高性能陶瓷光固化3D打印技术研究

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针对目前异形陶瓷制造效率低、成型精度差的缺点,利用光固化3D打印技术(Stereolithography,SL)打印精度高、制作效率快的特点,以研制Al2O3陶瓷为基体的复合陶瓷材料为目的,提出了适用于光固化打印技术的高固含量陶瓷浆料配制方法,并对打印工艺与材料配比进行深入的研究。本文的总体框架为,先对组成光固化陶瓷浆料的有机基体、陶瓷粉末、添加剂等组元进行研究,确定最合适的组分比例;再设计光固化打印平台,对打印工艺参数、烧结工艺参数对比分析,得到最佳的参数设置;开发适用于光固化打印的四种稳定的高固含量陶瓷浆料,打印烧结后对陶瓷烧结件进行力学性能与精度的测量分析。本研究的光固化打印技术具有广泛的应用和研究前景。根据光固化高固含量低粘度浆料的要求,设计了提高固相比与流动性的制备工艺,对低聚物、单体与辅助试剂的用量与种类进行比较分析。选择环氧丙烯酸酯(EA)与聚氨酯丙烯酸酯(PUA)作为基体低聚物。采用HDDA、TMPTA和TPGDA混合作为单体稀释剂。确定添加分散剂为2.5 wt%的KH-560,光引发剂为3 wt%的TPO,配制出固含量为50 vol%的低粘度浆料,在30 s-1剪切速率下粘度为35570 m Pa.s。确定了光固化陶瓷浆料的配制流程。研究分析优化了光固化打印的打印工艺参数和烧结工艺参数。实验拟合确定了体系固化深度、渗透深度、曝光强度等参数的关系式。当曝光时间t=3 s、曝光层厚h=4/6固化深度时,坯体翘曲度为189μm/50 mm,打印层间连接质量好。分析固相比与模型尺寸特征对打印坯体的影响。在固含量50 vol%时,坯体烧结后收缩率较小,烧结件层间质量高。设计打印模型最小尺寸特征大于500μm时效果较好。研究确定了最高脱脂温度为600℃,最高烧结温度为1550℃,烧结体的微观结构与力学性能最好。本文分别设计配制了四组稳定陶瓷浆料,烧结了Al2O3/Zr O2、ZTA/Si Cp、ZTA/Si Cw、Al2O3/Camphene,分析其力学性能与显微结构。当Zr O2含量为25vol%时,增韧效果最好,断裂韧性为8.78±0.33 m Pa·m1/2,增韧原理为抑制晶粒生长与相变增韧;ZTA/Si Cp陶瓷含有5.2 vol%Si Cp晶粒时,断裂韧性提升到8.84±0.56 MPa·m1/2。ZTA/Si Cw陶瓷含有10 vol%Si Cw晶须时,断裂韧性提升到9.28±0.38 MPa·m1/2,呈现出沿晶断裂和穿晶断裂混合断裂的模式。打印了多孔Al2O3/Camphene陶瓷,经过处理实现陶瓷表面超疏水效果,油水分离实验油通量最高达48.62 g/(mm~2·min),除油效率均在96.01%以上,具有广泛的应用前景。为了进一步降低浆料粘度,优化浆料打印性能,从陶瓷粉末粒径组成深入研究降低浆料粘度的方法。推导出适用于三元颗粒致密堆积的计算公式,用于计算粘度最小的最佳配比。确定固含量为50 vol%时,计算研究了粗、中、细三种颗粒的含量,粘度进一步降低,含有25 vol%Zr O2增韧的ZTA陶瓷平均晶粒尺寸为2μm,烧结陶瓷的线收缩率小于18%,最大抗压强度、断裂韧性、维氏硬度和相对密度分别达到781±39 MPa、9.05±0.13 MPa.m1/2、19.58±0.33 GPa和99.3%。
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