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作者：

胡传奇

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摘要：

碳化硅(SiC)是一种性能优异的结构陶瓷材料,但硬度高难以加工,传统成型工艺在制备复杂精细结构碳化硅陶瓷部件时具有一定的局限性;陶瓷光固化增材制造工艺(Stereolithography,SL)能制备出高强度,高尺寸精度和高表面质量的陶瓷坯体,在复杂精细结构氧化铝,氧化锆和氮化硅等陶瓷部件制备领域获得了广泛研究,但在制备复杂精细结构碳化硅陶瓷部件时仍面临诸多工艺问题,如亲水性碳化硅粉体在油性光敏树脂中的分散问题,碳化硅粉体对紫外光的吸收,散射作用导致浆料难固化和固化精度低的问题,以及坯体的排胶和烧结问题等.为解决上述工艺问题,本论文开展了碳化硅陶瓷光固化增材制造工艺研究,主要研究内容和研究结果如下:1,光敏树脂配制及其性能研究首先,考察和分析了单体流变性能与单体分子结构/官能团之间的关系,确定了双官能团单体HDDA和三官能团单体TMPTA;随后添加单官能团单体,按一定比例配制出三组分光敏树脂,考察了树脂的流变性能和光固化性能,筛选出性能优异的单官能团单体ACMO;最后针对优选的三种单体,按配方均匀设计表UM_8*(8~3)配制了8种光敏树脂,考察了树脂的黏度,光固化强度,光固化精度和光固化速率,并运用实验数据的回归分析方法,建立了单体组成与树脂性能的回归方程,确定了优化的树脂配方,即按照m_(ACMO):m _(HDDA):m _(TMPTA)=0.250:0.609:0.141的比例配制光敏树脂,该树脂的黏度为12 m Pa.s(25℃±2℃),在光照强度1.1 m W/cm~2,切片厚度50μm和单层曝光时间1.0秒的条件下,光固化尺寸偏差≤0.69%,固化后树脂强度为53.0 MPa,具有低黏度,高反应活性,高固化精度和高固化强度的优点,可用于制备高性能光敏树脂基碳化硅浆料.2,光敏树脂基碳化硅浆料的制备工艺研究首先针对极性碳化硅粉体在非极性光敏树脂中的分散问题,运用颗粒分散和粉体表面改性原理,筛选出了分散性能优异的高分子型分散剂——氨基酸酯共聚物分散剂4200,并研究了分散剂量对浆料流变性能的影响,确定了分散剂4200的优化添加量为碳化硅粉体质量的5.0 wt.%,利用该分散剂的锚固机械力产生"空间位阻效应",实现了碳化硅粉体在光敏树脂中的均匀分散;随后考察了光敏树脂成分,粉体粒径,颗粒级配,固相含量和球磨时间对浆料流变性能的影响,以及不同制备工艺条件下浆料的沉降现象,分析了浆料流变性能/稳定性与浆料制备工艺参数之间的关系,优化了浆料制备工艺参数;最后采用D_(50)=10.0μm碳化硅微粉制备出了固相含量52 vol.%的光敏树脂基碳化硅浆料,浆料黏度为6607 m Pa.s(25℃±2℃,剪切速率50 s~(-1)).3,光敏树脂基碳化硅浆料的光固化成型工艺研究首先,针对碳化硅粉体对紫外光的吸收和散射作用而导致浆料难固化的问题,考察了光引发剂,光敏树脂,粉体粒径,固相含量,光源能量和曝光时间对浆料固化深度的影响,优化了工艺参数,实现了浆料的快速光固化成型;其次,针对在光固化增材制造过程中因固化层-金属基材和固化层-固化层脱粘而导致的光固化成型中断现象,结合光固化理论和光固化成型工艺过程,分析了现象产生的原因,采取了在浆料中引入2-羟乙基甲基丙烯酸磷酸酯(HEMAP)的措施,提高了固化层-金属基材和固化层-固化层之间的结合强度,同时也提高了浆料的光固化反应活性,实现了浆料的连续均匀光固化成型;最后,针对浆料在非曝光区域不完全固化而导致光固化精度差的问题,分析了现象产生的原因,根据浆料组成,粉体粒径和固相含量等信息,调整光源能量,曝光时间和切片厚度等光固化工艺参数,实现了浆料的高质量光固化成型.采用优选的5#光敏树脂和D_(50)=10μm碳化硅微粉制备的固相含量46 vol.%浆料,优化的辐射照度,曝光时间和切片厚度分别为72 m W/cm~2,5秒和50μm,浆料在该曝光条件下的固化深度为61μm,光固化碳化硅坯体在X-Y面和X-Z面的表面粗糙度分别为0.19μm和1.61μm,坯体密度为1.91 g/cm~3,平均三点抗弯强度为20.7 MPa,强度的韦伯模数为7.63,具有坯体表面质量好,强度高和结构均匀性好的优点.4,光固化碳化硅坯体的排胶和反应烧结工艺研究首先,考察了坯体排胶的TG-DSC曲线,通过分析曲线制定了坯体排胶温度制度,考察了排胶后坯体的显微结构和性能;其次,针对排胶坯体的显微结构和性能,结合反应烧结理论,确定了加硅量,得到了致密均匀的碳化硅陶瓷部件,并对反应烧结碳化硅的显微结构和性能进行了分析.采用固相含量46 vol.%浆料制备的光固化碳化硅坯体,坯体排胶后的密度为1.40 g/cm~3,含碳率为3.80 wt.%,坯体经反应烧结可得到密度2.74 g/cm~3,孔隙率0.2 vol.%和抗弯强度215.74 MPa的反应烧结碳化硅.本论文研究了碳化硅陶瓷光固化增材制造工艺,实现了复杂精细结构碳化硅陶瓷部件的光固化增材制造,在三组分光敏树脂配制和浆料的连续均匀,高质量光固化成型工艺研究方面具有创新性,对陶瓷光固化增材制造工艺研究具有一定借鉴意义.

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