基于飛秒激光的3d打印制備壓電陶瓷的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及壓電陶瓷，尤其涉及一種基于飛秒激光的3D打印制備壓電陶瓷的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]由于壓電陶瓷具有壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)，它可用于制造超聲換能器、水聲換能器、電聲換能器、陶瓷濾波器、陶瓷變壓器、陶瓷鑒頻器、高壓發(fā)生器、紅外探測器、聲表面波器件、電光器件、引燃引爆裝置和壓電陀螺等，在軍工領(lǐng)域和日常生活中都具有重要應(yīng)用，因此壓電陶瓷的制備一直是一個(gè)重要課題。
[0003]目前壓電陶瓷的制備方式主要為固相反應(yīng)燒結(jié)法，這種方法一般流程為研磨-預(yù)燒-再研磨-壓片-燒結(jié)-極化，為了得到實(shí)用的壓電陶瓷，一般工藝流程長度在3天以上。以PZT-PMS-PZ陶瓷為例，按配方計(jì)算出各原料重量后，需要經(jīng)過16小時(shí)的混料，2-3小時(shí)的預(yù)燒，24h的二次球磨，再經(jīng)過1MPa以上的壓力造粒成型后才能進(jìn)入最終的燒結(jié)過程。燒結(jié)過程分為燒結(jié)初期(慢速升溫)、燒結(jié)中期(快速升溫)、燒結(jié)后期(保溫期)和冷卻期，全過程約24小時(shí)。漫長的工藝流程不僅增加了陶瓷制造的時(shí)間，降低了陶瓷生產(chǎn)的效率，還增加了反饋的難度，使得調(diào)整陶瓷制備工藝的成本居高不下。同時(shí)，為了得到特定形狀和尺寸的陶瓷，需要對燒結(jié)完成的陶瓷進(jìn)行機(jī)械手段加工，如切割、研磨，造成了原料設(shè)備和時(shí)間的浪費(fèi)。為了縮短工藝流程，提高陶瓷生產(chǎn)效率，開發(fā)新型陶瓷制造方法勢在必行。
[0004]現(xiàn)有的3D打印壓電陶瓷方法主要打印對象為已經(jīng)燒結(jié)完成的陶瓷粉體，需要先將陶瓷燒結(jié)成型，經(jīng)過研磨后與溶劑、粘結(jié)劑混合成為打印漿料，通過3D打印機(jī)固化成型，再次燒結(jié)形成最終的產(chǎn)品，工藝流程漫長，操作復(fù)雜，使得實(shí)用性較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種基于飛秒激光的3D打印制備壓電陶瓷的方法，旨在用于解決現(xiàn)有壓電陶瓷的制備過程時(shí)間較長的問題。
[0006]本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0007]本發(fā)明提供一種基于飛秒激光的3D打印制備壓電陶瓷的方法，用于制備壓電陶瓷，包括以下制備步驟:
[0008]將壓電陶瓷粉與粘結(jié)劑混合并研磨，形成具有黏度的陶瓷漿料；
[0009]將制備的陶瓷漿料置于3D打印機(jī)中，并采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件構(gòu)造所述壓電陶瓷的模型，并將信息傳送至所述3D打印機(jī)；
[0010]啟動(dòng)所述3D打印機(jī)，將制備的陶瓷漿料涂覆至一基板上，同時(shí)采用飛秒激光燒結(jié)成型涂覆于所述基板上的陶瓷漿料；
[0011]所述3D打印機(jī)繼續(xù)噴出陶瓷漿料，所述飛秒激光繼續(xù)對其進(jìn)行燒結(jié)固化；
[0012]陶瓷燒結(jié)完成后，將燒結(jié)后的所述陶瓷進(jìn)行極化處理。
[0013]進(jìn)一步地，在陶瓷燒結(jié)完成后，調(diào)節(jié)所述飛秒激光的聚焦面，在燒結(jié)后的所述陶瓷上形成若干孔隙。
[0014]進(jìn)一步地，采用微栗以及控制閥共同調(diào)節(jié)所述3D打印機(jī)噴出的陶瓷漿料的液滴直徑。
[0015]進(jìn)一步地，在制備陶瓷漿料時(shí)，用于研磨的混合物內(nèi)還添加有混合溶劑、分散劑以及增塑劑，且在混合均勻后進(jìn)行研磨。
[0016]進(jìn)一步地，將所述3D打印機(jī)的噴頭或者/與所述基板安設(shè)于三維平臺上，在所述3D打印機(jī)打印過程中通過所述三維平臺調(diào)節(jié)所述3D打印機(jī)的噴頭與所述基板之間的相對位移。
[0017]具體地，所述壓電陶瓷粉包括金屬氧化物或經(jīng)過預(yù)燒球磨的金屬氧化物，且形成的陶瓷漿料為PZT-4或PZT-5或PZT-8壓電材料。
[0018]進(jìn)一步地，在構(gòu)造壓電陶瓷模型時(shí)，先采用所述計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件構(gòu)造壓電陶瓷的三維模型，然后沿其成型的高度方向?qū)⑵湟来畏指魹槿舾啥S片層，所述3D打印機(jī)依次打印每一所述二維片層。
[0019]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0020]本發(fā)明制備壓電陶瓷的方法中，先采用壓電陶瓷粉制備陶瓷漿料，然后將制備的陶瓷漿料置于3D打印機(jī)中，依據(jù)所需制備的壓電陶瓷模型將陶瓷漿料涂覆在基板上，同時(shí)采用飛秒激光燒結(jié)成型涂覆于基板上的陶瓷漿料，且在陶瓷燒結(jié)成型后，對其進(jìn)行極化處理進(jìn)而形成壓電陶瓷。在上述制備步驟中，采用3D打印技術(shù)與飛秒激光技術(shù)相結(jié)合的方式，飛秒激光可將3D打印機(jī)噴出的陶瓷漿料迅速燒結(jié)，不但可以大幅降低陶瓷的燒結(jié)時(shí)間，同時(shí)燒結(jié)成型后的陶瓷無需進(jìn)行二次加工。
【附圖說明】
[0021]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。
[0022]圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的基于飛秒激光的3D打印制備壓電陶瓷的方法的3D打印機(jī)與飛秒激光配合結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2為圖1的基于飛秒激光的3D打印制備壓電陶瓷的方法的三維平臺的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖3為圖1的基于飛秒激光的3D打印制備壓電陶瓷的方法的具有孔隙的壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其它實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0026]參見圖1-圖3，本發(fā)明實(shí)施例提供一種基于飛秒激光的3D打印制備壓電陶瓷的方法，通過壓電陶瓷粉制備壓電陶瓷1，包括以下制備步驟:
[0027]先將壓電陶瓷粉與粘結(jié)劑進(jìn)行混合拌勻，且將形成的混合物進(jìn)行研磨，進(jìn)而能夠形成具有一定黏度的陶瓷漿料，由于后續(xù)制備的陶瓷漿料需要應(yīng)用于3D打印機(jī)2中，對此制備的陶瓷漿料應(yīng)能夠被打印，具體為應(yīng)控制陶瓷漿料的黏度，以保證在被打印的過程中不會(huì)堵塞噴頭21 ;
[0028]將制備的陶瓷漿料置于3D打印機(jī)2中，同時(shí)還應(yīng)采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件構(gòu)造所需壓電陶瓷I的物理模型，并將建好的物理模型信息傳送至3D打印機(jī)2中，對此3D打印機(jī)2可以依據(jù)該壓電陶瓷I的物理模型進(jìn)行3D打??；
[0029]啟動(dòng)上述的3D打印機(jī)2，依據(jù)物理模型逐漸將制備的陶瓷漿料涂覆于一基板3上，同時(shí)采用一飛秒激光4燒結(jié)成型涂覆于基板3上的陶瓷漿料，在本步驟中，陶瓷漿料噴出3D打印機(jī)2的噴頭21后，即用飛秒激光4對其進(jìn)行燒結(jié)，對于3D打印機(jī)2的噴頭21應(yīng)豎直設(shè)置，對應(yīng)地基板3水平設(shè)置，涂覆至基板3上的陶瓷漿料不會(huì)產(chǎn)生變形即被飛秒激光4燒結(jié)；
[0030]繼續(xù)采用3D打印機(jī)2將其內(nèi)的陶瓷漿料噴涂至基板3上或者已經(jīng)燒結(jié)成型的陶瓷漿料上，繼續(xù)采用飛秒激光4對噴出的陶瓷激光進(jìn)行燒結(jié)固化，即3D打印機(jī)2的噴料動(dòng)作與飛秒激光4的燒結(jié)動(dòng)作依次進(jìn)行；
[0031]而當(dāng)陶瓷燒結(jié)完成后，即陶瓷成型后，將燒結(jié)的陶瓷進(jìn)行極化處理，進(jìn)而使得燒結(jié)后的陶瓷為壓電陶瓷1，具體為將燒結(jié)后的陶瓷串聯(lián)至一電路中，該電路的電源為高壓電源，通過強(qiáng)直流電場，使陶瓷的電疇沿電場的方向排列，達(dá)到陶瓷極化的目的。
[0032]上述制備步驟中，采用3D打印技術(shù)與飛秒激光4燒結(jié)技術(shù)相結(jié)合的方式制備壓電陶瓷1，3D打印機(jī)2可以根據(jù)物理模型可以快速成型所需任何尺寸的壓電陶瓷1，同時(shí)飛秒激光4能夠?qū)崿F(xiàn)3D打印機(jī)2噴出的陶瓷漿料快速燒結(jié)，可以有效減少壓電陶瓷I的燒結(jié)時(shí)間，進(jìn)而大大優(yōu)化了壓電陶瓷I的整個(gè)制備時(shí)間，而且由于采用3D打印技術(shù)打印出的陶瓷，成型后的壓電陶瓷I幾何尺寸與壓電性能均能夠達(dá)到所需壓電陶瓷I的要求，即成型后的壓電陶瓷I無需對其進(jìn)行二次加工，在一定程度上也有效縮短了制備時(shí)間，同時(shí)還能夠