LOM技术中的挤制陶瓷片的研究

  分层实体造型(Laminated Object Manufacturing,简称LOM)是将薄膜材料逐层激光切割成所需形状,然后叠加在一起的造形方法。LOM是一种快速成形新工艺。它将传统的“去除”加工法改变为“增加”加工法。LOM技术综合了计算机辅助设计、激光、光化学和高分子聚合物等多种技术。其基本原理是,首先根据产品设计图纸或“反求”法得到一系列横截面,用数控激光束按每一层的轮廓线对纸或其它片材进行加工并叠加,直至完成整个制件。LOM技术无需机械加工或任何模具,直接从CAD模型生成复杂形状的制件,因而产品研制周期缩短,生产率提高,生产成本降低[1~3]。
  应用LOM技术制备工程陶瓷件,首先要制备陶瓷片生坯,然后加工成形为复杂陶瓷件生坯,再脱脂烧结,最后得到复杂陶瓷件。美国对LOM技术进行的研究较多[4~6]。
  目前,制备LOM技术用的陶瓷片的方法主要是流延法和挤出法[7]。本实验采用挤出法制备的Al2O3和SiC陶瓷片生坯,厚度为0.2mm,有机物载体为低密度聚乙烯。

1 实验

1.1 陶瓷片制备

  将2μmAl2O3粉末和LDPE颗粒按重量比80∶20混合在一起。将混合物装入Haake-RC90系统双螺杆挤出机,造粒,挤片。同样的方法制备SiC陶瓷片坯件。图1为粉末粒度分布曲线,图2为粉末形貌。

图1 粉末粒度分布
Fig.1 Grain size distribution of powders

图2 粉末的SEM照片 (a)Al2O3;(b)SiC
Fig.2 SEM micrographs of ceramic powders (a)Al2O3;(b)SiC nextpage

1.2 流变性能研究

  在Haake-RC90系统上比较不同陶瓷粉体积含量的流变性能。
  讨论相同体积含量条件下,粉末粒度和温度对流变性能的影响。

1.3 产物分析

  空气中,对陶瓷片生坯进行TG-DTA热分析。并对产物进行了SEM微观组织分析。

2 结果与讨论

2.1 流变性能分析

 

图3 剪切应力与剪切应变曲线(a)和表观粘度与剪切应变曲线(b)
Fig.3 Shear stress (a) and apparent viscosity (b) as
function of shear rate with alumina content
(1)LDPE;(2)60wt%Al2O3;(3)70wt%Al2O3;(4)80wt%Al2O3;(5)85wt%Al2O3

  不同Al 2O3含量的混合物的流变曲线是相似的,都呈现出假塑性体特征。图3a为463K条件下,不同Al2O3含量的混合物的剪切应力与剪切应变曲线。剪切应力τ随剪切应变γ′的增加而增加,两者的对数为线性关系,满足关系式:

τ=cγ′n=ηappγ′(1)

式中c和n为常数。表观粘度ηapp可以表示为:

ηapp=τ/γ′=cγ′n-1  (2)

  不同Al 2O3含量的混合物的表观粘度与剪切应变曲线如图3b所示。实验结果按式(1)回归处理,结果表明n随Al2O3含量增加而减小,c随Al2O3含量增加而增加。
  在陶瓷片成形工艺中,陶瓷含量应尽可能大,然而,随着陶瓷含量增加,剪切应力增大,甚至无法挤出。对于2μmAl2O3粉末,含量为75wt%(42vol%)是适宜的,此时,陶瓷片可以顺利挤出并可以成卷。而对于5μmSiC粉末,含量为75wt%(47vol%)为好。
  图4a示出温度对剪切应力的影响,结果表明,温度升高会降低剪切应力,并且该变化是连续的,没有突然变化。

 

图4 剪切应力与温度(a)及粉末粒度(b)的关系75wt%Al2O3粉末粒度
(a)2μm;(b-1)2μm;(b-2)10μm;(b-3)40μm
Fig.4 Shear stress as function of temperature(a)
and particle size (b) with 75wt% Al2O3 content and
particle size(a)2μm;(b-1)2μm;(b-2)10μm;(b-3)40μm

  图4b示出相同陶瓷含量条件下,粉末粒度对剪切应力的影响。结果显示:粉末粒度大,使剪切应力减小,这与粉末摩擦面积有关;粉末细,则表面积增大,摩擦加剧,表现为剪切应力增大,这与固体含量少时的理论计算结果不同。nextpage

2.2 热分析和微观组织分析

  在空气中,进行了TG-DTA分析,见图5。结果表明,Al 2O3-LDPE试样的DTA曲线中有三个大的放热峰出现在245~375℃,在此温度区间试样失重很快。SiC-LDPE试样的DTA曲线中有三个大的放热峰出现在421~500℃,温度区间更小,失重更快。在95℃,两者的DTA曲线都有一小的吸热峰,这是LDPE的熔点。对于Al2O3-LDPE,245~375℃是关键的温度区间,对于SiC-LDPE,421~500℃是关键的温度区间。在此温度区间,LDPE氧化分解很剧烈,这决定了脱脂工艺中的最大加热速度。

 

图5 陶瓷坯片TG-DAT分析 (a)Al2O3;(b)SiC
Fig.5 Simultaneous TG-DAT analysis on green tape, up to 600℃ (a)Al2O3;(b)SiC

  采用SEM进行微观组织分析,见图6。从结果看,陶瓷粒子在LDPE基体中的分布是均匀的,并且保持了它们原来的形貌,陶瓷粒子与LDPE是不发生反应的。

 

图6 陶瓷片微观组织 (a)Al2O3;(b)SiC
Fig.6 Microstructural features of surface of tapes (a)Al2O3;(b)SiC

3 结论

  采用挤出法制备了用于LOM技术的Al 2O3和SiC陶瓷片坯件,厚度为0.2mm。对于2μmAl2O3粉,陶瓷含量为75wt%(42vol%),脱脂关键温度区间为245~375℃。对于5μmSiC粉末,陶瓷含量为75wt%(47vol%),脱脂关键温度区间为421~500℃。

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