先进陶瓷黏结剂喷射增材制造技术发展与展望

在过去的20年中,陶瓷黏结剂喷射增材制造技术已经成为制造复杂陶瓷构件的一种革命性方法,特别是在航空航天、生物医疗、电子信息等多个关键领域展现出显著的应用潜力与价值。本文全面回顾了此技术的基础原理、材料选择、工艺流程、性能特征及制造缺陷,并针对未来的挑战和目标进行了深入展望。文中首先详细概述了该技术的成型原理,对其与其他增材制造工艺的优势和局限进行了对比分析;然后综合总结了国际研究进展,重点包括陶瓷粉末的性能与处理、黏结剂的配置与其在粉床中的动力学行为、工艺参数的调整与后续致密化工艺,并讨论了这些因素如何影响初坯和最终制件的密度、孔隙结构、组织特性及性能;最后,基于现有研究成果和应用局限,本文对粉末原材料、黏结剂的设计、工艺参数优化等方面提出了前瞻性的发展建议。本篇综述旨在为理解和应用陶瓷黏结剂喷射增材制造提供全面的科学研究和工程实践指导。

黏结剂喷射成形技术研究进展

黏结剂喷射成形是一种基于粉末床的增材制造技术,通过液态黏结剂的沉积以选择性地连接粉末颗粒,实现近净成形,最后通过烧结进行固结。该技术因为工艺简单、材料适应性广、成形效率高、批量化生产潜力大而受到关注。本文对黏结剂喷射成形的工艺流程进行了概述,总结了影响黏结剂喷射成形过程的因素。粉末特性、铺粉方式、黏结剂种类及其与粉床的相互作用是控制生坯密度、尺寸精度的关键。烧结及熔渗是主要的后处理方式,借助助烧剂、分步烧结工艺、超固相线液相烧结等方式可实现更高程度的致密化。黏结剂喷射成形已在铸造、医疗器械、3C行业等得到了广泛的应用,通过进一步优化黏结剂体系、全流程自动化设备和提升致密化及后处理技术可推动黏结剂喷射成形技术的大规模产业化。

生物质黏结剂在锂/钠离子电池中的研究进展

生物质材料是由生命体衍生得到的材料,具有可再生、可降解的特征,而且其结构中富含多种活性基团,能与电极活性材料产生氢键、离子-偶极和化学键等强相互作用。传统的油溶性黏结剂因活性基团缺乏、使用有机溶剂等特点,不利于电池综合性能和绿色发展,而采用生物质黏结剂是一种实现高循环性能、抗容量衰减的有效手段之一。该文综述了生物质黏结剂的分类及特点、与活性材料之间的作用机理,重点介绍和总结了生物质黏结剂在锂离子电池和钠离子电池中的应用,并展望生物质黏结剂在电化学领域的发展方向。未来的研究仍应集中于对天然生物质进行改性,使其兼具良好的黏附性、分散性、导电性和自愈性,以便更好地利用生物质材料的结构特性和功能特性。

黏结剂喷射制备陶瓷型芯抗弯强度、尺寸精度及表面质量影响因素的研究进展

黏结剂喷射因具有低成本和可控性优势而在陶瓷型芯的制备中得到广泛的应用,但制备陶瓷型芯的抗弯强度、尺寸精度和表面质量一般较低,而这些不足可以通过改变制备工艺参数来进行改进。综述了粉末、黏结剂、成形工艺和后处理工艺这4个方面的参数对陶瓷型芯抗弯强度、尺寸精度和表面质量的影响,提出了提高黏结剂喷射制备陶瓷型芯抗弯强度、尺寸精度和表面质量的未来发展方向。

黏结剂对硬碳负极材料性能的影响

硬碳作为钠离子电池负极材料,具有成本低、容量高和循环性能好等优势,黏结剂种类的选取对硬碳材料性能有很大的影响。选用油系聚偏氟乙烯(PVDF)黏结剂,以及水系海藻酸钠(SA)、聚丙烯酸钠(PAANa)和羧甲基纤维素(CMC)黏结剂,研究黏结剂种类对硬碳材料性能的影响。相比于油系黏结剂,水系黏结剂更适用于硬碳材料。SEM和极片电阻率结果显示,水系黏结剂的分散效果更好,制备的极片电阻率更低。电化学测试结果表明,水系黏结剂制备的电池电化学性能更优,首次库仑效率(ICE)均高于87%,而油性黏结剂PVDF制备的电池ICE仅有70.5%。SA和PAANa两种水系黏结剂制备的电池以1.0 C在0.01~2.50 V循环100次,可逆容量稳定在320 mAh/g左右,而CMC和PVDF制备的电池分别仅为270 mAh/g、260 mAh/g,且SA和PAANa制备的电池电化学阻抗最低。

使用黏结剂和造孔剂对粒状干法脱硫剂调控的研究进展

随着“碳达峰”“碳中和”目标的提出,促使企业更加关注SO_(2)的脱除问题。由于干法粒状脱硫剂材料廉价易得、制备方法简单、脱硫性能高、制备过程易于操作等特点,干法粒状脱硫工艺将成为未来烟气脱硫的发展趋势。介绍了干法粒状脱硫剂中需要使用的黏结剂和造孔剂,在脱硫剂中添加黏结剂可以增加脱硫剂的机械强度和脱硫效率,使脱硫剂不易粉化;在脱硫剂中添加造孔剂可以提高其比表面积和孔隙率,从而增加脱硫剂与SO_(2)的接触机会,进而提高脱硫效率。在干法粒状脱硫剂中添加廉价易得的黏结剂和造孔剂,提高脱硫剂的脱硫效率、降低成本是今后的发展方向。

硅负极黏结剂对锂离子电池性能的影响

为考察负极黏结剂对锂离子电池性能的影响,分别以丁苯橡胶(SBR)、改性SBR、苯乙烯丙烯酸酯(SA)为负极黏结剂,制备锂离子电池,并对电池的性能进行评估。SA黏结剂在内阻、低温放电及循环性能上优于传统的SBR黏结剂。在25℃下,SA黏结剂制备电池的直流内阻为28.68 mΩ,比SBR黏结剂制备的电池下降了22.08%;-20℃下则下降了26.26%。与SBR黏结剂制备的电池相比,在2.8~4.2 V充放电,SA黏结剂制备电池以1.0 C(2.3 A)放电,-20℃与25℃容量之比提高10.78个百分点;25℃下以2.2 C快充循环700次,容量保持率提高9.3个百分点。

铜渣尾矿团粒过程黏结剂筛选及黏结机理

为减少铜渣尾矿资源化利用过程的粉尘和烟气,以铜渣尾矿为原料,以羧甲基纤维素钠(CMC)、膨润土、水玻璃单独或复配为黏结剂制备铜渣球团,通过落下强度、抗压强度和生球爆裂温度考察黏结剂的成球效果,借助扫描电镜、红外光谱和Zeta电位测试分析球团内部微观形貌、吸附特征和表面电位变化。结果表明:3种黏结剂均可实现铜渣尾矿的团粒化黏结;黏结剂单独使用时,CMC配量应大于0.20%,膨润土配量应大于2.0%,水玻璃配量应大于2.5%;CMC与膨润土或水玻璃复配,CMC配量0.1%时,膨润土配量应大于2.0%,水玻璃配量应大于2.5%;CMC配量为0.15%时,膨润土配量应大于1.5%,水玻璃配量应大于2.0%。添加黏结剂后,球团内部结构更加紧凑,空间结构更加牢固;铜渣尾矿颗粒表面Zeta电位降低,亲水性提高,促进了颗粒间的吸附作用进而提高球团质量。

以氢化丁腈橡胶为锂离子电池黏结剂应用进展

氢化丁腈橡胶(HNBR)具有较好的耐油、耐磨、耐候性及良好的化学稳定性,而被广泛地应用于汽车、石油化工、航空航天等领域。在锂离子电池中,HNBR由于具有良好的黏弹性、电化学稳定性和较低的价格使之成为锂离子电池黏结剂的备选材料之一。通过将常见的锂离子电池高分子黏结剂材料与HNBR进行对比,同时通过分析现有研究和专利,讨论了以HNBR为锂离子电池黏结剂潜在的应用场景和技术可行性。

小麦秸秆制备热解型煤黏结剂的实验研究

以生物质和低阶粉煤为原料制备热解型煤是实现低阶粉煤高效清洁分质利用的重要技术之一。该研究以小麦秸秆水解残渣(WSR)为黏结剂主要成分,分别复配3种无机黏结剂成分和5种有机黏结剂成分,考察了黏结剂组成对型煤落下强度、热强度和热稳定性的影响规律,优选了膨润土、碱性淀粉、腐植酸钠(HA-Na)等3种黏结剂成分,采用正交试验对复合黏结剂的组成进行了优化。在最优复合黏结剂配比(WSR 12.5%,膨润土3%,HA-Na 3%,碱性淀粉1%)条件下,制备的型煤落下强度为98%,冷压强度3 161 N/个,热强度1 231 N/个,热稳定性99%。

烧结温度和保温时间对黏结剂喷射增材制造AlCoCrFeNi_(2.1)共晶高熵合金显微组织和性能的影响

AlCoCrFeNi_(2.1)共晶高熵合金具有断裂强度高、抗疲劳强度高等优点。本研究使用黏结剂喷射增材制造技术(Binder jetting additive manufacturing,BJAM)制备该合金,通过调节烧结温度(1290℃~1350℃)和保温时间(1~5 h)探究烧结工艺对该合金的显微组织及拉伸性能的影响。结果表明:烧结温度和保温时间通过影响孔隙率及晶粒大小直接影响高熵合金烧结件的性能;孔隙率的下降与晶粒长大同时发生,两因素耦合影响烧结件的力学性能。1350℃保温3 h样品的伸长率达7.09%、致密度达92.5%,1350℃保温1 h样品的屈服强度和断裂强度分别达到600.19 MPa和1021.32 MPa。

不同釉质黏结剂对牙龈卟啉单胞菌和变形链球菌的影响

背景:光固化型和含氟光固化型釉质黏结剂对酸蚀后的牙釉质表面有一定封闭作用,含氟光固化型釉质黏结剂还能通过释放氟离子实现防龋功能,但缺乏对氟化物较长时间释放的研究,尤其缺乏经历1-3个月氟化物释放后局部致病菌量的变化信息。目的:分析青少年正畸治疗患者上前牙使用不同组分釉质黏结剂黏结固定矫治器引发的龈下菌斑中牙龈卟啉单胞菌和变形链球菌表达变化。方法:选择2016年1-12月就诊于上海市口腔医院接受正畸治疗的青少年患者90例,其中男43例,女47例,平均年龄(13.27±1.12)岁。采用随机数字表法将90例患者分为3组:化学固化组应用Unite™黏结树脂进行固定矫治器的黏结,光固化组应用Transbond XT光固化树脂进行固定矫治器的黏结,含氟光固化组应用GC光固化正畸黏结用水门汀进行固定矫治器的黏结,每组30例。在黏结托槽当天(初始黏结)及第1,2,3个月复诊时收集患者上前牙龈下菌斑标本,应用PCR技术检测牙龈卟啉单胞菌和变形链球菌的增殖表达量。结果与结论:①组内比较:随着黏结时间的增加,化学固化组3个月复诊时的牙龈卟啉单胞菌增殖表达显著高于初始黏结时(P<0.05);光固化组1个月复诊时的牙龈卟啉单胞菌增殖表达低于初始黏结时(P<0.05);含氟光固化组1,2个月复诊时的牙龈卟啉单胞菌增殖表达均低于初始黏结时(P<0.05)。化学固化组复诊1,2,3个月时的变形链球菌表达高于初始黏结时(P<0.05);含氟光固化组复诊1,2,3个月时的变形链球菌增殖表达均低于初始黏结时(P<0.05);光固化组复诊时的变形链球菌增殖表达与初始黏结时比较差异无显著性意义(P>0.05);②组间比较:1个月复诊时,光固化组、含氟光固化组牙龈卟啉单胞菌增殖表达低于化学固化组(P<0.05);2,3个月复诊时,含氟光固化组牙龈卟啉单胞菌增殖表达低于光固化组、化学固化组(P<0.05)。1,2,3个月复诊时,光固化组、含氟光固化组变形链球菌增殖表达低于化学固化组(P<0.05),含氟光固化组变形链球菌增殖表达低于光固化组(P<0.05)。③结果显示,在固定正畸中,使用不同组分的釉质黏结剂黏结托槽后,短期内对患者口内牙龈卟啉单胞菌和变形链球菌的增殖表达有不同程度影响,其中含氟光固化釉质黏结剂在托槽黏结初期有助于减少牙釉质脱矿、龋病和牙周炎症的发生。

黏结剂对甲醇制烯烃中单颗粒催化剂内部反应过程的影响

【目的】以甲醇制烯烃(methanol to olefins, MTO)为代表的非均相催化反应在现代化学工业中占据着重要的地位,研究MTO过程中单颗粒催化剂的反应、传质与传热过程,有助于系统理解催化反应机理、优化催化剂设计,实现工艺升级。【方法】建立单颗粒催化剂颗粒模型、反应动力学模型以及传质与传热模型;采用COMSOL Multiphysics 6.0软件模拟MTO反应过程,分别由二氧化硅、氧化铝和高岭土作为黏结剂,建立3种SAPO-34分子筛催化剂颗粒模拟模型;分析3种催化剂颗粒内甲醇扩散和温度传导过程,分析黏结剂对酸性位点、多甲基苯和多甲基萘的浓度分布的影响,将催化剂颗粒内部的传热、传质过程与化学反应进行耦合。【结果】甲醇分子向催化剂颗粒内部的扩散过程中,在t=100 s时甲醇浓度分布基本稳定,从颗粒边缘处向中部、核心处甲醇浓度依次减小;以二氧化硅为黏结剂的颗粒在中心处、边缘处的热力学温度分别为656、 627 K,颗粒内部的甲醇扩散速度最快;在MTO反应过程中,3种颗粒内部的热力学温度均为由中心向边缘处递减;随着MTO反应时间的增加,3种催化剂颗粒的酸性位点浓度平均值逐渐减小,多甲基苯、多甲基萘的浓度平均值逐渐增大;以二氧化硅为黏结剂的颗粒边缘处的的酸性位点浓度降幅最大,然后依次是颗粒的中部和核心处,颗粒内多甲基萘的分布更均匀。【结论】以二氧化硅为黏结剂的催化剂颗粒内部温度最高、温升最快,有效促进了MTO反应的进行,有利于颗粒内分子筛的充分利用和多甲基苯和多甲基萘的均匀分布。

黏结剂喷射3D打印工业纯钛TA1的组织与性能研究

目的探究不同类型黏结剂对黏结剂喷射3D打印(BJ3DP)制备TA1的C和O杂质含量、组织、性能的影响,并基于优选的黏结剂通过BJ3DP成形TA1,厘清烧结温度对微观组织、力学性能和电化学腐蚀性能的影响,为BJ3DP制备高性能TA1零件提供参考。方法基于BJ3DP打印技术,使用商用酚醛和2种自研黏结剂打印出纯钛TA1生坯,并将其固化、脱脂,随后分别在1320、1380、1440℃下烧结,对烧结后的样品进行C和O含量检测、扫描电镜测试、单向拉伸测试、电化学腐蚀试验测试。结果采用商用酚醛和SCUT-1黏结剂BJ3DP打印的TA1样品经1320℃烧结后,C和O含量较高且形成了TiC第二相,导致室温脆性较大。采用SCUT-2黏结剂BJ3DP制备TA1烧结态样品的C和O含量较低,质量分数分别为0.038%和0.100%,无第二相形成,并表现出良好的强度-塑性匹配。同时,随烧结温度的提高,基于SCUT-2黏结剂BJ3DP制备的TA1样品的相对密度从91.9%提高至95.4%,促使力学和电化学腐蚀性能同步提升。经1440℃烧结后,BJ3DP制备的纯钛TA1屈服强度为412 MPa、抗拉强度为502 MPa、断后伸长率为19.6%,在3.5%(质量分数)NaCl溶液中的腐蚀电流密度低至309 nA/cm^(2)。结论SCUT-2黏结剂适用于BJ3DP成形钛及其合金,能够获得杂质含量低且无第二相的组织,提高烧结温度可有效降低孔隙等缺陷,进而获得综合性能优异的BJ3DP零件,且其性能优于粉末注射成形(MIM)制备的TA1的性能。

复合黏结剂对铁精矿球团质量的影响

为充分发掘有机黏结剂对铁精矿球团质量提升的优点,同时弥补有机复合黏结剂削弱成品球抗压强度的不足,本文将蛭石、羧甲基纤维素钠(有机黏结剂)、膨润土进行复配,探究复合黏结剂对铁精矿球团质量的影响,并借助SEM和热重分析探索蛭石改善成品球强度的机理。试验结果表明:在不复配有机黏结剂,仅仅添加1%的膨润土时,球团的落下强度只有1.5次/(0.5 m),抗压强度为8.2 N/P,爆裂温度为550℃,在预热温度为950℃、焙烧温度为1200℃时成品球的强度为3121 N/P;固定膨润土用量,随着有机黏结剂复配比例增加到0.12%,生球落下强度可提升到8.0次/(0.5 m),抗压强度提升到11.3 N/P,但生球的爆裂温度下降到395℃,成品球强度下降到2465 N/P;加入0.03%蛭石+0.12%有机黏结剂+1%膨润土的复合黏结剂后,球团的质量指标最好,球团落下强度可达到6.5次/(0.5 m),抗压强度为13.4 N/P,爆裂温度为362℃,成品球强度在相同条件下可以提升至2764 N/P。SEM和热重分析结果表明:蛭石膨胀能不断填充球团中的孔隙,在焙烧过程中生成液相,有利于固相扩散晶体长大,降低球团孔隙率,从而提升成品球的抗压强度。

金属粉末增塑成形用聚甲醛基黏结剂发展现状及改性研究进展

金属粉末增塑成形结合了有机黏结剂的增塑流动特性,辅助混合喂料可快速成形复杂坯件,是不锈钢、合金钢及钛、镍、钨等有色金属及其复合材料的重要近净成形方法。新型聚甲醛(POM)基黏结剂因具有高的成形坯件强度、优异的脱脂保形性、高效率、低碳残留等优点,已成为金属粉末注射成型的主流黏结剂体系,是极具发展潜力的粉末增塑成形用黏结剂。本文总结近年来粉体增塑成形的技术进展,概述POM基黏结剂的物理特性与粉末注射成型用组分设计,探究POM基黏结剂的流变性能及其影响因素,分析催化脱脂的工艺反应过程与关键因素,综述POM基黏结剂在有色金属构件中的典型应用,并展望POM基黏结剂存在的问题与未来研究方向,为推动POM基黏结剂在粉体增塑成形中的应用提供参考。

导离子型聚酰亚胺黏结剂的制备及其在锂离子电池正极中的应用研究

锂离子电池(LIBs)因其能量密度和输出功率高以及使用寿命长等优势,被广泛应用于新能源领域.正极用聚合物黏结剂作为LIBs的重要组成部分,在活性材料颗粒与电极集流体之间提供结合力,进而促进Li^(+)的扩散,对提高电池循环性能起着重要的作用.商用聚偏氟乙烯(PVDF)是目前正极材料中用到的主要黏结剂,但仍旧存在黏结性能低和导离子性较差的问题.聚酰亚胺(PI)具有优异的力学性能、黏附强度和良好的结构可设计性等优势.因此,设计并制备了一种具有磺酰亚胺锂结构的二胺单体(BAPSI-Li),将其与联苯四甲酸二酐(s-BPDA)和4,4'-二氨基二苯醚(ODA)共聚合成了一种导离子型PI黏结剂.研究表明,PI黏结剂黏结性能相比于PVDF有所提升.由导离子型PI黏结剂制备的LiFePO_(4)(LFP)电极具有优异的电化学性能,在0.2 C的电流密度下经250次循环后,放电比容量高达158.19 mA·h·g^(-1).导离子型PI黏结剂与商用PVDF黏结剂相比展现了更优异的循环稳定性.这得益于PI具有良好的黏结性能,电极能够在长循环过程中保持结构完整.同时,导离子二胺单体的引入有利于促进电极内部锂离子的传输.

钛粉末注射成形PEG/PMMA黏结剂体系的PHB改性研究

金属注射成型(MIM)中使用水溶性聚乙二醇(PEG)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)黏结剂体系会导致大量孔洞形成,该黏结剂体系导热性差,使得零件尺寸越大,注射脱模时间越长。用聚(β-羟基丁酸酯)(PHB)作为PEG结晶抑制剂可解决上述问题。采用导热系数仪、DSC、流变学实验、傅里叶变换红外光谱(FTIR)等,研究PHB含量对黏结剂导热系数、结晶行为、喂料流变特性、注射保压时间及生坯显微结构的影响。结果表明:PHB/PEG共混物随着PHB含量的增加,结晶温度从纯PEG的55.18℃下降至25%(质量分数,下同)PHB改性的51.4℃,熔融焓从79.5 J/g逐渐增加至107.6J/g,导热系数从0.2433 W·m^(-1)·K^(-1)适当增加至0.3469 W·m^(-1)·K^(-1),黏结剂结晶度的增加可改善其导热性能;由于PEG/PHB/PVAc三元体系中存在复杂氢键的相互作用,导致黏结剂结晶温度从未添加PHB的50.07℃降低并稳定在添加25%PHB的43.3℃;添加15%PHB后制备的喂料黏度与剪切速率符合幂律流体规律,在120℃时喂料的剪切稀化指数从未改性的0.77减小至0.62,相同注射条件下注射脱模时间从未改性的100 s缩短至50 s便可获得表面光滑无裂纹、内部孔洞少且分布均匀的钛注射生坯。

黏结剂对硫酸活化稀土尾矿SCR脱硝催化剂成型性能的影响

以硫酸活化稀土尾矿催化剂粉末为基础添加黏结剂(田菁粉、羧甲基纤维素钠和瓜尔胶)制备成型催化剂,探究黏结剂种类及添加量对成型催化剂脱硝性能的影响。通过催化活性评价、抗压强度测试、BET、XRD、H_(2)-TPR等手段对成型催化剂进行表征。结果显示:催化剂粉末挤压成型后,比表面积由3.70m^(2)/g下降至1.22m^(2)/g,脱硝效率仅56%。添加2.5%瓜尔胶增强了稀土尾矿粉末颗粒之间的黏性,使催化剂能够顺利挤出,同时具有造孔效果,使催化剂的比表面积和氧化还原能力得到大幅提升。在5%聚乙二醇和2.5%瓜尔胶的共同作用下,成型的硫酸活化稀土尾矿催化剂脱硝效率可达91.6%,并具有良好的N_(2)选择性,真正实现了稀土尾矿的资源化利用。

水性丙烯酸树脂黏结剂的制备及其对特种含能纸基材料的增强性能研究

以丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酰胺和丙烯酸为单体,甲基丙烯酸缩水甘油酯及N,N'-亚甲基双丙烯酰胺作为功能单体,采用半连续乳液聚合法制备了水性丙烯酸树脂黏结剂。结果表明,甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)添加量为11.2%时,乳液平均粒径为172.7 nm,黏度为14.9 mPa·s,并且在100℃下乳液性能保持稳定。接触角及力学性能测试表明,利用水性丙烯酸树脂黏结剂(GMA添加量11.2%)进行浆内施胶,特种含能纸基材料的应力由15.24 MPa增加至33.06 MPa,接触角由108.3°提高到113.3°。