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【解析】陶瓷部件3D打印技术的研究进展

发布者:老铁 发布时间:2017-09-04 15:46 阅读: 次 【字体:

  龙8娱乐(唯一)官网陶瓷材料脆性大,硬度高,容易正在加工过程中发生缺陷,而三维收集陶瓷/金属复合材料对陶瓷骨架的建立有更大的要求,要求陶瓷骨架具有大量孔洞,正在空间上三维连通,导致其成型工艺远较通俗陶瓷复杂。目前的无机泡沫前驱体浸渍工艺、溶胶-凝胶工艺、发泡工艺、颗粒堆积工艺、添加制孔剂工艺等收集陶瓷制备工艺具有工艺复杂、难度大、周期长、成本高档晦气要素,障碍了陶瓷/金属复合材料的大规模工业化使用。因而,若何按照材料的机能要求,开辟出合适的陶瓷骨架布局以及相关的制备工艺是三维收集陶瓷/金属复合材料研究的沉点。

  取保守的制制手艺比拟,3D打印手艺的制制速度更快,并可间接制制出肆意复杂外形的部件,常有使用前景并合适将来手艺成长趋向的制制手艺,遭到国表里良多学者的关心。目前,3D打印手艺已正在高、金属材料范畴获得较好的使用和成长,正在陶瓷材料范畴也不竭取得一些手艺冲破。20世纪90年代中期,研究者们就起头测验考试通过3D打印手艺成型陶瓷部件,目前已取得显著的研究进展。

  3D打印手艺正在制制陶瓷/金属复合材料的陶瓷骨架(收集布局、多孔布局)方面具有很大劣势,3D打印手艺不依赖复杂模具和机械加工,并可按照材料分歧的机能要求,开辟出分歧布局的陶瓷骨架,这将使陶瓷/金属复合材料范畴发生庞大变化。目前曾经贸易化的3D打印手艺多达几十种,比力常见的陶瓷部件的3D打印成型工艺有:熔融堆积陶瓷成型、激光烧结覆膜陶瓷粉的激光烧结成型、紫外光固化光敏树脂基陶瓷浆料的立体光刻成型、无机粘结剂粘接陶瓷粉末的三维打印成型、热压粘接陶瓷薄膜材料的分层实体成型、喷墨打印成型手艺等工艺。本文次要阐述了陶瓷部件的3D打印成型工艺的手艺道理和特点,并对此中涉及的环节手艺进行了综述。

  熔融堆积成型手艺(简称FDC)由熔融堆积成型手艺成长而来,最早由美国Argonne国度尝试室和Rutgers大学研发。该工艺将无机粘结剂取陶瓷粉体夹杂,经毛细管流变仪或挤出机做成丝后,正在计较机的节制下,将复合细丝正在稍高于其熔点的温度下熔化,获得陶瓷件生坯,通过脱脂处置去除坯体中的高黏结剂后,正在合适的高温前提下获得陶瓷烧成部件。合用于FDC工艺的材料须具备必然的热机能和机械机能,强度、连系机能、粘度、弹性模量是权衡该工艺材料的四个要素。

  1996年,美国陶瓷研究核心的Agrarwala等初次采用FDC工艺制制Si3N4零件,所成型的Si3N4坯体的相对密度为53%,制成的陶瓷坯体含有较多高黏结剂,经两次脱脂处置后,烧结的Si3N4部件的密度达到98%,抗弯强度为(824±110)MPa。取等静压成型工艺比拟,熔融堆积成型手艺所制得的Si3N4坯体收缩存正在各向同性,线收缩率正在X、Y标的目的上为16.6%±1.3%,正在Z标的目的上为19.3%±1.6%,但烧结密度和强度相差不大。

  Bandyopadhyay等采用熔融二氧化硅取聚丙烯(聚丙烯)为根本的热塑性粘结剂夹杂,操纵熔融堆积法成型熔融石英陶瓷预制体,陶瓷坯件颠末脱脂和烧结后,再采用无压浸渗的方式正在1150℃将熔融Al熔液浸渗到陶瓷预制体中,用以制制Al2O3-SiO2-Al陶瓷/金属复合材料,复合材料的抗压强度达到(689±95)MPa。熔融堆积成型手艺的不脚之处是细小布局件的层积不敷切确,制成的陶瓷坯体因黏结剂难以除尽,导致其正在后续烧结时易发生鼓泡、变形及开裂等缺陷

  激光烧结成型(简称为SLS)手艺1986年由美国Texas大学Austin分校的Deckard最早提出,美国3Dsystems公司、EOS公司随后接踵开辟出基于SLS手艺的成型系统。SLS手艺以堆积正在平台上的粉末为原料,通过计较机节制激光束扫描特定区域内的粉末,使粉末受热熔融黏结固化,扫描完毕后添加新一层粉料,然后继续反复上述步调,逐层叠加最终构成三维制件。对于塑料成品,激光可完全熔化高粉末,从而获得最终的成型件。而陶瓷材料的烧结温度很高,难以用激光间接烧结,通们将难熔的陶瓷粉体包覆上高粘结剂,通过激光溶融粘结剂粘接各层,从而获得陶瓷生坯,然后操纵脱脂去除粘结剂及烧结,最终获得陶瓷部件。

  1995年,美国的Subramanian等率先操纵SLS手艺制备出陶瓷零件,他正在氧化铝粉末中插手体积百分比20%~40%的高粘接剂,对夹杂后的粉末进行SLS成型,坯体经低温处置脱去黏结剂后,正在1600℃下进行高温烧结,获得相对密度为50%、弯曲强度为8MPa的氧化铝陶瓷。英国的TobyGill等将尼龙粉末和SiC粉末按照1∶1的体积比夹杂,获得孔隙率跨越45%、拉伸强度为5MPa的SiC部件。

  Shahzad等以聚合物包覆Al2O3粉末进行SLS成型陶瓷坯体,所获得的陶瓷件坯体密度为理论密度的29%~34%,该坯体经低温处置脱去黏结剂后,正在1600℃下进行高温烧结,获得相对密度为39%的Al2O3陶瓷。为了获得致密化烧结,Shahzad将坯体正在135℃、64MPa的下进行5min热等静压处置,从而将坯体密度提高至83%,烧结后陶瓷部件的密度也有所提高,达到理论密度的88%,抗弯强度为(148±22)MPa,烧结后Al2O3陶瓷的体积收缩率为62%。JanWilkes等间接操纵激光熔化制制完全致密的陶瓷部件(图2),通过聚焦激光束正在1600℃熔化ZrO2/Al2O3夹杂粉末,不颠末任何烧结或后处置工艺间接成型陶瓷部件,制制的陶瓷部件几乎完全致密,没有裂纹发生,抗弯强度跨越500MPa。

  立体光刻成型(简称为SLA)手艺是操纵紫外光固化一种对紫外光很是的液态树脂材料的手艺,最早由CharlesHull于1984年提出,随后3DSystems公司将其设法为现实,实现了SLA手艺的贸易化。SLA最后用于高材料成型,之后才用于陶瓷材料的成型。正在制备陶瓷零件时,起首将陶瓷粉取光固化树脂平均夹杂,获得高固相含量、低粘度的陶瓷料浆,然后节制紫外光选择性映照料浆概况,使得含有陶瓷粉的料浆光聚合,构成高聚合体连系的陶瓷坯体,再颠末脱脂取烧结,获得所需的陶瓷部件。

  1996年,Griffith等初次操纵SLA手艺制制陶瓷部件,别离釆用SiO2、Al2O3、Si3N4三种陶瓷粉体取光敏树脂平均夹杂,获得固相含量为40%~55%的料浆,然后通过光固化的体例成型陶瓷坯体,氧化铝陶瓷经600℃脱脂处置后,正在1550℃高温烧结,获得密度接近理论密度,平均晶粒尺寸约为1.5μm,层间界面不较着的陶瓷。Hinzewski等研究了分离剂和稀释剂对陶瓷-光固化树脂料浆流变性的影响,并获得固相含量为53%的浆料,烧结后氧化铝陶瓷部件的相对密度为90.5%。

  山东工业陶瓷研究设想院通过调整光固化树脂、分离剂、防沉剂、石英粉体间的比例,获得固相含量高达70vol%的陶瓷浆料,然后采用光固化成型体例打印出石英陶瓷坯体,1200℃烧结后石英陶瓷部件的密度为1.65g/cm3(图3),抗压强度达到20MPa。正在贸易化使用方面,奥地利Lithoz公司开辟了基于光刻的陶瓷制制手艺,制制了首款可打印高精度、高纯度陶瓷零部件的三。维打印机--CeraFab7500,该设备可打印四点弯曲强度别离达430MPa和650MPa的高纯氧化铝、氧化锆陶瓷件。

  三维打印成型(简称为3DP)手艺是一种操纵微滴喷射手艺的制制方式,次要由美国麻省理工学院和Soligen公司开辟。3DP手艺根据计较机输出的消息,通过打印头喷射粘结剂将粉体层层堆积成最终产品。该手艺可用于成型陶瓷、金属、陶瓷/金属复合材料及高材料,所用的粘结剂有硅溶胶、高粘结剂等。

  3DP手艺成型的陶瓷坯体由松散的粉末粘结正在一路,密度比力低很难间接烧结,一般采用后处置工艺使其致密化烧结。1993年,Yoo等最早采用3DP的方式成型陶瓷坯体,成型后陶瓷坯体的相对密度只要33%~36%,通过对陶瓷坯体进行等静压处置,可获得致密度达到99.2%的氧化铝陶瓷件,其抗弯强度为324MPa。翁做海等以硅粉为原料、糊精为粘结剂制备了多孔氮化硅陶瓷,该工艺起首采用3DP手艺制备出多孔硅坯体,然后经氮化烧结处置后,获得了孔隙率高达74%、抗弯强度为5.1MPa的多孔氮化硅陶瓷,烧结后陶瓷件的线%。

  美国麻省理工学院Teng等采用3DP手艺制备了ZTA陶瓷件,通过将ZrO2颗粒选择性添加到Al2O3的基体上,获得成分梯度变化的试样,烧结后t-ZTA陶瓷的抗弯强度为670MPa,断裂韧性为4MPa·m1/2,陶瓷部件的机能取保守方式制得的ZTA陶瓷机能雷同。W.Sun等采用3DP手艺制备的Ti3SiC2陶瓷件孔隙率高达50%~60%,但连系冷等静压和烧结工艺,可获得相对密度达99%的Ti3SiC2陶瓷件。NahumTravitzky等以氧化铝为原料、糊精为粘结剂,采用3DP手艺制备了多孔氧化铝预制体(图4),陶瓷的孔隙率可通过调整浆料的固相含量节制,料浆的固相含量为33vol%~44vol%时,成型坯体弯曲强度的范畴为4~55MPa,1600烧结后氧化铝陶瓷的收缩率为17%,通过对烧结后坯体取Cu-O合金正在1300℃进行浸渗处置,复合材料的断裂韧性可达到(5.5±0.3)MPa·m1/2,弯曲强度为(236±32)MPa。

  分层实体成型(简称为LOM)手艺是美国的LonePeakEngineering公司、Helisys公司开辟并实现贸易化运做。该工艺操纵激光或刀具切割塑料薄膜、薄层纸、金属薄板或陶瓷薄片等片材,通过热压或粘结剂加热体例层层粘接,叠加获得三维实体零件。1994年,LonePeak公司的Griffin等最早采用LOM手艺制制Al2O3陶瓷部件,并获得抗弯强度约为311MPa机能较高的陶瓷部件,取干压成型获得的陶瓷部件的抗弯强度(325MPa)雷同。

  Griffin等还对ZrO2/Al2O3复合材料的LOM手艺进行了研究,烧结后获得强度为570~688MPa,断裂韧性约为10MPa·m1/2的复合材料。Zhang等采用Al2O3取聚合物粘结剂夹杂制成LOM用陶瓷薄片,240℃脱去粘结剂后,正在1580℃高温下进行烧结,获得孔隙率为2.9%、抗弯强度为228MPa的陶瓷件。Klosterman等采用双峰碳化硅粉体、炭黑和石墨粉末取高粘合剂系统夹杂制成陶瓷薄片,操纵LOM手艺制制了SiC陶瓷部件(图5),切磋了SiC陶瓷间的界面问题,获得了四点弯曲强度为(169±43)MPa的陶瓷件。

  喷墨打印成型(简称为IJP)手艺是从三维打印成型手艺成长而来,该手艺将陶瓷粉体取各类无机物和溶剂配制成陶瓷墨水,通过计较机指令将陶瓷墨水逐层喷打到平台上,构成所需外形和尺寸的陶瓷坯体。陶瓷墨水的配制是喷墨打印手艺的环节,要求陶瓷粉体正在墨水中具有优良的平均分离度,合适的概况张力、黏度及电导率,较快的干燥速度和较高的固相含量。陶瓷墨水的固相含量偏低是IJP手艺的一个次要问题,陶瓷墨水的固相含量凡是只要5%。

  英国的布鲁诺大学和国内都正在这方面进行了深切研究,将陶瓷墨水的固相含量由最后的3vol%提高到15vol%。Seerden等采用白腊做为介质插手到氧化铝粉体后,墨水的固相含量可达到体积分数20%,并获得较为致密的烧结体,但存正在粘度太大、喷射坚苦等问题。Cappi等采用IJP手艺制制了氮化硅陶瓷齿轮素坯,其密度为3.18g/cm3,抗压强度为600MPa,断裂韧性为4.4MPa·m1/2,所获得的陶瓷部件的机能取通过保守干法成型制得的陶瓷机能相当。康奈尔大学Larson等发觉,通过调整SiC胶体和聚硼硅氧烷夹杂墨水的比率,可调整碳化硅布局的密度,夹杂墨水正在1800℃烧结后可改变为碳化硅陶瓷部件(图6),其相对密度为48.9%时,抗弯强度达到70.4MPa。

  3D打印手艺的呈现了保守的制制模式,正在复杂布局、一体化制制、降低成本和缩短研制周期等方面极具潜力,正在全世界范畴内惹起了普遍的关心和注沉。目前已开辟出多种适合陶瓷零件的3D打印成型工艺如熔融堆积陶瓷成型、激光烧结覆膜陶瓷粉的激光烧结成型、紫外光固化光敏树脂基陶瓷浆料的立体光刻成型、热压粘接陶瓷薄膜材料的分层实体成型、无机粘结剂粘接陶瓷粉末的三维打印成型、喷墨打印成型手艺等工艺,并正在材料成型方面取得了很大的研究进展。可是,仍有很多不脚之处需要完美,成型材料的机能和密度还不太抱负,凡是需要颠末繁琐的后处置工艺来改善陶瓷部件的致密度,陶瓷部件的精度和质量也不克不及满脚现实需要,离实现大规模财产化、工程化使用还有必然距离。将来需要继续提拔3D打印的精度、效率和速度,开辟多材料、大尺寸物件打印的工艺方式,提高陶瓷件的力学、概况质量和物能,以实现面向产物的间接制制。

  做者:李伶,高怯,王沉海,王洪升,张萍萍,赵小玻,宋涛,王营营,丁慎亮(山东工业陶瓷研究设想院无限公司)

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