阅读说明：本技术 一种3d打印高热导氮化硅陶瓷材料与制品 (3D printing high-thermal-conductivity silicon nitride ceramic material and product ) 是由 赵喆 姜焱林 于 2019-11-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种3D打印高热导氮化硅陶瓷材料,由包括以下重量份的原料制成：氮化硅陶瓷粉体100～120份、碳化硅纤维17～22份、乙氧化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯35～44份、脂肪族聚氨酯二丙烯酸酯24～30份、四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯9～12份、光引发剂0.18～0.24份、阻聚剂0.020～0.025份、分散剂4～6份、消泡剂3.5～4.5份。本发明的3D打印高热导氮化硅陶瓷材料的导热系数高,导热性能优异；拉伸强度高,断裂伸长率适中,力学性能等综合性能好。(The invention discloses a 3D printing high-thermal-conductivity silicon nitride ceramic material which is prepared from the following raw materials in parts by weight: 100-120 parts of silicon nitride ceramic powder, 17-22 parts of silicon carbide fiber, 35-44 parts of ethoxylated trimethylolpropane triacrylate, 24-30 parts of aliphatic polyurethane diacrylate, 9-12 parts of pentaerythritol tetrakis (3-mercaptopropionate), 0.18-0.24 part of photoinitiator, 0.020-0.025 part of polymerization inhibitor, 4-6 parts of dispersant and 3.5-4.5 parts of defoaming agent. The 3D printed high-thermal-conductivity silicon nitride ceramic material has high thermal conductivity and excellent thermal conductivity; high tensile strength, moderate elongation at break, good mechanical properties and other comprehensive properties.)

一种3D打印高热导氮化硅陶瓷材料与制品

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，具体涉及一种3D打印高热导氮化硅陶瓷材料与制品。

背景技术

作为未来陶瓷3D打印技术的重要发展趋势之一，基于立体光刻原理的陶瓷SLA(Stereo Lithography Appearance)3D打印技术具有成型质量高、制备零件尺寸范围大、致密度接近理想值等优势。

SLA成型技术是以光敏树脂为原料，通过计算机控制激光，按零件气维CAD模型的各分层截面信息，在液态的光敏树脂表面进行逐点扫描，被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而同化，形成零件的l个薄层。1层同化完成后，工作台下移1个层厚的距离，然后在原先罔化好的树脂表面再敷上1层新的液态树脂，再次扫描固化。依此不断循环，层层叠加，直至得到兰维实体模型。

SLA-3D打印过程一般可以分为3步：

1)3维模型的分层数据处理，通过特殊软件将零件3维模型处理为STL等打印设备可识别格式文本并进行添加支撑、分层等处理；

2)陶瓷原料均匀铺设在打印机工作台上，紫外激光根据零件分层数据进行选择性光固化，然后继续铺设原料、打印直至陶瓷坯体成形完毕；

3)陶瓷坯体进行脱脂、烧结后处理，最终得到所需陶瓷零件。

在SLA-3D打印陶瓷过程中，陶瓷膏料的组分、粘度等属性都直接影响步骤2)实施的精确性，最终影响陶瓷3D打印零件的性能，在整个3D打印流程中占据重要地位。

但是，目前所使用的3D打印陶瓷材料还存在以下问题：

1、3D打印工艺得到的产品导热系数小，导热性能差；拉伸强度低，断裂伸长率小，力学性能等综合性能差；

2、成型速度受限，成型复杂形状的制品时，尺寸精度偏低；

3、3D打印工艺得到的产品的质量稳定较差，容易出现不良品。

基于上述情况，本发明提出了一种3D打印高热导氮化硅陶瓷材料与制品，可有效解决以上问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种3D打印高热导氮化硅陶瓷材料与制品。本发明的3D打印高热导氮化硅陶瓷材料通过精选高导热陶瓷煲3D打印高热导氮化硅陶瓷材料的原料组成，并优化各原料含量，选择了适当配比的氮化硅陶瓷粉体、碳化硅纤维、乙氧化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、脂肪族聚氨酯二丙烯酸酯、四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯、光引发剂、阻聚剂、分散剂和消泡剂，提升产品的质量稳定性，减少了不良品的出现，制得的高导热陶瓷煲3D打印高热导氮化硅陶瓷材料导热系数高，导热性能优异；拉伸强度高，断裂伸长率适中，力学性能等综合性能好。

为解决以上技术问题，本发明提供的技术方案是：

一种3D打印高热导氮化硅陶瓷材料，由包括以下重量份的原料制成：

氮化硅陶瓷粉体100～120份、

碳化硅纤维17～22份、

乙氧化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯35～44份、

脂肪族聚氨酯二丙烯酸酯24～30份、

四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯9～12份、

光引发剂0.18～0.24份、

阻聚剂0.020～0.025份、

分散剂4～6份、

消泡剂3.5～4.5份。

本发明的3D打印高热导氮化硅陶瓷材料通过精选高导热陶瓷煲3D打印高热导氮化硅陶瓷材料的原料组成，并优化各原料含量，选择了适当配比的氮化硅陶瓷粉体、碳化硅纤维、乙氧化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、脂肪族聚氨酯二丙烯酸酯、四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯、光引发剂、阻聚剂、分散剂和消泡剂，提升产品的质量稳定性，减少了不良品的出现，制得的高导热陶瓷煲3D打印高热导氮化硅陶瓷材料导热系数高，导热性能优异；拉伸强度高，断裂伸长率适中，力学性能等综合性能好。

本发明的高导热陶瓷煲3D打印高热导氮化硅陶瓷材料的原料中，选用适当比例的氮化硅陶瓷粉体、碳化硅纤维，相互配合，起到良好的协同作用，使本发明的高导热陶瓷煲3D打印高热导氮化硅陶瓷材料具有高导热、高强度、低密度、耐高温等特性；

本发明的高导热陶瓷煲3D打印高热导氮化硅陶瓷材料的原料中，选用适当比例的乙氧化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、脂肪族聚氨酯二丙烯酸酯、四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯，其中乙氧化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、脂肪族聚氨酯二丙烯酸酯作为光固化单体或预聚物，四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯作为改性剂，相互配合，起到良好的协同作用，使本发明的高导热陶瓷煲3D打印高热导氮化硅陶瓷材料的拉伸强度、断裂伸长率等力学性能得到大大提升，拉伸强度高，断裂伸长率适中，力学性能好。

本发明的高导热陶瓷煲3D打印高热导氮化硅陶瓷材料的原料中，选用适当比例的分散剂(优选的，所述分散剂为聚丙烯酸铵和油酸的混合物。优选的，所述聚丙烯酸铵和油酸的混合物中聚丙烯酸铵和油酸的的质量之比为1：0.38～0.44。)，对于本发明的原料体系，能使氮化硅陶瓷粉体、碳化硅纤维均匀的分散于乙氧化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、脂肪族聚氨酯二丙烯酸酯、四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯的混合物中，使本发明的高导热陶瓷煲3D打印高热导氮化硅陶瓷材料各部分成分均匀，尺寸精度高，表面光滑，进一步保证了本发明的高导热陶瓷煲3D打印高热导氮化硅陶瓷材料导热系数高，导热性能优异；拉伸强度高，断裂伸长率适中，力学性能好。

优选的，所述3D打印高热导氮化硅陶瓷材料由包括以下重量份的原料制成：

氮化硅陶瓷粉体110份、

碳化硅纤维19.5份、

乙氧化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯39.5份、

脂肪族聚氨酯二丙烯酸酯27份、

四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯10.5份、

光引发剂0.21份、

阻聚剂0.023份、

分散剂5份、

消泡剂4份。

优选的，所述氮化硅陶瓷粉体的粒径为0.4～0.6μm。

优选的，所述光引发剂为巴斯夫化学试剂有限公司的Irgacure784。

优选的，所述阻聚剂为邻苯三酚。

优选的，所述分散剂为聚丙烯酸铵和油酸的混合物。

优选的，所述聚丙烯酸铵和油酸的混合物中聚丙烯酸铵和油酸的的质量之比为1：0.38～0.44。

优选的，所述消泡剂为聚二甲基硅氧烷。

本发明还提供一种3D打印高热导氮化硅陶瓷制品，所述3D打印高热导氮化硅陶瓷制品是采用所述的3D打印高热导氮化硅陶瓷材料经SLA-3D打印工艺制得的。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

本发明的3D打印高热导氮化硅陶瓷材料通过精选高导热陶瓷煲3D打印高热导氮化硅陶瓷材料的原料组成，并优化各原料含量，选择了适当配比的氮化硅陶瓷粉体、碳化硅纤维、乙氧化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、脂肪族聚氨酯二丙烯酸酯、四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯、光引发剂、阻聚剂、分散剂和消泡剂，提升产品的质量稳定性，减少了不良品的出现，制得的高导热陶瓷煲3D打印高热导氮化硅陶瓷材料导热系数高，导热性能优异；拉伸强度高，断裂伸长率适中，力学性能等综合性能好。

本发明的高导热陶瓷煲3D打印高热导氮化硅陶瓷材料的原料中，选用适当比例的氮化硅陶瓷粉体、碳化硅纤维，相互配合，起到良好的协同作用，使本发明的高导热陶瓷煲3D打印高热导氮化硅陶瓷材料具有高导热、高强度、低密度、耐高温等特性；

本发明的高导热陶瓷煲3D打印高热导氮化硅陶瓷材料的原料中，选用适当比例的乙氧化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、脂肪族聚氨酯二丙烯酸酯、四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯，其中乙氧化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、脂肪族聚氨酯二丙烯酸酯作为光固化单体或预聚物，四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯作为改性剂，相互配合，起到良好的协同作用，使本发明的高导热陶瓷煲3D打印高热导氮化硅陶瓷材料的拉伸强度、断裂伸长率等力学性能得到大大提升，拉伸强度高，断裂伸长率适中，力学性能好。

本发明的高导热陶瓷煲3D打印高热导氮化硅陶瓷材料的原料中，选用适当比例的分散剂(优选的，所述分散剂为聚丙烯酸铵和油酸的混合物。优选的，所述聚丙烯酸铵和油酸的混合物中聚丙烯酸铵和油酸的的质量之比为1：0.38～0.44。)，对于本发明的原料体系，能使氮化硅陶瓷粉体、碳化硅纤维均匀的分散于乙氧化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、脂肪族聚氨酯二丙烯酸酯、四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯的混合物中，使本发明的高导热陶瓷煲3D打印高热导氮化硅陶瓷材料各部分成分均匀，尺寸精度高，表面光滑，进一步保证了本发明的高导热陶瓷煲3D打印高热导氮化硅陶瓷材料导热系数高，导热性能优异；拉伸强度高，断裂伸长率适中，力学性能好。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是不能理解为对本专利的限制。

下述实施例中所述试验方法或测试方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均从常规商业途径获得，或以常规方法制备。

实施例1：

一种3D打印高热导氮化硅陶瓷材料，由包括以下重量份的原料制成：

氮化硅陶瓷粉体100～120份、

碳化硅纤维17～22份、

乙氧化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯35～44份、

脂肪族聚氨酯二丙烯酸酯24～30份、

四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯9～12份、

光引发剂0.18～0.24份、

阻聚剂0.020～0.025份、

分散剂4～6份、

消泡剂3.5～4.5份。

优选的，所述3D打印高热导氮化硅陶瓷材料由包括以下重量份的原料制成：

氮化硅陶瓷粉体110份、

碳化硅纤维19.5份、

乙氧化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯39.5份、

脂肪族聚氨酯二丙烯酸酯27份、

四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯10.5份、

光引发剂0.21份、

阻聚剂0.023份、

分散剂5份、

消泡剂4份。

优选的，所述氮化硅陶瓷粉体的粒径为0.4～0.6μm。

优选的，所述光引发剂为巴斯夫化学试剂有限公司的Irgacure784。

优选的，所述阻聚剂为邻苯三酚。

优选的，所述分散剂为聚丙烯酸铵和油酸的混合物。

优选的，所述聚丙烯酸铵和油酸的混合物中聚丙烯酸铵和油酸的的质量之比为1：0.38～0.44。

优选的，所述消泡剂为聚二甲基硅氧烷。

本发明还提供一种3D打印高热导氮化硅陶瓷制品，所述3D打印高热导氮化硅陶瓷制品是采用所述的3D打印高热导氮化硅陶瓷材料经SLA-3D打印工艺制得的。

实施例2：

一种3D打印高热导氮化硅陶瓷材料，由包括以下重量份的原料制成：

氮化硅陶瓷粉体100份、

碳化硅纤维17份、

乙氧化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯35份、

脂肪族聚氨酯二丙烯酸酯24份、

四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯9份、

光引发剂0.18份、

阻聚剂0.020份、

分散剂4份、

消泡剂3.5份。

在本实施例中，所述氮化硅陶瓷粉体的粒径为0.4～0.6μm。

在本实施例中，所述光引发剂为巴斯夫化学试剂有限公司的Irgacure784。

在本实施例中，所述阻聚剂为邻苯三酚。

在本实施例中，所述分散剂为聚丙烯酸铵和油酸的混合物。

在本实施例中，所述聚丙烯酸铵和油酸的混合物中聚丙烯酸铵和油酸的的质量之比为1：0.38。

在本实施例中，所述消泡剂为聚二甲基硅氧烷。

在本实施例中，还提供一种3D打印高热导氮化硅陶瓷制品，所述3D打印高热导氮化硅陶瓷制品是采用所述的3D打印高热导氮化硅陶瓷材料经SLA-3D打印工艺制得的。

实施例3：

一种3D打印高热导氮化硅陶瓷材料，由包括以下重量份的原料制成：

氮化硅陶瓷粉体120份、

碳化硅纤维22份、

乙氧化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯44份、

脂肪族聚氨酯二丙烯酸酯30份、

四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯12份、

光引发剂0.24份、

阻聚剂0.025份、

分散剂6份、

消泡剂4.5份。

在本实施例中，所述氮化硅陶瓷粉体的粒径为0.4～0.6μm。

在本实施例中，所述光引发剂为巴斯夫化学试剂有限公司的Irgacure784。

在本实施例中，所述阻聚剂为邻苯三酚。

在本实施例中，所述分散剂为聚丙烯酸铵和油酸的混合物。

在本实施例中，所述聚丙烯酸铵和油酸的混合物中聚丙烯酸铵和油酸的的质量之比为1：0.44。

在本实施例中，所述消泡剂为聚二甲基硅氧烷。

在本实施例中，供一种3D打印高热导氮化硅陶瓷制品，所述3D打印高热导氮化硅陶瓷制品是采用所述的3D打印高热导氮化硅陶瓷材料经SLA-3D打印工艺制得的。

实施例4：

一种3D打印高热导氮化硅陶瓷材料，由包括以下重量份的原料制成：

氮化硅陶瓷粉体110份、

碳化硅纤维19.5份、

乙氧化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯39.5份、

脂肪族聚氨酯二丙烯酸酯27份、

四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯10.5份、

光引发剂0.21份、

阻聚剂0.023份、

分散剂5份、

消泡剂4份。

在本实施例中，所述氮化硅陶瓷粉体的粒径为0.4～0.6μm。

在本实施例中，所述光引发剂为巴斯夫化学试剂有限公司的Irgacure784。

在本实施例中，所述阻聚剂为邻苯三酚。

在本实施例中，所述分散剂为聚丙烯酸铵和油酸的混合物。

在本实施例中，所述聚丙烯酸铵和油酸的混合物中聚丙烯酸铵和油酸的的质量之比为1：0.41。

在本实施例中，所述消泡剂为聚二甲基硅氧烷。

在本实施例中，还提供一种3D打印高热导氮化硅陶瓷制品，所述3D打印高热导氮化硅陶瓷制品是采用所述的3D打印高热导氮化硅陶瓷材料经SLA-3D打印工艺制得的。

本发明所述的SLA-3D打印工艺，包括下列步骤：

A、按重量份，分别称取氮化硅陶瓷粉体、碳化硅纤维、乙氧化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、脂肪族聚氨酯二丙烯酸酯、四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯、光引发剂、阻聚剂、分散剂和消泡剂；

B、将氮化硅陶瓷粉体、碳化硅纤维、乙氧化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、脂肪族聚氨酯二丙烯酸酯和四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯混合后，在溶解有阻聚剂、分散剂和消泡剂的乙醇溶液中进行球磨1～2h，得到球磨浆料；

C、将光引发剂加入到所述球磨浆料中，并混合均匀；然后通过添加乙醇或乙醇挥发的方式，调节固含量为78～85％，得到3D打印陶瓷浆料；

D、采用波长为400～440nm的SLA打印机，将所述3D打印陶瓷浆料进行打印，并经干燥后，得到所述3D打印高热导氮化硅陶瓷。

下面对本发明实施例2至实施例4得到的3D打印高热导氮化硅陶瓷材料进行性能测试，测试结果如表1所示：

表1

从上表可以看出，本发明的3D打印高热导氮化硅陶瓷材料具有以下优点：导热系数高，导热性能优异；拉伸强度高，断裂伸长率适中，力学性能好。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。