碳化硅反射鏡的3d打印制備方法
【專利說明】碳化硅反射鏡的3D打印制備方法
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，確切地說是涉及一種碳化硅反射鏡的3D打印制備方法。
【背景技術(shù)】
[0003]空間反射鏡作為折射式或折反射式空間光學(xué)系統(tǒng)的核心部件，主要應(yīng)用于氣象預(yù)報(bào)、資源考察、天文觀察、太空探索、軍事偵察、預(yù)警、強(qiáng)激光及光電跟蹤等，具有極其重要的經(jīng)濟(jì)、國防、軍事價(jià)值?？臻g反射鏡的工作環(huán)境具有超低溫、溫差大、輻射高等特點(diǎn)，因此航天領(lǐng)域?qū)ζ涔ぷ鞯目煽啃苑€(wěn)定性要求很高。
[0004]目前可以作為空間反射鏡的制備材料有金屬鋁、金屬鈹、金屬鎳、單(多)晶硅、各種光學(xué)玻璃、復(fù)合材料和碳化硅等。其中光學(xué)玻璃具有接近0的熱膨脹系數(shù)，良好的反射能力和可拋光性等，但密度較大，剛度差，熱擴(kuò)散能力較低，限制了其在空間中的應(yīng)用。金屬鋁價(jià)格便宜、重量輕、反射鏡的成本低、制備周期短，但其熱性能差，難以適應(yīng)太空環(huán)境。鎳拋光性好，但密度大，低溫?zé)嵝阅茌^差。鈹具有十分優(yōu)異的比剛度、熱性能，可拋光性，但問題在于其毒性以及由此帶來的昂貴價(jià)格。碳化硅材料具有較高的比剛度、導(dǎo)熱系數(shù)和熱穩(wěn)定性，因此相對(duì)于其他反射鏡材料，在鏡體的輕量化及減小熱變形方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)；致密的碳化硅材料具有較小的熱膨脹系數(shù)，在較大溫差條件下，抗熱震性極佳，在較大溫度范圍內(nèi)使用，鏡面面形變化較小，使用壽命較長(zhǎng)，加之碳化硅材料具有較好的光學(xué)加工特性及優(yōu)異光學(xué)性能，各航天大國均將其列為空間光學(xué)遙感器的首選優(yōu)質(zhì)反射鏡材料之一。
[0005]大型空間光學(xué)遙感器的光學(xué)系統(tǒng)多為折射式或折反射式結(jié)構(gòu)，增大主反射鏡口徑是空間光學(xué)系統(tǒng)提高分辨率的主要途徑之一。隨著主反射鏡尺寸的增加，鏡坯自重也越來越大，而鏡體支撐結(jié)構(gòu)的質(zhì)量也隨之增大，導(dǎo)致發(fā)射載荷急劇增加，發(fā)射成本也越來越高。因而，除了采用比剛度高的新型材料，實(shí)現(xiàn)鏡坯輕量化結(jié)構(gòu)也是必要的，輕量化的前提則是保證鏡體具有足夠的剛度。反射鏡的輕量化結(jié)構(gòu)可以分為兩大類，包括外形結(jié)構(gòu)，如背面平板型、單拱形、彎月面型、雙面凹型等；加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，如三角形、正方形、六邊形、扇形、圓形、異性蜂窩等。輕量化結(jié)構(gòu)帶來諸多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也導(dǎo)致鏡坯形狀的復(fù)雜化，尤其是結(jié)構(gòu)剛度更高的半開放式結(jié)構(gòu)。對(duì)于高硬耐磨的碳化硅陶瓷反射鏡，加工難度、同期和成本非常高，因而這是制備大口徑反射鏡要解決的核心問題之一。
[0006]目前輕量化反射鏡坯的成型工藝主要有:注射成型、凝膠注模成型、壓力成型等。注射成型是將碳化硅/樹脂基復(fù)合粉料加入模具中，在適當(dāng)?shù)膲毫蜏囟认峦瓿晒袒?，得到毛坯。最后進(jìn)行熱解、機(jī)械加工，得到反射鏡的輕量化結(jié)構(gòu)。該方法存在素坯均勻性差、毛坯脫脂過程易產(chǎn)生缺陷、輕量化結(jié)構(gòu)獲得困難、直接成型難度大、素坯中存在較大的應(yīng)力、不易制備大尺寸的陶瓷件等缺陷。凝膠注模成型是通過高分子單體和交聯(lián)劑的聚合形成空間三維網(wǎng)狀分子鏈，按照模具形狀原位固定漿料中懸浮的碳化硅顆粒，得到輕量化碳化硅坯體。該工藝得到的素坯內(nèi)部均勻、素坯抗彎強(qiáng)度高，但存在坯體中氣孔不易消除、不易脫模等缺陷。壓力成型是將造粒粉壓制成鏡坯，然后按要求對(duì)鏡坯進(jìn)行機(jī)械加工，完成整塊鏡坯的外形尺寸及輕量化結(jié)構(gòu)加工，最后進(jìn)行燒結(jié)。該方法均勻化程度高、彈性模量和抗彎強(qiáng)度較高、拋光性能好，但存在對(duì)設(shè)備要求高、只能實(shí)現(xiàn)鏡坯整體的全開放式輕量化結(jié)構(gòu)，不能適應(yīng)輕量化復(fù)雜結(jié)構(gòu)的要求等缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，克服以上現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn):提供一種解決輕量化復(fù)雜結(jié)構(gòu)碳化硅反射鏡制備困難的問題，適合制備任何復(fù)雜結(jié)構(gòu)形狀的碳化硅反射鏡，提高碳化硅反射鏡的輕量化率，無需模具、素坯無需后續(xù)機(jī)械加工、工藝簡(jiǎn)單、周期短、成本低、可實(shí)現(xiàn)近凈尺寸的成型的碳化硅反射鏡的3D打印制備方法。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:一種碳化硅反射鏡的3D打印制備方法，包括以下步驟:
(1)構(gòu)建碳化硅反射鏡的三維模型，將三維模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為STL格式文件；
(2)用3D打印機(jī)的分層軟件對(duì)STL格式文件進(jìn)行分層處理，然后將分層數(shù)據(jù)導(dǎo)入制造程序中；
(3)將原料粉末、固化劑、增塑劑、分散劑、消泡劑加入到去離子水中混合均勻制備成塑性泥料；將塑性泥料置于真空練泥機(jī)中進(jìn)行練泥；
(4)將練泥后的塑性泥料加入到3D打印機(jī)的料筒中，將料筒溫度加熱到50?250°C，保溫5?30min ;3D打印機(jī)的噴頭在制造程序的控制下，根據(jù)步驟(2)中的分層數(shù)據(jù)擠出塑性泥料形成擠出絲并打印出截面薄層，所述擠出絲中的固化劑在固化溫度下開始固化，形成截面薄層的實(shí)體，通過層層打印堆積，制得碳化硅反射鏡坯體；
(5)將碳化硅反射鏡坯體在固化溫度下固化10?60min后，置于烘箱中于40?120°C干燥10?120min ；
(6 )將干燥后的碳化硅反射鏡坯體進(jìn)行脫蠟、燒結(jié)、機(jī)加工及平面拋光處理制得碳化硅反射鏡。
[0009]步驟(3)中所述的塑性泥料組成為:原料粉末的含量為70?95 wt% ;固化劑含量為0.1?20wt% ;分散劑的含量為0.1?10wt% ;消泡劑的含量為0.1?10wt% ;增塑劑的含量為0.1?10wt% ;余量為去尚子水。
[0010]作為優(yōu)化，所述的原料粉末為碳化硅粉、碳化硼粉和碳粉的混合粉，混合粉中各組分含量為碳化娃粉90wt%?98wt%，碳化硼粉0.lwt%?5wt%，碳粉lwt%?9wt%。
[0011]作為進(jìn)一步優(yōu)化，所述的原料粉末也可以為碳化硅粉與碳粉的混合粉，其中，碳化娃粉的質(zhì)量百分比占60wt%?85wt%。
[0012]所述碳粉為石墨粉、炭黑、石油焦、焦炭、樹脂碳、游離碳中的一種或多種。
[0013]所述碳化硅粉的平均粒徑為0.3?100 μ m。
[0014]所述原料粉末的平均粒徑為0.5?100 μ m0
[0015]所述的固化劑為水溶性溶膠、有機(jī)單體和交聯(lián)劑的混合物、熱塑性材料。
[0016]所述水溶性溶膠如硅溶膠、海藻酸鈉、明膠、瓊脂糖；所述有機(jī)單體和交聯(lián)劑的混合物如丙烯酰胺和亞甲基雙丙烯酰胺；熱塑性材料如石蠟以及聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚苯乙烯等熱塑性樹脂。
[0017]所述噴頭的噴孔直徑為30 μπι?5mm，料筒加熱溫度為30?250°C，擠出后固化溫度為-30°C?120°C，塑性泥料擠出速度為0.01?500mm/s，擠出絲與絲之間的間距為0.01?10mm，層高為1 μm?10mm ;打印時(shí)所述噴頭移動(dòng)速度為1?1500mm/so
[0018]所述的分散劑為氨水、四甲基氫氧化銨、檸檬酸鹽、聚丙烯酸鹽、六磷偏酸鈉、聚醚酰亞胺、阿拉伯樹膠、三聚磷酸鈉、聚乙二醇、水玻璃、三乙醇胺、聚羧酸銨鹽、聚乙烯亞胺中的一種或幾種。
[0019]所述的消泡劑為正辛醇、正丁醇、磷酸三丁酯、烷基硅油、乙二醇中的一種。
[0020]所述的增塑劑為聚乙二醇、丙三醇中的一種。
[0021]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明首次將3D打印技術(shù)應(yīng)用于輕量化反射鏡坯體的制備，該方法不受輕量化反射鏡坯體的形狀和尺寸的限制，可以快速制備出精度高、相對(duì)密度高的坯體。無需模具，無需后續(xù)機(jī)械加工，結(jié)合塑性泥料以及具體工藝為輕量化反射鏡坯體的制備提供了新的工藝方法，大大降低了輕量化反射鏡坯體的生產(chǎn)周期、成本和難度，適用于無壓或有壓燒結(jié)，實(shí)現(xiàn)了輕量化反射鏡坯體的快速無模制造，為輕量化反射鏡坯體的成型提供了一種新的制備方法。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面用具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明，但本發(fā)明不僅局限于以下具體實(shí)施例。
[0023]實(shí)施例一
一種碳化硅反射鏡的3D打印制備方法，包括以下步驟: