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中國(guó)建材總院在先進(jìn)陶瓷3D打印方面取得新進(jìn)展 |
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| 來(lái)源：中國(guó)建材總院 發(fā)布時(shí)間：2024年07月30日 | |||
| 摘要:
中國(guó)建材總院近日在先進(jìn)陶瓷3D打印方面取得新進(jìn)展。 |
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中國(guó)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(jì)院有限公司（簡(jiǎn)稱山東工陶院）先進(jìn)陶瓷3D打印研究團(tuán)隊(duì)，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(qiáng)度氮化硅陶瓷的數(shù)字光處理:顆粒級(jí)配對(duì)漿料固化和力學(xué)性能的影響)的論文。 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(jī)械性能、熱穩(wěn)定性、耐磨性、耐腐蝕性、自潤(rùn)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(lái)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(guò)傳統(tǒng)模壓成型和機(jī)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(diǎn)。 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(guò)高、與光敏樹脂折射率差異大等問(wèn)題，導(dǎo)致漿料的固化厚度大幅降低。 在這項(xiàng)工作中，山東工陶院研究了兩種不同粒徑Si3N4粉末的顆粒級(jí)配比例，獲得了具有優(yōu)化綜合性能的級(jí)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(wèn)題，并實(shí)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(dòng)性越好，但是越大的粉體粒徑存在明顯的沉降問(wèn)題，通過(guò)顆粒級(jí)配有效改善了大顆粒粉體配制的漿料容易沉降的問(wèn)題，得到了高流動(dòng)性、低粘度的氮化硅陶瓷漿料，有助于實(shí)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(jí)配比例漿料的流變性能曲線
圖2 不同級(jí)配比例漿料的固化性能曲線 2.通過(guò)熱重分析建立適宜的脫脂和燒結(jié)制度，對(duì)不同級(jí)配比例的樣品進(jìn)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(jí)配比例為細(xì)：粗=7：3時(shí)，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(duì)密度為95.63%，抗彎強(qiáng)度達(dá)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(jí)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(jí)配粉體樣品燒結(jié)后的密度、相對(duì)密度及孔隙率
主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)： 本研究聚焦于氮化硅陶瓷粉末的顆粒級(jí)配，探討不同比例對(duì)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(xì)/粗粉末的比例為7:3時(shí)，固體含量為45vol%的氮化硅漿料在剪切速率為30s-1時(shí)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(qiáng)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。 |
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