專利名稱：利用分層實體快速成型制造碳化硅陶瓷零件的工藝方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種陶瓷構件的新工藝，特別是形狀復雜、基于紙和酚醛樹脂的利用分層實體快速成型制造碳化硅陶瓷零件的工藝方法。
背景技術：
碳化硅陶瓷具有高溫強度高、耐磨損、高硬度等特性，是最重要的工程材料之一，在石油化工、航空航天、國防軍工等領域有廣泛的應用和迫切的需求。傳統(tǒng)的制備工藝是利用模具將粉末原料制成坯體，然后高溫燒結制造出構件，這種方法受模具制作的限制，在形狀復雜程度上不能滿足要求。近年來研究的層狀復合陶瓷可以大大提高陶瓷的韌性，克服陶瓷突發(fā)性斷裂的致命弱點，申請人也對陶瓷的成型的工藝方法進行了研究。

發(fā)明內(nèi)容
為了滿足應用的需要，克服碳化硅陶瓷質(zhì)地硬、后期加工難以及已知工藝方法存在的缺陷或不足，本發(fā)明提出一種基利用分層實體快速成型制造碳化硅陶瓷零件的工藝方法，該工藝可以制造出形狀復雜、組織為層狀結構的陶瓷構件，無需后期的去料加工，工藝簡單可行。
為了實現(xiàn)上述功能，本發(fā)明采用的技術方案是一種利用分層實體快速成型制造碳化硅陶瓷零件的工藝方法，以紙和酚醛樹脂為原料，其特征在于，具體包括下列步驟1)根據(jù)實際要求，構造制件的三維數(shù)據(jù)模型，并將數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)化為STL格式文件；2)用快速成型機自身的分層軟件做分層處理，并將處理數(shù)據(jù)導入制造程序中；
3)選用醇溶性的酚醛樹脂作為粘結劑，卷紙作為成型材料；4)用快速成型機制造出紙質(zhì)前驅(qū)體快速原型制件；利用步驟2)的分層數(shù)據(jù)激光束切割每層的輪廓，形成每層的實體，逐層堆積，由酚醛樹脂制成的粘結劑將其粘結在一起，制成陶瓷零件的紙質(zhì)前驅(qū)體快速原型；5)將紙質(zhì)前驅(qū)體快速原型放入烘干箱中，對酚醛樹脂進行后期固化，烘干起始溫度為60℃，每10小時將溫度升高20℃，直至溫度升到120℃時停止，取出進行碳化；6)將得到的紙質(zhì)前驅(qū)體快速原型放入氮氣氛熱解爐中碳化，升溫速度每小時100℃，碳化溫度800℃～1000℃，保溫時間為1～2h，然后隨爐冷卻至室溫取出，得到制件的三維碳支架；7)制件的三維碳支架放入石墨坩鍋并用Si粉包埋，硅與三維碳支架重量比為3∶1，然后放進真空高溫爐中加熱，升溫速度每小時600℃，反應溫度1450℃～1550℃，保溫時間為0.5～1h，再升至1650℃，抽真空排Si 20～30min，隨爐冷卻至室溫取出，即可獲得碳化硅陶瓷復合材料的成型制件。
本發(fā)明的方法采用分層實體快速原型工藝與反應型碳化硅制備工藝相結合，改變了傳統(tǒng)的陶瓷構件制備工藝過程，可以制造出任何結構形狀復雜、尺寸精度較高的碳化硅陶瓷成型制件。為小批量生產(chǎn)碳化硅陶瓷及其復合材料制件提供了新的工藝方法，大大提高了高溫結構部件和定制化產(chǎn)品的研制速度，實現(xiàn)了碳化硅陶瓷復合材料的無模精密制造。


圖1是本發(fā)明的工藝流程圖；圖2是制件三維模型圖；圖3是碳化示意圖；圖中的符號表示為1.紙質(zhì)前驅(qū)體快速原型、2.坩鍋、3.氮氣氛熱解爐；
圖4是滲Si反應示意圖，圖中的符號表示為21.三維碳支架、22.石墨坩鍋、23.Si粉、24.真空高溫爐。
以下結合附圖和發(fā)明人給出的實施例對本發(fā)明作進一步的詳細描述。
具體實施例方式
本發(fā)明的利用分層實體快速成型制造碳化硅陶瓷零件的工藝方法，通過快速成型工藝制成原型，為碳化硅陶瓷的外形和內(nèi)部組織提供有機模板，通過熱解工藝轉(zhuǎn)化為無機模板——三維碳支架。然后進行高溫滲硅，硅在碳支架上進行原位反應形成碳化硅陶瓷復合材料成型構件。
實施例1參見圖1，本實施例以紙和酚醛樹脂為原料，其工藝步驟包括1.3D模型設計步驟，根據(jù)實際要求，用Pro/E軟件構造制件的三維數(shù)據(jù)模型，如圖2所示；并將圖2所示模型存儲為STL格式文件；2.用快速成型機自帶的分層軟件做分層處理，并將處理數(shù)據(jù)導入制造程序中；上述步驟均是本領域的成熟技術。
3.用2130#酚醛樹脂加重量比為4％的苯璜酰氯混合均勻作為層間的粘結劑。
4.在快速成型機上制造出紙質(zhì)前驅(qū)體快速原型。
5.將所制造的紙質(zhì)前驅(qū)體快速原型放入烘箱中使酚醛樹脂粘結劑深度固化。烘箱起始溫度設為60℃，每10小時將溫度升高20℃，直到120℃為止，得到圖3的紙質(zhì)前驅(qū)體快速原型1，然后取出進行碳化。
6.碳化的過程是，將得到圖3的紙質(zhì)前驅(qū)體快速原型1放入坩鍋2中(圖3)，再放進氮氣氛爐3中碳化，升溫速度100℃/h，碳化溫度800℃，保溫時間為1h，然后隨爐冷卻至室溫取出，得到制件的三維碳支架21(圖4)；7.在石墨坩鍋22中放入三維碳支架21并用Si粉23包埋，Si粉粒徑為100μm，硅和三維碳支架的重量比為3∶1隨后將石墨坩鍋22放進真空高溫爐中24中加熱，如圖4所示。升溫速度600℃/h，反應溫度1500℃，保溫時間為0.5h，再經(jīng)1650℃抽真空排Si 20min，隨爐冷卻至室溫取出，硅與碳支架產(chǎn)生化學反應，獲得碳化硅陶瓷復合材料的成型制件；8.對成型制件進行表面清理即可。
實施例2本實施例與實施例1所不同的是，在步驟6中，碳化溫度1000℃，保溫時間為0.5h；步驟7中，Si粉粒徑為50μm，反應溫度1550℃，保溫時間為1h，其余均同實施例1。
權利要求
1.一種利用分層實體快速成型制造碳化硅陶瓷零件的工藝方法，以紙和酚醛樹脂為原料，其特征在于，具體包括下列步驟1)根據(jù)實際要求，構造制件的三維數(shù)據(jù)模型，并將數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)化為STL格式文件；2)用快速成型機自身的分層軟件做分層處理，并將處理數(shù)據(jù)導入制造程序中；3)選用醇溶性的酚醛樹脂作為粘結劑，卷紙作為成型材料；4)用快速成型機制造出紙質(zhì)前驅(qū)體快速原型；5)將紙質(zhì)前驅(qū)體快速原型放入烘干箱中進行后期固化，烘干起始溫度為60℃，每10小時將溫度升高20℃，直至溫度升到120℃時停止，取出進行碳化，得到紙質(zhì)前驅(qū)體快速原型制件；6)將得到的紙質(zhì)前驅(qū)體快速原型制件放入氮氣氛熱解爐3中碳化，升溫速度每小時100℃，碳化溫度800℃～1000℃，保溫時間為1～2h，然后隨爐冷卻至室溫取出，得到制件的三維碳支架；7)制件的三維碳支架放入石墨坩鍋2并用Si粉4包埋，硅與三維碳支架重量比為3∶1，然后放進真空高溫爐5中加熱，升溫速度每小時600℃，反應溫度1450℃～1550℃，保溫時間為0.5～1h，再升至1650℃，抽真空排Si 20～30min，隨爐冷卻至室溫取出，即可獲得碳化硅陶瓷復合材料的成型制件。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的粘結劑為2130#酚醛樹脂加重量比為4％的苯璜酰氯混合而成。
全文摘要
該發(fā)明提出了一種利用分層實體制造(LOM)快速成型技術制造碳化硅陶瓷復合材料零件的工藝方法，其將快速成型技術易于制造形狀復雜零件的特點和反應燒結碳化硅技術相結合，克服了傳統(tǒng)工藝的缺陷，可以解決復雜形狀的陶瓷結構件制造難題。主要方法為根據(jù)分層實體制造原理，以卷筒紙作為制件成型材料，以酚醛樹脂作為粘結劑，通過快速成型工藝制成原型，通過熱解工藝轉(zhuǎn)化為三維碳支架。然后進行高溫滲硅，硅在碳支架上進行原位反應形成碳化硅陶瓷及其復合材料構件。該方法實現(xiàn)了復雜形狀碳化硅陶瓷構件的無模制造。
文檔編號C04B35/565GK1775710SQ20051012452
公開日2006年5月24日 申請日期2005年12月12日 優(yōu)先權日2005年12月12日
發(fā)明者李滌塵, 崔志中 申請人:西安交通大學