本发明专利技术涉及一种梯度多孔陶瓷基复合材料及其产品和增材制造方法，属于增材制造技术领域，解决了现有技术中梯度多孔陶瓷材料及其产品难以兼顾轻量化和高强度、设计自由度差，制造效率低，工艺质量难以控制的问题。一种梯度多孔陶瓷基复合材料，包括采用3D打印成型的陶瓷基体和增强相；陶瓷基体包括n层材料成分和/或密度不同的陶瓷基体层，形成梯度结构，增强相包括W层沿3D打印堆叠方向逐层分布的二维纤维织物，每层二维纤维织物均位于相邻陶瓷基体层内部；沿3D打印堆叠方向，n层陶瓷基体层和W层二维纤维织物逐层叠加。本发明专利技术采用3D打印成型的梯度多孔陶瓷基复合材料及其产品可兼顾优异的宽频透波性能、轻量化、高强度等性能，设计自由度大。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及增材制造，尤其涉及一种梯度多孔陶瓷基复合材料及其产品和增材制造方法。
技术介绍
1、梯度多孔陶瓷是一种新型的结构陶瓷，其将多孔陶瓷材料和梯度结构结合在一起，使得陶瓷具有更加优越的力学、耐温、宽频透波等综合性能。以飞行器用陶瓷天线罩为例，其作用是保护高速飞行器电子设备的正常工作，这要求它不仅具有良好的气动外形和宽频透波性能，还要有一定的强度和刚度，以承受气动载荷的作用。飞行器用陶瓷天线罩的制造难题主要是难以将良好的宽频透波性能、机械强度、轻量化、耐高温、耐腐蚀等优良性能结合在一起。梯度多孔陶瓷能够很好的解决这个问题，可以利用具有梯度结构的多孔陶瓷材料层来使天线罩具有多种优良性能，该结构由多层陶瓷材料层组合在一起而形成梯度结构，每层陶瓷材料层具有不同的材料成分和/或密度，因而具有不同的介电常数，以实现宽频透波性能。
2、目前，制造梯度多孔陶瓷结构的传统方法主要包括以下3种：
3、1)原料采用不同粒径的陶瓷粉体，通过物理方法使不同粒径的陶瓷粉体分布在模具内的不同区域，实施无压烧结工艺后，可以同在一个模具的不同区域得到不同的密度。这种方法不能准确控制各区域密度和界面，成型过程中由于模具的限制，也不能制造形状复杂的结构。
4、2)在陶瓷粉体原料中添加在烧结过程中可以挥发掉的其他材料，通过物理方法使这些材料在陶瓷粉体中不均匀占位，经过烧结工艺，添加的其他材料挥发掉之后，即得到密度不均匀的陶瓷结构。这种方法也是比较难准确控制密度的分布区域，成型过程中由于模具的限制，也难以成型形状复杂的结构。</p>5、3)制造不同密度的陶瓷结构，再把不同密度的结构组装在一起形成一个完整的变密度梯度结构。这种方法虽然可以控制密度和边界，但是制造效率低，不适用于形状复杂的结构，各组装部件的连接通常也是一个很困难的事情，连接处容易出现剥离和不牢靠等缺陷。
6、传统的梯度多孔陶瓷结构的制备技术成熟度不高，工艺复杂，成本较高，无法准确控制密度的分布区域和边界，且难以成型形状复杂的结构，由于受到现有制备技术的限制，目前梯度多孔陶瓷材料及其产品尚不能很好地兼顾优异的宽频透波性能、轻量化、高强度、设计灵活、制造快速。因此，需要探索新的制备方法以获得综合性能更好的梯度多孔陶瓷材料及其产品，这对于提升高性能陶瓷在各个领域(例如：飞行器天线罩)的推广及应用具有重要意义。
技术实现思路
1、鉴于上述的分析，本专利技术旨在提供一种梯度多孔陶瓷基复合材料及其产品和增材制造方法，以解决现有技术中梯度多孔陶瓷材料及其产品难以兼顾优异的宽频透波性能、轻量化和高强度、设计自由度较差，制造效率低，工艺质量难以控制的问题。
2、本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
3、第一方面，本专利技术提供了一种梯度多孔陶瓷基复合材料，包括采用3d打印成型的陶瓷基体和增强相；
4、沿复合材料的梯度方向，陶瓷基体包括n层材料成分和/或密度不同的陶瓷基体层，形成梯度结构，增强相包括w层沿3d打印堆叠方向逐层分布的二维纤维织物，每层二维纤维织物均位于相邻陶瓷基体层内部；其中，n≥2且为自然数，w≥1且为自然数；
5、沿3d打印堆叠方向，n层陶瓷基体层和w层二维纤维织物通过3d打印逐层叠加；
6、梯度方向与3d打印堆叠方向不同。
7、可选的，梯度多孔陶瓷基复合材料的结构为空心壳体或者实心体；梯度多孔陶瓷基复合材料的形状包括但不限于平板型、半球形、球形、圆锥形、圆台形、圆柱形、四面体、三棱锥、四棱锥中的任一种。
8、进一步地，空心壳体包括开放式或者封闭式。
9、第二方面，本专利技术提供了根据上述梯度多孔陶瓷基复合材料制成的产品，所述产品是一种天线罩，天线罩为半球形壳体，天线罩包括自外表面至内表面的n层密度不同的陶瓷基体层，形成梯度结构，即第一密度层、第二密度层……第n-1密度层、第n密度层，n≥2，以及沿与半球形壳体轴向垂直的x-y平面逐层分布的w层二维纤维织物。
10、进一步地，二维纤维织物由0.1k～0.8k的连续纤维编织而成。
11、可选的，第一密度层、第二密度层……第n-1密度层、第n密度层的密度分布包括但不限于依次减小，依次增大，先依次减小后依次增大，或者先依次增大后依次减小。
12、进一步地，二维纤维织物为圆环状。
13、进一步地，每层圆环状的二维纤维织物的平面尺寸比相应层二维纤维织物所在的切片的平面尺寸小0.2mm～0.3mm。
14、进一步地，天线罩沿半球形壳体轴向的上表面和下表面的不含纤维的陶瓷基体厚度不小于0.5mm。
15、第三方面，本专利技术提供了一种上述梯度多孔陶瓷基复合材料及其产品的增材制造方法，增材制造方法包括下述步骤：
16、步骤s1、准备每层陶瓷基体层所需的陶瓷原料；
17、步骤s2、建立梯度多孔陶瓷基复合材料产品的三维模型，x-y平面为梯度方向，与x-y平面垂直的z向设为逐层叠加方向，进行切片处理，其中，每一层二维纤维织物都包含在相应切片内部，每层切片包括m个梯度区，1≤m≤n，n为梯度结构的层数；
18、步骤s3、预制能够维形的w层二维纤维织物预制件；
19、步骤s4、通过3d打印成型的方法得到梯度多孔陶瓷基复合材料产品的前驱体；
20、步骤s5、对前驱体进行脱脂烧结。
21、与现有技术相比，本专利技术至少可实现如下有益效果之一：
22、(1)本专利技术提出的梯度多孔陶瓷基复合材料及其产品，包括采用3d打印成型的陶瓷基体和增强相，陶瓷基体包括n层材料成分和/或密度不同的陶瓷基体层，增强相包括w层二维纤维织物，n层陶瓷基体层和w层二维纤维织物沿3d打印堆叠方向逐层叠加；本专利技术将“梯度多孔陶瓷基体+纤维增强相”通过增材制造的方法结合起来，可以在准备3d打印的陶瓷原料时，根据需要设计陶瓷基体层的成分(陶瓷粉体种类、陶瓷粉体粒径、树脂种类、陶瓷和树脂的配比)，从而调节不同陶瓷基体层材料成分和/或密度，进而调控沿梯度方向的介电常数分布，从而获得优异的宽频透波性能；同时，纤维增强相的引入可以在几乎不增加重量的情况下，显著提高陶瓷基体的强度，从而兼顾了轻量化和高强度；本专利技术提供的梯度多孔陶瓷基复合材料及其产品，可以将宽频透波性能、高机械强度、轻量化、耐高温、耐腐蚀等优良性能结合在一起，以提升高性能陶瓷在各个领域(例如：航空航天)的推广及应用。
23、(2)本专利技术提出的梯度多孔陶瓷基复合材料及其产品，由于n层陶瓷基体层和w层二维纤维织物是通过3d打印一体成型，因此每层梯度结构之间结合紧密，相比于现有的制备技术得到的产品(不同密度的结构组装在一起)，本专利技术提供的复合材料及其产品的不同层的梯度结构之间结合牢靠、可靠性高。
24、(3)本专利技术提出的梯度多孔陶瓷基复合材料及其产品，由于n层陶瓷基体层和w层二维纤维织物是通过3d打印一体成型，在打印每一层切片时，准确地将陶瓷原料本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种梯度多孔陶瓷基复合材料，其特征在于，包括采用3D打印成型的陶瓷基体和增强相；
2.根据权利要求1所述的梯度多孔陶瓷基复合材料，其特征在于，所述梯度多孔陶瓷基复合材料的结构为空心壳体或者实心体；所述梯度多孔陶瓷基复合材料的形状包括但不限于平板型、半球形、球形、圆锥形、圆台形、圆柱形、四面体、三棱锥、四棱锥中的任一种。
3.根据权利要求2所述的梯度多孔陶瓷基复合材料，其特征在于，所述空心壳体包括开放式或者封闭式。
4.根据权利要求1-3任一项所述的梯度多孔陶瓷基复合材料制成的产品，其特征在于，所述产品是天线罩，所述天线罩为半球形壳体，天线罩包括自外表面至内表面的n层密度不同的陶瓷基体层，形成梯度结构，即第一密度层、第二密度层……第n-1密度层、第n密度层，n≥2，以及沿与半球形壳体轴向垂直的X-Y平面逐层分布的W层二维纤维织物。
5.根据权利要求4所述的梯度多孔陶瓷基复合材料制成的产品，其特征在于，所述二维纤维织物由0.1K～0.8K的连续纤维编织而成。
6.根据权利要求4所述的梯度多孔陶瓷基复合材料制成的产品，其特征在于，所述第一密度层、第二密度层……第n-1密度层、第n密度层的密度分布包括但不限于依次减小，依次增大，先依次减小后依次增大，或者先依次增大后依次减小。
7.根据权利要求4所述的梯度多孔陶瓷基复合材料制成的产品，其特征在于，所述二维纤维织物为圆环状。
8.根据权利要求7所述的梯度多孔陶瓷基复合材料制成的产品，其特征在于，每层圆环状的二维纤维织物的平面尺寸比相应层二维纤维织物所在的切片的平面尺寸小0.2mm～0.3mm。
9.根据权利要求4所述的梯度多孔陶瓷基复合材料制成的产品，其特征在于，所述天线罩沿半球形壳体轴向的上表面和下表面的不含纤维的陶瓷基体厚度不小于0.5mm。
10.一种权利要求1-9任一项所述梯度多孔陶瓷基复合材料及其产品的增材制造方法，其特征在于，所述增材制造方法包括下述步骤：
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【技术特征摘要】
1.一种梯度多孔陶瓷基复合材料，其特征在于，包括采用3d打印成型的陶瓷基体和增强相；
2.根据权利要求1所述的梯度多孔陶瓷基复合材料，其特征在于，所述梯度多孔陶瓷基复合材料的结构为空心壳体或者实心体；所述梯度多孔陶瓷基复合材料的形状包括但不限于平板型、半球形、球形、圆锥形、圆台形、圆柱形、四面体、三棱锥、四棱锥中的任一种。
3.根据权利要求2所述的梯度多孔陶瓷基复合材料，其特征在于，所述空心壳体包括开放式或者封闭式。
4.根据权利要求1-3任一项所述的梯度多孔陶瓷基复合材料制成的产品，其特征在于，所述产品是天线罩，所述天线罩为半球形壳体，天线罩包括自外表面至内表面的n层密度不同的陶瓷基体层，形成梯度结构，即第一密度层、第二密度层……第n-1密度层、第n密度层，n≥2，以及沿与半球形壳体轴向垂直的x-y平面逐层分布的w层二维纤维织物。
5.根据权利要求4所述的梯度多孔陶瓷基复合材料制成的产品，其特征在于，所述二维纤维...
【专利技术属性】
技术研发人员：翟小菲，张玮，孟凡颢，李志勇，熊亮同，钱远宏，焦世坤，陈荣，
申请(专利权)人：航天增材科技北京有限公司，
类型：发明
国别省市：
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