[发明专利]一种光固化3D打印螺线型陶瓷弹簧的制备方法

说明书

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。本发明制备的陶瓷弹簧适用于耐高温、耐腐蚀、耐磨损等领域。

技术领域

本发明属于特种陶瓷材料制备技术领域，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。

背景技术

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)发明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)发明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)发明了一种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)发明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)发明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。

发明内容