一种基于3D打印技术的核壳结构陶瓷复合材料成形方法与流程

本发明涉及陶瓷复合材料3d打印技术领域，具体涉及一种基于3d打印技术的核壳结构陶瓷复合材料成形方法。

背景技术：

3d打印技术是20世纪80年代后期发展起来的一项先进制造技术，可以直接根据产品设计数据，快速制造出新产品的样件、模具或模型，大大缩短产品加工周期，降低了研制的成本，对促进企业产品创新、提高产品竞争力有积极的推动作用。

复合材料是由金属材料、陶瓷材料或高分子材料等两种或两种以上的材料经过复合工艺而制备的多相材料，各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料由连续相的基体和被基体包容的相增强体组成。但是，传统复合材料由不同材料混合而成，无法保持组成材料原始的性能，尤其是增韧效果不明显。而且传统复合材料的工艺稳定性差，材料性能的分散性大，长期耐高温与环境老化性能差，抗冲击能力低，横向强度和层间剪切强度差。

尽管现有技术在复合材料的设计和制造方面取得了新的进展，但是创造具有高强度和高韧性结构的材料仍然是一个难以达到的目标，因为这些性质往往是互斥的。而一些天然材料通过在多个长度尺度上结合不同的增韧机理来克服这种限制。核壳结构复合材料模仿天然材料的结构，兼具高强度与韧性，可以很好的弥补传统制造方法的不足。核壳结构复合材料从内向外分为许多层，每一层都保持了原始材料的性能，可以在保持高强度的前提下获得不错的韧性。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述不足，提供种基于3d打印技术的核壳结构陶瓷复合材料成形方法，能够得到具有良好的韧性、耐高温性、高强度的核壳结构陶瓷复合材料零件，且不需要设计、制造模具，从而大大地减少了成本和制造时间。

为了达到上述目的，本发明首先称取所需基体材料和增强材料，基体材料采用陶瓷、纤维和树脂中的至少一种，增强材料采用陶瓷、纤维、树脂或金属，挤出方式采用共挤出方式或同轴挤出方式；

采用共挤出方式时，包括以下步骤：

步骤一，在中心料筒内依次套入若干直径依次变小的内层料筒，中心料筒和内层料筒的总量等于基体材料种类的数量，将增强材料依次装入中心料筒和内层料筒中，冷冻成型后取出增强材料，制得增材棒料；

步骤二，在3d打印机的料筒中添加基体材料，并将增材棒料置于基体材料中部；

步骤三，挤出时，根据需要控制3d打印机的活塞推动料筒中的浆料进入同轴喷嘴，在出口处形成基体材料包裹增强材料的核壳包裹结构；

步骤四，3d打印机持续打印，直至零件完成，得到核壳结构复合材料胚体；

步骤五，将核壳结构复合材料胚体在真空环境下干燥脱脂，并进行烧结处理，最终转化为陶瓷；

采用同轴挤出方式时，包括以下步骤：

步骤一，将所需基体材料和增强材料置于3d打印机的基体材料供料筒和增强材料供料筒，增强材料供料筒将增强材料送入基体材料的中部；

步骤二，挤出时，根据需要控制3d打印机的活塞共同挤压基体材料供料筒和增强材料供料筒，使基体材料和增强材料共同挤出，在出口处形成外部材料包裹内部材料的核壳包裹结构；

步骤三，3d打印机持续打印，直至零件完成，得到核壳结构复合材料胚体；

步骤四，将核壳结构复合材料胚体在真空环境下干燥脱脂，并进行烧结处理，最终转化为陶瓷。

挤出时，核壳包裹结构的细丝直径≥30微米。

核壳包裹结构中，增强材料的直径占基体材料直径的1/5～5/6。

纤维材料采用玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、聚芳酰胺纤维和智能纤维中的一种或多种组合。

陶瓷材料采用氧化硅、氧化钙、氧化铝、碳化硅、氮化硅和金属陶瓷的一种或多种组合。

树脂采用聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、酚醛树脂、聚酯树脂、聚酰胺树脂等、聚甲醛、聚酰胺、聚砜和聚醚的一种或多种组合。

金属采用al、ni、ti、zn、fe及al、ni、ti、zn或fe的合金。

与现有技术相比，本发明将传统的核壳结构陶瓷复合材料结合3d打印技术，提出了一种基于共挤出或同轴挤出方式的核壳结构复合材料成形方法。使用共挤出或同轴挤出方式，可得到由一种或一种以上基体材料与功能增强材料构成的核壳结构。核壳结构复合材料兼具基体与增强材料的优势，可同时具备良好的强度与韧性，性能优良。通过控制挤出浆料的直径与挤出速率，使得核壳结构模型能够快速精确的成形；本方法制得的核壳结构零件具有良好的力学性能，耐高温性能，并且含增强材料的核壳结构复合材料极大地提高了零件的强度和韧性，且在高温烧结过程中，不同的烧结环境可制得不同成分的材料，使得原始材料有较大的选择余地，可满足不同需求的复合材料零件制备。使用该方法更容易得到具有定制化力学性能的复合材料零件，可实现具有复杂结构的复合材料零件的快速制造。

附图说明

图1为本发明采用共挤出的示意图；

图2为本发明采用同轴挤出的示意图；

图3为本发明中制备基体棒料的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明首先称取所需基体材料和增强材料，基体材料采用陶瓷、纤维和树脂中的至少一种，增强材料采用陶瓷、纤维、树脂或金属；

纤维材料采用玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、聚芳酰胺纤维和智能纤维中的一种或多种组合。

陶瓷材料采用氧化硅、氧化钙、氧化铝、碳化硅、氮化硅与金属陶瓷等的一种或多种组合。

树脂采用聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、酚醛树脂、聚酯树脂、聚酰胺树脂等、聚甲醛、聚酰胺、聚砜、聚醚等的一种或多种组合。

金属采用al、ni、ti、zn、fe及其合金。

参见图1和图3，采用共挤出方式时，包括以下步骤：

步骤一，在中心料筒内依次套入若干直径依次变小的内层料筒，中心料筒和内层料筒的总量等于基体材料种类的数量，将增强材料依次装入中心料筒和内层料筒中，冷冻成型后取出增强材料，制得增材棒料；

步骤二，在3d打印机的料筒1-3中添加基体材料2，并将增材棒料置于基体材料中部；

步骤三，挤出时，3d打印机的活塞4推动料筒中的浆料1-5进入同轴喷嘴，在出口处形成基体材料包裹增强材料的核壳包裹结构1，核壳包裹结构的细丝直径≥30微米，增强材料的直径占基体材料直径的1/5～5/6；

步骤四，3d打印机持续打印，直至零件完成，得到核壳结构复合材料胚体；

步骤五，将核壳结构复合材料胚体在真空环境下干燥脱脂，并进行烧结处理，最终转化为陶瓷；

参见图2，采用同轴挤出方式时，包括以下步骤：

步骤一，将所需基体材料2-2和增强材料2-51置于3d打印机的基体材料供料筒和增强材料供料筒，增强材料供料筒将增强材料送入基体材料的中部，使增强材料和基体材料进入同轴碰头2-3；

步骤二，挤出时，3d打印机的活塞4共同挤压基体材料供料筒和增强材料供料筒，使基体材料和增强材料共同挤出，在出口处形成外部材料包裹内部材料的核壳包裹结构1，核壳包裹结构的细丝直径≥30微米，增强材料的直径占基体材料直径的1/5～5/6；

步骤三，3d打印机持续打印，直至零件完成，得到核壳结构复合材料胚体；

步骤四，将核壳结构复合材料胚体在真空环境下干燥脱脂，并进行烧结处理，最终转化为陶瓷。