一种光固化3D打印螺线型陶瓷弹簧的制备方法技术

一种光固化3D打印螺线型陶瓷弹簧的制备方法，属于特种陶瓷材料制备技术领域。该方法是以纳米级或亚微米级陶瓷粉体为原料，对陶瓷粉体进行表面改性，将改性后的陶瓷粉体与光敏树脂、稀释剂球磨混合制备成光敏陶瓷浆料，设计陶瓷弹簧及其支撑体的组合式三维数字模型，利用光固化3D陶瓷打印机制备出陶瓷弹簧及其支撑体的组合式坯体，对坯体进行超声清洗、紫外固化、表面涂刷等处理，经过排胶、高温烧结制备出陶瓷弹簧制品，对陶瓷弹簧进行表面研磨抛光处理，最终制备出形状完好、表面光滑的陶瓷弹簧。本发明专利技术制备的陶瓷弹簧适用于耐高温、耐腐蚀、耐磨损等领域。

A Method of Preparing Solenoid Ceramic Springs for Light Curing 3D Printing

The invention relates to a preparation method of a light-cured 3D printing spiral ceramic spring, belonging to the technical field of preparing special ceramic materials. This method uses nanometer or submicron ceramic powders as raw materials to modify the surface of ceramic powders. The modified ceramic powders are mixed with photosensitive resin and diluent ball milling to prepare photosensitive ceramic slurry. A combined three-dimensional digital model of ceramic springs and their supports is designed. The composite green bodies of ceramic springs and their supports are prepared by using a photo-curable 3D ceramic printer. After ultrasonic cleaning, UV curing and surface brushing, ceramic spring products were prepared by dispensing glue and sintering at high temperature. The surface of ceramic spring was polished by grinding and polishing. Finally, ceramic spring with good shape and smooth surface was prepared. The ceramic spring prepared by the invention is suitable for high temperature resistance, corrosion resistance, wear resistance and other fields.

【技术实现步骤摘要】
一种光固化3D打印螺线型陶瓷弹簧的制备方法
本专利技术属于特种陶瓷材料制备
，具体涉及到一种光固化3D打印螺线型陶瓷弹簧的制备方法。
技术介绍
螺线型弹簧是常用的弹性元件，在压缩、回弹的过程中具有储存、释放能量的功能，与螺线型普通弹簧相比，螺线型陶瓷弹簧具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损等优异性能。陶瓷弹簧是高马赫飞行器上热防护系统中实现高温密封的核心元器件之一，随着高超音速飞行器的发展，对其综合性能的要求越来越高。随着基础材料的研究与发展，Y2O3稳定的ZrO2、ZrO2增韧Al2O3、氮化硅、晶须/纤维增强陶瓷基复合材料等有望制备出高性能的陶瓷弹簧。同时，螺旋形陶瓷弹簧由于其特殊的几何形状和受力状态、以及陶瓷材料自身硬度高等因数，难以采用常规的注浆、凝胶注模、机械加工成型等工艺制备出形状尺寸精密、综合性能优良的陶瓷弹簧。国内南京工业大学郭露村等(中国专利CN1472448A)专利技术了一种纳米陶瓷弹簧生产方法。其特征是以纳米级ZrO2粉料为原料，其生产方法为：浆料配制→注凝成型→脱模干燥→排胶→浸浆→烧结→成品。一方面，该方法难以获得高致密度的坯体，同时，烧结致密化的过程中，弹簧的形变及尺寸难以精确控制，最终影响其使用性能；另一方面，不同型号参数的弹簧需要制备不同精密的模具，模具制备较为困难。南京工业大学陈涵等(中国专利CN102757221A)专利技术了一种螺旋形陶瓷弹簧的制造方法，其技术路线为：原料配制→成型(等静压成型/挤制成型)→圆管坯体→素烧→加工→高温烧结→磨边抛光→成品。该方法素烧后的坯体在机械加工的过程中丝径外形受到限制、容易产生微裂纹等缺陷，同时高温烧结致密化的过程中，弹簧尺寸难以精确控制，影响其使用性能。国防科技大学胡海峰等(中国专利CN102584307A)专利技术了一种C/SiC陶瓷基复合材料弹簧及其制备方法，其特征在于：陶瓷弹簧是以碳化硅为基体，以体积分数为30％-45％的碳纤维作为增强相，在弹簧的表面沉积有SiC涂层。该方法制备的陶瓷弹簧性能优异，不足之处在于“浸渍-裂解”完成致密化的时间周期较长，批量生产成本昂贵；厦门大学姚荣迁等(中国专利CN103707390A)专利技术了一种陶瓷弹簧成型装置与陶瓷弹簧的制备方法，其特征在于：以聚碳硅烷为先驱体，通过熔融纺丝成型装置获得连续聚碳硅烷细丝，再通过弹簧绕制成型装置绕制成聚碳硅烷弹簧，然后经氧化交联、高温预烧、高温终烧，最后得到陶瓷弹簧，该制备方法工艺过程较为复杂、成本高、制备的陶瓷材料范围有限。上海交通大学邢辰等(中国专利CN106588000A)专利技术了一种螺线型陶瓷弹簧的制作工艺，其特征在于：采用卷绳效应辅助相转化方法制备出弹簧坯体，该方法不足之处在于其制备陶瓷弹簧的尺寸范围有限。陶瓷3D打印制备技术是将三维立体模型转化为数字模型，经过切片分割处理形成计算机可执行的像素单元，由于成型像素单元可小至微米级，通过单元叠加可制备出任意结构形状的器件，解决了陶瓷弹簧复杂外形的成型制备问题。目前，陶瓷三维数字化制造主要采用熔融沉积、立体光刻、激光选区烧结等成型技术，所采用陶瓷材料其形态具有浆料状、丝状、粉末状等。Agarwala等采用熔融沉积技术(FDC)制备的Si3N4陶瓷，其性能达到与等静压成型相当的水平；Michelle等采用立体光刻技术(SLA)制备出的Al2O3部件达到了理论密度。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种尺寸可控的螺线型陶瓷弹簧的制作工艺，采用光固化3D打印技术(SLA)克服了已有制备工艺需要制备模具、陶瓷弹簧形状尺寸难以精确控制、材料适用范围有限等存在的不足，制备出的陶瓷弹簧适用于耐高温、耐腐蚀、耐磨损等特殊领域。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种光固化3D打印螺线型陶瓷弹簧的制备方法，采用以下步骤：(1)陶瓷粉体表面改性：将纳米级或亚微米级的陶瓷粉体、有机溶剂、表面改性剂加入到超细研磨机中进行超细研磨、分散2～3小时，取出陶瓷料浆于60～80℃的烘箱中干燥8～12小时，对干燥后的粉体进行研磨处理后备用；(2)光敏陶瓷料浆的制备：将表面改性后的陶瓷粉体、光敏树脂、稀释剂加入到球磨罐中进行行星式球磨混合配制料浆，对料浆进行过滤、真空搅拌脱泡处理后备用；(3)三维数字化模型的设计与切片处理：通过UG、Solidworks等三维设计软件设计出陶瓷弹簧及其支撑体的数字化模型，然后通过Magics软件对数字化模型进行切片处理，将切片处理后的数字化模型转换成STL格式输出备用；(4)陶瓷弹簧坯体的制备：将配制好的光敏陶瓷浆料倒入光固化3D陶瓷打印机的料槽中，将切片处理后的数字化模型导入到执行软件中开始打印，调整优化工艺参数，打印制备出陶瓷弹簧及其支撑体的组合式坯体；(5)陶瓷弹簧坯体的后处理：将陶瓷弹簧及其支撑体的组合式坯体进行超声清洗去除表面粘附的浆料，然后进行紫外固化3～5分钟提高坯体力学强度，将组合式坯体上的弹簧坯体与支撑体坯体通过旋转的方式进行分离、打磨、并涂刷一层氧化铝粉体，然后，将弹簧坯体与支撑体坯体通过旋转的方式重新组合备用；(6)排胶：将重新组合的坯体放置在承烧板上并放入到电阻丝炉中，在空气或真空气氛下将有机树脂充分排除坯体，然后自然降温到常温备用；(7)烧结：将排胶后的坯体转移到高温烧结炉中进行烧结，冷却后得到烧结致密化的陶瓷弹簧制品；(8)陶瓷弹簧的表面抛光：以旋转或破坏支撑体的方式将陶瓷弹簧与支持体之间进行分离，将分离后的陶瓷弹簧放入到装有抛光液的球磨罐中，进行辊杠研磨、抛光，从而制备出形状完好、表面光滑的陶瓷弹簧成品。所述的纳米级或亚微米级陶瓷粉体包括Al2O3粉体、Y2O3稳定的ZrO2粉体、ZrO2增韧Al2O3的复合粉体(ZTA)、氮化硅粉体、碳化硅粉体，粉体颗粒平均粒径D50为50～500nm；所述的有机溶剂为无水乙醇、甲苯、甲基乙基酮、甲醇、正丙醇、丁醇中的一种或两种以上组合；所述的表面改性剂为三油酸甘油酯、单油酸甘油酯、蓖麻油、曲拉通、戊二酸、辛二酸、葵二酸、辛烷中的一种或两种以上组合；，所述的陶瓷粉体、有机溶剂、表面改性剂的质量百分比为30.00～50.00wt％︰40.00～69.05wt％︰0.05～0.30wt％；所述的超细研磨机采用直径为Φ0.6～0.8mm的ZrO2球作为研磨介质、ZrO2内衬作为研磨腔体，研磨转速为3000～3600转/分钟；所述光敏树脂为市售阳离子型或混杂型成品光敏树脂，具体为：双(2，3-环氧环戊基)醚、己二酸双(3，4-环氧环己基甲酯)等阳离子型，双官能度环氧丙烯酸脂-己二酸双(3，4-环氧环己基甲酯)、四官能度环氧丙烯酸酯-双(2，3-环氧环戊基)醚等混杂型成品光敏树脂中的一种或两种以上组合；所述稀释剂为：三乙烯基乙二醇二乙烯基醚、N-乙烯基己内酰胺、乙烯基吡咯烷酮等阳离子型，三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、三丙二醇二丙烯酸酯等自由基型稀释剂中的一种或两种以上组合,浆料配比为30～50vol％陶瓷粉体︰20～40vol％光敏树脂︰10～30vol％稀释剂。浆料配置过程中，行星式混合球磨的时间为6～12小时，转速为250～400转/分钟，采用120～300目的尼龙网对浆料进行过滤，对过滤后的浆料进行真空搅拌脱泡处理，真空本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光固化3D打印螺线型陶瓷弹簧的制备方法，该方法是通过下述工艺步骤实现的：(1)陶瓷粉体表面改性：将纳米级或亚微米级的陶瓷粉体、有机溶剂、表面改性剂加入到超细研磨机中进行超细研磨、分散2～3小时，取出陶瓷料浆于60～80℃的烘箱中干燥8～12小时，对干燥后的粉体进行研磨处理后备用；(2)光敏陶瓷料浆的制备：将表面改性后的陶瓷粉体、光敏树脂、稀释剂加入到球磨罐中进行行星式球磨混合配制料浆，对料浆进行过滤、真空搅拌脱泡处理后备用；(3)三维数字化模型的设计与切片处理：通过UG、Solidworks三维设计软件设计出陶瓷弹簧及其支撑体的数字化模型，然后通过Magics软件对数字化模型进行切片处理，将切片处理后的数字化模型转换成STL格式输出备用；(4)陶瓷弹簧坯体的制备：将配制好的光敏陶瓷浆料倒入光固化3D陶瓷打印机的料槽中，将切片处理后的数字化模型导入到执行软件中开始打印，调整优化工艺参数，打印制备出陶瓷弹簧及其支撑体的组合式坯体；(5)陶瓷弹簧坯体的后处理：将陶瓷弹簧及其支撑体的组合式坯体进行超声清洗去除表面粘附的浆料，然后进行紫外固化3～5分钟提高坯体力学强度，将组合式坯体上的弹簧坯体与支撑体坯体通过旋转的方式进行分离、打磨、并涂刷一层氧化铝粉体，然后，将弹簧坯体与支撑体坯体通过旋转的方式重新组合备用；(6)排胶：将重新组合的坯体放置在承烧板上并放入到电阻丝炉中，在空气或真空气氛下将有机树脂充分排除坯体，然后自然降温到常温备用；(7)烧结：将排胶后的坯体转移到高温烧结炉中进行烧结，冷却后得到烧结致密化的陶瓷弹簧制品；(8)陶瓷弹簧的表面抛光：以旋转或破坏支撑体的方式将陶瓷弹簧与支持体之间进行分离，将分离后的陶瓷弹簧放入到装有抛光液的球磨罐中，进行辊杠研磨、抛光，从而制备出形状完好、表面光滑的陶瓷弹簧成品。...

【技术特征摘要】
1.一种光固化3D打印螺线型陶瓷弹簧的制备方法，该方法是通过下述工艺步骤实现的：(1)陶瓷粉体表面改性：将纳米级或亚微米级的陶瓷粉体、有机溶剂、表面改性剂加入到超细研磨机中进行超细研磨、分散2～3小时，取出陶瓷料浆于60～80℃的烘箱中干燥8～12小时，对干燥后的粉体进行研磨处理后备用；(2)光敏陶瓷料浆的制备：将表面改性后的陶瓷粉体、光敏树脂、稀释剂加入到球磨罐中进行行星式球磨混合配制料浆，对料浆进行过滤、真空搅拌脱泡处理后备用；(3)三维数字化模型的设计与切片处理：通过UG、Solidworks三维设计软件设计出陶瓷弹簧及其支撑体的数字化模型，然后通过Magics软件对数字化模型进行切片处理，将切片处理后的数字化模型转换成STL格式输出备用；(4)陶瓷弹簧坯体的制备：将配制好的光敏陶瓷浆料倒入光固化3D陶瓷打印机的料槽中，将切片处理后的数字化模型导入到执行软件中开始打印，调整优化工艺参数，打印制备出陶瓷弹簧及其支撑体的组合式坯体；(5)陶瓷弹簧坯体的后处理：将陶瓷弹簧及其支撑体的组合式坯体进行超声清洗去除表面粘附的浆料，然后进行紫外固化3～5分钟提高坯体力学强度，将组合式坯体上的弹簧坯体与支撑体坯体通过旋转的方式进行分离、打磨、并涂刷一层氧化铝粉体，然后，将弹簧坯体与支撑体坯体通过旋转的方式重新组合备用；(6)排胶：将重新组合的坯体放置在承烧板上并放入到电阻丝炉中，在空气或真空气氛下将有机树脂充分排除坯体，然后自然降温到常温备用；(7)烧结：将排胶后的坯体转移到高温烧结炉中进行烧结，冷却后得到烧结致密化的陶瓷弹簧制品；(8)陶瓷弹簧的表面抛光：以旋转或破坏支撑体的方式将陶瓷弹簧与支持体之间进行分离，将分离后的陶瓷弹簧放入到装有抛光液的球磨罐中，进行辊杠研磨、抛光，从而制备出形状完好、表面光滑的陶瓷弹簧成品。2.如权利要求1所述的光固化3D打印螺线型陶瓷弹簧的制备方法，其特征在于：所述的纳米级或亚微米级陶瓷粉体包括Al2O3粉体、Y2O3稳定的ZrO2粉体、ZrO2增韧Al2O3的复合粉体(ZTA)、氮化硅粉体、碳化硅粉体，粉体颗粒平均粒径D50为50～500nm；所述的有机溶剂为无水乙醇、甲苯、甲基乙基酮、甲醇、正丙醇、丁醇中的一种或两种以上组合；所述的表面改性剂为三油酸甘油酯、单油酸甘油酯、蓖麻油、曲拉通、戊二酸、辛二酸、葵二酸、辛烷中的一种或两种以上组合；所述的陶瓷粉体、有机溶剂、表面改性剂的质量百分比为30.00～50.00wt％︰40.00～69.05wt％︰0.05～0.30wt％。3.如权利要求1所述的光固化3D打印螺线型陶瓷弹簧的制备方法，其特征在于：所述的超细研磨机采用直径为Φ0.6～0.8mm的ZrO2球作为研磨介质、ZrO2内衬作为研磨腔体，研磨转速为3000～3600转/分钟。4.如权利要求1所述的光固化3D打印螺线型陶瓷弹簧的制备方法，其特征在于：所述光敏树脂具体为：双(2，3-环氧环戊基)醚、己二酸双(3，4-环氧环己基甲酯)等阳离子型，双官能度环氧丙烯酸...

【专利技术属性】
技术研发人员：李磊，钱伟，张明，张婷婷，许壮志，薛健，
申请(专利权)人：辽宁法库陶瓷工程技术研究中心，
类型：发明
国别省市：辽宁,21