摘 要

碳化硅陶瓷是热发动机、热交换器等高温结构部件的有潜力的应用材料之一，这是因为其具有优异的高温强度，化学稳定性，耐磨损以及抗氧化性等性能，然而使用传统方法难以制备复杂形状的碳化硅陶瓷。而3D打印技术，它可直接根据实体的CAD模型，通过层层叠加生成最终的三维实体制件。但直接使用3D打印技术制备碳化硅陶瓷在技术上又有很多局限性。凝胶注模成型是一种新的近净形状成型方法，通过这种方法，可以配合3D打印技术实现制备复杂形状的碳化硅陶瓷制品。本实验研究了凝胶材料配比、凝胶注模方法，干燥方式以及低温烧结和高温烧结等工艺，到最后对成品力学性能的测试以及分析其力学性能，最终总结出能够制作高效简单但产品性能优异的3D打印凝胶注模工艺，最终通过分析数据，本次研究所总结出来的方法能够打印出力学性能优秀的陶瓷制品。所以3D打印结合凝胶注模成型方法制备复杂形状的碳化硅陶瓷零件的工艺目前具有良好的研究前景。

关键字：碳化硅陶瓷、凝胶注模、3D打印

Abstract

Silicon carbide ceramics are one of the potential applications of high temperature structural components such as thermal engines and heat exchangers because of their excellent high temperature strength, chemical stability, abrasion resistance and oxidation resistance. However, It is difficult to prepare complex shaped silicon carbide ceramics. The 3D printing technology, which can be directly based on the entity's CAD model, through the layers of superposition to generate the final three-dimensional solid parts. But the direct use of 3D printing technology to prepare silicon carbide ceramics in the technical there are many limitations. Gel injection molding is a new near-net shape forming method, through this method can be used with 3D printing technology to achieve the preparation of complex shape of silicon carbide ceramic products. In this experiment, the methods of gel material ratio, gel injection molding method, drying method and low temperature sintering and high temperature sintering were studied. Finally, the mechanical properties of finished products were tested and analyzed. The mechanical properties were analyzed. Finally, Excellent performance of the 3D printing gel injection molding process, and ultimately through the analysis of data, this study summed up the method to print out the excellent mechanical properties of ceramic products. Therefore, 3D printing combined with gel injection molding method to prepare complex shape of silicon carbide ceramic parts of the process now has a good research prospects.

KeyWords: SiC ceramics、Gel injection molding、3D printing

目录

1 绪论 1

1.1概述 1

1.2 3D打印陶瓷技术的研究现状 1

1.2.1光固化成型技术 1

1.2.2激光选区烧结技术 2

1.2.3选择性激光熔化技术 2

1.3 3D打印局限性 3

1.4 凝胶注模成型研究现状 4

1.5 3D打印结合凝胶注模的研究现状 5

1.6 研究内容、目的及意义 6

2试验设计和方案 7

2.1实验材料 7

2.2 工艺路线 8

2.4 测试方法 8

3 浆料制备及成型实验 11

3.1 探究固含量对悬浮液的流变性影响 11

3.2 研究干燥过程对试件的影响 11

3.3 SLA母模制造 14

3.4 浆料制备与注模 14

3.5脱脂烧模与无压烧结 15

3.6凝胶浆料电位研究 17

4性能测试与分析 19

4.1 弯曲强度分析 19

4.2 断裂韧性分析 20

4.3 致密度分析 21

4.4 热重分析 21

4.5碳化硅陶瓷制件力学性能的综合分析 24

4.6 SEM表征分析 25

5 结论 26

5.1 实验结论 26

5.2 展望 26

参考文献 27

致 谢 29

1 绪论

1.1概述

碳化硅陶瓷是热发动机、热交换器等高温结构部件的有潜力的应用材料之一^[1-4]，这是因为其耐高温，具有化学稳定性，耐磨损以及抗氧化性等性能。以碳化硅为基体的陶瓷材料（密度3.2g/cm3，熔点高于2000℃）具有密度低和耐高温的优势。碳化硅陶瓷从上个世纪中旬被人开发使用。近年来以SiC陶瓷为基体的复相陶瓷被人们所发掘，增强了单体材料的使用强度和韧性，SiC陶瓷主要有四大应用领域，即功能陶瓷、高级耐火材料、磨料及冶金原料。

在现在工业中，碳化硅陶瓷有着很多丰富的应用。碳化硅陶瓷由于其优秀的性能是制造密封环的理想材料，它与石墨材料组合使用时，其摩擦系数比硬质合金等材料好，且碳化硅陶瓷有很好的自润滑能力，能提高密封件的工作性能以及寿命，尤其可以应用于输送强酸强碱等工作条件。SiC陶瓷也广泛用于防弹装备里，在车辆、船舶的保护外壳以及民用保险箱保护材料里面。

所以碳化硅陶瓷的应用十分广泛，但由于陶瓷具有脆且硬的物理性质,不易加工,所以长期以来,难以制备复杂形状陶瓷结构件，因而大大限制了其应用^[5]。武安华^[6]等人的研究中采用硼、碳为烧结助剂，在1950℃的温度下，压强为25MPa的条件下得到了致密度为97.8%的SiC块体陶瓷，其抗弯强度和断裂韧性分别为383MPa和4.5MPa·m^1/2。但是SiC陶瓷的高硬度和具有一定脆性会出现加工过程比较复杂等问题，在制备复杂形状SiC陶瓷部件的时候这些问题尤为突出，极大地制约了碳化硅陶瓷的广泛应用。然而3D打印技术特别适合于制作含有复杂精细结构的零件^[7]。为此国内外很多课题就如何使用3D打印技术制备陶瓷制品进行一系列研究