
脱脂时间和脱脂速率是影响陶瓷成型的两个关键参数。和传统陶瓷工艺相比,3D打印的陶瓷坯体里粉末比较少,树脂成分比较多。要是脱脂速率太快,树脂会在短时间内挥发,气体在往外跑的时候,更容易让陶瓷开裂、产生孔洞,甚至会使坯体坍塌,严重损害陶瓷的性能。要是脱脂速率太慢,就会浪费大量的机器、时间和人力成本。脱脂温度要是太低,树脂挥发不充分,残留的树脂在高温烧结的时候会碳化,产生残留物。所以在这个实验里,在坯体进行热处理之前,先用和样品同一批制作的小块陶瓷坯体进行热重分析 - 差热扫描量热分析(TG - DSC),根据分析得到的数据,看看脱脂阶段坯体的重量和吸放热情况,用这些来指导热处理工艺的参数设置。

从二氧化钛陶瓷坯体的TG - DSC测试结果图能明显看出,温度升高的时候,陶瓷坯体的热重曲线一开始下降幅度很小,这是因为陶瓷坯体在制作的时候和制作完成后在空气中会吸收一定量的水分。随着温度继续升高,热重变化越来越明显,特别是在200℃到600℃这个区间内,坯体重量下降得很快。在200 - 350℃这个区间内,质量下降了大概15%;在350℃ - 600℃阶段,坯体快速失重,最后只剩下原来质量的20%,这个阶段是树脂挥发的关键时期。600℃之后,坯体的质量基本就不变了,这说明坯体里的树脂已经完全变成气体跑掉了,脱脂过程也就结束了。从DSC曲线能看出,整个脱脂阶段都是吸热的,在220℃、430℃、560℃这几个地方都有吸热峰,特别是560℃的吸热峰面积很大。在这些阶段,树脂里的高分子链会发生缩合反应,大量气体会从陶瓷表面跑出来。所以在这个阶段,一定要降低升温速度,控制保温时间,给反应留出充足的时间慢慢进行,控制气体产生的速度,提高脱脂的成功率。

经过脱脂后的陶瓷坯体进入热处理的第二个阶段——烧结。经过脱脂后,陶瓷坯体就只剩下陶瓷粉末了,这时候坯体的强度很差,需要通过烧结让晶粒充分生长,这样才能有比较好的力学性能。对比XRD、Raman、SEM的结果能发现,在1350℃的烧结温度下,保温3小时,陶瓷的结晶质量是最好的,晶粒尺寸大而且清晰,晶界明显,也没有出现过烧的现象,具体的分析结果在下一节陶瓷的物相和表面形貌分析部分。

这次研究是按照坯体干燥、低温脱脂、高温烧结、保温这几个步骤,把多孔陶瓷的处理参数分成四个阶段。首先,干燥阶段时间设为3小时,足够的干燥时间能保证坯体在脱脂阶段不会因为残留的水分而塌陷。在低温脱脂步骤里,又分两个小环节,第一个环节是在300℃的时候设置1小时的短时间保温平台,第二个环节是在600℃的时候设置3小时的长时间保温平台,这主要是根据DSC曲线分析出的放热峰来定的,这样能给陶瓷坯体反应产生的逸出物留出充足的时间跑出去。保温结束后,可以快速升温到1350℃,然后保温3小时,保温结束后让它自然冷却,这样就能得到成品多孔陶瓷了。