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。

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。

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。

“陶瓷增材制造”专题序言

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。

选区激光熔化成形颗粒增强铝基复合材料综述

选区激光熔化(SLM)是一种新兴逐层增材制造技术,能够生成具有三维复杂结构的高性能构件。颗粒增强铝基复合材料(PAMCs)由于结合铝基体和增强相的优异特性在很多领域被认为是一种重要材料。基于SLM和PAMCs的综合优势,新型SLMPAMCs在近年来被陆续开发和研究。因而,本文总结当前有关SLMPAMCs的研究进展。首先,着重分析SLM PAMCs的凝固行为。其次,对高性能SLM PAMCs设计和制造中涉及的重要问题进行全面的讨论,其中包括增强相的选择、工艺参数对成形和微观结构的影响以及缺陷演变和相调控。第三,对SLM PAMCs的性能和增强机制进行系统讨论。最后,对高性能SLM PAMCs未来发展方向提出建设性的观点。

基于TPMS的多孔结构力学性能研究

为探究不同TPMS孔隙结构对多孔支架力学性能的影响,采用隐函数表达的TPMS作为构建微观多孔结构的基础孔隙单元,通过定义距离函数构建不同结构特征的TPMS多孔支架,并应用SLM制备了AlSi10Mg多孔支架;采用有限元法分析和力学试验方法,研究不同孔隙结构特征对多孔TPMS支架力学性能的影响,分析不同距离函数k值对Primitive(P)和F-RD多孔结构支架孔隙率、弹性模量、屈服强度和失效的影响规律。有限元分析及试验结果表明随着距离函数k的增加,P单元多孔支架的弹性模量和屈服强度呈上升趋势,而FRD单元多孔支架弹性模量和屈服强度则呈下降趋势,且相对于FRD单元,P单元构建的多孔支架更容易被压溃,通过对TPMS的类型及函数k值的控制,可有效的对多孔支架孔隙率、弹性模量以及屈服强度进行调节。研究结果为组织工程骨支架设计提供了相关依据。

陶瓷挤出和喷射增材制造技术研究进展

增材制造技术被认为是解决复杂结构陶瓷零部件制造的有效新途径之一。其由点-线-面-体累加成型的制造过程还为具有特殊宏微观结构的陶瓷零部件赋予了一体化的结构功能特性。综述了熔融沉积造型、挤出直写、喷墨打印以及粘接剂喷射等四种基于挤出或喷射成型原理的陶瓷增材制造技术的历史起源、工作原理、原材料制备以及打印工艺研究等内容,并结合研究实例探讨打印件性能与应用研究。通过不同技术的特点对比,提出目前陶瓷挤出喷射增材制造技术面临的主要挑战并进行了展望。

陶瓷光固化3D打印技术研究进展

综述三类主要的陶瓷光固化3D打印技术,即立体光固化(SL)、数字光处理(DLP)和双光子聚合(TPP)的工艺历史起源与演变及其在各类陶瓷材料零部件制造的最新应用研究进展以及部分设备相关产业现状。从原料特性、打印工艺、后处理和陶瓷件性能等方面进行重点总结与讨论。同时,探讨面临的部分问题和挑战,如目前仍然无法规模化生产且生产效率较低,打印件高端工业应用场景还有待挖掘,需要有针对性地进一步发展陶瓷光固化3D打印新材料、新理论和新技术,以寻求效率与应用突破。最后指出结构功能一体化/梯度化制造以及多材料/多工艺复合高效制造是未来陶瓷3D打印技术的重要发展方向。

多孔陶瓷的增材制造及构性表征与关系研究

陶瓷特别是多孔陶瓷零部件在工业领域具有广泛和重要的应用价值,传统方法在制造复杂结构多孔陶瓷零部件方面具有较大限制。同时,多孔陶瓷结构和性能表征及关系建立也面临诸多挑战。本文总结了陈张伟及其团队围绕陶瓷增材制造相关的材料研发、工艺探索和其在能源环保等领域的特色创新应用,以及以固体氧化物燃料电池陶瓷组件为背景的多孔陶瓷力学性能和微宏观结构表征与关系方面的研究进展与成果,为陶瓷增材制造技术的发展以及多孔陶瓷构性关系研究提供一定参考。

柔性仿生机器鱼的复合推进结构设计

针对目前柔性仿生机器鱼推进结构单一等问题,文章针对性地进行了柔性仿生机器鱼的复合推进结构的设计,主要包括鱼身驱动推进结构、鱼身摆动推进结构、胸鳍扑动结构以及胸鳍浮潜结构,以提高柔性仿生机器鱼的推进效率;以及通过对所设计齿轮的校核,设计一款安全可靠、用于水下监测、环境保护的柔性仿生机器鱼。

脱脂工艺对光固化3D打印堇青石陶瓷性能的影响

光固化3D打印是制造高度复杂结构陶瓷的一种有效方法。打印的样件需要经历脱脂和烧结等热处理才能成为可用的陶瓷件,脱脂工艺对打印件性能影响巨大。本工作通过研究脱脂工艺对DLP光固化3D打印制备的堇青石陶瓷性能的影响规律,建立缺陷抑制策略。比较并分析了脱脂气氛和升温速率对陶瓷样件的表面裂纹和元素分布状态的影响,还对比进一步烧结后样件显微组织、尺寸收缩率、相对密度和弯曲强度等性能。研究发现脱脂气氛对样件各性能影响最大,使用氩气脱脂可显著降低表面裂纹,提高相对密度与弯曲强度;并确定最佳升温速率为1℃/min。最终获得表面完整无裂纹且相对密度为(94.6±0.3)%,弯曲强度为(94.3±3.2) MPa的堇青石陶瓷样件。本研究为光固化3D打印堇青石陶瓷的无缺陷制造与应用提供了科学依据与技术参考。

反Kagome点阵结构主参数分析及力学行为

为探寻力学性能更好的点阵结构,以点群理论为基础提出反Kagome点阵单胞模型,并与Kagome单胞模型进行力学性能对比分析。以结构压缩性能、剪切性能为目标,相对密度和承载能力为约束条件,运用应力应变理论确定反Kagome单胞关键参数-倾斜角度ω的取值范围。结合有限元分析结果,确定该模型在最佳力学性能下的ω取值。进行反Kagome点阵模型实验,以验证理论分析的正确性。研究结果表明:相同的外部条件下,当倾斜角度ω=52°时,反Kagome点阵结构的抗压缩性能最好,当倾斜角度ω=38°时该结构的剪切性能更好;但就综合性能而言,45°倾角优于其它两倾角。

喷墨打印技术制造新能源器件研究进展

新能源技术与器件的发展和使用是人类可持续发展的有效途径之一。目前大多数新能源器件采用的材料均基于陶瓷和复合材料等。综述了采用喷墨打印工艺制备新能源器件时对墨水配制及其性能的要求,以及该工艺用于新能源储能器件(如超级电容器和锂离子电池)和新能源转换器件(如太阳能电池和燃料电池)制造的研究进展。从原料到打印工艺等方面进行讨论,阐明存在的问题和解决方法,并展望了喷墨打印新能源器件领域的未来发展方向。

聚能为笔,化陶成墨,镌刻神笔马良新篇章

陶瓷,是一种历史悠久且应用广泛的无机非金属材料,在人类文明进程中扮演着至关重要的角色。如今,陶瓷因其优异的物理和化学性能得到大量的研究和使用,结构和功能属性复杂的先进陶瓷材料尤其在机械电子、能源环保、航空航天、生物医疗等高新技术领域占据不可或缺的地位。然而,陶瓷材料固有的高硬度和高脆性,使得在制造高度复杂的三维空间形状或定制化结构与功能产品的时候,传统的模具成形和加工技术往往面临难度高、周期长的技术局限。

燃料电池多孔陶瓷电极薄层的喷墨打印制造

通过研发水基镧锶钴铁氧体(LSCF)陶瓷墨水,制造喷墨打印固体氧化物燃料电池(SOFC)阴极薄层,通过粒径电位仪、流变仪、X射线衍射仪、扫描电子显微镜等对墨水和打印干燥烧结制得的薄层进行表征。结果表明:通过研磨细化,粉体平均粒径由数微米减少为100 nm;以此配制了具有优异分散稳定性的水基LSCF墨水;通过优化打印电压波形有效解决了卫星液滴及铺展不均问题;通过减少打印层数和延长层间打印间隔时间制备了表面形貌较好的多孔阴极薄层,可满足SOFC的使用需求。

高速连续光固化3D打印工艺与树脂打印件性能研究

受传统光固化工艺的分层打印原理的限制,液态树脂光固化3D打印的打印速度与打印质量一直无法获得突破。连续液面成型3D打印技术(CLIP)在一定程度上避免了物理分层的存在,进而可以缓解传统光固化打印过程中打印速度与打印质量相互制约,不能两全的问题,为高速高精度高质量树脂增材制造提供可能。详细研究了在高速打印模式下(300~1500 mm/h)CLIP3D打印工艺与打印速度对打印件质量的影响规律,并分析讨论了树脂黏度对CLIP打印速度和打印件质量的影响。结果表明:受树脂黏度影响,在高速打印模式下随着打印速度的不断增加,无层打印又逐渐向分层打印转变,打印件的性能也因此受到影响。较低速度的连续打印不仅能够获得较优的表面质量(S_(a)=1.98μm),同时还能够获得较高的拉伸强度(45.6 MPa),且结果均优于DLP打印。