碳化硅陶瓷激光3D打印研究

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随着科学技术的发展,新材料、信息技术、新能源、生物工程已经成为当今社会生产力发展的四大支柱产业。先进陶瓷材料是新材料领域的重要组成部分,在工业领域中受到重要关注。碳化硅陶瓷作为一种极其重要的工程陶瓷材料,其优异的物理化学性质使其在材料领域发展迅速,在众多工业领域广泛应用。然而,由于这类陶瓷材料的高强度、高硬度优点同时给零件的成形、加工带来了很多困难。而在制造产业中,3D打印成形技术为克服传统技术的不足提供了一种新的途径。本文将基于碳化硅陶瓷在工业领域和电子领域的重要性,对碳化硅陶瓷选择性激光烧结成形和光固化成形工艺进行了系统地研究,自主开发了符合成型工艺要求的碳化硅3D打印用材料,初步实现了复杂结构碳化硅陶瓷的一体成型,并进一步地探索了最优的激光成形工艺参数,成形出一批具有一定精度和强度的典型碳化硅零部件坯体。最后研究和探讨了3D打印态碳化硅零件坯体的脱脂及烧结等后处理工艺。选择性激光烧结聚丙烯碳化硅复合粉体采取覆膜法制备,为加强高分子与碳化硅陶瓷粉体之间的粘附力,对碳化硅进行了改性处理,改性粉体采用10%硅烷偶联剂KH-570化学改性制得。聚丙烯碳化硅复合材料在CO2激光器选择性激光烧结成型设备下成型,激光能量密度在0.010-0.021 J/mm2,最优工艺参数为预热温度为115℃、激光功率为15 W、扫描速度为3200 mm/s、扫描间距为0.3 mm,聚丙烯复合粉体成型坯体致密度最高且达到30%,聚丙烯改性碳化硅复合粉体成型坯致密度高达32%。为实现高折射率碳化硅粉体的光固化成型,将碳化硅粉体进行高温氧化改性,氧化温度为1400℃,成功克服了碳化硅光固化成型难题。研究表明当添加1 wt%PVP、球磨8 h,陶瓷浆料均质化达到最佳效果。对光固化成型工艺参数进行了优化,获得的可行打印工艺方案为:加热温度35-40℃,单层层厚为25μm,固化时间为120 s,构件打印时长不要超过12 h,光固化构件支撑的添加要根据打印构件在平台上的方向而定,支撑的密度与接触点尺寸要适宜。对选择性激光烧结碳化硅生坯的脱脂、烧结机理与工艺进行了初步研究,确定了脱脂曲线并确定1000℃为脱脂预烧结温度,同时研究了Si C陶瓷零件的脱脂收缩行为,试样在X方向的线收缩率为3.25%、Y方向的线收缩率为3.10%、Z方向的线收缩率为2.53%。光固化成型坯体脱脂工艺表明聚合物添加剂在272-589℃的温度下完全分解,600℃以后有机高分子物都已完全分解殆尽。
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