中國建材總院在先進陶瓷3D打印方面取得新進展

來源：中國建材總院發(fā)布時間：2024年07月30日

摘要:

中國建材總院近日在先進陶瓷3D打印方面取得新進展。

中國建筑材料科學(xué)研究總院有限公司所屬山東工業(yè)陶瓷研究設(shè)計院有限公司（簡稱山東工陶院）先進陶瓷3D打印研究團隊，近日，在《Ceramics International》發(fā)表了題為“Digital light processing of high-strength Si3N4 ceramics: Role of particle grading on slurries curing and mechanical properties” (高強度氮化硅陶瓷的數(shù)字光處理:顆粒級配對漿料固化和力學(xué)性能的影響)的論文。

↓論文鏈接↓

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0272884224013440

據(jù)介紹，氮化硅(Si3N4)陶瓷由于出色的高溫機械性能、熱穩(wěn)定性、耐磨性、耐腐蝕性、自潤滑性以及其他多種卓越特性，在航空航天、電子、醫(yī)療、汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，使其成為最有前途的工程陶瓷之一。

然而，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，各領(lǐng)域?qū)i3N4陶瓷的綜合性能和結(jié)構(gòu)要求越來越高，整體化、結(jié)構(gòu)功能一體化的復(fù)雜結(jié)構(gòu)氮化硅陶瓷部件很難通過傳統(tǒng)模壓成型和機械加工制造。

與傳統(tǒng)的制造方法相比，增材制造（AM）技術(shù)突破了增材和減材制造的限制，具有加工步驟少、精度高、不依賴模具和夾具、能夠自由塑造復(fù)雜和不規(guī)則的樣品等優(yōu)點。

其中，數(shù)字光處理（DLP）作為一種基于光固化原理的3D打印技術(shù)脫穎而出。DLP為高性能、復(fù)雜形狀Si3N4陶瓷樣品的近凈尺寸成形提供了新的解決方案。然而，Si3N4陶瓷等深色粉體面臨著粉體吸光度過高、與光敏樹脂折射率差異大等問題，導(dǎo)致漿料的固化厚度大幅降低。

在這項工作中，山東工陶院研究了兩種不同粒徑Si3N4粉末的顆粒級配比例，獲得了具有優(yōu)化綜合性能的級配比例，成功解決了DLP打印Si3N4漿料的高粘度和低固化深度等一系列問題，并實現(xiàn)了復(fù)雜氮化硅陶瓷部件的制備。

研究成果：

1.隨著陶瓷粉體粒徑越大，漿料粘度越小，流動性越好，但是越大的粉體粒徑存在明顯的沉降問題，通過顆粒級配有效改善了大顆粒粉體配制的漿料容易沉降的問題，得到了高流動性、低粘度的氮化硅陶瓷漿料，有助于實現(xiàn)更高質(zhì)量、更均勻穩(wěn)定的DLP打印，如圖1、圖2。

圖1 不同級配比例漿料的流變性能曲線

圖2 不同級配比例漿料的固化性能曲線

2.通過熱重分析建立適宜的脫脂和燒結(jié)制度，對不同級配比例的樣品進行脫脂燒結(jié)，得到致密化燒結(jié)的氮化硅陶瓷。

3.當(dāng)粉體級配比例為細：粗=7：3時，所獲得的漿料粘度為5.4 Pa·s，固化厚度為43 μm，燒結(jié)后密度為3.06 g/cm²，相對密度為95.63%，抗彎強度達到679 MPa，彈性模量278 GPa，維氏硬度12.8 Hv，斷裂韌性7.12 MPa·m½，較單一粗粉體性能提升均20%以上，如圖3、圖4

4.在優(yōu)化級配比例下，完成了復(fù)雜形狀氮化硅陶瓷葉輪縮比部件的光固化3D打印成型和燒結(jié)制備，如圖5。

圖3 不同級配粉體樣品燒結(jié)后的密度、相對密度及孔隙率

圖4 不同級配比例樣品燒結(jié)后的力學(xué)性能

圖5 氮化硅陶瓷葉輪縮比樣件

主要創(chuàng)新點：

本研究聚焦于氮化硅陶瓷粉末的顆粒級配，探討不同比例對漿料的流變性能、固化特性以及燒結(jié)體性能的影響。當(dāng)細/粗粉末的比例為7:3時，固體含量為45vol%的氮化硅漿料在剪切速率為30s-1時的粘度為5.4 Pa·s，固化厚度為42 μm（288 mJ/cm²）。所得到的燒結(jié)體的抗彎強度為679 MPa，與單一粗粉末樣品相比增加了26.92%。此外，利用DLP技術(shù)成功制造了適用于高溫熔體輸送的復(fù)雜形狀的氮化硅葉輪。

責(zé)任編輯:褚贊贊

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