陶瓷材料因其良好的力学与热学性能、良好的热氧与化学稳定性,在航空航天、装甲、空间器件、交通、核能、化工、半导体、临床医疗等国防装备与民用重大装备领域得到了广泛应用。 通常,国防与民用应用场合要求使用复杂异形的陶瓷材料构件及产品,这给其制造带来了极大难题与挑战。 传统复杂异形陶瓷材料构件的制造主要有两种途径:其一,采用各种不同烧结技术制备陶瓷材料块体,再经机械加工、电加工等加工手段获得复杂异形陶瓷材料构件。 然而,陶瓷材料一般本征脆性大、硬度大、可加工性差,在磨削、车削等加工过程中,极易对陶瓷材料造成不可逆的加工缺陷或损伤,极大影响陶瓷材料构件的性能与服役寿命。 其二,采用注浆成型、注射成型、凝胶注模成型等不同的近净尺寸成型技术制备陶瓷材料生坯,再经烧结获得陶瓷材料构件。 然而,这些近净尺寸成型方式不仅需要借助模具,且对于复杂异形(尤其是内孔、曲面、极复杂等)陶瓷材料构件的制造仍存在极大困难,一般只能获得形状复杂度较低的陶瓷材料构件。 因此,发展陶瓷材料的先进制造技术,并研究相关基础科学问题,对于拓展陶瓷材料先进制造领域科学前沿,推进陶瓷材料在国防与民用重大领域应用具有重要意义。
增材制造技术(additive manufacturing),通常又被称为 3D 打印技术(3D printing)、实体自由成型技术(solid free-form fabrication)、快速成型技术( rapid prototyping)等,基于离散-堆积原理,根据构件三维模型数据驱动,利用计算机切片技术,采用热源或粘结剂等方式将材料逐点、逐线、逐面堆积成构件。 相对于传统等材或减材制造技术,增材制造技术可以不受模具制作或加工工艺的限制,解决了复杂异形构件的成型难题,并大大减少加工工序、缩短加工周期,且构件越复杂,增材制作的优势越显著,目前已在高分子材料、金属材料中得到广泛研究应用。 近年来,陶瓷材料的 3D 打印研究在国际上成为研究热点,“十三五”以来,清华大学、北京理工大学、西安交通大学、华中科技大学、哈尔滨工业大学、中南大学、深圳大学、广东工业大学、中科院空间应用工程与技术中心、中科院上海硅酸盐研究所、山东工业陶瓷研究设计院有限公司等单位开展了大量陶瓷材料 3D 打印的相关研究,在包括 3D 打印原材料开发、3D 打印工艺研究、3D 打印装备研发等领域取得了较大进步与成果。 激光选区烧结(selective laser sintering, SLS)、光固化(包括立体光刻 stereolithography(SL)与数字光处理( digital light processing, DLP))、墨水直写成型( direct ink writing, DIW)、双光子成型(two-photonpolymerization, TPP)等陶瓷材料 3D 打印技术得到了较大发展,典型先驱体转化陶瓷材料、氧化物陶瓷材料、非氧化物陶瓷材料等在 3D 打印研究方面取得了较大突破。
图 1 美轮美奂的陶瓷“埃菲尔”铁塔
图 2 精巧绝伦的陶瓷点阵结构
图 3 精巧可爱的陶瓷象宝宝
图 4 轻量化陶瓷反射镜
北京理工大学何汝杰副教授团队自 2017 年以来,针对陶瓷材料 3D 打印开展了系列研究,包括:(1)典型结构陶瓷材料的 3D 打印工艺方法与成形机理研究,重点开展典型氧化物陶瓷材料(SiO2 、Al2O3 、ZrO2 、HA等)与非氧化物陶瓷材料(SiC、Si3N4 等)光固化 3D 打印、短纤维增强陶瓷基复合材料直写 3D 打印的工艺方法与成形机理研究,并在 3D 打印装备的自主研制方面取得一定突破。 (2)3D 打印陶瓷材料内部缺陷表征方法与形性调控机理研究,主要开展内部缺陷 XCT 无损检测方法、缺陷控制策略、3D 打印形性调控方法与
调控机理研究。 (3)结构功能一体化陶瓷材料设计与 3D 打印研究,重点从事轻量化承载防隔热一体化、轻量化抗冲击一体化、轻量化耐高温隐身一体化等陶瓷材料结构功能一体化研究。
3D 打印技术,让复杂异形陶瓷材料构件的制造成为可能,必将为陶瓷材料先进制造与应用提供更大的机遇与舞台!
声明：本文由 CERADIR 先进陶瓷在线平台的入驻企业/个人提供或自网络获取，文章内容仅代表作者本人，不代表本网站及 CERADIR 立场，本站不对文章内容真实性、准确性等负责，尤其不对文中产品有关功能性、效果等提供担保。本站提醒读者，文章仅供学习参考，不构成任何投资及应用建议。如需转载，请联系原作者。如涉及作品内容、版权和其它问题，请与我们联系，我们将在第一时间处理！本站拥有对此声明的最终解释权。
