多孔堇青石陶瓷增材制造工藝及性能.pdf

1、多孔堇青石陶瓷因具有低熱膨脹系數(shù)、高抗熱震性能等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用在催化劑載體、過濾器、隔熱器等領(lǐng)域。目前，多孔堇青石陶瓷一般采用模具方法成形，受工藝限制只能成形直通孔等簡單結(jié)構(gòu)，空間立體多孔、尺寸和形狀梯度多孔等復(fù)雜結(jié)構(gòu)難以成形。增材制造（AM）技術(shù)，基于分層-疊加的成形原理，無需模具和刀具，在快速制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)方面優(yōu)勢明顯。因此，本文研究多孔堇青石陶瓷AM成形工藝，具體涉及三維噴?。?DP）和激光選區(qū)燒結(jié)（SLS）兩種AM工藝。先利用AM

2、成形多孔陶瓷初坯，結(jié)合后續(xù)高溫?zé)Y(jié)制備高孔隙率復(fù)雜多孔陶瓷。
　　通過掃描電鏡（SEM）、X射線衍射儀（XRD）、抗壓強度試驗機、熱膨脹分析儀、阿基米德法等實驗手段及方法，研究材料成分、AM以及后燒結(jié)工藝對多孔陶瓷微觀形貌、相組成、力學(xué)性能、熱膨脹系數(shù)、精度、孔隙率等性能的影響規(guī)律。主要結(jié)果歸納為如下三個方面：
　　（1）在3DP成形堇青石/PVA多孔陶瓷方面：確定3DP成形工藝為重合比50％，灰度100%；SEM結(jié)果顯示試

3、樣表面具有較大孔洞，且孔三維連通，同時在晶界交匯處存在納米微孔；XRD結(jié)果顯示試樣初坯和高溫?zé)Y(jié)后都為堇青石相。抗壓測試結(jié)果顯示初坯試樣表現(xiàn)出韌性特性，應(yīng)變達(dá)到36%時，抗壓強度達(dá)到8.58 MPa，并呈現(xiàn)繼續(xù)上升趨勢，高溫?zé)Y(jié)之后，抗壓強度隨著高溫?zé)Y(jié)溫度增加而增加，在1425℃時達(dá)到7.32 MPa，孔隙率為59%；初坯尺寸誤差在成形水平方向和垂直方向存在明顯差異，高度方向平均尺寸誤差在5%以上，直徑方向平均尺寸誤差在2.3%左右；

4、孔隙率測試結(jié)果顯示初坯孔隙率隨粘結(jié)劑含量增加而降低、高溫?zé)Y(jié)后由于粘結(jié)劑脫除出現(xiàn)相反結(jié)果。
　?。?）在SLS成形堇青石/環(huán)氧樹脂E12多孔陶瓷方面：確定最佳SLS工藝參數(shù)為激光功率17 W，掃描速度1500 mm/s，掃描間距150μm，層厚150μm；SEM結(jié)果顯示試樣表面擁有大量孔隙，且不同粉末粒徑分布有助于最終陶瓷粘結(jié)頸的形成，從而提升強度；XRD結(jié)果顯示在1400℃溫度以下，都可以獲得堇青石相，達(dá)到1450℃時，堇青石分

5、解得到部分 MgO相；抗壓、孔隙及熱膨脹系數(shù)結(jié)果表明經(jīng)1375℃高溫?zé)Y(jié)試樣抗壓強度達(dá)8.92 MPa，孔隙率59%，800℃熱膨脹系數(shù)1.87×10-6/℃。
　?。?）在SLS成形堇青石/碳纖維-環(huán)氧樹脂E12多孔陶瓷方面：確定最優(yōu)工藝參數(shù)為激光功率11 W，掃描速度3000 mm/s，掃描間距120μm，厚度150μm；碳纖維的加入有效擴(kuò)大了SLS成形工藝窗口，可采用較低的激光功率和較高的掃描速度，有利于微細(xì)結(jié)構(gòu)的成形，提高

6、初坯試樣的尺寸精度。SEM結(jié)果顯示在1375℃及以下時，仍然存在碳纖維，溫度進(jìn)一步升高，碳纖維逐漸消失；XRD結(jié)果顯示初坯和高溫?zé)Y(jié)后都能獲得堇青石相；抗壓、孔隙及熱膨脹結(jié)果表明初坯相對無碳纖維時表現(xiàn)出良好韌性，應(yīng)變達(dá)到50%，抗壓強度達(dá)到2.3 MPa，并不斷上升；經(jīng)1425℃后高溫?zé)Y(jié)其抗壓強度達(dá)5.48 MPa，孔隙率為62.26%，800℃熱膨脹系數(shù)1.85×10-6/℃。
　　在上述研究基礎(chǔ)上，利用優(yōu)化工藝成功制備了傳統(tǒng)