论文总字数：23710字

摘 要

压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料，已被广泛应用于医学成像、声传感器、声换能器、超声马达等技术领域。基于3D打印技术制备压电陶瓷具有成型速度快、成型过程不需要模具和机械加工的优点。本文利用数字化光处理（Digital Light Processing,DLP）技术打印陶瓷制品，通过选择合适的光敏单体、分散剂、光引发剂和钛酸钡的粒径等，配置出了成型工艺较好的树脂基PEGDA陶瓷浆料，通过添加阻聚剂和打印参数的合理选择对压电陶瓷制品的打印精度进行了调控。并通过调节打印参数，合理的脱脂烧结工艺，打印出了成型性能好的压电陶瓷制品。

浆料配置方法为选用2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦（TPO）为光引发剂，添加量为单体的1-2 wt%； 4-甲氧基苯酚（MEHQ）为阻聚剂，添加量为单体的0.5 wt%。选择PEGDA作为浆料主要成分。选用曲拉通为分散剂，添加量为陶瓷的0.8 wt%。

研究结果表明：固相含量越高拥有更好的成型能力和成型精度。当固相含量为50%，高层曝光时间为20s，中间层高为0.18mm，底层曝光时间为180s，底层高度为0.03mm时，打印效果比较好。60wt%固相含量的压电陶瓷胚体经过烧结后，相对密度为78.37%，显孔隙率为11.90%。

关键词：DLP打印；压电陶瓷；钛酸钡；成型精度

Abstract

Piezoelectric ceramic is an information function ceramic material that can convert mechanical energy and electrical energy to each other. It has been widely used in medical imaging, acoustic sensors, acoustic transducers, ultrasonic motors and other technical fields. The preparation of piezoelectric ceramics based on 3D printing technology has the advantages of fast molding speed, no mold and mechanical processing in the molding process. In this paper, digital light processing (Digital Light Processing, DLP) technology is used to print ceramic products. By selecting the appropriate photosensitive monomer, dispersant, photoinitiator, and barium titanate particle size, a resin matrix with better molding is configured PEGDA ceramic paste, through the addition of polymerization inhibitors and reasonable selection of printing parameters, has adjusted the printing accuracy of piezoelectric ceramic products. And by adjusting the printing parameters, a reasonable degreasing and sintering process, printed piezoelectric ceramic products with good formability.

The slurry configuration method is to select 2,4,6-trimethylbenzoyl-diphenylphosphine oxide (TPO) as the photoinitiator, and the added amount is 1-2 wt% of the monomer; 4-methoxyphenol (MEHQ) is a polymerization inhibitor, and the added amount is 0.5 wt% of the monomer. Choose PEGDA as the main component of the slurry. Triton is selected as the dispersant, and the added amount is 0.8 wt% of the ceramic.

The research results show that: the higher the solid content, the better the forming ability and forming accuracy. When the solid content is 50%, the exposure time of the upper layer is 20s, the height of the middle layer is 0.18mm, the exposure time of the bottom layer is 180s, and the height of the bottom layer is 0.03mm, the printing effect is better. After sintering, the piezoelectric ceramic blank with a solid content of 60wt% has a relative density of 78.37% and a apparent porosity of 11.90%.

Key Words：DLP print; Piezoelectric Ceramics；Barium titanate；Forming accurac

目 录

第1章 绪论 1

1.1 应用背景 1

1.2 压电陶瓷3D打印技术及分类 1

1.3 国内外研究现状 4

1.4 研究内容 5

1.5技术方案 6

第2章 实验材料设备及软件 7

2.1 实验材料 7

2.2 实验设备 7

2.2.1 实验基础设备 7

2.2.2 实验成型设备 8

2.2.3 实验软件 10

第3章 DLP成型原理与工艺过程 13

3.1 DLP打印过程及工艺参数选定 13

3.1.1 DLP成型原理 13

3.1.2 打印工艺参数选定 14

3.2 DLP用浆料光固化原理与制备 15

3.2.1 陶瓷浆料光固化原理 15

3.2.2 DLP用陶瓷浆料光固化原理与制备方法 16

3.3 陶瓷胚体的脱脂烧结 18

3.4 样品性能表征 18

3.4.1 样品的相对密度及显孔隙率测试 18

3.4.2 样品的微观形貌 19

3.4.3 收缩率测试 19

第4章 成型工艺优化与样品性能表征 20

4.1 钛酸钡浆料配置实验 20

4.1.1 陶瓷粒径优化 20

4.1.2 陶瓷浆料配置方法拟定 21

4.2 设备调试与工艺参数实验 21

4.2.2 工艺参数实验 22

4.3 脱脂烧结工艺改进 24

4.4 样品性能分析 25

4.4.1 烧结体体积密度及显孔隙率测试 25

4.4.2 烧结体的收缩率测试 26

4.4.3 坯体微观结构分析 27

第五章 结论及展望 28

5.1结论 28

5.2展望 28

参考文献 29

致谢 31

第1章 绪论

1.1 应用背景

压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料，这种功能称为压电效应。此外，还具有介电性、弹性等特殊性能, 已被广泛应用于医学成像、声纳系统、气象监测、超声马达和遥测环境保护等技术领域^[1]。例如超声波换能器，柴油发动机的喷油器和用于从环境震动中获取能量的悬臂梁等。传统的陶瓷制作方法将原料陶瓷粉末与液体介质混合，形成浆料。然后将这种泥浆浇铸或压制成所需的形状。最后，对所制造的部件进行热处理，去除用于制造浆料的介质，并对陶瓷部件进行加固和增密。这种制造工艺极大地限制了可以用陶瓷制造的几何形状。除了在加工过程中有限的几何自由度外，热处理后的加工也存在同样的问题，因为通过加工或其他减法制造技术来修改其几何形状极其困难。这种由于制造过程造成的几何限制是多年来人们感兴趣的话题。最有希望缓解这一挑战的技术是增材制造^[2]。

目前的研究中存在的问题是复杂压电陶瓷件的成型需要复杂的模具来实现，而复杂模具的制造需要较高的加工成本和较长的开发周期，并且模具加工完毕后，就无法修改，这种状况不适应产品的改进及更新换代。采用无需模具的增材制造方法，即快速成形技术制备陶瓷零件成为时下研究的热点^[3-6]。这种基于3D打印技术制备压电陶瓷具有成型速度快、成型过程不需要模具和机械加工的优点,重要的是可以解决目前特殊复杂结构压电陶瓷制备困难的问题^[7-8]。压电陶瓷3D打印的成型精度是影响制品的关键因素，例如收缩率，体积密度，显孔隙率等。大量学者因此展开了研究。

1.2 压电陶瓷3D打印技术及分类

目前应用于压电陶瓷的增材制造技术主要有光固化快速成型（Stereo Lithography Appearance，SLA）；数字化光处理（Digital Light Processing，DLP）；直写自由成型（Direct Ink Writing，DIW）；粘接剂喷射（Three-dimensional printing,3DP）；选择性激光烧结（Selective laser sintering,SLS）；熔化沉积成型（Fused deposition of ceramics，FDC）；喷墨打印（Ink-jet printing，IJP）等^[9]。

1. 光固化快速成型技术

又称为立体印刷成型技术^[10]。其原理如图1.1，主要采用特定波长的光，照射能够迅速固化的光敏液态树脂与陶瓷粉末混合均匀的浆料，通过控制光的路径选择性地辐照某一层液体，最终成型出部分区域固化的零部件。它具有成型精度高（μm级）、表面质量高和成型尺寸大的优点，但是其成型速度较慢，且用料多，容易造成浪费。

图1.1 光固化成型技术设备与原理图

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