《3D打印耐火漿料假塑性流動特征的檢測方法》 編制說明

1、3D打印耐火漿料假塑性流動特征的檢測方法CSTM團體標(biāo)準(zhǔn)編 制 說 明（征求意見稿）3D打印耐火漿料假塑性流動特征的檢測方法標(biāo)準(zhǔn)編制組二二一年五月一、工作簡況（一）任務(wù)來源和起草單位本標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)中國材料與試驗團體標(biāo)準(zhǔn)委員會（CSTM標(biāo)準(zhǔn)委員會）關(guān)于下達3D打印耐火漿料假塑性流動特征的檢測方法計劃編制，計劃編號為CSTM LX 0313 00215-2021,本標(biāo)準(zhǔn)由鄭州大學(xué)起草。（二）主要工作過程(1)2021.01-2021.02 用不同原料如Al2O3、SiO2、SiC混合分散劑和固化劑配置打印漿料，利用旋轉(zhuǎn)粘度計測得漿料在不同的剪切速率下的粘度，計算得到剪切變稀指數(shù)n;(2)2021.03

2、-2021.04 對配置好的漿料打印，總結(jié)打印過程中擠出流暢和坍塌的難易程度，總結(jié)剪切變稀與物料粘度的變化規(guī)律；(3)2021.04-2021.05 標(biāo)準(zhǔn)及其編制說明的編寫;(4)2021.05 標(biāo)準(zhǔn)審定意見匯總及修改，最終版本的確定。（三）標(biāo)準(zhǔn)制定的意義“十四五”規(guī)劃提出，要全面提高資源利用效率，堅持節(jié)能優(yōu)先方針，大力發(fā)展綠色經(jīng)濟，堅決遏制高耗能、高排放項目盲目發(fā)展。而傳統(tǒng)耐火材料在制備過程中所使用的煅燒、電熔等工藝在對生態(tài)環(huán)境造成污染的同時，往往耗費巨大的能源，無法滿足能源資源與環(huán)境的約束和日益嚴(yán)峻的全球性激烈競爭。3D打印耐火材料作為綠色耐火材料的一種，同時兼具成型速度快、精度高、周期短

3、、可無?？焖偕a(chǎn)等特點，已成為耐火材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向和研究熱點，具有廣闊的市場空間和行業(yè)前景。典型的陶瓷3D打印技術(shù)有三維打印成型技術(shù)、噴射打印成型技術(shù)、激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)、光固化快速成型技術(shù)、熔化沉積成型技術(shù)和疊層實體制造技術(shù)等。這些方法都能在不需要任何模具的條件下制備陶瓷構(gòu)件，并且各具優(yōu)勢，但也都存在著各自的局限性：三維打印成型技術(shù)主要針對能夠在粘結(jié)劑作用下良好交聯(lián)的粉末；噴射打印成型技術(shù)無法制備Z軸方向具有一定高度的多孔三維結(jié)構(gòu)；激光選區(qū)燒結(jié)成型技術(shù)的成型精度不高，并且需要激光輔助粘結(jié)；光固化快速成型技術(shù)所用的光敏樹脂可能有一定的毒性，易造成環(huán)境污染；熔化沉積成型工藝的成型精度較低，成型產(chǎn)

4、品種類有局限性；疊層實體制造技術(shù)的原料必須為薄片結(jié)構(gòu)，成型后產(chǎn)品的機械性能具有各向異性。而直寫成型技術(shù)能夠在不需要激光束或紫外光照射的條件下，無需加熱，室溫下通過擠出簡單的陶瓷原料就能成型出三維復(fù)雜形狀產(chǎn)品。由此可見，直寫成型是3D打印諸多方向中最具潛力的發(fā)展方向。直寫成型技術(shù)的成型原理是通過計算機輔助制造進行圖形的預(yù)先設(shè)計，在基板的可控位置上準(zhǔn)確沉積陶瓷漿料，反復(fù)疊加，最終得到三維立體結(jié)構(gòu)。當(dāng)耐火漿料受到擠出作用時，耐火漿料應(yīng)具備兩方面特性：一方面，隨著剪切力的增加，耐火漿料粘度急劇降低，漿料由凝膠向流體轉(zhuǎn)變，順利從針頭擠出；另一方面，擠出后隨著剪切力的減小，耐火漿料粘度急劇升高，耐火漿料能

5、夠立刻“凝固”而保持形狀不坍塌。因此，耐火漿料的假塑性流動特征是決定直寫成型技術(shù)能否成功的重要因素，其中粘度和剪切變稀效應(yīng)是關(guān)鍵。目前，國內(nèi)外還沒有任何一種標(biāo)準(zhǔn)方法，來測試3D打印耐火漿料的假塑性流動特征，尤其是有關(guān)耐火漿料粘度的測試。因此迫切需要建立一種相應(yīng)的測試標(biāo)準(zhǔn)，以引導(dǎo)和規(guī)范行業(yè)發(fā)展。二、標(biāo)準(zhǔn)編制原則和主要內(nèi)容（一）標(biāo)準(zhǔn)編制原則嚴(yán)格按照中關(guān)村材料試驗技術(shù)聯(lián)盟團體標(biāo)準(zhǔn)管理辦法中強調(diào)的編制原則開展本標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。標(biāo)準(zhǔn)編制將按照標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則 第一部分：標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)與編寫（GB/T 1.1-2009）；編制內(nèi)容上將突出科學(xué)、先進和易于操作等特點；試驗方法將兼容采用目前比較成熟、通用的試驗設(shè)備

6、和實驗方法，便于生產(chǎn)施工企業(yè)和質(zhì)檢機構(gòu)開展質(zhì)量控制。（二）標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容1.引用標(biāo)準(zhǔn)下列文件對于本文件的應(yīng)用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T 153572014 表面活性劑和洗滌劑 旋轉(zhuǎn)粘度計測定液體產(chǎn)品的黏度和流動性質(zhì)GB/T 17473.12008 微電子技術(shù)用貴金屬漿料測試方法 固體含量測定GB/T 53992004 紙漿漿料濃度的測定GB/T 172393 涂料粘度測定法GB/T 222352008 液體粘度的測定GB/T 26930.112014 原鋁生產(chǎn)用炭素材料 煤瀝青 第1

7、1部分:動態(tài)粘度的測定2.術(shù)語和定義2.1動力粘度 dynamic viscosity流體在一定剪切應(yīng)力下，一液層與另一液層做相對流動時內(nèi)摩擦力的量度,其值為加于流動液體的剪切應(yīng)力()和剪切速率(D)之比，用牛頓方程式可表示為: = D式中：動力粘度，單位為牛頓秒每平方米(Ns/m2)、毫牛頓秒每平方米(mNs/m2)和泊(P)、厘泊(cP)；剪切應(yīng)力，單位為帕斯卡(Pa)；D剪切速率，單位為每秒(/s)；其中：1 Pas = 103 mPas = 103 cP(厘泊) = 10 P(泊)；2.2表觀粘度a apparent viscosity非牛頓型液體在一定的剪切應(yīng)力和剪切速率下流動時的內(nèi)

8、摩擦特性,其數(shù)值是剪切速率的函數(shù),在剪切應(yīng)力-剪切速率關(guān)系中，曲線的斜率即為表觀粘度。2.3牛頓流體 newtonian liquids在所有剪切速率下,都顯示恒定粘度的流體，其粘度只與溫度有關(guān)，與剪切速率無關(guān)。2.4非牛頓流體 non-newtonian liquids隨剪切速率的變化乃至剪切時間不同,流體粘度會發(fā)生變化的流體。2.5剪切稀化 shear thinning在等溫可逆條件下，表觀粘度無滯后地隨剪切速率的增大而減小。2.6 假塑性流體 pseudoplasic fluid表觀粘度隨著剪切應(yīng)力或剪切速率的增大而減小的流體稱為假塑性流體。假塑性流體是非牛頓流體的一種，具有剪切稀化特征

9、，即流體的表觀粘度隨剪切速率的增加而減小。3.一般性說明耐火漿料的粘度在受剪切力作用下會隨著剪切速率的增大而減小，表現(xiàn)出剪切稀化的特征，這對于直寫成型3D打印的擠出和成型至關(guān)重要。一方面，隨著剪切力的增加，耐火漿料粘度急劇降低，漿料由凝膠向流體轉(zhuǎn)變，順利從針頭擠出；另一方面，擠出后隨著剪切力的減小，耐火漿料粘度急劇升高，耐火漿料能夠立刻“凝固”而保持形狀不坍塌。因此，本標(biāo)準(zhǔn)通過測定粘度與剪切速率的變化關(guān)系，根據(jù)假塑性流體模型得到剪切稀化指數(shù)，協(xié)助分析耐火漿料直寫成型的3D打印性能。本標(biāo)準(zhǔn)適用于采用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)GB/T 172393、GB/T 222352008和GB/T 153572014所述設(shè)備

10、、所述實驗步驟和得到的結(jié)果，按本標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果計算方法進行數(shù)據(jù)處理，得到的結(jié)果需要在報告上標(biāo)注上述測試條件。4.試驗方法4.1設(shè)備及輔助器具4.1.1旋轉(zhuǎn)粘度計旋轉(zhuǎn)粘度計轉(zhuǎn)速0.3100 rpm,測量范圍100 mPas1.3107 mPas,測量誤差5%。按照J(rèn)JG 1002的規(guī)定檢定和校準(zhǔn)粘度計。4.1.2恒溫器超級恒溫水浴要求溫控精度為0.2。4.1.3溫度計分刻度為0.1。4.1.4 玻璃燒杯300ml玻璃燒杯4.2樣品制備從均勻的實驗室樣品中取250ml漿料試樣裝入300ml玻璃燒杯中，在室溫下靜置24h以去除漿料中殘余的空氣氣泡，保證完全沒有空氣氣泡。4.3試驗步驟粘度測定應(yīng)在一個恒定

11、的溫度下進行，通過恒溫水浴調(diào)節(jié)試樣溫度至選定的試驗溫度(通常為25)；采用旋轉(zhuǎn)式粘度計，選擇合適的轉(zhuǎn)子使?jié){料的粘度在轉(zhuǎn)子量程內(nèi)；將安裝好的轉(zhuǎn)子浸在試樣中心,試樣液面與轉(zhuǎn)子液位標(biāo)線平齊；將熱電偶插入試樣中使其達到選定的試樣溫度，并保溫5 min；取出熱電偶，避免測定過程中的任何損壞；開始流變采樣，轉(zhuǎn)速選擇1100rpm，轉(zhuǎn)速間隔5 rpm，可測得20種不同轉(zhuǎn)速下的粘度和剪切應(yīng)力值，每個轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)20圈，取穩(wěn)定后的粘度值和剪切應(yīng)力值。4.4結(jié)果計算4.4.1數(shù)據(jù)處理以 = (D)、 = ()或D = ()的曲線形式表示。其中D為剪切速率，為剪切速率，為表觀粘度。運用3.7中假塑性流體模型對剪切應(yīng)力

12、-剪切速率分析擬合，可得到屈服應(yīng)力y以及剪切稀化指數(shù)n。4.4.2 修約標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值修約取三位有效位數(shù)，按GB/T 8170的規(guī)定進行修約。4.5試驗報告試驗報告應(yīng)當(dāng)包括下列內(nèi)容：識別樣品、實驗室和試驗日期所需的全部資料；引用標(biāo)準(zhǔn)；結(jié)果及其表示；使用的分析線；測定中發(fā)現(xiàn)的異?，F(xiàn)象；對結(jié)果可能已產(chǎn)生影響的本標(biāo)準(zhǔn)中未作規(guī)定的各種操作或任選的操作。三、主要試驗（或驗證）情況分析為了確保本標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容符合實際，對影響非牛頓流體粘度測試結(jié)果的參數(shù)進行驗證，主要如下：確認(rèn)測試方法 本標(biāo)準(zhǔn)適用于粘度測試適用于采用旋轉(zhuǎn)法測定的樣品，如果超過設(shè)備量程，建議采用其他方法進行測定。設(shè)備測試結(jié)果校正由于設(shè)備條件可能存在差別

13、，尤其是長期使用過程中設(shè)備的測試結(jié)果有可能誤差較大，因此，測試設(shè)備需要定期采用標(biāo)準(zhǔn)試樣進行校正。設(shè)備測試條件如果個別漿料在規(guī)定的剪切速率下測試數(shù)據(jù)波動太大，可以適當(dāng)調(diào)整選取的剪切速率，以利于測試結(jié)果更為準(zhǔn)確。樣品品質(zhì)保障漿料高度不得超過玻璃燒杯深度的90%，在室溫下靜置24h去除漿料中殘余的空氣氣泡，以保證樣品測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。本標(biāo)準(zhǔn)所涉及的旋轉(zhuǎn)粘度計、恒溫器和溫度計等需定期進行校驗。四、標(biāo)準(zhǔn)中如果涉及專利，應(yīng)有明確的知識產(chǎn)權(quán)說明本標(biāo)準(zhǔn)沒有涉及國內(nèi)外專利。五、采用國際標(biāo)準(zhǔn)或國外先進標(biāo)準(zhǔn)的情況，與國際、國外同類標(biāo)準(zhǔn)水平的對比情況，國內(nèi)外關(guān)鍵指標(biāo)對比分析或測試的國外樣品、樣機的相關(guān)數(shù)據(jù)對比情況本標(biāo)

14、準(zhǔn)在制定過程中， 沒有查閱到相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)或國外先進標(biāo)準(zhǔn)，因此沒有可參考的標(biāo)準(zhǔn)進行對比。六、與現(xiàn)行相關(guān)法律、法規(guī)、規(guī)章及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、特別是強制性標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào)性本標(biāo)準(zhǔn)在制定過程中，充分考慮到與現(xiàn)行非牛頓流體粘度測試方法相關(guān)法規(guī)、規(guī)章和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào)配套。在標(biāo)準(zhǔn)適用范圍、技術(shù)指標(biāo)、試驗方法和檢驗規(guī)則等方面保持了標(biāo)準(zhǔn)的獨立性、系統(tǒng)性和特色。主要包括：與液體粘度測定法（GB/T 222352008）及涂料粘度測定法（GB/T 172393）等相關(guān)法規(guī)、規(guī)章和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào)配套性： 本標(biāo)準(zhǔn)是在其粘度測試方法的基礎(chǔ)上進一步完善數(shù)據(jù)處理，以獲得更多3D打印耐火漿料假塑性流動特征的信息，確定材料的剪切變稀特征和使用壽命。七、重大分歧意見的處理經(jīng)過和依據(jù)本標(biāo)準(zhǔn)在制定過程中沒有重大分歧意見。八、標(biāo)準(zhǔn)性質(zhì)的建議說明本標(biāo)準(zhǔn)建議為推薦性標(biāo)準(zhǔn)。九、貫徹標(biāo)準(zhǔn)的要求和措施建議（包括組織措施、技術(shù)措施、過