3D打印用硅基陶瓷前驱体研究进展北大核心CSCD

聚合物前驱体转化法可使用聚合物的成型加工工艺实现陶瓷材料的加工制备,在高性能陶瓷和复合材料制备方面显示出独特的优势。3D打印技术在陶瓷前驱体成型中的应用为制备复杂结构陶瓷制件提供了全新的可能。本文从3D打印硅基陶瓷前驱体树脂体系、打印技术及其应用等方面,系统总结了近年来3D打印制备SiCO、SiCN、SiC及含B、Zr等元素硅基陶瓷材料前驱体的研究进展,并进一步指出了3D打印陶瓷前驱体面临的挑战与研究方向。     

凝胶注模氧化铝陶瓷坯体的结构与表征

研究了凝胶注模氧化铝陶瓷坯体的密度、强度、空隙率分布及微观结构等特征。结果表明,影响凝胶注模陶瓷坯片密度的因素主要有:料浆的固含量、单体含量、单体和胶联剂的比值。随着料浆固含量的提高,坯片的抗弯强度呈下降趋势,坯片内部的孔隙率降低,从平均孔隙度为110nm降为90nm,而且均为单峰分布。凝胶注模成型的陶瓷坯片在干燥后,坯片强度优于注射成型、流延成型等传统成型方式。     

熔融沉积成型制备致密氮化硅陶瓷

创新地采用基于螺杆挤出和颗粒喂料的熔融沉积模型制备了致密氮化硅陶瓷。研究了喂料的打印性能、脱脂工艺,以及典型的打印缺陷的存在形式。结果表明,氮化硅颗粒喂料具有优异的打印性能,适合打印无支撑的小倾角、薄壁和复杂曲面的部件。本文研究开发的有机黏结剂体系结合溶剂+热两步脱脂工艺在厚截面部件制备中有突出优势,可以实现9 mm厚度的坯体安全脱脂。研究发现FDM的典型工艺缺陷有层间裂隙和路径间孔隙两种。结合气压烧结,制备了抗弯强度(774.5±70) MPa、密度3.25 g/cm³的致密氮化硅陶瓷,并成功制备了形状复杂和维形良好的氮化硅陶瓷零件。     

氧化铝陶瓷凝胶注模成型凝固动力学研究

凝胶注模成型(Gelcasting)是一种近净尺寸陶瓷成型工艺,它是通过高分子聚合物自由基聚合反应来实现陶瓷料浆的原位固化的。通过建立料浆温度与凝固时间的曲线,来研究陶瓷料浆的凝固动力学,是简便可行的研究方法,结果表明:"驰豫时间"可以成功地描述陶瓷料浆的凝固过程。在Al2O3陶瓷料浆Gelcasting成型工艺条件优化的基础上,制备出了气孔分布均匀的Al2O3坯体。     

Al2O3(YAG)/LaPO4层状陶瓷复合材料研究

选择Al2O3(YAG)作为基体片层材料,LaPO4作为界面层材料,采用凝胶注模成型技术制备出基体层材料的坯片,然后在基体层坯片上采用浸渍或喷涂工艺附着界面层材料,最后将坯片叠置于模具中热压烧结.制备的陶瓷复合材料微观结构均匀,基体片层厚度为110-150μm,界面层厚度为10～30μm,实测层厚比为11.重点研究工艺参数及界面层成分对层状陶瓷复合材料室温性能的影响.结果表明,氧化物基层状陶瓷复合材料的抗弯强度比基体材料略有下降,但室温断裂韧性达到了13.52MPa·m1/2,是基体材料断裂韧性的3倍.对比氧化物基层状陶瓷复合材料与基体材料在断裂过程中裂纹扩展路径的差异.     

高性能纤维增强树脂基复合材料3D打印

3D打印技术是一种逐层成形的增材制造技术,而纤维增强树脂基复合材料是一种力学性能优异的先进结构材料,结合3D打印的工艺先进性和纤维的材料性能优势,提出新型的纤维增强树脂基复合材料3D打印工艺,为进一步促进两者共同发展与应用提供了可能。综述并分析了纤维增强树脂基复合材料3D打印技术的研究现状与瓶颈,提出了一种连续纤维增强热固性树脂基复合材料3D打印工艺,将3D打印丝材制备、3D打印预成型体、3D打印预成型体固化分隔成3个独立的模块,并根据不同模块设计搭建了不同的试验平台及设备,成功制备得到了连续纤维增强热固性树脂基复合材料3D打印构件,还测试得出其(纤维含量为52%)拉伸强度及拉伸模量分别达到1325.14MPa和100.28GPa;弯曲强度及弯曲模量分别为1078.03MPa和80.01GPa;层间剪切强度为58.89MPa。大幅提高了纤维增强树脂基复合材料3D打印成型构件的力学性能。     

注射成形工艺结合先驱体转化法制备碳化硅陶瓷

选择一种石蜡基多聚物粘结剂体系,在固含量为52vol%及最佳注射参数下,注射出良好的碳化硅陶瓷复杂件坯体,以二步法溶剂脱脂和热脱脂为脱脂工艺,得到的热脱脂坯通过聚碳硅烷先驱体溶液在真空下浸渍,并在1200℃氮气氛下裂解,使生坯密度提高到1.75g/cm3以上,再将烧结坯体于2100℃,Ar气氛下,保温1h进行固相烧结,得到的碳化硅陶瓷复杂件密度为3.11g/cm3,致密度为97%.     

多孔氧化锆陶瓷光固化工艺及压缩性能研究

在传统陶瓷成型工艺中,制备具有复杂多孔结构的高性能陶瓷样件向来是一大难点,随着增材制造技术的引入,对于所成型样件结构的限制大大减少,但如何利用增材技术实现多孔样件的稳定制备是关键问题。针对光固化陶瓷增材成型这一制备工艺,进行了成型以及烧结过程工艺参数的研究与优化,结果表明,对于面投影式光固化陶瓷成型适用的曝光时间为5s、成型层厚为30μm、烧结温度为1480℃,利用该参数可成型具有规则多孔单元的氧化锆结构,其显微硬度及致密度分别为13.91GPa以及95%。利用工业CT模型重建,并与理论模型比对,发现多孔样件在宏观尺度上均匀;而利用压缩测试与有限元仿真对照,静态应力分布、弹性阶段动态压缩结果以及断口微观形貌均表明多孔样件在压缩性能上已达到其理论强度。通过光固化成型高性能多孔氧化锆样件,可为航空领域中轻量化设计提供新的选择。     

三维打印结合化学气相渗透制备Si3N4-SiC复相陶瓷

采用三维打印(3DP)技术成型Si3N4多孔陶瓷并结合化学气相渗透(CVI)SiC制备了Si3N4-SiC复相陶瓷。研究了烧结工艺对3DPSi3N4陶瓷线收缩率和孔隙率的影响。结果表明,3DPSi3N4坯体经热解除碳后再烧结,可以获得较小的线收缩率(<6%)及较大的气孔率(77.5%)。对其进行CVISiC近尺寸强化,研究了Si3N4-SiC复相陶瓷的抗弯强度随SiC体积分数的变化规律。     

全碳素坯密度对反应烧结SiC的影响

以石墨粉体为原料,酚醛树脂为粘接剂,采用模压成型工艺制备了全碳质素坯,反应烧结后得到S iC材料。研究了成型压力和酚醛树脂含量与素坯密度的关系,探讨了素坯密度对S iC材料的组成、结构和性能的影响。     

BAS粘接碳化硅材料的性能

采用原位生成钡长石为烧结助剂,研究BAS/SiC复相陶瓷的低温无压液相烧结工艺,制备高致密度的陶瓷材料。通过XRD、SEM及力学试验机等研究烧结温度、BAS含量对复相碳化硅陶瓷的致密化、组织结构及力学性能的影响。结果表明:在1800℃温度下原位生成了BAS相,运用无压液相烧结法制备出了密度达到3.2 g/cm~3的BAS/SiC复相陶瓷;陶瓷中BAS以六方结构析出、SiC颗粒均匀分布;烧结温度不宜超过1800℃,温度过高将促使碳化硅颗粒长大,损伤陶瓷材料抗弯强度和断裂韧度;当复相BAS/SiC陶瓷中BAS质量分数为30%时,弯曲强度达到413 MPa,模量达到210 GPa,断裂韧度达到5.03 MPa·m~(1/2)。     

DLP光固化3D打印关键技术研究

针对复杂构件制造快速原型开发需求,开展了基于数字光投影固化快速成形技术的3D打印关键技术研究,以涡轮盘的打印过程为主线,研究了DLP光固化3D打印的前处理技术、成形工艺参数设计、后处理技术,并对打印成品进行了测量分析。研究结果可为后续进行DLP光固化3D打印工程样件的快速制造提供理论基础。     

凝胶注模成型多孔Si3 N4 陶瓷及其性能

采用凝胶注模成型工艺制备出了具有低介电常数和高强度特性的多孔Si<,3>N<,4>陶瓷平板和锥形体样件,并对其微观结构、高温介电性能、透波率和弯曲强度等进行了测试与分析.结果表明:该方法获得的多孔Si<,3>N<,4>陶瓷具有低介电常数(2.3-2.8)、高弯曲强度(大于50 MPa)、高温介电性能稳定和透波率良好等优点.     

3D打印材料应用和研究现状

综述了3D打印领域内六种典型3D打印工艺各自所用的3D打印材料,从物理形态上主要包含液态光敏树脂材料、薄材(纸张、塑料膜)、低熔点丝材和粉末材料四种;从成分上则几乎涵盖了目前生产生活中的各类材料包括塑料、树脂、蜡等高分子材料,金属和合金材料,陶瓷材料等.立体光刻(Stereo Lithigraphy Apparatus,SLA)工艺的材料为感光性的液态树脂,即光敏树脂;叠层实体制造(Laminated Object Manufacturing,LOM)工艺的材料为纸张、塑料膜等薄材;熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling,FDM)工艺的材料主要为便于熔融的低熔点丝状材料,主要为蜡丝、聚烯烃树脂丝、聚酰胺丝、ABS塑料丝等高分子材料;选择性激光烧结(Selective Laser Sintering,SLS)的材料是各类粉末,包括尼龙粉、覆裹尼龙的玻璃粉、聚碳酸脂粉、聚酰胺粉、蜡粉、金属粉(打印后常须进行再烧结及渗铜处理)、覆蜡陶瓷粉、覆蜡金属粉以及覆裹热凝树脂细沙等;选择性激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)工艺使用与SLS一样的粉末材料,不仅具有SLS优点,而且成型件致密度更高,力学性能更好;三维打印与胶粘(Three Dimensional Printing and Gluing,3DP)工艺的材料同样为粉末材料,但这些粉末是通过喷头喷涂黏结剂被黏结在一起,同时将零件的截面“印刷”在材料粉末上面,类似于纸张彩色打印,可通过设置三原色黏结剂及喷头系统,实现彩色立体打印.对3D打印材料质量和产量的发展方向也进行了分析和展望.     

喷射成形高速钢沉积坯性能分析

研究了喷射成形高速钢T15沉积坯的部分力学性能及微观组织.结果表明,喷射成形制备的高速钢,晶粒细小,无宏观偏析,平均体密度为8.208g/cm3,三点抗弯强度达到1860 MPa.但通过SEM观察发现沉积坯内存在局部显微疏松,为了进一步提高材料性能,需要对高速钢沉积坯做热等静压等后续热加工.     

高性能纤维增强树脂基复合材料3D打印及其应用探索

纤维增强树脂基复合材料具有优异的力学性能,能够实现轻质、高性能结构的制造,但传统的成型工艺过程复杂、成本高,难以实现纤维回收利用,限制了纤维增强树脂基复合材料的广泛应用.3D打印技术是一种新兴的零件成形工艺,将3D打印技术应用于纤维增强树脂基复合材料的制造,为实现复合材料低成本、绿色制造提供了可能性.综述了纤维增强树脂基复合材料3D打印技术研究的发展现状,提出了一种高性能连续纤维增强热塑性复合材料3D打印工艺及其回收再制造策略.     

陶瓷量块及其检测方法

1陶瓷量块量块的制造、使用、检定、保养、精度等都会影响到用其作测量标准的机械零件、计量器具等精确度，因此，对量块的制造、检定、精度、使用等均有一定的要求。用GCrls轴承钢及硬质合金钢等金属制造的量块使用较为普遍，其制造及使用的情况也较为成熟，它具有金属材料的特性，性能稳定，加工方便，价格低廉，应用广泛。而用新型陶瓷材料制作的陶瓷量块却鲜为人知。制作陶瓷量块的陶瓷材料是氧化铝（ZrO。）陶瓷，氧化诸瓷的密度大、硬度较高，尤其是机械性能即抗弯强度和断裂韧性较高，具备了制造高精度量块材料的基本特性，可以保…     

沥青浸渍炭化C/ C 复合材料密度及孔隙分布

以径棒法编织成型预制体,采用沥青浸渍炭化工艺制备了C/ C 复合材料(1. 50 g/ cm3 ),采用CT

检测了试件的密度分布特征,并采用光学显微镜和压汞法分析了试件的孔隙分布特征。结果表明,在沥青浸渍

炭化的工艺条件下,试件外端密度最高,由外端到中心沿径向密度递减;以坯体中心为参照点,同一圆周方向密

度均匀分布;坯体开孔率沿径向由外端到中心递增;坯体大孔和中孔孔容积比率沿径向从外端到中心递增,而

微孔孔容积比率则从外端到中心递减。

     

基于光敏树脂分析的3D打印加速度传感器设计

MEMS加速度传感器所采用的硅微机械加工技术存在个性化定制、小批量生产成本方面的不足，而3D打印技术的优势就在于无需模具的自由化定制、一机多用实现低成本产品生产，3D打印的发展趋势就是实现微纳尺度结构的制造。在此背景下，采用光固化立体成型技术设计了一种3D打印压阻式加速度传感器结构。传感器基底使用耐高温光敏树脂制作，并采用丝网印刷工艺在基底表面印制导电碳浆形成应变计结构。为此，首先对耐高温光敏树脂的相关热学与机械性能进行分析。通过测试，得到该光敏树脂固化后的起始分解温度等热力学参数。其次，通过控制光敏树脂紫外光固化时间，取得了较好杨氏模量和弯曲强度的树脂，且为该加速度传感器的结构仿真优化与制作工艺提供了必需数据与重要依据。除此之外，还对所设计的碳浆应变计结构进行了测试，得到了有效灵敏系数。通过以上工作，为最终实现3D打印加速度传感器的制作做好铺垫，助力3D打印技术与MEMS传感器技术相融合。     

多孔陶瓷氢气发汗冷却特性研究

为了研究复合材料微孔发汗冷却热防护技术,研究了冷冻浇注成型工艺定向直孔道碳化硅多孔陶瓷在高压高热流密度时氢气的发汗冷却特性。用电弧加热主流空气产生高温燃气、氢气发汗冷却对多孔陶瓷材料进行了13次热试验研究。试验的材料孔隙率为10~28%,燃烧室压力为3.6~7.9MPa,冷却氢气注入率为0.008~0.021。试验表明,当多孔陶瓷材料氢发汗冷却的注入率为1%时,主流高温燃气与微孔壁面之间的换热减少了30%以上。多孔陶瓷材料氢发汗冷却可以有效减小壁面与燃气之间的对流热流。研究得出了陶瓷多孔材料在高压大热流环境下用氢气发汗冷却的性能关联式。