摘 要： 陶瓷材料具有强度高、硬度大、耐磨、耐腐蚀等优良特性，具有广泛的应用前景。基于陶瓷浆料挤出的自由挤出成型工艺是复杂陶瓷制件成型的重要发展方向。同时，对陶瓷材料的增强改性亦是目前研究的热点问题。选用短切碳纤维作为增强相改性陶瓷浆料，通过自由挤出成型工艺成型陶瓷构件。使用长度为0.3 mm的短切碳纤维作为增强相制备混合浆料。通过陶瓷浆料3D打印机打印成型坯体，坯体成型后用热风辐射干燥。充分干燥后的坯件经过烧结，得到致密度较高的陶瓷制件。通过压缩试验对制得的试验件进行性能研究。分析得到，随着纤维含量的增加，试验件断裂韧性有所提升。制得的碳纤维含量为5 wt.%的试验件表现出更好的断裂韧性性能。
关键词： 纤维增强；陶瓷基复合材料；3D打印；力学性能
中图分类号：TB301 文献标识码：A 文章编号：2095-8412 （2018） 04-026-04
工业技术创新 URL： http： // DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2018.04.005
引言
陶瓷材料具有耐高温、高强度、低密度等优异性能，在工业制造、航空航天、生物医疗等领域有着广泛应用潜力[1]。但是，陶瓷材料的脆性较大、可靠性差等缺陷又阻碍了其实用化，严重限制了其在承载力、可靠性要求高的技术领域中的广泛应用[2]。因此，需要对其进行增强改性处理。随着3D打印技术的发展及工程应用的需求，纤维增强复合材料的3D打印备受关注[3]。
Soydan Ozcan等研究人员采用长度为0.2～0.4 mm的短切碳纤维作为增强相[4]，在220℃条件下将其与ABS树脂混合，分别制备出质量分数为10、20、30、40 wt%的碳纤维增强ABS丝材。实验结果表明，其拉伸强度提高15%，而模量提高600%。中南大学肖路军等[5]以3D打印多孔PLA结构为基体，制备碳纤维增强碳化硅三维网状多孔陶瓷复合材料。性能测试结果表明，随着打印件的骨架直径的增大，所制备的多孔陶瓷复合材料的孔隙率逐渐减小，而其表观密度、骨架密度、压缩强度、导热系数逐渐增加。哈工大何培刚等[6]采用机械搅拌法制备了短碳化硅纤维增强铝硅酸盐聚合物复合材料。结果表明，长度为5 mm且含量为2.0%（体积分数）的复合材料力学性能最优，并表现出韧性断裂特征。
综合分析，采用长纤维来增强增韧陶瓷基复合材料的工艺复杂、技术难度大、制造成本较高；以短切纤维作为增韧体的陶瓷基复合材料可解决长纤增强材料中的各向异性问题，并且不需要纤维编织及缠绕，制备工艺简单、成本相对较低[7]。此外，碳纤维的高温性能非常好，且具有比强度高、比模量大等优点，被广泛用于复合材料的增强材料[8]。用碳纤维等改性不仅能够提高力学性能，而且在热稳定性等方面有改善作用[9]。
1 实验平台及材料
1.1 打印平台
陶瓷材料挤出成型过程的关键机构大致有三：打印喷嘴的运动机构、陶瓷浆料的输送机构、陶瓷浆料的挤出机构[10，11]。本文选用活塞式料筒作为送料机构，螺杆机构作为挤出成型主体挤出机构。工作方式为利用气压推动料筒活塞运动，将料筒中的陶瓷浆料经由输送管道送达挤出装置，再利用螺旋绞刀的推力，使得浆料经由打印喷嘴挤出。浆料挤出的同时，配合3D打印机的三维运动，从而打印出指定零件。图1所示为搭建完成的陶瓷3D打印平台整体结构。
1.2 混合浆料制备
陶瓷材料的原材料通常由陶土或高岭土制得。原材料通常经过混合搅拌、捏合（练泥）和排出气体等几个步骤。对于含短切碳纤维的混合浆料来说，由于短切纤维易于堆积成束，堵塞打印喷嘴，所以选用的纤维不宜较长，且混合要足够充分，避免纤维堆积，而应使其均匀分布在泥浆之中。经过大量实验可知，所用纤维长度大于1 mm时，挤出困难，并且经常出现堵头现象。纤维加入量的质量分数大于8%时，出现严重堆积情况，不能连续打印。遂在后续试验中设置纤维加入量小于5%。另外，还应控制挤出的泥条具有一定的定型能力，即保持已经打印完成的陶瓷构件部分在完全干燥之前具有保持既定形状的能力，不发生坍塌、变形等。
总之，用于挤出成型的陶瓷浆料需要混合均匀、流动性良好、能够连续顺畅挤出，并能保持一定形状。
1.3 试验件打印
陶瓷材料3D打印成型工艺过程应主要包含三部分：第一部分为制备成型所需材料（包括浆料的配制等）；第二部分为坯体零件的打印制造过程；第三部分为已成型坯体的后续处理工作（包括修补上釉、干燥固化、烧结等）。陶瓷浆料3D打印成型简易流程如图2所示。
本实验选用短切碳纤维作为增强相，添加到陶瓷浆料中经过充分混合后得到混合浆料。所选用短切碳纤维长度为0.3 mm。分别配置质量分数为0%、1%、2%、3%、4%、5%的纤维混合浆料，打印统一尺寸的立方体后进行单向压缩实验，以测定各质量分数的试验件的力学性能[12]。
对于含短切碳纤维浆料，浆料流动性能相对有所下降，挤出过程中应适当增加挤出推进气体压力，保证流动均匀稳定。同时，短切纤维易于在喷嘴出口堆积成束，堵塞打印喷嘴，所以喷嘴直径不能过小，以确保打印顺畅，避免出现“堵头”情况。打印层高也应相应增大，避免材料过度堆积，影响打印质量。既要保证浆料挤出均匀连续，不发生坍塌，又要保证成型精度与质量[13]。
通過研究分析并进行大量工艺成型实验，得到合理的工艺参数组合。图3所示为选用合适的理论参数成型立方体坯件的侧视图、俯视图及打印过程图。打印该立方体的主要参数为：陶瓷浆料固相含量48 vol%，打印喷嘴直径1.04 mm，扫描速度15 mm/s，挤出速度3.3 mm/s，打印层高0.82 mm。
打印成型后需要对坯件进行干燥、烧结处理，故试验件的尺寸会发生变化。表1列出了各组试验件的平均理论尺寸、实际尺寸及收缩率。
2 压缩试验
如同金属材料一样，强度是陶瓷的最基本的性能[14]。陶瓷材料的抗压强度远大于其抗拉强度，因而陶瓷材料特别适合于制造承受压缩载荷作用的零部件[15]。所以，本实验选择测定增强改性陶瓷基复合材料的压缩性能。
压缩实验所用试验机为通用万能拉压试验机（如图4所示）。经过干燥烧结的3D打印改性陶瓷试验件需要做简单后期处理，将两端面研磨成平面并保持互相平行。
试验机名称：微机控制电子万能试验机；
试验机型号：CMT5105；
试验机生产厂商：美特斯工业系统（中国）有限公司。
整理试验数据，每组选取一个最优结果，得到形变位移与载荷之间关系图，如图5所示。
3 结果与讨论
观察对比实验结果图，发现以下现象：
（1）每个试验件都会出现破坏力的峰值，且各试验件峰值大小相差不多；
（2）随着纤维含量的增加，在压缩后半段变形过程中出现力的波动现象，且波动现象随纤维含量增加愈发明显；
（3）在压缩变形后半段过程中，即曲线出现波动的部分，试验件的强度并不会随着变形量的增加而发生较大变化；
（4）当相对变形位移量超过50%时，试验样件仍能够承受一定载荷。
综合分析试验现象与曲线，可知：碳纤维增强对陶瓷材料的脆性有一定改善作用。在碳纤维质量分数为4%和5%时，位移—载荷关系图（图5e和图5f）中出现的振荡可以说明试验件表现出一定的断裂韧性。并且，变形量达到原有尺寸的一半时，依然能够承受一定载荷，强度并不受到变形位移量大小的影响[16]。因此，在实际使用时，可以重点考虑发挥波动区域载荷强度的作用，弥补传统陶瓷在达到强度极限后被完全破坏不能继续承载的不足[17]。
同时，如图6所示的试样压缩破裂状态，压缩试样在压缩破坏过程中并不是直接碎裂，而是会逐层地“剥离”：外表面的陶瓷先崩裂，再依次向内破坏。分析可能是短切纤维作用使得试件有一定的“团聚”效果，最外层的聚集作用最先被破坏，然后向内传递，从而使得在达到最大破坏力峰值后，仍能够承受一定载荷[18，19]。
随着纤维含量的增加，断裂韧性效果有所加强[20]。但是，受制于现有3D打印陶瓷成型效果，目前3D打印碳纤维增强陶瓷基复合材料的短切碳纤维含量最高只能达到5wt.%。当陶瓷混合浆料中的纤维含量过多时，打印过程中纤维易于在打印喷嘴处聚集成团，从而堵塞喷嘴，造成浆料无法挤出。
4 结束语
总体来说，短切纤维增强对陶瓷材料的断裂韧性有一定改善效果。采用自由挤出成型工艺成型混合陶瓷浆料制备陶瓷基复合材料的方案具有很大研究价值，整个成型工艺技术流程基本实现。现阶段已经可以成型较复杂的复合陶瓷制件。同时，该工艺成型成本较低，成型效率较高，适合于深入研究及应用。
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