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。     

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。     

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。     

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。     

基于光固化技术增材制造陶瓷和金属的研究进展

增材制造是目前极具发展潜力的前沿技术之一。光固化增材技术作为增材制造的一个分支,具有高效、低能耗和成型精度高等优点,可解决传统工艺制备复杂结构金属和陶瓷存在的周期长、加工困难和成本高等问题,具有良好的经济和技术优势。光固化成型致密/多孔氧化物陶瓷已被广泛开发,并成功应用于微电子组件、光子晶体和骨科植入物等领域,但光固化非氧化物陶瓷和金属材料的应用基础理论和成型技术还未十分成熟,适宜于光固化工艺的陶瓷和金属浆料的制备仍面临很多挑战。本文综述了光固化增材制造氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷和金属材料的研究进展,从浆料制备、光固化成型和后处理三个阶段分析了光固化增材制备三种材料的主要技术难点和可能的解决方案,最后指出了光固化陶瓷和金属材料的未来发展方向。     

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。     

基于粉末成形的激光增材制造陶瓷技术研究进展

陶瓷以其优异的热物理化学性能在航空航天、能源、环保以及生物医疗等领域具有极大的应用潜力。随着这些领域相关技术的快速发展, 其核心零件部件外形结构设计日益复杂、内部组织逐步走向定制化、梯度化。陶瓷具有硬度高、脆性大等特点, 较难通过传统的加工成形方法实现异形结构零件的制造, 最终限制了陶瓷材料的工程应用范围。激光增材制造技术作为一种快速发展的增材制造技术, 在复杂精密陶瓷零部件的制造中具有显著优势: 无模、精度高、响应快以及周期短, 同时能够实现陶瓷零件组织结构灵活调配, 有望解决上述异形结构陶瓷零件成形问题。本文综述了多种基于粉末成形的激光增材制造陶瓷技术: 基于粉末床熔融的激光选区烧结和激光选区熔化; 基于定向能量沉积的激光近净成形技术。主要讨论了各类激光增材陶瓷技术的成形原理与特点, 综述了激光选区烧结技术中陶瓷坯体后处理致密化工艺以及激光选区熔化和激光近净成形技术这两种技术中所打印陶瓷坯体基体裂纹开裂行为分析及其控制方法的研究进展, 对比分析了激光选区烧结、激光选区熔化以及激光近净成形技术在成形陶瓷零件的技术特征, 最后展望了激光增材制造陶瓷技术的未来发展趋势。     

“陶瓷增材制造”专题序言EI北大核心CSCD

先进陶瓷材料以其优异的力学性能和化学稳定性以及各种声光电磁热特性,在各个领域获得广泛应用。随着当前科技水平的不断提高,特别是在尖端应用场景中,对先进陶瓷部件的结构和功能要求也越来越高,其结构复杂化、功能多元化导致传统制造成型方法存在一定局限性,而增材制造的出现为解决上述问题提供了新思路。陶瓷增材制造领域涉及材料、化学、机械、控制、光学、力学等相关交叉学科,是一个新兴研究方向,在机械电子、通讯、能源环保、航空航天、生物医疗、艺术珠宝等领域极具发展前景。     

直写3D打印陶瓷基多孔结构的研究进展

陶瓷基多孔结构既继承致密陶瓷材料耐高温、电绝缘、化学稳定的优异性能,又兼具多孔结构低密度、高比表面积、低热导率的独特优势,已被广泛应用于隔热、骨组织工程、过滤及污染物清除、电子元器件等领域。但是,陶瓷基多孔结构的传统成孔方法在宏观尺度创造复杂几何外形与微纳尺度调控孔结构形态方面仍面临巨大挑战。近几十年来,研究人员一直致力于创新陶瓷基多孔结构的加工成型方法,以直写3D打印为代表的增材制造技术成为当前研究的热点,并迅速发展出一系列成熟理论与创新方法。本文首先概述了陶瓷基多孔结构的传统成孔方法与增材制造成孔方法,进一步详细介绍了直写组装成孔工艺过程,主要包括假塑性墨水配方、固化策略、干燥及后处理,分析了传统成孔方法与直写3D打印二者的组合技术在构筑陶瓷基多级孔结构方面的可行性,总结了直写3D打印技术在制造复杂陶瓷基多孔结构领域的新观点、新进展和新发现,最后结合陶瓷基多孔结构实际应用现状对直写3D技术的未来发展与挑战进行了展望。     

基于增材制造的陶瓷器型创新设计研究综述

通过梳理陶瓷领域的增材制造技术,并结合传统陶瓷的工艺过程及特点,探索增材制造技术对陶瓷器型创新的推进作用,并对未来发展趋势进行展望。基于陶瓷传统工艺过程,提炼传统器型的造型特点,就其存在的限制与问题进行分析;梳理目前陶瓷增材制造的技术发展脉络,探索不同增材制造技术的工艺特点及对陶瓷造型的影响,并结合陶瓷增材制造实例进行设计剖析,从创作方式和设计语言两方面阐述增材制造对于陶瓷器型的创新推进作用;最后对陶瓷增材制造技术进行未来展望。增材制造技术与陶瓷的结合,有力地推进了陶瓷器型的创新设计,使其突破了传统的设计限制,新的技术带来新的设计语言与创作形式,虽然目前仍处于发展阶段,但极具潜力。     

典型无机非金属材料增材制造研究与应用现状

增材制造是基于离散堆积思想实现原型或产品零件的快速制造。作为三大材料之一的无机非金属材料在医疗、航天航空、汽车、建筑、工艺品等众多领域都具有无可比拟的巨大应用前景,为了能够快速制造形状任意复杂的器件,无机非金属材料的增材制造成为当下研究的热点。从增材制造技术类型、材料等方面详细阐述国内外无机非金属材料增材制造研究水平与发展状况,对比几种常用的无机非金属材料,重点是针对几种常见的陶瓷材料以及用于砂型铸造材料等成形特点及面临问题进行阐述,阐明了目前无机非金属材料增材制造存在的迫切需要解决的关键性问题,并深入分析了材料处理工艺、3DP/SLS/SLM三维成形工艺、后处理工艺对成形件的质量和性能的影响作用,最后对宝玉石材料的增材制造提出一些展望。     

胶态无模快速成形陶瓷制件的应用及发展趋势

胶态无模快速成形陶瓷制件由于具有成形精度高、可机械加工能力好、能够制备大尺寸,复杂形状陶瓷制件等特点而备受关注。本文综述了近年来发展迅速的几种陶瓷胶态无模快速成型技术。着重介绍了各种技术的成形原理和方法、工艺过程及研究现状等,通过比较分析了不同快速成型制造技术在陶瓷零件制造中的特点及其存在的问题,对于陶瓷零件成形时不同成形技术的选择提出了一些参考意见,并结合课题组研究成果展望了胶态成形的发展趋势。     

粉末注射成型工艺参数对产品性能的影响

粉末注射成型是一项新型近净成型技术,被用于生产较小尺寸及形状复杂的制品。相比较传统的加工技术,虽然粉末注射成型工艺经济技术优势明显,但是该技术面临的技术问题也十分突出。结合该工艺的特点,本文论述了包括混料、注射成型、脱脂、烧结4道工序中涉及的工艺参数对制品质量的影响。粉末注射成型工艺在陶瓷、金属材料方面得到了很好的应用。     

3D打印陶瓷材料研究进展

作为新一代成型技术,3D打印技术具有操作简单、成型速度快、精度高等优点,而采用3D打印技术制备出的多功能化陶瓷零件,在建筑、工业、医学、航天航空等领域将会得到广泛的应用,其发展前景十分广阔。主要介绍了3D打印陶瓷方面的成型技术和材料,回顾了3D打印陶瓷的发展及国内外产业状况,并对可应用于3D陶瓷的打印技术和打印材料进行了展望。     

焊接快速成形技术的发展现状

焊接快速成形技术是近几十年才发展起来的新型制造技术,具有高灵活性、低成本和高生产效率等优点,在军事、医疗、交通、教育等许多行业都得到了广泛应用。简单介绍了焊接快速成形技术的原理及特点,概述了以钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊、等离子弧焊、激光焊、电子束焊为基础的焊接快速成形技术国内外的发展现状,指出了焊接快速成形技术在发展中存在的问题,并就关于成形精度、成形性能、成形材料的问题进行了分析。     

面向电子制造的功率超声微纳连接技术进展

为满足电子制造与封装对新材料与工艺的迫切需求,尤其是高功率、高温服役、高集成度以及高可靠性等新型器件的连接难题,开发了面向电子制造的功率超声微纳连接技术。从固相键合、超声复合钎焊和超声纳米连接3个方面,综述了面向电子制造的功率超声微纳连接技术的原理方法、优势与应用场合。功率超声由于其表面清洁、声流和空化作用,将大幅提升冶金反应速率,有效解决了传统TLP反应温度高时间长,以及Cu和Al等金属的易氧化等问题,甚至攻克了Al2O3,AlN,SiC等陶瓷基板的难润湿以及低温纳米颗粒烧结驱动力不足的难题。综述了该领域多年来的研究成果,聚焦电子制造中的功率超声微纳连接技术,从固相连接领域的引线键合、室温超声金属连接和超声增材制造,到钎焊领域的超声低温软钎焊、超声中高温连接以及超声瞬态液相连接,最后针对第三代半导体高功率器件简述了超声纳米连接,探讨了功率超声微纳连接技术的研究进展及趋势。     

电弧增材制造路径工艺规划的研究现状与发展

路径工艺的合理规划对电弧增材制造成形过程的顺利进行,以及获取更高精度的成形件和提高成形效率等均有重要意义。先从成形效率、成形精度以及组织性能等方面,对常见的几种填充路径进行综述,然后经过分析总结并且结合实际情况,发现把自适应路径间距和复合式填充路径结合起来更能满足实际生活中的电弧增材制造生产要求,最后结合当前电弧增材制造技术路径规划的研究现状、研究重难点以及相关国家政策指出,电弧增材制造技术的未来发展趋势是实现复杂构件的自动化、智能化和绿色化制造。     

核电用316L不锈钢粉末增材制造研究现状

增材制造技术是一种无须模具、近净成形的先进制造工艺。不锈钢是一种在核电行业广泛应用的结构材料。实现不锈钢结构件的增材制造将进一步推动增材制造技术的发展,也可为核行业带来革命性改变。以核电用316L不锈钢为例,系统阐述了不锈钢粉末增材制造研究现状,包括粉末制备工艺现状、增材制造成形工艺现状以及成形件的组织性能研究现状。目前,增材制造用316L不锈钢粉末的制备工艺主要为雾化法,粉末的物化性能受制粉工艺参数的影响。在激光粉末床熔融增材制造技术、电子束选区熔化技术和等离子增材制造技术中,尤以激光粉末床熔融增材制造不锈钢的应用最为广泛。增材制造316L不锈钢的组织与性能存在各向异性,但各向异性可通过增材制造的后处理技术消除。目前增材制造最为常用的后处理技术为热处理。与锻造316L不锈钢相比,经热等静压处理的增材制造316L不锈钢的力学性能与辐照性能更优。目前,核用不锈钢的增材制造技术还处于起始阶段,后续应重点关注增材制造的成形机理及成形材料中子辐照性能等内容。     

增材制造铜/钢双金属材料研究进展

铜/钢双金属材料具有力学强度高、物理化学性能优良等优势,在交通运输、电力能源和建筑工业等领域应用前景广阔。然而,传统熔铸工艺在制造铜/钢双金属材料时,容易在铜/钢界面处产生偏析现象,在一定程度上限制了铜/钢双金属材料的发展。与传统工艺相比,增材制造技术不仅能实现复杂加工零件的快速制造,而且在成形过程中较短的保温时间能缓和或消除异种金属材料界面产生的冶金缺陷,进而增强铜/钢双金属材料的力学性能。由于双金属材料是近年来的研究热点,有关增材制造铜/钢双金属材料的综述性文章较少,故综述了近年来激光、电子束及电弧增材制造技术制造铜/钢双金属材料的研究发展现状,分析了各技术的优缺点,并从制备方法、工艺参数及界面合金元素等角度,分析了影响材料界面组织性能变化的关键因素。发现在增材制造铜/钢双金属材料方面,目前激光增材制造技术主要应用于精度要求较高的小尺寸零部件,电子束增材制造技术适用于某些具有特殊性能的合金,如钛合金,而电弧增材制造技术适用于精度要求较低的大型复杂零部件。在铜/钢双金属材料增材制造过程中,界面处易形成显微组织分布不均匀、界面晶粒尺寸差异较大等现象,导致界面处产生应力集中,从而造成材料...