3D打印成型制备氧化铝陶瓷材料的研究

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新型结构陶瓷材料由于具有高强度、高硬度、耐腐蚀、耐高温等优异性能而被广泛使用在各个领域,但是其本身硬而脆的特性使其普通加工成形异常困难。3D打印工艺,是以计算机3D模型为蓝本,通过计算机软件的分层离散以及数控成型系统,运用热熔喷嘴、激光束等方式将塑料、陶瓷粉、金属粉等逐层依次进行堆积粘结,进而制造出近净成型的产品实物。它的出现使陶瓷和陶瓷基材料的直接快速成形和无需加工或少加工成为可能。  本文采用3D打印技术制备氧化铝陶瓷制件并烧结,测定其密度、孔隙率、线性收缩率、抗弯强度、维氏硬度,并采用扫描电镜对材料的断口形貌进行分析,探讨了不同混料方式和添加不同含量的粘结剂马铃薯糊精对氧化铝陶瓷制件的成型性及显微组织、物理性能和力学性能的影响,并尝试金属熔渗。研究结果表明:  (1)将平均粒径为2.01μm的氧化铝粉末与添加剂马铃薯糊精混合得到的原料可在ZPrinter310型3D打印成型系统上,实现快速、小批量、单独制成氧化铝基陶瓷坯件。于空气中经1650℃烧结4 h后能够具有一定的力学性能的氧化铝多孔陶瓷。  (2)干混法制取3D打印原料工艺简单、耗时短,可以快速得到3D打印原料,当马铃薯糊精相对含量到达15%、20%时具有一定的成型性,其中马铃薯糊精相对添加量为15%时,其打印制件具有较好的微观形貌及性能,烧结前团粒粒径平均,孔隙少,分布较为均匀,烧结后能够形成大面积烧结体,在X轴、Y轴以及Z轴方向上的烧结收缩率分别为18.55%、17.61%和17.28%,密度1.97g/cm3,孔隙率43.55%,抗弯强度41.01MPa,硬度约为100HV。  (3)湿混法制取3D打印原料,当马铃薯糊精相对含量到达15%时具有良好的成型性,其打印制件具有良好的微观形貌及较高的性能,烧结前团粒粒径平均,孔隙少,分布均匀,烧结后能够形成大面积连续网状烧结体,在X轴、Y轴以及Z轴方向上的烧结收缩率分别为18.03%、17.91%和17.68%,在三个方向上烧结收缩差异最小,仅为0.35%,密度2.02g/cm3,孔隙率41.86%,抗弯强度51.97MPa,硬度约为150HV。  (4)无压接触法、预加5kg载荷的模压法均不能制得熔渗铜氧化铝多孔陶瓷复合材料。经理论估算,模压熔渗时至少需要41.56MPa压力才能制得熔渗铜氧化铝复合材料。
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