一种挤出3D打印硅铝氧化物陶瓷气凝胶的制备方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN114213142A(43)申请公布日2022.03.22(21)申请号202210014948.7C04B35/632(2006.01)(22)申请日2022.01.07C04B35/634(2006.01)C09D11/03(2014.01)(71)申请人中国人民解放军国防科技大学C09D11/106(2014.01)地址410073湖南省长沙市开福区德雅路B33Y10/00(2015.01)109号B33Y70/10(2020.01)(72)发明人王鲁凯冯军宗冯坚姜勇刚李良军罗燚(74)专利代理机构湖南企企卫知识产权代理有限公司43257代理人任合明(51)Int.Cl.C04B38/00(2006.01)C04B35/14(2006.01)C04B35/624(2006.01)C04B35/63(2006.01)权利要求书2页说明书8页附图2页(54)发明名称一种挤出3D打印硅铝氧化物陶瓷气凝胶的制备方法(57)摘要本发明公开了一种挤出3D打印硅铝氧化物陶瓷气凝胶的制备方法，目的是实现铝氧化物陶瓷气凝胶的增材制造，满足硅铝氧化物陶瓷气凝胶低密度、低热导率和耐高温的性能要求下，硅铝氧化物陶瓷墨水可依靠温度诱导实现可控热固化，获得高结构完整性和高形状保真度的3D打印硅铝氧化物陶瓷气凝胶。技术方案是：制备可热固化的硅铝氧化物陶瓷墨水、3D打印硅铝氧化物陶瓷墨水、温控热固化、超临界干燥、高温热处理，得到3D打印硅铝氧化物陶瓷气凝胶。采用本发明可实现硅铝氧化物陶瓷墨水可控热固化，获得低密度、低热导率、耐高温且具有高结构完整性和高形状保真度的3D打印硅铝氧化物陶瓷，气凝胶1100℃煅烧后能保持镂空多孔结构。CN114213142ACN114213142A权利要求书1/2页1.一种挤出3D打印硅铝氧化物陶瓷气凝胶的制备方法，其特征在于包括以下步骤：第一步，制备可热固化的硅铝氧化物陶瓷墨水，方法是：1.1将纳米氧化硅粉、水性硅溶胶、水性铝溶胶、聚乙烯醇、尿素和水混合，搅拌均匀制备初混浆料；其中，纳米氧化硅粉作为墨水增稠剂，调节墨水流变性能；聚乙烯醇充当墨水交联剂，辅助纳米氧化硅粉调节墨水流变性能；尿素作为温度诱导催化剂，分解释放碱性氨，促进水性硅溶胶和水性铝溶胶发生缩聚反应，实现硅铝氧化物陶瓷墨水热固化；在本墨水组成中，纳米氧化硅粉、水性硅溶胶、水性铝溶胶、聚乙烯醇、尿素和水分别占硅铝氧化物陶瓷墨水质量分数范围为10、15～55、0～50、0～5、1～5、1～40；1.2将初混浆料置于离心脱泡搅拌机搅拌，获得无气泡、可热固化、能自支撑成型的硅铝氧化物陶瓷墨水；第二步，挤出3D打印硅铝氧化物陶瓷墨水，得到3D打印件，方法是：将硅铝氧化物陶瓷墨水封装于3D打印机料仓中，依托三维建模软件对硅铝氧化物陶瓷气凝胶进行结构形状设计，根据表面精度要求，选用相应出料口直径的3D打印机喷嘴，按照数控编程语言即G代码规划打印路径，控制3D打印机喷嘴在二维平面上进行打印，在打印完一层墨水后，打印机喷嘴根据编程路径自动向上提升，并进行下一层打印，直至获得3D打印件；第三步，温控热固化，方法是：将第二步制备的3D打印件置于密闭容器中，在恒定温度的水浴锅内加热3D打印件，使3D打印件中所含尿素分解、释放碱性氨，在碱性氨的催化作用下，3D打印件中纳米氧化硅颗粒和勃姆石颗粒之间发生缩聚反应，3D打印件凝胶固化，进而获得热固化3D打印件；第四步，超临界干燥，得到初态3D打印硅铝氧化物气凝胶，方法是：将第三步制备的热固化3D打印件浸泡在无水乙醇中，溶剂置换去除杂质；然后将含有乙醇的热固化3D打印件在CO2超临界干燥流体中干燥，得到初态3D打印硅铝氧化物气凝胶；第五步，高温热处理，得到3D打印硅铝氧化物陶瓷气凝胶，方法是：将第四步制备的初态3D打印硅铝氧化物气凝胶在程序控制的马弗炉中以恒定温度热处理2小时，自然冷却降温获得3D打印硅铝氧化物陶瓷气凝胶；实现初态3D打印硅铝氧化物气凝胶中的勃姆石向γ相氧化铝转变，并在热处理过程中去除少量有机物聚乙烯醇、干燥残留乙醇和少量吸附水，获得多孔陶瓷化结构的3D打印硅铝氧化物陶瓷气凝胶。2.如权利要求1所述的一种挤出3D打印硅铝氧化物陶瓷气凝胶的制备方法，其特征在于1.1步所述纳米氧化硅粉是指比表面积为50～1000m2·g‑1的气相氧化硅粉；所述水性硅溶胶是指固含量为40wt％的纳米氧化硅胶体颗粒水分散液；所述水性铝溶胶是指固含量为20wt％的勃姆石水分散液。3.如权利要求1所述的一种挤出3D打印硅铝氧化物陶瓷气凝胶的制备方法，其特征在于1.2步所述将初混浆料置于离心脱泡搅拌机搅拌时长为1～30分钟。4.如权利要求1所述的一种挤出3D打印硅铝氧化物陶瓷气凝