一种三角形蜂窝多孔陶瓷材料的制备方法

一种三角形蜂窝多孔陶瓷材料的制备方法
【技术领域】
1.本发明涉及一种多孔材料的制备方法，具体涉及一种三角形蜂窝多孔陶瓷材料的制备方法，属于多孔材料制造技术领域。

背景技术：

2.由于多孔材料内部孔隙的存在，其具有轻量、能量吸收率高、比表面积大等特点。在满足结构特点的前提下，对结构做出适当的改变，可在满足其力学性能要求的基础上同时满足应用要求。
3.金属多孔材料价格昂贵，易与其他物质发生化学反应。有机多孔材料不耐高温，玻璃棉等无机多孔材料对人体有害。某些脆性材料有着化学性质稳定、硬度高、熔点高、生物相容性好等优点，可以弥补上述金属多孔材料存在的不足，可更好地适用于某些特殊场合。
4.然而，脆性材料如陶瓷材料本身具有极高的脆性，这在一定程度上限制了其在许多方面的应用。而通过增韧相的引入可在一定程度上改善其力学性能，通过结构设计也可克服由于材料本身脆性所带来的问题，设计出一种合适的结构，在满足力学性能要求的前提下达到所需的效果变得尤为重要。
5.因此，为解决上述问题，确有必要提供一种创新的三角形蜂窝多孔陶瓷材料的制备方法，以克服现有技术中的所述缺陷。

技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种三角形蜂窝多孔陶瓷材料的制备方法，其能改善材料所表现出的力学性能，将其应用于对材料本身力学性能更为苛刻的场所。
7.为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种三角形蜂窝多孔陶瓷材料的制备方法，其包括如下工艺步骤：
8.1)，设计单层三角形蜂窝结构的二维模型，并根据二维模型在计算机模型设计软件中构建其三维模型，得到单层三角形蜂窝结构(一级单元)；
9.2)，将三层一级单元进行堆叠，得到三层三角形蜂窝结构(二级单元)；
10.3)，将二级单元进行堆叠得到管状几何体的三维模型；
11.4)，将所设计的管状三维模型数据导入3d打印机中，以添加了造孔剂的陶瓷浆料作为打印材料对模型进行打印；
12.5)，将步骤4)中所得到的陶瓷胚体置于高温环境下烧结，得到管状三角形蜂窝多孔陶瓷材料。
13.本发明的三角形蜂窝多孔陶瓷材料的制备方法进一步为：所述步骤2)中，三层单层三角形蜂窝结构经过几何变换后进行组合得到三层三角形蜂窝结构；所述几何变换包括平移或旋转。
14.本发明的三角形蜂窝多孔陶瓷材料的制备方法进一步为：所述步骤2)中，第二层与第三层的一级单元相对于第一层的一级单元分别旋转60
°
与120
°
。
15.本发明的三角形蜂窝多孔陶瓷材料的制备方法进一步为：所述步骤3)中，几何体的外形为棱柱、圆柱或立方体。
16.本发明的三角形蜂窝多孔陶瓷材料的制备方法进一步为：所述步骤4)中，所述造孔剂包括炭粉、淀粉。
17.本发明的三角形蜂窝多孔陶瓷材料的制备方法还为：所述步骤4)中，通过改变陶瓷浆料中造孔剂的体积分数与尺寸来调整模型孔隙率与孔隙尺寸；或，通过控制不同打印时间段内陶瓷浆料中造孔剂体积分数与尺寸，实现三角形蜂窝陶瓷结构模型中不同位置的不同孔隙特征。
18.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
19.1.本发明的三角形蜂窝多孔陶瓷材料的制备方法中所采用材料为陶瓷材料，其与金属多孔材料、有机多孔材料相比，可用于更为苛刻的环境：如在腐蚀性流体、高温流体、熔融金属等领域显示着其特有的优势，填补多种材料在多个应用领域上的应用空白。
20.2.本发明制得的三角形蜂窝多孔陶瓷材料通过结构本身在产生裂纹时来引导裂纹扩展，实现裂纹重新定向，改善其力学性能，弥补由于脆性材料本身所具有的脆性带来的不足。并且在材料框架表面存在丰富的微孔，其在保温隔热、过滤与分离、催化剂载体与生物医疗等领域应用前景广泛。
【附图说明】
21.图1是本发明的步骤1)中单层三角形蜂窝结构的二维模型图。
22.图2是本发明的步骤1)中单层三角形蜂窝结构的三维模型图。
23.图3是本发明的步骤2)的三层三角形蜂窝结构(二级单元)的三维模型图。
24.图4是本发明的步骤3)由二级单元所堆叠而成的管状几何体三维模型图。
25.图5是图4中沿a面剖开所得的内部结构图。
26.图6是图4中沿b面剖开所得的内部结构图。
27.图7是本发明制得管状三角形蜂窝多孔陶瓷材料受压时表现出的“伪塑性”力学特性曲线。
【具体实施方式】
28.请参阅说明书附图1至附图7所示，本发明为一种三角形蜂窝多孔陶瓷材料的制备方法，其包括如下工艺步骤：
29.1)，如附图1所示，设计单层三角形蜂窝结构的二维模型。
30.如附图2所示，根据二维模型在计算机模型设计软件中构建其三维模型，得到单层三角形蜂窝结构(一级单元)。
31.2)，将三层一级单元进行堆叠，得到三层三角形蜂窝结构(二级单元)。具体的说，三层单层三角形蜂窝结构(一级单元)经过几何变换后进行组合得到三层三角形蜂窝结构(二级单元)。所述几何变换包括任一方向上的平移、旋转或为其任意组合形式。在本实施方式中，第二层与第三层的一级单元相对于第一层的一级单元分别旋转60
°
与120
°
。
32.3)，将二级单元进行堆叠得到管状几何体的三维模型。其中，几何体的外形包括但不局限于棱柱、圆柱、立方体。
33.4)，将所设计的管状三维模型数据导入3d打印机中，以添加了造孔剂的陶瓷浆料作为打印材料对模型进行打印。3d打印机通过材料挤出工艺，将具有高陶瓷含量的浆料从喷嘴挤出，在挤出过程中陶瓷浆料粘度随着挤出过程的剪切而下降，当浆料被挤出时，材料上的剪切应力降低，粘度升高，使挤出的浆料回到之前的糊状稠度，实现自我支撑。
34.进一步的，所述造孔剂包括但不局限于炭粉、淀粉。同时，通过改变陶瓷浆料中造孔剂的体积分数与尺寸来调整模型孔隙率与孔隙尺寸；或，通过控制不同打印时间段内陶瓷浆料中造孔剂体积分数与尺寸，实现三角形蜂窝陶瓷结构模型中不同位置的不同孔隙特征。
35.5)，将步骤4)中所得到的陶瓷胚体置于高温环境下烧结，使内部与表面均存在丰富的微孔，并最终得到管状三角形蜂窝多孔陶瓷材料。
36.请参阅说明书附图4-6所示，可清晰的看到，管状三角形蜂窝多孔陶瓷材料内部有规则的三角形“框架”，并且每层框架之间交错搭接，从而形成三角形蜂窝结构。三角形蜂窝结构能够在一定程度上改善其力学性能。当受载产生裂纹时，某个单元面发生断裂，在裂纹传导过程中，该结构能够改变裂纹扩展方向，延长裂纹扩展路径，实现裂纹重新定向，表现出“伪塑性”力学特性，解决了材料本身脆性大的问题。
37.请参阅说明书附图7所示，其为三角形蜂窝结构表现出的“伪塑性”力学特性。其中应力-应变曲线中的峰与谷表示某些单元面的断裂，由于该结构本身可引导裂纹扩展，故应力-应变曲线整体趋势与塑性材料相似。
38.以上的具体实施方式仅为本创作的较佳实施例，并不用以限制本创作，凡在本创作的精神及原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本创作的保护范围之内。

技术特征：

1.一种三角形蜂窝多孔陶瓷材料的制备方法，其特征在于：包括如下工艺步骤：1)，设计单层三角形蜂窝结构的二维模型，并根据二维模型在计算机模型设计软件中构建其三维模型，得到单层三角形蜂窝结构(一级单元)；2)，将三层一级单元进行堆叠，得到三层三角形蜂窝结构(二级单元)；3)，将二级单元进行堆叠得到管状几何体的三维模型；4)，将所设计的管状三维模型数据导入3d打印机中，以添加了造孔剂的陶瓷浆料作为打印材料对模型进行打印；5)，将步骤4)中所得到的陶瓷胚体置于高温环境下烧结，得到管状三角形蜂窝多孔陶瓷材料。2.如权利要求1所述的三角形蜂窝多孔陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，三层单层三角形蜂窝结构经过几何变换后进行组合得到三层三角形蜂窝结构；所述几何变换包括平移或旋转。3.如权利要求1所述的三角形蜂窝多孔陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，第二层与第三层的一级单元相对于第一层的一级单元分别旋转60
°
与120
°
。4.如权利要求1所述的三角形蜂窝多孔陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中，几何体的外形为棱柱、圆柱或立方体。5.如权利要求1所述的三角形蜂窝多孔陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述步骤4)中，所述造孔剂包括炭粉、淀粉。6.如权利要求1所述的三角形蜂窝多孔陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述步骤4)中，通过改变陶瓷浆料中造孔剂的体积分数与尺寸来调整模型孔隙率与孔隙尺寸；或，通过控制不同打印时间段内陶瓷浆料中造孔剂体积分数与尺寸，实现三角形蜂窝陶瓷结构模型中不同位置的不同孔隙特征。

技术总结

本发明涉及一种三角形蜂窝多孔陶瓷材料的制备方法，包括如下工艺步骤：1)，设计单层三角形蜂窝结构的二维模型，并根据二维模型构建其三维模型，得到单层三角形蜂窝结构(一级单元)；2)，将三层一级单元进行堆叠，得到三层三角形蜂窝结构(二级单元)；3)，将二级单元进行堆叠得到管状几何体的三维模型；4)，将所设计的管状三维模型数据导入3D打印机中，以陶瓷浆料作为打印材料对模型进行打印；5)，将陶瓷胚体置于高温环境下烧结，得到管状三角形蜂窝多孔陶瓷材料。本发明制得的三角形蜂窝多孔陶瓷材料所表现出的力学性能得到改善，可将其应用于对材料本身力学性能更为苛刻的场所，同时填补多种材料在多个应用领域上的应用空白。补多种材料在多个应用领域上的应用空白。补多种材料在多个应用领域上的应用空白。