3d打印在封接玻璃預(yù)制件制備中的應(yīng)用

1玻璃造粒粉預(yù)制件的選擇3d打印以材料為層疊加，而不需要任何外殼。這可以簡(jiǎn)化工藝過(guò)程，縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。封接玻璃是高可靠性光電器件實(shí)現(xiàn)絕緣氣密性封裝的基礎(chǔ)材料之一與普通玻璃相比,封接玻璃預(yù)制件沒(méi)有透明性和表面光澤度的要求,適合采用激光燒結(jié)工藝制備。本文提出以玻璃造粒粉和有機(jī)固化劑為原料,采用激光選擇性燒結(jié)和逐層鋪粉方法制備預(yù)成型體,而后通過(guò)排膠和加熱燒結(jié)使玻璃粉黏結(jié)成型而成為所需要的預(yù)制件。與目前3D打印技術(shù)所用的玻璃微珠相比,玻璃造粒粉的流動(dòng)性好,生產(chǎn)成本低,適用范圍廣,粒徑分布易于控制;造粒粉中還可以添加多種功能性填料,使玻璃具備不同的性能2實(shí)驗(yàn)2.1原材料選用SiO2.2玻璃預(yù)制件的制備、燒結(jié)、冷卻將上述玻璃粉末與黏結(jié)劑、水調(diào)制成漿料,在噴霧干燥塔中噴射成均勻的霧滴,霧滴經(jīng)熱風(fēng)干燥后形成球形造粒粉;將造粒粉與固化劑攪拌均勻,再經(jīng)多次過(guò)篩后成為均勻的混合物。實(shí)驗(yàn)所用激光燒結(jié)設(shè)備中CO將激光燒結(jié)所得的造粒粉預(yù)成型體放入馬弗爐中,按設(shè)定的升溫程序進(jìn)行排膠、燒結(jié),得到封接玻璃預(yù)制件;使用分析天平稱量預(yù)制件的質(zhì)量,采用顯微鏡測(cè)量預(yù)制件的外徑,取10個(gè)樣品的平均值作為質(zhì)量和外徑的最終結(jié)果;將玻璃粉末壓制、燒結(jié)后打磨成標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的條狀樣品,進(jìn)行熱膨脹系數(shù)測(cè)試,所用儀器為DIL402型熱膨脹儀;樣品噴金后用S4800型掃描電子顯微鏡觀察造粒粉的微觀形貌。3結(jié)果與討論3.1造粒粉固化材料的篩選實(shí)驗(yàn)所用玻璃的密度為2.52g/cmPEG黏結(jié)劑的軟化溫度為64℃,可在300℃以上完全分解、揮發(fā),適用于玻璃粉體的黏結(jié)。將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的PEG與玻璃粉調(diào)制成漿料,采用噴霧造粒方法得到顆粒圓滑、流動(dòng)性好的球形造粒粉,造粒粉的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像如圖2所示。通過(guò)篩分和噴霧工藝調(diào)節(jié)可控制造粒粉的粒徑分布。實(shí)驗(yàn)所用造粒粉全部通過(guò)120目篩網(wǎng)。將造粒粉直接用于激光燒結(jié)實(shí)驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn),PEG黏結(jié)劑的熔融溫度低,在較低功率激光作用下即可軟化變形,但PEG的塑性也較低,成型能力弱,不能將玻璃粉固化成所需形狀。因此,需要選擇軟化溫度較低、熱塑性較好的高分子聚合物作為固化劑。PS的玻璃化溫度T3.2激光燒結(jié)ps質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)預(yù)成型體成型的影響分別將不同含量的PS粉末摻入造粒粉中并多次過(guò)篩,使兩者均勻混合。在最大功率為55W的激光快速成型機(jī)上,選擇30%的輸出功率進(jìn)行激光選擇性燒結(jié)。每層鋪粉厚度0.2mm,通過(guò)逐層鋪粉制備高度為1.2~1.5mm、內(nèi)外徑不同的圓環(huán),激光燒結(jié)搭接率設(shè)定為40%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)PS質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于10%時(shí),激光燒結(jié)后的樣品松散,強(qiáng)度很低;當(dāng)PS質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于15%后,激光燒結(jié)所得預(yù)成型體開(kāi)始成為規(guī)則的形狀。這是由于PS粉末與造粒粉的結(jié)合方式為機(jī)械混合,激光燒結(jié)后,需要有足夠多的熔融PS包裹、黏結(jié)造粒粉,并在冷卻后固化成型。因此,造粒粉中PS固化劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)大于15%。當(dāng)PS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在20%以上時(shí),激光燒結(jié)的預(yù)成型體形狀趨于規(guī)則一致,如圖3所示。將預(yù)成型體置于20cm高度處,使其自由下落,落地后其外形仍保持完整,無(wú)開(kāi)裂變形。可見(jiàn),PS質(zhì)量分?jǐn)?shù)在20%以上時(shí)可使預(yù)成型體具備足夠的強(qiáng)度,能滿足運(yùn)輸、夾持的要求。對(duì)于內(nèi)外徑、厚度相似的預(yù)成型體,隨著PS加入量增加,預(yù)成型體的平均質(zhì)量增加,不同PS含量樣品的性能對(duì)比如表2所示。激光燒結(jié)后,預(yù)成型體的致密度隨著PS含量的增加而增大,因此相似尺寸的圓環(huán)質(zhì)量也隨之增加。3.3固化劑含量對(duì)造粒粉微觀結(jié)構(gòu)的影響影響封接玻璃預(yù)制件性能的關(guān)鍵因素是有機(jī)物的排除。玻璃粉末燒結(jié)軟化后,未分解揮發(fā)的有機(jī)物被包裹在玻璃體內(nèi)。加熱到封接溫度時(shí),殘留有機(jī)物在軟化的玻璃體內(nèi)發(fā)泡,降低了玻璃強(qiáng)度,導(dǎo)致封接失效。針對(duì)基礎(chǔ)玻璃和PEG、PS的特點(diǎn),制定了圖4所示的排膠、燒結(jié)曲線。激光燒結(jié)所得預(yù)成型體在350~450℃的排膠溫度下保溫30~100min,而后升溫至燒結(jié)溫度,使玻璃預(yù)制件充分致密化。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):造粒粉有較寬的排膠溫度范圍,隨著排膠溫度升高,保溫時(shí)間可相應(yīng)減少;在450℃的排膠溫度下保溫30min,可充分去除樣品中的PEG黏結(jié)劑和PS固化劑。不同PS含量燒結(jié)樣品的SEM圖像如圖5所示。經(jīng)排膠和燒結(jié)處理后,PS固化劑完全燒蝕,部分玻璃造粒粉仍保持球形,但表面熔融,相互黏結(jié),成為具有一定力學(xué)強(qiáng)度且較為致密的封接玻璃預(yù)制件。隨著PS加入量增加,預(yù)制件部分區(qū)域出現(xiàn)了較大的孔洞,這主要是由固化劑燒蝕后形成的,與固化劑顆粒的團(tuán)聚有關(guān)。對(duì)比表2中的數(shù)據(jù)可知,激光燒結(jié)后,不同PS含量預(yù)成型體的外徑變化不大,經(jīng)燒結(jié)工藝處理后,樣品外徑隨PS含量增加而增大,這也說(shuō)明過(guò)多的PS增加了預(yù)制件的氣孔率,影響了預(yù)制件的燒結(jié)收縮和致密化。因此,在激光選擇性燒結(jié)過(guò)程中,應(yīng)選擇合適的固化劑含量,并提高固化劑與造粒粉混合的均勻性,以減少燒結(jié)缺陷,提高預(yù)制件的質(zhì)量均勻性和尺寸一致性。激光選擇性燒結(jié)制備的封接玻璃預(yù)制件形貌如圖6所示,經(jīng)排膠、燒結(jié)工藝處理后,樣品仍保持激光燒結(jié)后的形狀。將預(yù)制件與可伐插針裝配,并在920℃下封接,預(yù)制件熔融成為致密的玻璃態(tài),與可伐插針緊密結(jié)合,無(wú)明顯的氣泡殘留。以上表明,采用激光選擇性燒結(jié)玻璃造粒粉和固化劑,可以得到實(shí)用的封接玻璃制品。這種方法不需要借助模具壓制成型,也不影響封接玻璃的性能,適合于預(yù)制件樣品的快速無(wú)模制備。目前存在的問(wèn)題主要是有機(jī)物用量較大,激光燒結(jié)成型后需要通過(guò)加熱排膠去除黏結(jié)劑和固化劑,從而導(dǎo)致預(yù)制件氣孔率較高,封裝過(guò)程中燒結(jié)收縮較大。在后續(xù)的研究中,可通過(guò)優(yōu)選黏結(jié)劑、固化劑的類型和混合方式來(lái)降低有機(jī)物的用量;同時(shí)優(yōu)化參數(shù)設(shè)置,以提高激光燒結(jié)樣品的致密度4固化劑的添加量對(duì)封接玻璃預(yù)制件生產(chǎn)質(zhì)量的影響以封接玻璃造粒粉和有機(jī)固化劑為原料,采用逐層鋪粉的激光選擇性燒結(jié)可以實(shí)現(xiàn)玻璃預(yù)制件的快速無(wú)模生產(chǎn)。制備造粒粉的黏結(jié)劑為PEG,用于激光燒結(jié)成型的固化劑為PS。在激光燒結(jié)過(guò)程中,PS固化劑的適宜添加量為20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。造粒粉與PS固化成型后,需要進(jìn)行排膠和加熱燒結(jié),以充分去除有機(jī)黏結(jié)劑和固化劑