D01:10.13374j.ism100103x2006.11.008 第28卷第11期 北京科技大学学报 Vol.28 No.11 2006年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Now.2006 氮化硅陶瓷粉末的选区激光烧结 赵靖1)马文江 曹文斌)李艳红)李江涛引 葛昌纯) )北京科技大学特种陶瓷研究室，北京1000832)北京科技大学应用科学学院，北京100083 3)中国科学院理化技术研究所微珠工程研究中心，北京10101 摘要进行了将粘结剂包覆在陶瓷粉末表面以提高陶瓷粉末选区激光烧结(SLS)成型性能的研 究.利用甲基丙烯酸甲酯单体以及甲基丙烯酸丁酯单体共聚反应制备出共聚物粘结剂，并分别采 用红外光谱和DSC/TG法对其进行分析.结果表明.所制备的共聚物的主要成分是聚甲基丙烯酸 甲酯和聚甲基丙烯酸丁酯.其玻璃化温度为1020℃，在300~400℃之间失重超过80%.将自制 共聚物与磷酸二氢铵以适当的比例混合，采用机械混合与喷雾干燥等手段对SN4陶瓷粉进行了 包覆处理，并在SLS设备上进行了烧结成型实验，成功地实现了包覆粉末的SLS烧结. 关键词选区激光烧结；粘结剂：Si3N4陶瓷：喷雾干燥：包覆 分类号TB321 氯化硅是一种典型的高温结构陶瓷，具有高 所能达到的温度较低，从而造成陶瓷粉末难于烧 强度、高硬度、抗磨损、耐腐蚀等优点，被广泛应用 结成型.因此，需要在陶瓷粉末表面包覆一定量 在化工，冶金、汽车、航空等工业领域更被认为是 的低熔点粘结剂，使得在激光烧结过程中，粘结剂 制造陶瓷发动机最理想的材料之一.但是，直接 被激光熔化并将陶瓷粉末粘接在一起从而形成一 采用传统的去除成型或受迫成型工艺制备形状复 定的形状，然后经过后处理烧结成形.研究表明， 杂的SN4零件时，成型难度大，废品率高.选区 采用熔化后粘度较低的粘结剂，在高温下熔化后 激光烧结技术(selective laser sintering,.SLS)有望 具有较好的流动性，有利于烧结成型1.另外， 解决这一难题，它是快速成型制造技术(rapid 理想的粘结剂在进行后续处理时应容易脱掉. prototy ping,RP)中已经商业化并且发展较为迅速 聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚甲基丙烯 的一种，属于离散/堆积成型，其原理是用分 酸丁酯(PBMA)熔点低，处理工艺简单，易于包 层切片软件，采用计算机控制的激光制造系统将 覆，便于成形件的后处理，Nelson,Deng等人曾成 材料逐层堆积，最终形成三维实体」.与其他 功地将其应用在碳化硅、氧化铝陶瓷粉末的激光 快速成型技术相比，选区激光烧结技术的最大优 烧结成形中1习；还有研究人员采用磷酸二氢铵 势是它没有使用材料方面的限制1.概括地讲， 作为氧化铝粉末的选区激光烧结粘接剂，以增强 所有热塑性材料如塑料、聚合物以及带有粘结剂 制件的强度11匀 的金属和陶瓷等都可以被用作成型材料. 基于上述考虑，本研究以甲基丙烯酸甲酯 目前用作SL$粉末的研究大多集中在金属 (MMA)和甲基丙烯酸丁酯(BMA)合成共聚物， 掺入适当磷酸二氢铵，以此混合物作为粘接剂，采 粉末和有机物粉末上，关于陶瓷粉末的SLS成型 研究较少6~0.现有商业SLS设备如EOS系列 用适当的方法包覆氮化硅陶瓷粉末，进行SLS烧 结研究 和国内隆源公司的产品，激光源多采用CO2激光 器，功率一般为10~200W,波长为10.6m,被烧 1 实验 结粉末在上述条件下，激光束与粉末作用时，粉末 11原料 收稿日期：2005-08-25修回日期：2005-10-08 被包覆的氮化硅粉末的平均粒径为20m. 基金项目：国家重点基础研究“973计划”资助项目(No. 包覆前氮化硅粉末经稀碳酸钠溶液清洗.实验中 2004CB719802):教有部博士基金资助项目：北京市科技新星计 使用的有机粘结剂是一种自制的共聚物.制备该 划资助(No.2003B12) 作者简介：赵靖(1977-)，男，博士研究生：曹文斌(1970-)， 共聚物的两种单体是甲基丙烯酸甲脂(MMA)和 男.花税陆2021 China Academie ou E Pub界基丙烯酸工脂(B1采用市售分析纯试剂nki.nct氮化硅陶瓷粉末的选区激光烧结 赵 靖1) 马文江2) 曹文斌1) 李艳红1) 李江涛3) 葛昌纯1) 1) 北京科技大学特种陶瓷研究室, 北京 100083 2) 北京科技大学应用科学学院, 北京 100083 3) 中国科学院理化技术研究所微珠工程研究中心, 北京 100101 摘 要 进行了将粘结剂包覆在陶瓷粉末表面以提高陶瓷粉末选区激光烧结( SLS) 成型性能的研 究.利用甲基丙烯酸甲酯单体以及甲基丙烯酸丁酯单体共聚反应制备出共聚物粘结剂, 并分别采 用红外光谱和 DSC/ TG 法对其进行分析.结果表明, 所制备的共聚物的主要成分是聚甲基丙烯酸 甲酯和聚甲基丙烯酸丁酯, 其玻璃化温度为 102.0 ℃, 在 300 ～ 400 ℃之间失重超过 80%.将自制 共聚物与磷酸二氢铵以适当的比例混合, 采用机械混合与喷雾干燥等手段对 Si3N4 陶瓷粉进行了 包覆处理, 并在 SLS 设备上进行了烧结成型实验, 成功地实现了包覆粉末的 S LS 烧结. 关键词 选区激光烧结;粘结剂;Si3N4 陶瓷;喷雾干燥;包覆 分类号 TB321 收稿日期:2005 08 25 修回日期:2005 10 08 基金 项目:国家重 点基 础研究“ 973 计 划” 资助 项目 ( No . 2004CB719802) ;教育部博士基金资助项目;北京市科技新星计 划资助( No .2003B12) 作者简介:赵 靖( 1977—) , 男, 博士研究生;曹文斌( 1970—) , 男, 教授, 博士 氮化硅是一种典型的高温结构陶瓷, 具有高 强度 、高硬度、抗磨损 、耐腐蚀等优点, 被广泛应用 在化工、冶金、汽车、航空等工业领域, 更被认为是 制造陶瓷发动机最理想的材料之一 .但是, 直接 采用传统的去除成型或受迫成型工艺制备形状复 杂的 Si3N4 零件时, 成型难度大, 废品率高.选区 激光烧结技术( selective laser sintering, S LS) 有望 解决这一难题, 它是快速成型制造技术( rapid prototy ping, RP) 中已经商业化并且发展较为迅速 的一种, 属于离散/堆积成型[ 1-3] , 其原理是用分 层切片软件, 采用计算机控制的激光制造系统将 材料逐层堆积, 最终形成三维实体[ 2-4] .与其他 快速成型技术相比, 选区激光烧结技术的最大优 势是它没有使用材料方面的限制[ 5] .概括地讲, 所有热塑性材料如塑料 、聚合物以及带有粘结剂 的金属和陶瓷等都可以被用作成型材料[ 2] . 目前用作 SLS 粉末的研究大多集中在金属 粉末和有机物粉末上, 关于陶瓷粉末的 S LS 成型 研究较少[ 6-10] .现有商业 S LS 设备如 EOS 系列 和国内隆源公司的产品, 激光源多采用 CO2 激光 器, 功率一般为 10 ～ 200W, 波长为 10.6 μm, 被烧 结粉末在上述条件下, 激光束与粉末作用时, 粉末 所能达到的温度较低, 从而造成陶瓷粉末难于烧 结成型.因此, 需要在陶瓷粉末表面包覆一定量 的低熔点粘结剂, 使得在激光烧结过程中, 粘结剂 被激光熔化并将陶瓷粉末粘接在一起从而形成一 定的形状, 然后经过后处理烧结成形.研究表明, 采用熔化后粘度较低的粘结剂, 在高温下熔化后 具有较好的流动性, 有利于烧结成型 [ 11] .另外, 理想的粘结剂在进行后续处理时应容易脱掉 . 聚甲基丙烯酸甲酯( PM MA) 和聚甲基丙烯 酸丁酯( PBMA) 熔点低, 处理工艺简单, 易于包 覆, 便于成形件的后处理, Nelson, Deng 等人曾成 功地将其应用在碳化硅 、氧化铝陶瓷粉末的激光 烧结成形中[ 12-13] ;还有研究人员采用磷酸二氢铵 作为氧化铝粉末的选区激光烧结粘接剂, 以增强 制件的强度 [ 14-15] . 基于上述考虑, 本研究以甲基丙烯酸甲酯 ( MMA) 和甲基丙烯酸丁酯( BMA) 合成共聚物, 掺入适当磷酸二氢铵, 以此混合物作为粘接剂, 采 用适当的方法包覆氮化硅陶瓷粉末, 进行 SLS 烧 结研究. 1 实验 1.1 原料 被包覆的氮化硅粉末的平均粒径为 20 μm . 包覆前氮化硅粉末经稀碳酸钠溶液清洗 .实验中 使用的有机粘结剂是一种自制的共聚物 .制备该 共聚物的两种单体是甲基丙烯酸甲脂( MM A) 和 甲基丙烯酸丁脂( BMA) , 采用市售分析纯试剂. 第 28 卷 第 11 期 2006 年 11 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol.28 No.11 Nov.2006 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2006.11.008