一种孔隙渐变可控的多孔陶瓷过滤器及其制备方法
技术领域
本发明涉及多孔陶瓷技术领域，特别是一种孔隙渐变可控的多孔陶瓷过滤器及其制备方法。
背景技术
在金属浇铸领域，金属液中的杂质对金属铸件的力学性能、机械性能等各项性能有着重要影响。为了获得高性能要求的金属铸件，必须想方设法降低金属液中杂质的含量。因此，随着人们对铸件产品性能要求的日益提高，如何去除金属液中的杂质受到越来越多的学者的关注与研究。
在诸多去除杂质的方法中，多孔陶瓷过滤器由于具有过滤面积大，抗热震稳定性、化学稳定性和抗金属冲刷以及过滤效率高的特点，因此在金属熔体过滤净化技术中，作为一种新型高效过滤器，得到了人们的重视，目前已被广泛应用于金属液净化过滤领域。多孔陶瓷按照孔隙结构还可细分为粒状陶瓷烧结体、泡沫陶瓷和蜂窝陶瓷，且以后两种应用居多。
泡沫陶瓷过滤器虽然具有较好的过滤效果，但其高温强度低、抗冲击性能差，高温下金属液的长时间冲击可能会使结构破损进入金属液中导致二次污染；另外，其孔隙不均匀无法充分发挥每个过滤孔的过滤作用；再者，泡沫陶瓷中存在不连通的孔，会造成金属液残留。这些缺陷限制了其在金属铸造领域的广泛应用。
相对于泡沫陶瓷，蜂窝陶瓷具有很高的耐热冲击和耐高烧铸温度的特性，其直孔式的设计保证了流量和强度间的平衡，可以对金属液进行有效过滤。然而，直孔式的设计限制了过滤杂质的大小。微孔直径设计过大时，只能过滤粒径较大的杂质颗粒，粒径较小的杂质颗粒将从微孔逃逸；当直径过小时，较大的杂质颗粒很快将孔道堵塞，大大降低了过滤的效果。另外，其较为简单的孔型设计改变杂质颗粒运动轨迹的能力有限，这导致其对夹杂物的去除率不高。
发明内容
本发明的第一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种孔隙渐变可控的多孔陶瓷过滤器，该过滤器可实现分级过滤、不易堵塞且抗冲刷。
本发明的第二目的在于提供一种孔隙渐变可控的多孔陶瓷过滤器制备方法，该方法可快速、精确地制成孔隙渐变可控的多孔陶瓷过滤器。
本发明的第一目的通过下述技术方案实现：一种孔隙渐变可控的多孔陶瓷过滤器，包括多孔陶瓷过滤器外壁和位于多孔陶瓷过滤器外壁内的多孔陶瓷变梯度桁架过滤结构，变梯度桁架过滤结构分为多个层级，每一层级的桁架过滤结构由多个双倒金字塔单元支柱结构组成，下一层级的双倒金字塔单元支柱结构体积小于上一层级的双倒金字塔单元支柱结构体积，并且多个下一层级双倒金字塔单元支柱结构连接并支撑同一个上一层级双倒金字塔单元支柱结构；
每个双倒金字塔单元支柱结构的端点作为桁架过滤结构的节点，每层级的节点分布密度按照自上而下的层级顺序逐渐增加，每层级对应的三维孔洞体积按照自上而下的层级顺序逐渐缩小。
优选的，双倒金字塔单元支柱结构由四根桁架杆构成，四根桁架杆按照立方体的空间对角线设置并呈圆周阵列分布，每根桁架杆倾角不大于45°；四根桁架杆互为相交关系，且在每一根桁架杆的三分之一长度位置存在唯一结点。
优选的，每个双倒金字塔单元支柱结构通过节点连接同层级中相邻的双倒金字塔单元支柱结构；除最下层级桁架过滤结构外，在任一层级的桁架过滤结构中，每个双倒金字塔单元支柱结构的各下端节点均连接着四个属于下一层级的双倒金字塔单元支柱结构的上端节点。
优选的，多孔陶瓷过滤器在最下层的桁架过滤结构下方还设有四边形桁架结构，四边形桁架结构具有多个四边形桁架结构单元，最下层级桁架过滤结构的多个下端节点通过四边形桁架结构单元进行连接。
更进一步的，多个四边形桁架结构单元呈二维阵列排布，每一层级的双倒金字塔单元支柱结构呈二维阵列排布。
更进一步的，多孔陶瓷过滤器由光敏树脂-陶瓷粉末混合浆料制成，过滤器外壁、多孔陶瓷变梯度桁架过滤结构和四边形桁架结构通过3D打印的方式一体成型。
优选的，每层级的桁架过滤结构体积自上而下呈几何倍数关系逐渐减小，每层级的节点密度自上而下呈相同的几何倍数关系逐渐增加。
更进一步的，变梯度桁架过滤结构总层级数为至少三层；下一层级的双倒金字塔单元支柱结构体积通过三维等轴缩小为上一层级双倒金字塔单元支柱结构体积的八分之一，下一层级的节点密度为上一层级的节点密度的八倍。
本发明的第二目的通过下述技术方案实现：一种孔隙渐变可控的多孔陶瓷过滤器制备方法，所述方法适用于可参数化设计的变梯度桁架过滤结构的精确、快速打印，包括以下步骤：
S1、根据实际使用需求，利用设计软件设计出双倒金字塔单元支柱结构的三维模型，再按照二维阵列的排布方式构建出一层桁架过滤结构；
S2、将该层桁架过滤结构体积缩小，再按照二维阵列的排布方式构建出下一层桁架过滤结构；
S3、根据实际过滤需求，重复步骤S2操作来增加桁架层数，从而构建出变梯度桁架过滤结构三维模型；
S4、针对变梯度桁架过滤结构的最下层桁架过滤结构，通过四边形桁架将最下层桁架过滤结构的下端进行连接，使变梯度桁架过滤结构进一步增强；
S5、根据实际使用要求，建立过滤器外壁三维模型，并与变梯度桁架过滤结构三维模型组合，从而建立出孔隙渐变可控的多孔过滤器三维模型；
S6、将多孔过滤器模型保存为STL格式，运用切片软件对多孔过滤器三维模型进行切片处理，得到多孔结构切片文件；
S7、根据使用强度、耐热性、微观孔隙率这些实际需求制备出适用于3D打印的陶瓷浆料；
S8、将多孔结构切片文件导入3D打印机中，结合步骤S7获得的陶瓷浆料进行逐层打印，获得多孔陶瓷过滤器素坯；
S9、将步骤S8打印的多孔陶瓷过滤器素坯进行清洗、干燥、脱脂、烧结，得到最终的孔隙渐变可控的多孔陶瓷过滤器。
优选的，设计软件包括但不限于Rhino、solidworks、UG；
3D打印方法包括但不限于数字光处理陶瓷3D打印方法、激光选区烧结陶瓷3D打印、激光选区熔化陶瓷3D打印、立体光刻技术陶瓷3D打印；
适用于3D打印的陶瓷浆料采用氧化铝陶瓷与光敏树脂充分混合后的复合浆料。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明多孔陶瓷过滤器采用变梯度桁架过滤结构，层级的节点分布密度按照自上而下的层级顺序逐渐增加，每层级对应的三维孔洞体积也自上而下逐渐缩小，从而实现多孔过滤器的孔隙变化，达到分级过滤的目的。其中，第一层桁架过滤结构形成的孔径较大，可用来过滤较大杂质颗粒，随着每一层级中的节点密度自上而下渐变增加，过滤的杂质颗粒大小也逐级递减，因此能够过滤多种孔径大小杂质颗粒，弥补了传统多孔陶瓷过滤器过滤杂质颗粒直径受限的缺陷。
(2)本发明多孔陶瓷过滤器不易堵塞。每一级由双倒金字塔单元支柱结构构成的桁架过滤结构能过滤对应体积大小的杂质颗粒，较大体积杂质颗粒被吸附在上一级过滤结构，较小体积杂质颗粒在往下的层级被吸附，因此根据所含杂质颗粒合理设计过滤孔径分布范围及梯度大小，就能在有效过滤的同时防止堵塞。
(3)本发明在变梯度桁架过滤结构设计中，下一级双倒金字塔单元支柱结构为上一级双倒金字塔单元支柱结构提供支撑，由此强化了过滤结构的支撑强度，有效提高了过滤器的抗金属液冲击能力。
(4)本发明通过3D打印方法制备孔隙渐变可控的多孔陶瓷过滤器，既能确保成型结构的体积精度，保障了过滤器的优良性能，又能实现快速打印，节约成本，有利于推广。
附图说明
图1为本发明孔隙渐变可控的多孔陶瓷过滤器从底面朝下时的轴测图。
图2为图1多孔陶瓷过滤器的仰视图。
图3为图1多孔陶瓷过滤器从底面朝上时的轴测图。
图4为图1多孔陶瓷过滤器的俯视图。
图5为图1多孔陶瓷过滤器的剖视图。
图6为双倒金字塔单元支柱结构的轴测图。
图7为双倒金字塔单元支柱结构的正视图。
图8为四边形桁架结构的轴测图。
图9为本发明孔隙渐变可控的多孔陶瓷过滤器制备方法的流程图。
其中，1-双倒金字塔单元支柱结构；11-第一层级中的一个双倒金字塔单元支柱结构；12-第二层级中的一个双倒金字塔单元支柱结构；2-双倒金字塔单元支柱结构中的唯一结点；21-第一层级中一个双倒金字塔单元支柱结构的四根桁架杆相交的结点；3-节点；4-四边形桁架结构；41-四边形桁架结构单元；5-过滤器外壁。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本实施例公开了一种孔隙渐变可控的多孔陶瓷过滤器，如图1～图4所示，多孔陶瓷过滤器包括多孔陶瓷过滤器外壁5和位于多孔陶瓷过滤器外壁内的多孔陶瓷变梯度桁架过滤结构。
如图5所示，变梯度桁架过滤结构分为多个层级，在本实施例中，变梯度桁架过滤结构总层级数可设为至少三层。每一层级的桁架过滤结构由多个双倒金字塔单元支柱结构1组成，每一层级的双倒金字塔单元支柱结构呈二维阵列排布。
如图6和图7所示，双倒金字塔单元支柱结构由四根桁架杆构成，四根桁架杆按照立方体的空间对角线设置并呈圆周阵列分布，每根桁架杆倾角不大于45°，在3D打印时无需添加额外支撑与支撑去除工序。四根桁架杆互为相交关系，且在每一根桁架杆的三分之一长度位置存在唯一结点2。例如图1、图2和图5中，第一层级双倒金字塔单元支柱结构11中四根桁架杆相交于结点21。
如图5所示，下一层级的双倒金字塔单元支柱结构体积小于上一层级的双倒金字塔单元支柱结构体积。每个双倒金字塔单元支柱结构的端点作为桁架过滤结构的节点3，每个双倒金字塔单元支柱结构通过节点连接同层级中相邻的双倒金字塔单元支柱结构。每层级的节点分布密度按照自上而下的层级顺序逐渐增加，每层级对应的三维孔洞体积按照自上而下的层级顺序逐渐缩小，从而实现多孔过滤器的孔隙变化来达到分级过滤。
在本实施例中，每层级的桁架过滤结构体积自上而下呈几何倍数关系逐渐减小，每层级的节点密度自上而下呈相同的几何倍数关系逐渐增加，例如，下一层级的双倒金字塔单元支柱结构体积通过三维等轴缩小为上一层级双倒金字塔单元支柱结构体积的八分之一，对应的，下一层级的节点密度为上一层级的节点密度的八倍。
多个下一层级双倒金字塔单元支柱结构连接并支撑同一个上一层级双倒金字塔单元支柱结构，具体来说，除最下层级桁架过滤结构外，在任一层级的桁架过滤结构中，每个双倒金字塔单元支柱结构的各下端节点均连接着四个属于下一层级的双倒金字塔单元支柱结构的上端节点，例如第二层级双倒金字塔单元支柱结构12通过节点3为第一层级双倒金字塔单元支柱结构11提供支撑。
如图3、图4和图5所示，多孔陶瓷过滤器在最下层的桁架过滤结构下方还设有四边形桁架结构4，四边形桁架结构具有多个四边形桁架结构单元41，四边形桁架结构单元可参见图8。多个四边形桁架结构单元呈二维阵列排布。最下层级桁架过滤结构的多个下端节点通过四边形桁架结构单元进行连接，用以保证最下层级桁架过滤结构的结构强度。
上述多孔陶瓷过滤器可由光敏树脂-陶瓷粉末混合浆料比如氧化铝陶瓷与光敏树脂复合浆料制成，过滤器外壁、多孔陶瓷变梯度桁架过滤结构和四边形桁架结构可通过3D打印的方式一体成型。
实施例2
本实施例公开了一种孔隙渐变可控的多孔陶瓷过滤器制备方法，该方法适用于可参数化设计的变梯度桁架过滤结构的精确、快速打印，制备出实施例1中的多孔陶瓷过滤器，如图9所示，步骤如下：
S1、根据实际使用需求，利用Rhino设计软件设计出双倒金字塔单元支柱结构的三维模型，再按照二维阵列的排布方式构建出一层桁架过滤结构；当然，在其他实施例中，也可以采用其他设计软件比如solidworks、UG；
S2、将该层桁架过滤结构体积缩小，本实施例的该层桁架过滤结构体积具体是通过三维等轴缩小为原体积的八分之一，再按照二维阵列的排布方式构建出下一层桁架过滤结构；
S3、根据实际过滤需求，重复步骤S2操作来增加桁架层数，从而构建出变梯度桁架过滤结构三维模型；如图5所示，本实施例总桁架层数为四层；
S4、针对变梯度桁架过滤结构的最下层桁架过滤结构，通过呈二维阵列排布的四边形桁架将最下层桁架过滤结构的下端进行连接，使变梯度桁架过滤结构进一步增强；
S5、根据实际使用要求，建立过滤器外壁三维模型，并通过布尔运算、组合等方法将过滤器外壁三维模型与变梯度桁架过滤结构三维模型组合，从而建立出孔隙渐变可控的多孔过滤器三维模型；
S6、将多孔过滤器模型保存为STL格式，运用切片软件对多孔过滤器三维模型进行切片处理，得到多孔结构切片文件；
S7、根据使用强度、耐热性、微观孔隙率等实际需求制备出适用于3D打印的陶瓷浆料；
S8、将多孔结构切片文件导入3D打印机中，结合步骤S7获得的陶瓷浆料进行逐层打印，获得多孔陶瓷过滤器素坯；
S9、将步骤S8打印的多孔陶瓷过滤器素坯进行清洗、干燥、脱脂、烧结，得到最终的孔隙渐变可控的多孔陶瓷过滤器。
这里，适用于3D打印的陶瓷浆料采用的是氧化铝陶瓷与光敏树脂充分混合后的复合浆料。3D打印采用数字光处理陶瓷3D打印方法，当然，在其他实施例中，也可以采用其他3D打印方法比如激光选区烧结陶瓷3D打印、激光选区熔化陶瓷3D打印、立体光刻技术陶瓷3D打印。
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。
