本發(fā)明屬于陶瓷材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種纖維增強(qiáng)陶瓷制件的成形方法。

背景技術(shù)：

陶瓷具有硬度高、耐高溫、抗氧化、耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，是應(yīng)用前景極其光明的結(jié)構(gòu)與功能材料，但由于其呈脆性，難以承受劇烈的機(jī)械沖擊與熱沖擊，致使其實(shí)際應(yīng)用潛能受到了嚴(yán)重的束縛。為此人們通過向陶瓷基體中添加纖維，制成纖維增強(qiáng)陶瓷的方法對其脆性予以改善。纖維增強(qiáng)陶瓷由于能在保存原有陶瓷基體性能的前提下，對其脆性進(jìn)行改善，較大幅度的提高強(qiáng)度、韌性等力學(xué)性能，進(jìn)而受到了來自航空、航天、國防建設(shè)等領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。

現(xiàn)有纖維增強(qiáng)陶瓷制件的成形，采用預(yù)先將纖維與陶瓷基體的混合物壓制成塊然后燒結(jié)定形，或邊成形邊進(jìn)行纖維引入，最后燒結(jié)定形的方法，受其加工工藝的限制，會(huì)存在如下缺點(diǎn)：制件的結(jié)構(gòu)難以復(fù)雜化；纖維的引入、排布存在困難；制件精度差、致密度小、強(qiáng)度低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種纖維增強(qiáng)陶瓷制件的成形方法，解決了現(xiàn)有方法得到的陶瓷制件存在纖維的引入、排布困難及制件精度差、致密度小的問題。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種纖維增強(qiáng)陶瓷制件的成形方法，具體按照以下步驟實(shí)施：

步驟1，將陶瓷材料和纖維材料按體積比為1.5-4:1混合，然后加入分散劑在攪拌機(jī)中攪拌混合均勻，得到纖維增強(qiáng)陶瓷材料；

步驟2，將丙烯酸酯與環(huán)氧化合物按體積比為1-9:1混合均勻，獲得預(yù)混樹脂；

步驟3，將步驟1得到的纖維增強(qiáng)陶瓷材料加入步驟2得到的預(yù)混樹脂中，再在避光的條件下加入光引發(fā)劑，并攪拌均勻制成纖維增強(qiáng)陶瓷漿料，最后，在避光、負(fù)壓或常壓下靜置10-48h，以排除其中的氣泡；

步驟4，將處理好的待成形零件三維模型信息，導(dǎo)入光固化成形設(shè)備內(nèi)，利用步驟3得到的纖維增強(qiáng)陶瓷漿料成形出所需零件的毛坯，最后經(jīng)過脫脂、燒結(jié)，得到纖維增強(qiáng)陶瓷制件。

本發(fā)明的特點(diǎn)還在于，

步驟1中陶瓷粉末的直徑為0.2-3μm；纖維材料的直徑為0.5-4μm、長度為20-200μm。

步驟1中攪拌機(jī)的速率為300-800rad/min，攪拌時(shí)間為1-4h；分散劑總量為纖維與陶瓷總質(zhì)量的0.1％-2％。

步驟2中丙烯酸酯為丙烯酸甲酯或1,6-己二醇二丙烯酸酯；環(huán)氧化合物為縮水甘油酯類環(huán)氧樹脂或脂環(huán)族環(huán)氧樹脂。

步驟2中在預(yù)混樹脂中加入相溶劑和/或稀釋劑。

步驟3中纖維增強(qiáng)陶瓷材料與預(yù)混樹脂的體積為，纖維增強(qiáng)陶瓷材料：預(yù)混樹脂＝9:11-4:1。

步驟3中纖維增強(qiáng)陶瓷漿料靜置時(shí)間為10-48h。

步驟3中將步驟1得到的纖維增強(qiáng)陶瓷材料分次逐步加入步驟2得到的預(yù)混樹脂中，且分次加入時(shí)，同時(shí)加入消泡劑，攪拌均勻；消泡劑總量為纖維與陶瓷總質(zhì)量的0.05％-0.5％，每次攪拌時(shí)間1-5h，攪拌速率為100-600r/min。

步驟3中光引發(fā)劑為自由基型引發(fā)劑與陽離子型引發(fā)劑以體積比為1-9：1混合而得，其中光引發(fā)劑總量為纖維與陶瓷總質(zhì)量的0.05％-1.5％，攪拌速率150-600r/min、攪拌時(shí)間1-3h。

步驟4中脫脂工藝為：在常壓、空氣或氬氣保護(hù)的環(huán)境下，以0.1-2℃/min的升溫速率使毛坯的溫度升高到400-700℃，保溫2-5h后隨爐冷卻；然后抽真空，再以0.1-2℃/min的升溫速率升高到400-700℃，保溫2-5h后隨爐冷卻。

步驟4中燒結(jié)工藝為：在氬氣保護(hù)的環(huán)境下，氣體壓力10-200mpa，以5-10℃/min的升溫速率升到1000-1800℃，保溫2-10h后隨爐冷卻。

本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明纖維增強(qiáng)陶瓷制件的成形方法，通過將纖維材料與陶瓷基體按一定比例均勻混入光敏樹脂中，利用光固化技術(shù)成形所需制件的毛坯，再通過脫脂、燒結(jié)實(shí)現(xiàn)制件的致密化，減小了零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度對成形的限制、避免了纖維引入與排布的難題、實(shí)現(xiàn)了纖維與基體所占比例的按需調(diào)節(jié)，并可以減少缺陷、提高精度與強(qiáng)度。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

本發(fā)明一種纖維增強(qiáng)陶瓷制件的成形方法，具體按照以下步驟實(shí)施：

步驟1，將直徑為0.2-3μm陶瓷材料和直徑為0.5-4μm、長度為20-200μm纖維材料按體積比為1.5-4:1混合，然后加入分散劑在攪拌機(jī)中以速率為300-800rad/min，攪拌為1-4h，得到纖維增強(qiáng)陶瓷材料；其中分散劑總量為纖維與陶瓷總質(zhì)量的0.1％-2％；

步驟2，將丙烯酸酯(丙烯酸甲酯或1,6-己二醇二丙烯酸酯)與環(huán)氧化合物(縮水甘油酯類環(huán)氧樹脂或脂環(huán)族環(huán)氧樹脂)按體積比為1-9:1混合，然后加入相溶劑(如多元醇)和/或稀釋劑(如丙烯基縮水甘油醚)，在攪拌機(jī)內(nèi)以速率為100-500rad/min，攪拌1-4h，獲得預(yù)混樹脂；

步驟3，將步驟1得到的纖維增強(qiáng)陶瓷材料分步逐次加入步驟2得到的預(yù)混樹脂中(纖維增強(qiáng)陶瓷材料與預(yù)混樹脂的體積為，纖維增強(qiáng)陶瓷材料：預(yù)混樹脂＝9:11-4:1)，在每一次加入時(shí)都加入消泡劑(如礦物油)并攪拌均勻，加入的消泡劑總量為纖維與陶瓷總質(zhì)量的0.05％-0.5％，每次攪拌時(shí)間1-5h，攪拌速率為100-600r/min；再在避光的條件下加入光引發(fā)劑，并攪拌均勻制成纖維增強(qiáng)陶瓷漿料，光引發(fā)劑為自由基型引發(fā)劑(如二烷氧基苯乙酮、苯偶姻系等)與陽離子型引發(fā)劑(如硫鎓鹽、碘鎓鹽等)以體積比為1-9:1混合而得，其中光引發(fā)劑總量為纖維與陶瓷總質(zhì)量的0.05％-1.5％，攪拌速率150-600r/min、攪拌時(shí)間1-3h，最后，在避光、負(fù)壓或常壓下靜置10-48h，以排除其中的氣泡；

步驟4，將處理好的待成形零件三維模型信息，導(dǎo)入光固化成形設(shè)備內(nèi)，利用步驟3得到的纖維增強(qiáng)陶瓷漿料成形出所需零件的毛坯，最后經(jīng)過脫脂、燒結(jié)，得到纖維增強(qiáng)陶瓷制件。

步驟4中脫脂工藝為：在常壓、空氣或氬氣保護(hù)的環(huán)境下，以0.1-2℃/min的升溫速率使毛坯的溫度升高到400-700℃，保溫2-5h后隨爐冷卻；然后抽真空，再以0.1-2℃/min的升溫速率升高到400-700℃，保溫2-5h后隨爐冷卻。

步驟4中燒結(jié)工藝為：在氬氣保護(hù)的環(huán)境下，氣體壓力10-200mpa，以5-10℃/min的升溫速率升到1000-1800℃，保溫2-10h后隨爐冷卻。

本發(fā)明采用光固化成形技術(shù)，通過預(yù)先引入纖維并均勻混合的方法，避免了纖維引入、排布及比例調(diào)節(jié)的難題，且解除了制件成形受其結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的限制。

同時(shí)，采用上述漿料的配制工藝，能夠保證漿料在其固相所占體積分?jǐn)?shù)為45-80％的范圍內(nèi)均可以獲得良好的混合效果，另外結(jié)合上述的脫脂、燒結(jié)工藝步驟，確保成形制件具有高的致密度及粘結(jié)強(qiáng)度，提高成形零件的綜合力學(xué)性能。

實(shí)施例1

光固化成形碳纖維增強(qiáng)al2o3陶瓷制件

1.纖維增強(qiáng)陶瓷材料的準(zhǔn)備與樹脂材料的預(yù)混合。首先按照體積分?jǐn)?shù)比，al2o3粉末：c纖維＝3:1的比例，稱取270g直徑1um、長度50-100um的c纖維與1620g、d50＝1um的al2o3粉末，然后加入18.90g分散劑(纖維與強(qiáng)陶瓷總質(zhì)量的1％)在攪拌機(jī)內(nèi)以300rad/min的速率，攪拌3h使二者混合均勻，得到纖維增強(qiáng)陶瓷材料；按體積比，丙烯酸酯：環(huán)氧化合物＝4:1的比例，量取丙烯酸甲酯320ml，縮水甘油酯80ml，并加入少量的相溶劑(多元醇)、稀釋劑(丙烯基縮水甘油醚)，在攪拌機(jī)內(nèi)以150rad/min的速率，攪拌1h制成預(yù)混樹脂。

2.纖維增強(qiáng)陶瓷漿料的制備。將纖維增強(qiáng)陶瓷材料分步逐次加入預(yù)混樹脂中(纖維增強(qiáng)陶瓷材料與預(yù)混樹脂的體積為，纖維增強(qiáng)陶瓷材料：預(yù)混樹脂＝3:2)，在每一次加入時(shí)都加入消泡劑(礦物油)并攪拌均勻，加入的消泡劑總量為纖維與強(qiáng)陶瓷總質(zhì)量的的0.5％(9.45g)，每次攪拌時(shí)間3h，攪拌速率為400r/min；再在避光的條件下加入纖維與強(qiáng)陶瓷總質(zhì)量的的1％光引發(fā)劑(18.90g)，并攪拌均勻制成纖維增強(qiáng)陶瓷漿料，光引發(fā)劑為二烷氧基苯乙酮與硫鎓鹽以體積比為4：1混合而得，所用的攪拌參數(shù)為，攪拌速率200r/min、攪拌時(shí)間2h；最后，在避光條件下靜置24h。

3.纖維增強(qiáng)陶瓷制件毛坯的光固化成形。將處理好的c纖維增強(qiáng)al2o3陶瓷漿料裝入光固化成形設(shè)備中，并導(dǎo)入經(jīng)過處理的待成形零件三維模型，成形出所需制件的毛坯。

4.脫脂燒結(jié)。脫脂工藝為：在常壓、氬氣環(huán)境下，以0.1℃/min的升溫速率升高到400℃，保溫2h后隨爐冷卻；然后抽真空，以相同的升溫速率升到相同的溫度，經(jīng)歷同等的保溫時(shí)間后再次隨爐冷卻。燒結(jié)工藝為：在氬氣壓力為50mpa的環(huán)境下，以5℃/min的升溫速率升到1520℃，保溫2h后隨爐冷卻。

實(shí)施例2

光固化成形sic纖維增強(qiáng)sio2陶瓷制件

1.纖維增強(qiáng)陶瓷材料的準(zhǔn)備與樹脂材料的預(yù)混合。首先按照混合后體積分?jǐn)?shù)比，sio2粉末：sic纖維占＝4:1的比例，稱取325g直徑4um、長度150-200um的sic纖維與1144g、d50＝2um的的sio2粉末，然后加入14.69g分散劑(纖維與強(qiáng)陶瓷總質(zhì)量的1％)在攪拌機(jī)內(nèi)以500rad/min的速率，攪拌2h使二者混合均勻，得到纖維增強(qiáng)陶瓷材料；按體積比，丙烯酸酯：環(huán)氧化合物＝17:3的比例，量取1,6-己二醇二丙烯酸酯297.5ml，脂環(huán)族環(huán)氧樹脂52.5ml，并加入少量的相溶劑(多元醇)、稀釋劑(丙烯基縮水甘油醚)，在攪拌機(jī)內(nèi)以200rad/min的速率，攪拌2h制成預(yù)混樹脂。

2.纖維增強(qiáng)陶瓷漿料的制備。將纖維增強(qiáng)陶瓷材料分步逐次加入預(yù)混樹脂中(纖維增強(qiáng)陶瓷材料與預(yù)混樹脂的體積為，纖維增強(qiáng)陶瓷材料：預(yù)混樹脂＝13:7)，在每一次加入時(shí)都加入消泡劑(礦物油)并攪拌均勻，加入的消泡劑總量為纖維與強(qiáng)陶瓷總質(zhì)量的0.4％(5.876g)，每次攪拌時(shí)間2.5h，攪拌速率為350r/min；再在避光的條件下加入纖維與強(qiáng)陶瓷總質(zhì)量的1％光引發(fā)劑(14.69g)，并攪拌均勻制成纖維增強(qiáng)陶瓷漿料，光引發(fā)劑為二烷氧基苯乙酮與硫鎓鹽以體積比為17:3混合而得，所用的攪拌參數(shù)為，攪拌速率380r/min、攪拌時(shí)間2h；最后，在避光、壓力≤-0.06mpa的條件下靜置12h。

3.纖維增強(qiáng)陶瓷制件毛坯的光固化成形。將處理好的sic纖維增強(qiáng)sio2陶瓷漿料裝入光固化成形設(shè)備中，并導(dǎo)入經(jīng)過處理的待成形零件三維模型，成形出所需制件的毛坯。

4.脫脂燒結(jié)。脫脂工藝為：在常壓、氬氣環(huán)境下，以1℃/min的升溫速率升高到500℃，保溫2h后隨爐冷卻；然后抽真空，以相同的升溫速率升到相同的溫度，經(jīng)歷同等的保溫時(shí)間后再次隨爐冷卻。燒結(jié)工藝為：在氬氣壓力為50mpa的環(huán)境下，以10℃/min的升溫速率升到1000℃，保溫10h后隨爐冷卻。

實(shí)施例3

光固化成形sic纖維增強(qiáng)si3n4陶瓷制件

1.纖維增強(qiáng)陶瓷材料的準(zhǔn)備與樹脂材料的預(yù)混合。首先按照混合后體積分?jǐn)?shù)比，si3n4粉末：sic纖維＝7:3的比例，稱取562.5g直徑3um、長度100-150um的sic纖維與1680g、d50＝3um的si3n4顆粒，然后加入11.2125g分散劑(纖維與強(qiáng)陶瓷總質(zhì)量的0.5％)在攪拌機(jī)內(nèi)以400rad/min的速率，攪拌2.5h使二者混合均勻；按體積比，丙烯酸酯：環(huán)氧化合物＝1.5:1的比例，量取丙烯酸甲酯150ml，脂環(huán)族環(huán)氧樹脂100ml，并加入少量的相溶劑(多元醇)、稀釋劑(丙烯基縮水甘油醚)，在攪拌機(jī)內(nèi)以300rad/min的速率，攪拌1.5h制成預(yù)混樹脂，制成預(yù)混樹脂。

2.將纖維增強(qiáng)陶瓷材料分步逐次加入預(yù)混樹脂中(纖維增強(qiáng)陶瓷材料與預(yù)混樹脂的體積為，纖維增強(qiáng)陶瓷材料：預(yù)混樹脂＝3:1)，在每一次加入時(shí)都加入消泡劑(礦物油)并攪拌均勻，加入的消泡劑總量為纖維與強(qiáng)陶瓷總質(zhì)量的0.05％(1.1213g)，每次攪拌時(shí)間2h，攪拌速率為200r/min；再在避光的條件下加入纖維與強(qiáng)陶瓷總質(zhì)量的0.5％光引發(fā)劑(11.2125g)，并攪拌均勻制成纖維增強(qiáng)陶瓷漿料，光引發(fā)劑為二烷氧基苯乙酮與硫鎓鹽以體積比為1.5:1混合而得，所用的攪拌參數(shù)為，攪拌速率420r/min、攪拌時(shí)間1.5h；最后，在避光、壓力≤-0.06mpa的條件下靜置12h。

3.纖維增強(qiáng)陶瓷制件毛坯的光固化成形。將處理好的sic纖維增強(qiáng)si3n4陶瓷漿料裝入光固化成形設(shè)備中，并導(dǎo)入經(jīng)過處理的待成形零件三維模型，成形出所需制件的毛坯。

4.脫脂燒結(jié)。脫脂工藝為：在常壓、空氣環(huán)境下，以1.5℃/min的升溫速率升高到700℃，保溫2h后隨爐冷卻；然后抽真空，以相同的升溫速率升到相同的溫度，經(jīng)歷同等的保溫時(shí)間后再次隨爐冷卻。燒結(jié)工藝為：在氬氣壓力為100mpa的環(huán)境下，以5℃/min的升溫速率升到1650℃，保溫2h后隨爐冷卻。

實(shí)施例4

光固化成形sic纖維增強(qiáng)sio2陶瓷制件

1.纖維增強(qiáng)陶瓷材料的準(zhǔn)備與樹脂材料的預(yù)混合。首先按照混合后體積分?jǐn)?shù)比，sio2粉末：sic纖維＝1.5:1的比例，稱取450g直徑0.5um、長度20-50um的c纖維與594g、d50＝0.2um的的sio2粉末，然后加入20.88g分散劑(纖維與強(qiáng)陶瓷總質(zhì)量的2％)在攪拌機(jī)內(nèi)以600rad/min的速率，攪拌1h使二者混合均勻，得到纖維增強(qiáng)陶瓷材料；按體積比，丙烯酸酯：環(huán)氧化合物＝9:1的比例，量取丙烯酸甲酯495ml，脂環(huán)族環(huán)氧樹脂55ml，并加入少量的相溶劑(多元醇)、稀釋劑(丙烯基縮水甘油醚)，在攪拌機(jī)內(nèi)以100rad/min的速率，攪拌3h制成預(yù)混樹脂。

2.纖維增強(qiáng)陶瓷漿料的制備。將纖維增強(qiáng)陶瓷材料分步逐次加入預(yù)混樹脂中(纖維增強(qiáng)陶瓷材料與預(yù)混樹脂的體積為，纖維增強(qiáng)陶瓷材料：預(yù)混樹脂＝9:11)，在每一次加入時(shí)都加入消泡劑(礦物油)并攪拌均勻，加入的消泡劑總量為纖維與強(qiáng)陶瓷總質(zhì)量的0.4％(8.352g)，每次攪拌時(shí)間1h，攪拌速率為100r/min；再在避光的條件下加入纖維與強(qiáng)陶瓷總質(zhì)量的1.5％光引發(fā)劑(31.32g)，并攪拌均勻制成纖維增強(qiáng)陶瓷漿料，光引發(fā)劑為二烷氧基苯乙酮與硫鎓鹽以體積比為9:1混合而得，所用的攪拌參數(shù)為，攪拌速率150r/min、攪拌時(shí)間1h；最后，在避光、常壓下靜置10h。

3.纖維增強(qiáng)陶瓷制件毛坯的光固化成形。將處理好的sic纖維增強(qiáng)sio2陶瓷漿料裝入光固化成形設(shè)備中，并導(dǎo)入經(jīng)過處理的待成形零件三維模型，成形出所需制件的毛坯。

4.脫脂燒結(jié)。脫脂工藝為：在常壓、氬氣環(huán)境下，以1℃/min的升溫速率升高到500℃，保溫3h后隨爐冷卻；然后抽真空，以相同的升溫速率升到相同的溫度，經(jīng)歷同等的保溫時(shí)間后再次隨爐冷卻。燒結(jié)工藝為：在氬氣壓力為10mpa的環(huán)境下，以8℃/min的升溫速率升到1800℃，保溫6h后隨爐冷卻。

實(shí)施例5

光固化成形sic纖維增強(qiáng)si3n4陶瓷制件

1.纖維增強(qiáng)陶瓷材料的準(zhǔn)備與樹脂材料的預(yù)混合。首先按照混合后體積分?jǐn)?shù)比，si3n4粉末：sic纖維＝3:1的比例，稱取500g直徑2um、長度50-100um的sic纖維與1920g、d50＝1.5um的si3n4顆粒，然后加入24.2g分散劑(纖維與強(qiáng)陶瓷總質(zhì)量的1％)在攪拌機(jī)內(nèi)以800rad/min的速率，攪拌4h使二者混合均勻；按體積比，丙烯酸酯：環(huán)氧化合物＝1:1的比例，量取1,6-己二醇二丙烯酸酯100ml，縮水甘油酯類環(huán)氧樹脂100ml，并加入少量的相溶劑(多元醇)、稀釋劑(丙烯基縮水甘油醚)，在攪拌機(jī)內(nèi)以500rad/min的速率，攪拌4h制成預(yù)混樹脂，制成預(yù)混樹脂。

2.將纖維增強(qiáng)陶瓷材料分步逐次加入預(yù)混樹脂中(纖維增強(qiáng)陶瓷材料與預(yù)混樹脂的體積為，纖維增強(qiáng)陶瓷材料：預(yù)混樹脂＝4:1)，在每一次加入時(shí)都加入消泡劑(礦物油)并攪拌均勻，加入的消泡劑總量為纖維與強(qiáng)陶瓷總質(zhì)量的0.1％(2.42g)，每次攪拌時(shí)間5h，攪拌速率為600r/min；再在避光的條件下加入纖維與強(qiáng)陶瓷總質(zhì)量的0.05％光引發(fā)劑(1.21g)，并攪拌均勻制成纖維增強(qiáng)陶瓷漿料，光引發(fā)劑為二烷氧基苯乙酮與硫鎓鹽以體積比為3:1混合而得，所用的攪拌參數(shù)為，攪拌速率600r/min、攪拌時(shí)間3h；最后，在避光、壓力≤-0.06mpa的條件下靜置48h。

3.纖維增強(qiáng)陶瓷制件毛坯的光固化成形。將處理好的sic纖維增強(qiáng)si3n4陶瓷漿料裝入光固化成形設(shè)備中，并導(dǎo)入經(jīng)過處理的待成形零件三維模型，成形出所需制件的毛坯。

4.脫脂燒結(jié)。脫脂工藝為：在常壓、空氣環(huán)境下，以2℃/min的升溫速率升高到400℃，保溫5h后隨爐冷卻；然后抽真空，以相同的升溫速率升到相同的溫度，經(jīng)歷同等的保溫時(shí)間后再次隨爐冷卻。燒結(jié)工藝為：在氬氣壓力為200mpa的環(huán)境下，以6℃/min的升溫速率升到1300℃，保溫8h后隨爐冷卻。