一种SLS技术与PIP技术相结合制备高强度耐高温SiC陶瓷导弹头外壳的方法与流程

本发明属于SiC陶瓷的3D打印领域，特别涉及一种SLS技术与PIP技术相结合制备高强度耐高温SiC陶瓷导弹头外壳的方法。

背景技术：

SiC陶瓷具有优良力学性能，高的抗弯强度、优良的抗氧化性、良好的耐腐蚀性、高的抗磨损以及低的摩擦系数，而且高温力学性能(强度、抗蠕变性等)是已知陶瓷材料中最佳的。热压烧结、无压烧结、热等静压烧结的材料，其高温强度可一直维持到1600℃，是陶瓷材料中高温强度最好的材料。因而用SiC制造航天器可以说是物尽其用。

目前陶瓷材料成型方法主要有：挤压成型、注射成型、等静压成型、流延成型等，这些方法在制备过程都需要模具，一旦设计尺寸改变或者调整将需要重新设计并制造模具，而制造模具成本较高，周期较长。而且受到模具的复杂程度限制，这些工艺适合制备形状简单的制品。

随着工业的发展，这些传统的工艺已经不能满足高科技产品的需求。3D打印快速成型技术是近年来快速发展的一种新型成型工艺，该工艺利用计算机软件设计构件，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、组织细胞等特殊材料进行逐层堆积粘结，最终叠加成型，制造出实体产品。该工艺与传统成型方法相比，具有以下特点：(1)可以制备形状复杂的高科技产品；(2)制备过程无需模具，省钱省时周期短；(3)可以轻易通过计算机软件改变设计尺寸及形状，大大缩短新产品开发时间；(4)可制备结构微小的电子陶瓷制品等优点。因此，近年来快速成型技术受到广泛的关注，尤其航天领域备受关注。目前3D打印术主要有立体光刻造型技术(SLA)、选择性激光烧结(SLS)、分层实体制造(LOM)、三维打印(3DP)等，其中可应用于选择性激光烧结技术的材料更广泛。

然而，目前现有陶瓷的3D打印制备还仅限于初步成形，对其强度的进一步提升研究有限，强度为5MPa～20MPa，孔隙率为45％～60％，强度低，致密度低，导致陶瓷3D打印产品并未得到很好的应用。

技术实现要素：

本发明目的是为了解决目前现有陶瓷的3D打印制备仅限于初步成形、强度低以及致密度低的问题，而提供一种SLS技术与PIP技术相结合制备高强度耐高温SiC陶瓷导弹头外壳的方法。

本发明的一种SLS技术与PIP技术相结合制备高强度耐高温SiC陶瓷导弹头外壳的方法按以下步骤进行：

一、构建导弹头外壳的三维模型，然后将三维模型转换为STL格式文件；

二、将STL格式文件导入3D打印机，通过3D打印机的分层处理软件对三维模型分层处理；

三、将SiC粉末和粘接剂粉末加入混合机，混合8h～24h，得到粒径均匀的陶瓷粉末；

四、将步骤三得到的粒径均匀的陶瓷粉末加入到3D打印机的料筒中，并铺平粉末，然后将3D打印机的工作箱加热至温度为30～70℃，通过3D打印机的激光头根据步骤二得到的分层数据由下至上层层打印，制得陶瓷坯体；所述每层厚度为0.05mm～0.2mm；

五、打开3D打印机的工作箱门，将陶瓷坯体在室温环境下放置20min～60min，取出后清除多余粉末；

六、将清除多余粉末后的陶瓷坯体放入高温炉烧结，得到SiC陶瓷导弹头外壳部件；所述烧结炉烧结温度为1000～1600℃，保温时间为30min～90min；

七、将高温烧结后的SiC陶瓷导弹头外壳部件进行多次浸渍裂解致密化至相比前一次浸渍裂解致密化后的增重率小于1％为止，得到高强度耐高温SiC陶瓷导弹头外壳；所述浸渍裂解致密化具体过程为先将步骤六得到的SiC陶瓷导弹头外壳部件放入浸渍液中进行浸渍，然后进行固化处理，最后进行高温裂解，高温裂解温度为1000～1400℃，高温裂解时间为30min～90min。

本发明的有益效果：

本发明设计了选择性激光烧结与PIP法(浸渍裂解致密化)相结合的工艺，本发明工艺简单、材料设备成本低，并且制备周期短，余料可以再次利用，最终部件强度为150MPa～200MPa，孔隙率为10％～20％，致密度高，强度高，且不受陶瓷颗粒种类和零件形状的限制，可制备各种高强度耐高温陶瓷部件，所制备的陶瓷经过后处理可应用于制造导弹头外壳。

附图说明

图1为本发明的一种SLS技术与PIP技术相结合制备高强度耐高温SiC陶瓷导弹头外壳的方法的流程图；

图2为本发明制备的高强度耐高温SiC陶瓷导弹头外壳的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种SLS技术与PIP技术相结合制备高强度耐高温SiC陶瓷导弹头外壳的方法按以下步骤进行：

一、构建导弹头外壳的三维模型，然后将三维模型转换为STL格式文件；

二、将STL格式文件导入3D打印机，通过3D打印机的分层处理软件对三维模型分层处理；

三、将SiC粉末和粘接剂粉末加入混合机，混合8h～24h，得到粒径均匀的陶瓷粉末；

四、将步骤三得到的粒径均匀的陶瓷粉末加入到3D打印机的料筒中，并铺平粉末，然后将3D打印机的工作箱加热至温度为30～70℃，通过3D打印机的激光头根据步骤二得到的分层数据由下至上层层打印，制得陶瓷坯体；所述每层厚度为0.05mm～0.2mm；

五、打开3D打印机的工作箱门，将陶瓷坯体在室温环境下放置20min～60min，取出后清除多余粉末；

六、将清除多余粉末后的陶瓷坯体放入高温炉烧结，得到SiC陶瓷导弹头外壳部件；所述烧结炉烧结温度为1000～1600℃，保温时间为30min～90min；

七、将高温烧结后的SiC陶瓷导弹头外壳部件进行多次浸渍裂解致密化至相比前一次浸渍裂解致密化后的增重率小于1％为止，得到高强度耐高温SiC陶瓷导弹头外壳；所述浸渍裂解致密化具体过程为先将步骤六得到的SiC陶瓷导弹头外壳部件放入浸渍液中进行浸渍，然后进行固化处理，最后进行高温裂解，高温裂解温度为1000～1400℃，高温裂解时间为30min～90min。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中使用UG软件将三维模型转换为STL格式文件。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤二中所述3D打印机为选择性激光烧结打印机。其他步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤三中所述陶瓷粉末中SiC粉末的质量百分含量为80％～95％，余量为粘接剂粉末。其他步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤三中所述陶瓷粉末中SiC粉末的质量百分含量为90％，余量为粘接剂粉末。其他步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤三中所述陶瓷粉末的平均粒径为1μm～120μm。其他步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤三中所述粘接剂粉末为环氧树脂粉末、糊精粉末、聚丙烯酸铵粉末或聚乙二醇粉末。其他步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤四中将步骤三得到的粒径均匀的陶瓷粉末加入到3D打印机的料筒中，并铺平粉末，然后将3D打印机的工作箱加热至温度为55℃。其他步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤六中所述烧结炉烧结温度为1400℃，保温时间为60min。其他步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤七中所述浸渍液为聚碳硅烷/二乙烯基苯先驱体溶液，聚碳硅烷/二乙烯基苯先驱体溶液中聚碳硅烷与二乙烯基苯的质量比1:4。其他步骤及参数与具体实施方式一至九之一相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是：步骤七中所述浸渍过程具体为：先将步骤六得到的SiC陶瓷导弹头外壳部件放入浸渍液中，然后转入浸渍炉中，在温度为65℃的条件下抽真空30min，然后在温度为65℃的条件下加压30min，压力为0.2MPa。其他步骤及参数与具体实施方式一至十之一相同。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一至十一之一不同的是：步骤七中所述固化具体过程为：置于电热恒温干燥箱中，先在温度为120℃的条件下固化3h，再在温度为150℃的条件下固化3h。其他步骤及参数与具体实施方式一至十一之一相同。

具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一至十二之一不同的是：步骤七中所述高温裂解温度为1200℃，高温裂解时间为60min。其他步骤及参数与具体实施方式一至十二之一相同。

用以下实验来验证本发明的效果

试验一、本试验的一种SLS技术与PIP技术相结合制备高强度耐高温SiC陶瓷导弹头外壳的方法按以下步骤进行：

一、构建导弹头外壳的三维模型，然后将三维模型转换为STL格式文件；

二、将STL格式文件导入3D打印机，通过3D打印机的分层处理软件对三维模型分层处理；

三、将SiC粉末和粘接剂粉末加入混合机，混合8h～24h，得到粒径均匀的陶瓷粉末；

四、将步骤三得到的粒径均匀的陶瓷粉末加入到3D打印机的料筒中，并铺平粉末，然后将3D打印机的工作箱加热至温度为55℃，通过3D打印机的激光头根据步骤二得到的分层数据由下至上层层打印，制得陶瓷坯体；所述每层厚度为0.1mm；

五、打开3D打印机的工作箱门，将陶瓷坯体在室温环境下放置60min，取出后清除多余粉末；

六、将清除多余粉末后的陶瓷坯体放入高温炉烧结，得到SiC陶瓷导弹头外壳部件；所述烧结炉烧结温度为1400℃，保温时间为60min；

七、将高温烧结后的SiC陶瓷导弹头外壳部件进行多次浸渍裂解致密化至相比前一次浸渍裂解致密化后的增重率小于1％为止，得到高强度耐高温SiC陶瓷导弹头外壳；所述浸渍裂解致密化具体过程为先将步骤六得到的SiC陶瓷导弹头外壳部件放入浸渍液中进行浸渍，然后进行固化处理，最后进行高温裂解，高温裂解温度为1200℃，高温裂解时间为60min。

步骤一中使用UG软件将三维模型转换为STL格式文件。

步骤二中所述3D打印机为选择性激光烧结打印机。

步骤三中所述陶瓷粉末中SiC粉末的质量百分含量为90％，余量为粘接剂粉末。

步骤三中所述陶瓷粉末的平均粒径为70μm。

步骤三中所述粘接剂粉末为环氧树脂粉末。

步骤七中所述浸渍液为聚碳硅烷/二乙烯基苯先驱体溶液，聚碳硅烷/二乙烯基苯先驱体溶液中聚碳硅烷与二乙烯基苯的质量比1:4。

步骤七中所述浸渍过程具体为：先将步骤六得到的SiC陶瓷导弹头外壳部件放入浸渍液中，然后转入浸渍炉中，在温度为65℃的条件下抽真空30min，然后在温度为65℃的条件下加压30min，压力为0.2MPa。

步骤七中所述固化具体过程为：置于电热恒温干燥箱中，先在温度为120℃的条件下固化3h，再在温度为150℃的条件下固化3h。

经检测本试验得到的高强度耐高温SiC陶瓷导弹头外壳，其强度为185MPa、孔隙率为20％。