保溫2小時)，10C /min升至1400°C氧化(保溫6小時)，5°C /min升至1600°C燒結(保溫4小時)，最終得到多孔氧化鋁陶瓷，抗彎強度74.8Mpa，孔隙率45%，樣品尺寸增大0.6% ；
從圖2可以看出，鋁粉完全氧化，最終的產物為氧化鋁陶瓷材料；從圖4中照片也可以看出，本實施例制備的多孔氧化鋁陶瓷尺寸與坯體尺寸十分接近，沒有發生多大變化。
[0028]實施例2
(1)將10?25μ m Al粉加入商用的三維打印機送料箱中；
(2)采用打印參數為層厚100μ m，粘結劑飽和度為120%，粘結劑為15%乙二醇和85%乙二醇單丁醚混合物，干燥時間為90s ；
(3)打印好的多孔坯體在烘箱中120°C固化24h；
(4)固化后的樣品放入馬弗爐中進行1°C/min升至600°C至脫粘結劑(保溫2小時)，10C /min升至1400°C氧化(保溫12小時)，5°C /min升至1600°C燒結(保溫2小時)，最終得到多孔氧化鋁陶瓷，抗彎強度71.3Mpa，孔隙率44%，樣品尺寸增大0.8% ;
從圖2可以看出，鋁粉完全氧化，最終的產物為氧化鋁陶瓷材料；從圖3可以看出，素坯顆粒堆積密實，燒結后顆粒間呈現良好的燒結頸連接。
[0029]實施例3
(1)將20-25μ m AlSi5粉加入商用的三維打印機送料箱中；
(2)采用打印參數為層厚75μ m,粘結劑飽和度為80 %，粘結劑為15 %乙二醇和85 %乙二醇單丁醚混合物，干燥時間為120s ；
(3)打印好的多孔坯體在烘箱中120°C固化24h；
(4)固化后的樣品放入馬弗爐中進行2°C/min升600°C至脫粘結劑(保溫4小時)，
0.5°C /min升至1400°C氧化(保溫24小時)，5°C /min升至1600°C燒結(保溫4小時)，最終得到多孔莫來石結合氧化鋁陶瓷，抗彎強度63.4Mpa，孔隙率48%，樣品尺寸增大1.2%。
[0030]實施例4
(1)將20-25μ m AlSil2粉(如圖1中b所示)加入商用的三維打印機送料箱中；
(2)采用打印參數為層厚150μ m，粘結劑飽和度為120%，粘結劑為15%乙二醇和85%乙二醇單丁醚混合物，干燥時間為90s ；
(3)打印好的多孔坯體在烘箱中120°C固化24h；
(4)固化后的樣品放入馬弗爐中進行2V/min升至600°C至脫粘結劑(保溫2小時)，
0.30化升至11001:(保溫8小時)、0.50化升至14001:氧化(保溫4小時)，5°C/min升至1600°C燒結(保溫4小時)，最終得到多孔莫來石結合氧化鋁陶瓷，抗彎強度60.2Mpa，孔隙率47.5%，樣品尺寸增大1.1%。
【權利要求】
1.一種制備多孔氧化鋁陶瓷材料的方法，其特征在于，所述方法包括: 1)將鋁粉或鋁合金粉添加到三維打印機的送料箱中，通過三維打印機打印出多孔素坯； 2)將步驟1)制備的多孔素坯依次經過固化、脫粘、氧化、燒結工序，得到所述多孔氧化鋁陶瓷材料。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述鋁合金粉包括八1315粉體和/或八13112粉體。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述鋁粉或鋁合金粉中顆粒為10-25 4 III的球形顆粒。
4.根據權利要求1-3中任一所述的方法，其特征在于，步驟1)中，三維打印的參數為:多孔素坯的單層厚度為50-200 9 III，粘結劑飽和度為60-150%，粘結劑包括乙二醇和/或乙二醇單丁醚，干燥時間為60-1208。
5.根據權利要求1-4中任一所述的方法，其特征在于，步驟2)中，固化工序的參數為:在100?1201下，保溫24?96小時。
6.根據權利要求1-5中任一所述的方法，其特征在于，步驟2)中，脫粘工序中以0.2-2。。/分鐘的升溫速度升溫至200-6001，保溫時間為2 —12小時。
7.根據權利要求1-6中任一所述的方法，其特征在于，步驟2),氧化工序中以0.2-2。。/分鐘的升溫速度升溫至550-14001，保溫時間為2 — 24小時。
8.根據權利要求1-7中任一所述的方法，其特征在于，步驟2)中，燒結工序中以5-101 /分鐘的升溫速度升溫至1550-16001，保溫時間為2—8小時。
【文檔編號】C04B35/10GK104387105SQ201410562321
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年10月21日 優先權日:2014年10月21日
【發明者】曾宇平, 姚冬旭 申請人:中國科學院上海硅酸鹽研究所