千奇百态的陶瓷增材制造技术

作者: 于雪华

来源: 中国科学院沈阳自动化研究所

发布日期: 2022-04-21 07:30:00

本文详细介绍了陶瓷增材制造技术的历史、工艺、种类及其科学价值,展示了其在现代制造业中的重要性和广泛应用。

中国可谓是陶瓷的“故乡”,其历史最早可追溯至商代(公元前16世纪)。到唐代时(公元960-1279年),各色各样的陶器瓷器件被输送至国外,享誉世界。明朝的青花瓷更是将陶瓷技术和艺术水平推上了巅峰。到了现代,陶瓷又发生了什么样的翻天覆地的变化,它到底能给社会和人类带来什么呢?

相比传统陶瓷制备工艺,像热压成型、浇铸成型、凝胶注模成型等工艺,增材制造技术具有更为智能、精密、综合制造能力。它能够完成传统工艺不可能完成的制造,例如复杂多孔的细胞体陶瓷,多角度弧面的块体陶瓷,孔隙率可调控的结构陶瓷,多材料、多结构的结构-功能陶瓷等。增材制造技术,也就是大家耳熟能详的3D打印技术,但是陶瓷增材制造技术区别于一般的3D打印技术。它为什么能让全世界的科研工作者孜孜探索呢?

事实上,它就是一种基于激光的数字光固化成型技术。紫光或是紫外激光照射到光敏陶瓷浆料(光敏树脂、陶瓷粉末和其他添加剂混合而成),会在其局部或是表面的位置产生固化反应,其特征尺寸能够达到纳米和微米级。陶瓷浆料之所以会固化,全都是依赖于光敏树脂的活性自由基。在激光的照射下,短分子链的光敏树脂会形成长分子链,环绕陶瓷粉末形成网状物,将陶瓷粉末牢牢地包裹住。因而,陶瓷增材制造技术又称之为“分子可编辑技术”。

我们都知道一粒一粒的沙子堆积,就能堆积出不同形状的沙堆。同样的原理,一层一层的光固化效应叠加就能够产生不同形状的物体,此时,我们管这个物体叫做陶瓷生胚(Green Body)。说到陶瓷生胚,难免不会想到传统手艺人捏的陶瓷泥(黏土)。现代陶瓷生胚的塑形技术不再是手工艺、铸塑、热压成型,而是用数字化和机械自动化技术开发出各种复杂、多功能的结构。

目前,陶瓷增材制造技术主要是以立体光刻工艺(Stereo-lithography SLA)、数字光处理技术(Digital Light Processing DLP)和选择性激光烧结(Selective Laser Sintering SLS)为主流,以双光子聚合技术(TPP),直写成型技术(DIW)和其他增材制造技术为辅流。

陶瓷增材制造工艺与传统手工艺的区别主要是在其成型方式,但都要经历生胚烧结成瓷,温度大约在1000-1650℃。陶瓷增材制造技术主要可以分为三大步,制备光敏性陶瓷浆料,数字光固化成型和热解后处理。每一大步里面都包含若干个小步和科研要点。它比传统的陶瓷制备工艺更严格、更精细。

制备光敏性陶瓷浆料,主要包括筛选陶瓷粉末,选择合适的光敏树脂系统(光敏树脂、分散剂、光引发剂、塑化剂等)和均匀混合陶瓷粉末与光敏树脂系统等内容。对于相对低折射率的陶瓷粉末,像AlO、ZrO2、SiO等,现在的技术能够制备出很好的光固化陶瓷浆料,其单层固化深度能达到50~200微米。

对于相对高折射率和吸收率的陶瓷粉末,像SiC、SiN等,目前的技术还只是停留在50微米以下的单层固化深度,不能够用于制备高质量的陶瓷。数字光固化成型,主要包括三维模型建立-优化处理-切片处理,浆料固化性能测试,选择合适的成型工艺和打印参数和清洗光固化生胚等内容。通过三维软件,像SOLIDWORKS、3DMax、UG、MATLAB、CAD等,能够制作平面和曲面的三维物体。

只要你能够想象到的物体,都可以通过数学模型软件建立相应的三维模型。它们通过一些切片软件处理,像Perform、Materialise Magics软件等,就可以将三维模型的切片信息传输给3D打印软件,进而实现机械自动化控制。激光系统、机械系统、控制系统协同作用,将一层一层的模型切片实现光固化。热解后处理,主要包括生胚室温静置-干燥处理,脱脂-脱气处理,烧结热处理等内容。

脱脂-脱气处理和烧结热处理通常是在真空电炉和高温电炉中进行。光固化陶瓷生胚在制造过程中会产生由浆料固化收缩反应造成的内应力,这种内应力是不可避免,因此,通过静置-干燥处理会让生胚内部应力缓慢地释放一部分,同时让一些水分自然流失。脱脂-脱气处理,主要是因为生胚中的有机物在燃烧的过程中会产气体溢出,从而降低烧结时出现裂纹的概率。烧结热处理,是为了让陶瓷具备更好的力学性能。

高温下烧结会使陶瓷晶粒相互粘结在一起,增加陶瓷晶界的连接强度,促进晶粒生长。陶瓷材料的化学键大都为离子和共价键,键合牢固并具有明显的方向性,与金属相比,具有更高的硬度、弹性模量、耐高温性、耐腐蚀性和耐磨性,但是其塑性和韧性不如金属。因为有如此好的性能,它广泛地被应用于航天航空、军事、电子科技、生物医疗、化学器皿、能源等诸多工程领域。其中,生物陶瓷被广泛的应用于骨组织和牙冠的修复。

磷灰石陶瓷作为与人体骨头成分极为相近的物质,具有非常好的生物兼容性,除此之外,氧化铝和氧化锆逐渐被开发成陶瓷牙冠,因为它们有足够的强度和生物兼容性。

在航空航天方面,航空发动机的陶瓷型芯(SiO、AlO、ZrSiO)已然兴起,用于制备发动机叶片。在电子科技方面,陶瓷具有很好的微波吸收性能和介电性能,能用来做绝缘和吸波材料;特别是应用在能源领域的核电站,因为其具有很好的抗辐射性能。

面对诸多的应用场合,各种复杂形状的结构陶瓷、功能陶瓷和结构-功能陶瓷的需求越来越大,特别是各种镂空陶瓷、孔隙调控陶瓷、可控可定制的复杂结构陶瓷,传统的陶瓷制备技术已经远不能满足需求。陶瓷增材制造创造了一个制造业的奇迹。它能够自主设计各种复杂结构零件,能够打印出高质量和高精度的生胚,满足各领域的需求。陶瓷缺乏韧性和塑性形变。这也导致陶瓷在一些领域应用困难。

尽管如此,陶瓷的科学价值依然存在,增材制造技术更是有广阔的前景,可谓是科研意义巨大。

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