基于光固化成型的透明氧化铝陶瓷的基础研究

来源 :广东工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yy20090907
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透明氧化铝陶瓷作为一种经典的陶瓷材料,具有高硬度及高韧性、化学稳定性好、高温耐磨等优点,已被广泛应用于电子化工、航天军用等领域;另外,由于其具备良好的生物相容性以及优异的光学性能,透明氧化铝还常用作生物医疗、植入体(特别是齿科领域)的部件原材料。然而,当前透明氧化铝关键部件的制备受成型工艺的制约,存在着如对模具依赖性大、复杂形状及结构难制备、后加工成本高、生产周期长等问题,大大限制了透明氧化铝陶瓷的推广与应用。而将增材制造技术引入至陶瓷部件成型环节,将能有效解决上述难题,实现复杂形状及结构透明氧化铝陶瓷部件的快速制备。本课题采用了陶瓷光固化技术实现复杂形状氧化铝陶瓷的成型过程。对比研究了光固化成型(SL)、干压-冷等静压成型(DP-CIP)氧化铝的常压烧结行为,发现相较于DP-CIP试样,SL氧化铝试样的致密度、晶粒尺寸烧结曲线均存在明显的滞后现象,相隔温差约为250℃300℃。该现象产生的原因在于,SL、DP-CIP两种坯体存在明显差异(7vol%的初始坯体密度差、坯体均匀性),即SL试样在烧结初期总体呈现“稀疏”、不均匀的坯体状态,其在烧结初期中需要吸收更高的能量才得以实现颗粒紧密重排,并且在烧结中期及后期容易出现晶粒异常长大、晶粒尺寸不均匀、残余气孔多等问题。通过纳米级及亚微米级的孔径分析,得出光固化成型(SL)氧化铝坯体与传统干压成型(DP)、干压-冷等静压成型(DP-CIP)坯体相比,其存在明显的均匀性差异性是导致SL氧化铝烧结曲线滞后的主要原因,并从工艺原理、成型过程等方面分析总结了该差异产生的原因,总体可归结为固相含量低、工艺原理缺陷(无明显外加压力、层间结合不紧密)、成型时间长、可靠性低等四个方面。针对光固化氧化铝存在的烧结速率缓慢、残余气孔多等问题,通过使用液相前驱体浸渗-原位沉淀工艺的方法,实现了第二相(Mg2+、Y3+、La3+、Al3+)的均匀引入,达到了促进氧化铝晶粒生长、消除部分残余气孔的目的。在此基础上,通过引入H2气氛烧结工艺,实现了光固化透明氧化铝陶瓷的制备,并打印出用于齿科矫正的透明氧化铝托槽。所制备的透明氧化铝试样维氏硬度为15.1±0.9GPa,断裂韧性为3.4±0.6 MPa·m1/2,三点抗弯强度为195.3±18.5 MPa,于800nm波长处取得1.85%的直线透光率。
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