封孔工艺成本控制论文提纲

论文题目：Si₂N₂O基陶瓷的水基直写成型工艺与性能研究

摘要：Si2N2O陶瓷化学性质稳定,介电和力学性能优异,在航天透波领域极具应用潜力。但Si2N2O固有的硬脆特性使得复杂构型部件的制备效率低下且成本高昂,限制了其进一步发展。直写成型技术（DIW）能够以陶瓷浆料为墨水,高效成型复杂构型的陶瓷坯体,缩短产品设计-制造-测试-应用周期。本文开展了Si2N2O陶瓷的DIW成型工艺及性能研究。包括高性能水基墨水的设计和优化,水基浆料流变特性的演变规律;原料组成对打印样品物相组成、微观结构和性能的影响;固相含量、极性溶剂（正己醇、H2O）比例以及NH4H2PO4的量对四乙二醇二甲醚（TGE）浆料流变特性的影响规律,以及NH4H2PO4对排胶坯体强化机理等。体积固含量升高导致的颗粒絮凝加剧使水基α-Si3N4/SiO2浆料的储存模量（G’）和屈服应力（τ0）大幅升高;当体积固含量为22.51vol.%时,样品G’接近～10~5Pa,τ0为264Pa。在此基础上引入PVA后,氢键交联作用导致剪切阻力增大,使G’和τ0进一步升高;PVA含量为2.91wt.%时τ0（15）增大到563Pa。不同α-Si3N4/SiO2质量比的浆料通过体积固含量的变化和α-Si3N4水化反应影响颗粒絮凝;质量比为8:2、7:3和6:4粉体配制墨水的τ0在10~2～10~3Pa之间。复杂结构坯体打印结果证实水基墨水制备样品结构完成度高,成型性能优异。α-Si3N4/SiO2质量比为7:3时制备的Si2N2O纯度最高;致密化和晶粒生长受液相烧结熔融-扩散-再沉积机制的控制,形成由晶粒构成的自强化微观骨架结构。质量比为6:4时由于液相粘度增大,N离子浓度低,Si2N2O和β-Si3N4的生成均受到抑制。水环境处理过程使α-Si3N4与SiO2能够通过表面羟基缩合生成O-Si-N键抑制SiO2析晶。此时样品致密化主要通过扩散实现,其基体中高热膨胀系数的α-Si3N4和Si2N2O颗粒在冷却过程中能够对SiO2形成的径向拉应力σr和切向压应力σf强化样品。水基墨水制备的样品均展现了优异的力学和介电性能:抗弯强度为74.1到104.9MPa,介电常数ε≤4.68。通过制备孔隙率为42.1%的Si2N2O陶瓷优化其介电性能;其在各频段的介电常数最大值为3.96,但抗弯强度降低至55.1MPa。为了进一步提高材料的力学性能,在墨水中引入高长径比β-Si3N4对Si2N2O进行强化研究。β-Si3N4含量的增大使墨水体积固含量降低,弱化了颗粒间的絮凝,相应的G’和τ0随之降低。引入β-Si3N4后样品在平行（P面）和垂直（N面）打印方向上β-Si3N4（101）、（210）和（002）晶面的相对强度出现差异,证实β-Si3N4沿打印方向定向排布。样品力学性能均因β-Si3N4的强化而有所提升,其含量为10wt.%时抗弯强度达到81.5（P面）/82.3MPa（N面）。为了提高材料防水性能,采用SiO2-sol浸渍-热处理对Si2N2O陶瓷进行封孔研究。在N2和空气气氛中热处理的样品均具有良好的封孔效果,空气中Si2N2O氧化反应产物SiO2的弥合作用进一步减少了样品表面缺陷,防水性能更加突出。高沸点有机溶剂TGE被用来克服墨水打印过程中容易干燥而堵塞针头的难题。由于内聚能较低,TGE中陶瓷颗粒之间会通过氢键絮凝形成强凝胶结构。引入正己醇后,其分子能够在颗粒表面形成溶剂层而提供短程斥力,减缓墨水絮凝程度,最终制备了τ0为542Pa的TGE基墨水。但在较大尺寸坯体干燥过程中溶剂去除缓慢。所以利用水和TGE可以任意体积比互溶的特性,优化制备了溶剂分级蒸发的墨水,二者体积比为3:1时墨水的τ0为454Pa;在此基础上引入不同浓度的NH4H2PO4后配制的水/TGE基墨水成型性能优异,排胶过程中NH4H2PO4的分解产物H3PO4能够与SiO2及Si3N4表面氧化层反应通过Si-O-P键结合颗粒,原位强化坯体;当NH4H2PO4浓度为0.1g/m L时制备的烧结样品具有优异的综合性能。

关键词：Si₂N₂O陶瓷;直写成型技术;流变性能;β-Si₃N₄;SiO₂-sol浸渍;力学性能;介电性能

学科专业：材料学

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.1.1 课题的研究背景

1.1.2 课题的研究意义

1.2 Si_2N_2O陶瓷材料的研究进展

1.2.1 Si_2N_2O的基本结构与性质

1.2.2 Si_2N_2O陶瓷的制备方法

1.2.3 Si_2N_2O航天透波材料研究进展

1.2.4 Si_2N_2O复杂结构成型工艺研究进展

1.3 陶瓷3D打印及直写成型技术

1.3.1 陶瓷3D打印技术概述

1.3.2 直写成型技术概述

1.4 直写成型技术的研究现状

1.4.1 DIW储能器件

1.4.2 DIW建筑材料

1.4.3 DIW组织工程

1.4.4 DIW先进陶瓷

1.5 本文的研究目的及主要研究内容

第2章 实验材料及研究方法

2.1 实验所用原料

2.2 DIW墨水的设计及材料的制备工艺

2.2.1 DIW水基墨水的设计及Si_2N_2O陶瓷制备

2.2.2 β-Si3N4 强化Si_2N_2O陶瓷

2.2.3 SiO_2-sol浸渍封孔Si_2N_2O陶瓷

2.2.4 高稳定性TGE基墨水的设计及Si_2N_2O陶瓷制备

2.2.5 水/TGE基坯体强化墨水的设计及Si_2N_2O陶瓷制备

2.3 材料分析表征及性能测试方法

2.3.1 DIW墨水流变性能测试

2.3.2 物相及组织结构研究

2.3.3 墨水稳定性及收缩率测定

2.3.4 性能分析测试方法

第3章 水基墨水流变性能调控及其成型Si_2N_2O的力学和介电性能

3.1 引言

3.2 水基Si_2N_2O墨水流变性能的优化

3.2.1 粉体固含量对流变性能的影响

3.2.2 PVA含量对流变性能的影响

3.2.3 α-Si_3N_4和SiO_2质量比对流变性能影响

3.2.4 DIW水基Si_2N_2O墨水成型性

3.3 坯体干燥和排胶工艺及收缩率

3.3.1 坯体干燥工艺

3.3.2 坯体排胶工艺

3.3.3 α-Si_3N_4和SiO_2质量比对收缩率的影响

3.4 α-Si_3N_4和SiO_2质量比对微观组织结构的影响

3.4.1 α-Si_3N_4和SiO_2质量比对孔隙率的影响

3.4.2 α-Si_3N_4和SiO_2质量比对物相组成的影响

3.4.3 α-Si_3N_4和SiO_2质量比对微观结构的影响

3.5 α-Si_3N_4和SiO_2质量比对材料性能的影响

3.5.1 α-Si_3N_4和SiO_2质量比对材料力学性能的影响

3.5.2 α-Si_3N_4和SiO_2质量比对材料介电性能的影响

3.5.3 DIW水基墨水制备Si_2N_2O多孔陶瓷性能对比

3.6 Si_2N_2O陶瓷介电性能的优化

3.6.1 高孔隙率Si_2N_2O陶瓷的墨水配制及成型性

3.6.2 高孔隙率Si_2N_2O陶瓷的物相组成

3.6.3 高孔隙率Si_2N_2O陶瓷的孔隙率和性能

3.7 本章小结

第4章 水基墨水直写成型Si_2N_2O的 β-Si_3N_4强化及封孔处理研究

4.1 引言

4.2 β-Si_3N_4强化Si_2N_2O陶瓷的制备及性能

4.2.1 β-Si_3N_4含量对β-Si_3N_4/Si_2N_2O墨水流变性能的影响

4.2.2 β-Si_3N_4/Si_2N_2O墨水成型性

4.2.3 β-Si_3N_4含量对收缩率和孔隙率的影响

4.2.4 β-Si_3N_4含量对物相组成和定向程度的影响

4.2.5 β-Si_3N_4含量对微观结构和力学性能的影响

4.2.6 β-Si_3N_4/Si_2N_2O陶瓷力学性能对比

4.3 SiO2-sol浸渍封孔研究

4.3.1 SiO2-sol的浸渍平衡

4.3.2 热处理气氛和温度对封孔层微观结构的影响

4.3.3 热处理气氛和温度对封孔层物相组成的影响

4.3.4 热处理气氛和温度对力学性能的影响

4.3.5 热处理气氛和温度对样品质量和防水性能的影响

4.3.6 SiO_2嵌入式封孔层性能对比

4.4 本章小结

第5章 水/TGE基墨水直写成型Si_2N_2O排胶坯体及陶瓷的性能

5.1 引言

5.2 TGE 基和水/TGE基Si_2N_2O墨水的设计和制备

5.2.1 固含量对TGE基Si_2N_2O墨水流变性能的影响

5.2.2 正己醇含量对TGE基Si_2N_2O墨水流变性能的影响

5.2.3 TGE基Si_2N_2O墨水成型性

5.2.4 水和TGE体积比对水/TGE基Si_2N_2O墨水流变性能的影响

5.2.5 NH_4H_2PO_4对水/TGE基Si_2N_2O墨水流变性能的影响及成型性

5.3 基于TGE基墨水的Si_2N_2O陶瓷制备及性能

5.3.1 TGE基Si_2N_2O墨水稳定性及干燥工艺

5.3.2 烧结温度对收缩率和孔隙率的影响

5.3.3 烧结温度对物相组成的影响

5.3.4 烧结温度对微观结构和力学性能的影响

5.4 基于水/TGE基墨水的Si_2N_2O陶瓷制备及性能

5.4.1 坯体干燥及排胶工艺

5.4.2 NH_4H_2PO_4浓度对收缩率和孔隙率的影响

5.4.3 NH_4H_2PO_4浓度对物相组成的影响

5.4.4 NH_4H_2PO_4浓度对坯体和烧结样品力学性能的影响

5.4.5 NH_4H_2PO_4浓度对介电性能的影响

5.4.6 DIW成型Si_2N_2O陶瓷性能对比

5.5 本章小结

结论

参考文献

致谢