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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

增材制造智能材料研究现状及展望EI北大核心CSCD

增材制造技术自问世以来成为拓展多学科发展、实现多学科研究融合以及联结材料与产品的关键性技术,该技术颠覆了传统加工设计和制造理念,同时也是实现智能制造的重要方法。智能材料是对环境具有感知、可响应、自修复和自适应的一类材料。将智能材料与增材制造技术有机结合,可实现具有感受外部刺激或环境激活的三维智能器件的一体化制造。智能材料增材制造技术被广泛应用于个性化医疗、柔性电子和软体机器人等领域。本文对增材制造中所涉及的智能材料进行综述,介绍通过增材制造方法对金属类、高分子类和陶瓷类智能材料所带来的优势及面临的问题。增材制造技术作为实现设计、材料和结构有机融合的有效手段,将成为推动智能材料发展的关键。     

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。     

制备陶瓷件的快速成型技术

对制备复杂陶瓷件的快速成型技术,如分层实体制造、熔化沉积造型、形状沉积成型、立体光刻、选区激光烧结、喷墨打印等的原理,工艺和特点进行了评述。结果表明,快速成型技术有潜力制造复杂的结构陶瓷件、功能陶瓷件、生物陶瓷件和压电陶瓷件。这些技术制备的陶瓷件的性能可与传统方法制备的陶瓷件相媲美。展望了这些技术和前景。     

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。      

Making modified fluoropolymer molds for ultraviolet nanoimprint lithography

A technique of using commercial polymers and additive to fabricate the modified fluoropolymer molds for ultraviolet nanoimprint is proposed, which is based on direct replicating of the electronic beam lithography resist patterns by cast molding process. A small amount of the added additive can increase the oleophobic behavior of the fluoropolymer, and so to reduce its surface energy remarkably. The cast-molded modified fluoropolymer molds (CMF-mold) not only satisfy the rigidity requirement for replicating very fine features and are solvent resistant but also possess low surface energy by themselves and are inexpensive and easy to fabricate. Using the CMF-mold, both complex letters with 100 nm linewidth and dense lines with 80 nm linewidth /space can be reproduced into the ultraviolet resist conveniently. Moreover, in our experiment, the modified fluoropolymer mold has shown its replicating competence for fabricating high-aspect-ratio sub-30 nm structures.     

Research progress of ceramic matrix composite parts based on additive manufacturing technology

ABSTRACT

Ceramic matrix composites (CMCs) are materials that can be engineered for high-temperature applications in various fields including aerospace, marine, etc. It is very difficult to fabricate CMCs using traditional moulding methods due to their brittleness and high hardness. Additive manufacture (AM) technology, a digital manufacturing technology, provides multiple advantages over traditional manufacturing technologies, such as fabricating geometrically complex parts, mould-free fabrication, short development cycle, etc. In this paper, various AM technologies developed for CMCs are reviewed with emphasis on mechanisms of manufacturing, characteristics of production, and recent research progresses. With the springing up of innovative ideas and pioneering work, AM technology possesses unique forming capabilities in fabricating CMCs, demonstrating strong potentials in the application of CMCs in aerospace and other fields. However, there are still many challenges of CMCs fabricated by AM technologies, i.e. poor mechanical properties and geometric accuracies; lower reinforcement volume fraction than that of traditional manufacturing processes.     

钴基高温合金增材制造研究现状及展望

钴基高温合金是一种在高温下具有高强度、良好的耐热、耐磨和耐腐蚀性能的材料,被广泛用于航空航天等领域。钴基高温合金增材制造技术具有材料利用率高、制造周期短和能够制造较为复杂零件等优点,相对于传统制造技术有巨大的优势,受到了社会的广泛关注。对钴基高温合金的合金化原理进行了阐述,总结了国内外钴基高温合金增材制造所使用的不同工艺方法,重点对钴基激光增材制造技术、钴基电子束激光增材制造技术进行了分析,综述了各种方法的研究现状和最新成果。评价了钴基高温合金增材制造技术在材料利用率、内部缺陷、成形精度、相关标准化方面的不足,并对钴基高温合金增材制造技术发展方向提出了预测。     

Porosity,cracks, and mechanical properties of additively manufactured tooling alloys: a review

Additive manufacturing (AM) technologies are currently employed for the manufacturing of completely functional parts and have gained the attention of high-technology industries such as the aerospace, automotive, and biomedical fields. This is mainly due to their advantages in terms of low material waste and high productivity, particularly owing to the flexibility in the geometries that can be generated. In the tooling industry, specifically the manufacturing of dies and molds, AM technologies enable the generation of complex shapes, internal cooling channels, the repair of damaged dies and molds, and an improved performance of dies and molds employing multiple AM materials. In the present paper, a review of AM processes and materials applied in the tooling industry for the generation of dies and molds is addressed. AM technologies used for tooling applications and the characteristics of the materials employed in this industry are first presented. In addition, the most relevant state-of-the-art approaches are analyzed with respect to the process parameters and microstructural and mechanical properties in the processing of high-performance tooling materials used in AM processes. Concretely, studies on the AM of ferrous (maraging steels and H13 steel alloy) and non-ferrous (stellite alloys and WC alloys) tooling alloys are also analyzed.The full text can be downloaded at https://link.springer.com/article/10.1007/s40436-021-00365-y     

3D-Printed Micro/Nano-Scaled Mechanical Metamaterials: Fundamentals,Technologies, Progress,Applications, and Challenges

Micro/nano-scaled mechanical metamaterials have attracted extensive attention in various fields attributed to their superior properties benefiting from their rationally designed micro/nano-structures. As one of the most advanced technologies in the 21st century, additive manufacturing (3D printing) opens an easier and faster path for fabricating micro/nano-scaled mechanical metamaterials with complex structures. Here, the size effect of metamaterials at micro/nano scales is introduced first. Then, the additive manufacturing technologies to fabricate mechanical metamaterials at micro/nano scales are introduced. The latest research progress on micro/nano-scaled mechanical metamaterials is also reviewed according to the type of materials. In addition, the structural and functional applications of micro/nano-scaled mechanical metamaterials are further summarized. Finally, the challenges, including advanced 3D printing technologies, novel material development, and innovative structural design, for micro/nano-scaled mechanical metamaterials are discussed, and future perspectives are provided. The review aims to provide insight into the research and development of 3D-printed micro/nano-scaled mechanical metamaterials.