非氧化物陶瓷光固化增材制造研究进展及展望

目前光固化3D打印技术因打印成型精度高而被广泛应用于陶瓷增材制造, 其中非氧化物陶瓷如碳化硅、氮化硅等因打印材料粉体折射率和吸光度比较高, 光固化陶瓷浆料存在分散稳定性差、入射光难穿透并产生光固化反应的固化层厚度低等问题, 导致其固含量很难提高甚至于无法打印成型。高固含量的非氧化物陶瓷打印成型成为光固化3D打印的主要难点, 吸引了广大学者对其光固化机理、粉体调控等机制进行研究。本文系统地总结了几种非氧化物陶瓷光固化浆料的制备、光固化成型、有机物去除及烧结致密化的研究工作, 并就如何对光敏树脂组成进行调节、对陶瓷粉体进行改性的几种方法进行分析与讨论, 针对性地提出创新方案来改善非氧化物陶瓷的浆料性能、光固化打印优化和致密化缺陷修复及性能提升, 最终推动大尺寸、复杂结构的非氧化物陶瓷部件光固化增材制造高精度制备技术的进步。     

立体光刻增材制造中固含量对Al2O3陶瓷性能的影响

对于陶瓷立体光刻增材制造技术, 光敏树脂浆料的固含量发挥着重要的作用。本工作首先制备了不同固含量的Al₂O₃陶瓷浆料, 并采用立体光刻增材制造技术, 制备了Al₂O₃陶瓷, 并研究了Al₂O₃浆料的固含量与陶瓷性能的关联关系。其次, 探索了固含量对Al₂O₃浆料的流变行为、固化性能, 以及对Al₂O₃陶瓷的微观结构、力学性能的影响规律。结果表明, 随着固含量增加, 浆料的粘度和剪切应力均增大。在光固化增材制造过程中, 高固含量导致浆料的粘度高于其自流平的临界值, 且Al₂O₃浆料的固化性能与固含量高度相关。此外, 固含量明显影响光固化增材制造的Al₂O₃陶瓷的缺陷。这些制造缺陷对于Al₂O₃陶瓷的力学性能有重要影响。最后, 本工作总结了光敏Al₂O₃浆料的流变行为、固化性能与Al₂O₃陶瓷的微观结构和力学性能之间的关联关系。浆料的高粘度造成陶瓷的微观结构不均匀, 最终导致其力学强度较差。本研究结果可为陶瓷的光固化增材制造提供一定的参考。     

光固化3D打印陶瓷浆料及流变性研究进展EI北大核心CSCD

基于光固化技术原理的陶瓷3D打印因可制备尺寸精度高、表面光洁度好、显微结构均匀和力学性能优异的复杂结构陶瓷零件而备受关注,是实现高性能陶瓷零件增材制造的重要技术手段之一。该技术的核心是制备同时具有高固含量和良好打印适性要求的陶瓷浆料,其组成对固化效果和打印进程有着至关重要的影响。本文综述了立体光固化(stereolithography,SL)和数字光处理(digital light processing,DLP)两种主流光固化3D打印方法用于光固化陶瓷打印的技术方案和工作原理,比较了两者的优缺点。围绕近年来在陶瓷浆料领域的研究工作,讨论了单体/低聚物和稀释剂、分散剂、陶瓷颗粒物理性质以及固含量等对黏度、剪切稀化/增稠行为、黏弹性、屈服应力等流变行为的影响,并提出了光固化3D打印陶瓷浆料的主要发展趋势和面临的挑战,为构建高固含量光固化3D打印陶瓷浆料提供了一般性指导原则。     

基于光固化增材制造技术的陶瓷成形方法

目的 利用光固化增材制造技术成形复杂形状陶瓷零件。方法 以光敏树脂和陶瓷粉体混合得到氧化铝和氧化硅陶瓷浆料,浆料固体含量体积分数均超过55%。采用基于数字光处理技术的光固化增材制造设备,设计了一种栅栏式刮刀,可实现打印过程中高固含量浆料的均匀涂层和搅拌。光源波长为405 nm,面光源像素尺寸为50 μm,最小分层厚度为10 μm。在5 mW/cm2光强下分层曝光,分析在不同粉体的浆料固化性能,得到陶瓷坯体,经过脱脂烧结,完成陶瓷成形。结果 氧化硅浆料的透光性明显强于氧化铝浆料,氧化铝浆料的临界曝光强度更容易引发固化反应,测试件最小壁厚为0.2 mm,最小可成形孔为0.1 mm,并对氧化铝齿轮、螺钉、镂空摆件及氧化硅陶瓷型芯等复杂结构的陶瓷零件进行了验证。结论 基于光固化成形的增材制造可以实现高精度的复杂陶瓷零件成形,对拓展陶瓷成形方法具有重要意义。     

先驱体聚合物在陶瓷增材制造中的应用进展

先驱体陶瓷具有分子结构可设计、化学组成可调控、加工成型方便、力学性能优异、易于成型复杂构件、便于实现结构/功能一体化等优点,克服了传统粉末烧结制备陶瓷材料难于设计与成型的问题,对解决航空航天、国防尖端武器装备面临的材料瓶颈问题具有重要意义。在陶瓷增材制造技术的带动下,先驱体陶瓷的发展迎来了新的契机,增材制造先驱体陶瓷的研究得到了越来越多的关注。介绍了增材制造先驱体陶瓷的研究与应用进展,总结了各类陶瓷增材制造技术的优势和不足,并对先驱体陶瓷增材制造目前存在的问题与发展趋势进行了探讨和展望。     

核用氧化锆耐火材料光固化增材制造工艺及性能研究

目的 为提高精密铸造效率,缩短制模周期,利用光固化增材制造技术制备适合活泼金属铸造用的ZrO₂陶瓷模具。方法 将光敏树脂与纳米级ZrO₂陶瓷粉体混合得到具有光固化性能的陶瓷浆料,采用数字光投影增材制造设备对陶瓷浆料进行逐层曝光,揭示不同固含量对陶瓷浆料固化性能的影响规律;利用光固化3D打印制备ZrO₂陶瓷生坯,经过干燥、脱脂和烧结处理,获得所需陶瓷样件,并对成型后的ZrO₂陶瓷进行微观组织表征、力学性能(压缩和弯曲)和抗热震性能测试。结果 在相同固化强度的基础上,随着ZrO₂陶瓷浆料固含量的增加,固化深度逐渐减小,固化宽度无明显变化。光强度越高,固化深度和宽度均越大。选用固含量(体积分数)为50%的陶瓷浆料,在紫外光波长405 nm、光强度25 mW/cm²、曝光时间2 000 ms、层厚30μm的工艺条件下制备ZrO₂陶瓷生坯,经过最高温度450℃脱脂和最高温度1 525℃烧结处理,获得了无变形和开裂的ZrO₂...     

增材制造专用陶瓷材料及其成形技术

陶瓷材料具有高强度、耐磨损、耐腐蚀和耐高温等特点,在航空航天、生物医疗和电子信息等领域具有良好的应用前景。然而,如何制造应用于上述领域的复杂形状陶瓷零件成为了一个重要的问题。目前,增材制造正逐步成为解决复杂形状陶瓷零件制造问题的有效方式。主要介绍了增材制造专用陶瓷材料及其成形技术。根据增材制造专用陶瓷材料的不同形态,可以将陶瓷材料分为粉材、丝材、片材和浆料/膏材4类。基于此,介绍了激光选区烧结(SLS)、激光选区熔化(SLM)、三维喷印(3DP)、熔融沉积制造(FDM)、分层实体制造(LOM)、立体光固化(SL)、数字光处理(DLP)以及直写成形(DIW) 8类主要陶瓷增材制造技术及其应用。最后,根据陶瓷增材制造的最新研究成果,对增材制造专用陶瓷材料及其成形技术发展作出进一步的展望。     

增材制造压电陶瓷的现状与展望

压电陶瓷作为一类重要的功能陶瓷材料, 具备高强度、高硬度、耐腐蚀等优点, 可实现机械能和电能间的相互转换, 常被用于制备传感器、驱动器、电容器等压电器件, 在海洋探测、生物医疗、电子通讯等高端装备中发挥着重要作用。针对高端技术领域对压电功能器件智能化、集成化、轻量化的发展需求, 压电陶瓷的外形和结构越来越复杂。注浆、注射、模压、切割等传统的压电陶瓷制造工艺, 大多需借助模具或刀具完成, 很难甚至无法制造具有中空、悬垂等复杂结构的压电陶瓷, 制约了压电功能器件的进一步发展。增材制造技术基于逐层累加原理可实现任意复杂结构快速定制, 具有成型效率高、无需模具等优点, 可满足个性化、整体化、复杂化制造需求, 近年来受到国内外压电陶瓷领域研究人员的广泛关注。本文从粉体、浆料、块材三种原材料形态角度, 综述了当前增材制造压电陶瓷的主要工艺种类及发展现状, 综合对比了各种工艺成型特点; 介绍了增材制造压电陶瓷在不同领域的应用进展; 最后, 总结和展望了增材制造压电陶瓷所面临的挑战和未来可能的发展趋势。     

激光增材制造超高温氧化物共晶陶瓷研究进展

超高温氧化物共晶陶瓷具有优异的高温强度、高温蠕变性能、高温结构稳定性以及良好的高温抗氧化和抗腐蚀性能, 成为1400 ℃以上高温氧化环境下长期服役的新型候选超高温结构材料之一, 在新一代航空航天高端装备热结构部件中具有重要的应用前景。基于熔体生长技术, 以选择性激光熔化和激光定性能量沉积为代表的激光增材制造技术具有一步快速近净成形大尺寸、复杂形状构件的独特优势, 近年来已发展成为制备高性能氧化物共晶陶瓷最具潜力的前沿技术。本文从工作原理、成形特点、技术分类等方面概述了基于熔体生长的两种典型激光增材制造技术, 综述了激光增材制造技术在超高温氧化物共晶陶瓷制备领域的研究现状和特点优势, 重点介绍了选择性激光熔化和激光定向能量沉积超高温氧化物共晶陶瓷在激光成形工艺、凝固缺陷控制、凝固组织演化、力学性能等方面的研究进展。最后, 指出了实现氧化物共晶陶瓷激光增材制造工程化应用亟需突破的关键瓶颈, 并对该领域未来的重点发展方向进行了展望。     

精铸型壳的增材制造技术研究进展

增材制造技术用于精密铸造领域,可以满足市场对精密铸件的短周期、个性化、多样化、柔性制造的需求.增材制造技术可以制作树脂模型代替蜡模进行精密铸造,但更高效的方法是用增材制造技术直接制备精铸型壳.目前可用于制备精铸型壳的增材制造技术主要有三维打印法(3DP)、选择性激光烧结法(SLS)、光固化成形法(SLA)以及浆料挤出法...     

增材制造压电陶瓷研究进展

压电陶瓷是一种可以实现机械信号和电信号相互转换的功能陶瓷。由压电陶瓷与有机相构成的复合材料具有不同的宏观连接方式, 这不仅决定了压电器件广泛的应用场合, 而且推动了压电陶瓷材料和器件多样化的成型技术发展。与传统成型技术相比, 增材制造技术的最大优势在于无需模具即可实现外形复杂的小批量样品快速成型, 这与多样化的压电陶瓷及其器件研发需求十分契合, 同时因其样品后续加工量少、原材料利用率高、无需切削液的特点, 得到了学术界和工业界的广泛关注。在陶瓷材料增材制造领域, 功能陶瓷和器件的研究仍在增长期。本文从不同增材制造技术角度, 探讨和对比现阶段无铅和含铅压电陶瓷增材制造的发展历史、原料制备、外形设计、功能特性检测及试样的应用, 并根据现阶段各增材制造技术的优、劣势对其未来进行了展望。     

陶瓷增材制造的研究现状与发展趋势

陶瓷材料具有优异的热学性能和力学性能,在众多领域显示出重要的应用前景。其固有的高强度、高硬度等性能却给陶瓷零件的成型带来了很多困难。将增材制造技术引入到陶瓷成型中将能有效克服上述困难,并为陶瓷材料复杂成型工艺提供了全新的可能性。本论文从陶瓷增材制造原料状态角度,综述了几种常见陶瓷增材制造技术的研究现状与进展,系统比较了各项技术在陶瓷领域应用的优缺点,并对今后陶瓷增材制造技术的发展进行了展望。     

陶瓷3D打印技术及材料研究进展

综述了陶瓷3D打印技术和材料的特性及其研究进展与应用现状,重点讨论了喷墨打印技术、熔化沉积成型技术、光固化成型技术、分层实体制造技术、激光选区熔化技术/激光选区烧结技术、三维打印成型技术、浆料直写成型技术的特性和研究进展,分析了磷酸三钙陶瓷、氧化铝陶瓷、陶瓷先驱体、SiC陶瓷、Si_3N_4陶瓷、碳硅化钛陶瓷的特性和应用现状,最后指出了陶瓷3D打印技术的发展方向是与传统陶瓷工艺相结合,实现陶瓷制品的快速生产及生物陶瓷制品、高性能陶瓷功能零件的制造。     

粉体性质对树脂基氧化锆光固化浆料流变行为的影响

合适的树脂基陶瓷浆料的制备对陶瓷光固化成型技术而言至关重要。本文研究了氧化锆粉体的性质, 包括比表面积、粒度与粒径分布、颗粒形貌等因素对树脂基浆料流变行为的影响。研究发现: 粉体的比表面积是影响浆料粘度的最主要因素。选择低比表面积、形貌接近球形的粉体更容易制备出低粘度的浆料。利用Krieger-Dougherty模型研究了粉体固含量对浆料流变行为的影响。在1550 ℃烧结得到了相对密度为(97.83±0.33)%的氧化锆陶瓷, 未发现明显的晶粒异常长大, 表明基于流变学表征方法对浆料制备参数进行优化后, 采用光固化技术可以制备出复杂结构、高质量的氧化锆陶瓷。     

石墨烯基储能材料的增材制造研究进展

石墨烯是一种具有大比表面积、高电导率和良好的力学性能的二维材料,在高容量和大功率储能器件方面具有广阔的应用前景。然而现有的各种石墨烯电极制造技术无论从技术层面还是在生产率、性能方面都难以满足当前工业应用的需求。石墨烯增材制造(石墨烯3D打印)在复杂三维石墨烯结构的制造方面具有突出的优势和潜力,而且还具有设备简单、成型结构可控性高等优点。关于石墨烯基电极材料的增材制造及应用在近两年内迅速发展。概述了基于增材制造制备石墨烯结构的典型技术——直写成型(DIW)的机理和优点,介绍了基于该技术制备的石墨烯基电极材料在超级电容器和锂离子电池领域的应用,最后对石墨烯基电极材料的增材制造面临的挑战和未来发展趋势进行了展望。     

粉体性质对树脂基氧化锆光固化浆料流变行为的影响（英文）

合适的树脂基陶瓷浆料的制备对陶瓷光固化成型技术而言至关重要。本文研究了氧化锆粉体的性质,包括比表面积、粒度与粒径分布、颗粒形貌等因素对树脂基浆料流变行为的影响。研究发现:粉体的比表面积是影响浆料粘度的最主要因素。选择低比表面积、形貌接近球形的粉体更容易制备出低粘度的浆料。利用Krieger-Dougherty模型研究了粉体固含量对浆料流变行为的影响。在1550℃烧结得到了相对密度为(97.83±0.33)%的氧化锆陶瓷,未发现明显的晶粒异常长大,表明基于流变学表征方法对浆料制备参数进行优化后,采用光固化技术可以制备出复杂结构、高质量的氧化锆陶瓷。     

聚合物前驱体转化陶瓷增材制造技术研究趋势与挑战

近年来,增材制造技术作为一种新兴的制造技术受到了广泛关注。该技术在高性能陶瓷材料的成型制造领域具有巨大的发展潜力,有望突破传统陶瓷加工和生产的技术瓶颈,极大提升高性能陶瓷产品的设计和制备的自由度,从而为高性能陶瓷材料制造技术的发展提供变革性的推动力。前驱体转化陶瓷通过化学方法制得聚合物,再经热处理转化为陶瓷材料。聚合物前驱体充分利用了自身良好的可加工性特点,实现了目标结构的预成型,并通过热处理工艺获得传统陶瓷工艺难以获得的先进陶瓷材料。而聚合物前驱体材料与增材制造技术的结合更受到了极大关注。本文在介绍聚合物前驱体增材制造技术特点的基础上,系统阐述了聚合物前驱体增材制造技术的研究与应用前沿的现状与趋势,并分析了聚合物前驱体增材制造技术面对的挑战以及未来发展方向。     

超高温氧化物陶瓷激光增材制造技术与缺陷控制研究进展

超高温氧化物陶瓷具有高强度、高硬度、天然杰出的抗氧化和抗腐蚀性能,被认为是极端氧化腐蚀环境下长期服役的理想高温结构材料。激光增材制造 (LAM) 技术以其特有的高效、快速、无需模具、柔性制造等优点,成为近年来直接快速制备高性能复杂结构陶瓷构件最具潜力的近净成形技术。本文概述了陶瓷材料LAM技术的原理,重点阐述了高性能氧化物陶瓷及其复合材料选择性激光烧结、选择性激光熔化和激光近净成形三种代表性的LAM技术成形特点、优势及应用,并探究了超高温氧化物陶瓷LAM中的缺陷控制方法。最后,展望了LAM高性能复杂结构超高温氧化物陶瓷的发展趋势和突破点。      

增材制造金属材料在医学生物学的研究新进展

增材制造(Additive manufacturing, AM)又称3D打印,它是将计算机辅助设计、材料加工和成型技术相融合,并以数字模型文件为基础,通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料,按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积,制造出实体物品的一种制造技术。自其问世以来,人们在了解增材制造工艺及其所制备的金属试样结构和性能方面取得了重大进展。这一领域迅速的发展让科研人员对于金属增材制造的理解日益深入,本文旨在重点介绍钛及钛合金、钽及钽合金、镁合金和铁及铁合金金属增材制造材料在医学生物学方面的应用及研究新进展,阐述其在打印工艺及机理、表面改性处理及临床示范应用等方面的研究现状,并对其应用研究前景进行展望。     

碳化硅陶瓷浆料基3D打印研究进展

碳化硅陶瓷由于具有优异的热学、力学、化学性质,被广泛应用于国民生产生活中.然而,传统的成型方法存在精度低、难以制备复杂形状等问题,已不能满足制造业的需要.增材制造为此提供了新的发展方向.本文综述了目前以浆料形式3D打印SiC陶瓷材料的进展,对比了DIW、SLA、DLP、TPP技术在制造碳化硅陶瓷材料方面的优缺点,为选择制备方法提供了参考;还综述了四种方法制备过程中存在的问题,并为此总结了一些解决方案.